Сопоставление эффекта бурдона и концевого эффекта при расчетах вибрации трубопроводов .

Объектами исследования являются морские подводные трубопроводы. Для обеспечения условий их безаварийной и длительной эксплуатации выполняются расчеты прочности, устойчивости и вибрации. В соответствии с требованиями Правил [1] и [2] учитывается ряд факторов и нагрузок, воздействующих на трубопровод, где обязательным является учет концевого эффекта, но требования к учету эффекта Бурдона отсутствуют. Цель состоит в сопоставлении влияния эффекта Бурдона и концевого эффекта на спектр собственных частот свободных пролетов. Для достижения поставленной цели с помощью метода конечных элементов выполнено численное моделирование свободных пролетов различной кривизны при использовании конечных элементов двух типов: пластинчатого SHELL и трубчатого PIPE. Первый позволяет напрямую учесть эффект Бурдона с концевым эффектом или без него, в то время как второй — только концевой эффект. В результате расчета статической задачи при действии внутреннего давления получена сходимость пластинчатой и трубчатой моделей по максимальным эквивалентным напряжениям, однако наблюдается большая разница по прогибам, опорным реакциям и коэффициентам запаса устойчивости, причем трубчатая модель существенно завышает последние, что говорит о нерациональности ее применения при оценке устойчивости трубопроводов высокого давления. В результате расчета модальных задач как с учетом, так и без учета начальных напряжений от внутреннего давления выявлена тенденция завышения значений собственных частот трубчатой моделью, хотя и с разницей, укладывающейся в инженерные 10 %. Поскольку применение пластинчатых конечных элементов связано с заметным повышением вычислительной сложности, что не всегда оправдано и технически осуществимо, рекомендуется в каждом конкретном случае обосновывать выбор типа элементов, что возможно как за счет сопоставительных расчетов, так и за счет коэффициентов запаса. В целом выявлено, что концевой эффект не является эквивалентной заменой эффекта Бурдона при расчетах устойчивости и вибрации трубопроводов, хотя и позволяет упростить выполнение последних за счет использования трубчатых конечных элементов. 

1. DNV-ST-F101 Submarine pipeline systems, Edition August 2021.

2. Правила классификации и постройки морских подводных трубопроводов / Российский морской регистр судоходства. СПб., 2022.

3. DNV-RP-F105 Free spanning pipelines, Edition June 2017.

4. Fyrileiv O. Influence of pressure in pipeline design — effective axial force / O. Fyrileiv, L. Collberg // Proceedings of the 24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE 2005). — 2005. — Pp. 629 — 636.

5. Massa A.L. The Influence of Internal Pressure on Pipeline Natural Frequency / A.L. Massa, N.S. Galgoul, N.O. Guevara, A.C. Fernandes, F.M. Coelho, S.F. da Silva Neto // Proceedings of the 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE 2009). — 2009. — Pp. 559 — 566.

6. Авдонкин А.С. Сравнительный анализ достоверности методик определения максимальной длины свободных пролетов морских подводных трубопроводов / А.С. Авдонкин, Я.М. Любомиров, Б.А. Ярцев // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2016. — № 44 — 45. — С. 96 — 101.

7. DNV-RP-F101 Corroded pipelines, Edition September 2019.

8. Carino Rody P.H., Kenedi P.K., Calas Lopes Pacheco P.M. Cladded Pipes Stress Analysis / P.H. Carino Rody, P.K. Kenedi, P.M. Calas Lopes Pacheco // Proceedings of the 25th National Congress on Maritime Transportation, Ship and Offshore Construction, 2014.

9. DNV-RP-F110 Global buckling of submarine pipelines, Edition September 2019.

10. ГОСТ Р 57700.24-2020 Компьютерные модели и моделирование. Валидационный базис. М.: Стандартинформ, 2020.

11. ГОСТ Р 57700.25-2020 Компьютерные модели и моделирование. Процедуры валидации. М.: Стандартинформ, 2020.