научная статья по теме ЧИСЛЕННАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

№ 6

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2008

УДК 622

© 2008 г. СЕЛЕЗНЕВ В.Е., АЛЕШИН В.В., ПРЯЛОВ С.Н.

ЧИСЛЕННАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В статье приведены базовые теоретические положения численной верификации проектных решений, принимаемых при сооружении новых или реконструкции действующих магистральных трубопроводов энергетических систем. Численная верификация проводится для определения и исправления ошибок проектных решений, приводящих к снижению надежности, промышленной безопасности, экологичности и эффективности последующей эксплуатации проектируемого трубопровода. Предлагаемый подход основан на компьютерном прогнозировании параметров функционирования проектируемого трубопровода при нормальных условиях эксплуатации и при возникновении аварийных ситуаций. Для прогнозирования необходимо параллельно с разработкой проекта магистрального трубопровода проводить построение набора частных вычислительных технологий и высокоточных компьютерных симу-ляторов. В последних моделируются физические процессы в трубопроводной системе при ее дальнейшей эксплуатации. Симуляторы и частные вычислительные технологии строятся на адаптации базовых математических моделей механики и электродинамики сплошных сред к описанию процессов сооружения (реконструкции) и работы магистральных трубопроводов. Адаптация производится с применением правила минимизации упрощений и допущений. Выявление и исправление ошибок проектных решений производится при анализе результатов численных экспериментов по имитации жизненного цикла проектируемой трубопроводной системы с использованием разработанных симуляторов и частных вычислительных технологий.

Постановка задачи. В настоящее время в мире проектируются и сооружаются несколько магистральных трубопроводов энергетических систем. Это - и российский проект магистральных трубопроводов "Восточная Сибирь - Тихий океан" и международный проект магистрального газопровода "Nord Stream". Их реализация позволит повысить надежность снабжения углеводородным сырьем Китая, Японии, стран ЕС и удаленных районов России.

Мировая общественность уделяет большое внимание вопросам безопасности и экологичности глобальных трубопроводных систем. Многочисленные международные и национальные надзорные и природоохранные организации требуют от компаний, сооружающих или реконструирующих эти трубопроводы, научно обоснованных гарантий их надежности и безопасности для населения и окружающей среды.

В настоящее время используются современные системы автоматизированного проектирования, обеспечивающие высокую степень автоматизации труда проектировщиков и ускоряющие процесс разработки проекта. Но такие системы ориентированы, как правило, на проведение только упрощенных оценочных расчетов конструкций и параметров функционирования новых трубопроводов и их воздействий на окружающую среду. Для гарантий надежности, безопасности и экологичности проектируемых трубопроводов результатов упрощенных оценочных расчетов недостаточно.

Для решения этой задачи перспективно применение численного моделирования, а для верификации проектных решений необходимо разработать новые вычислительные технологии прогнозирования и анализа параметров предполагаемого жизненного

цикла проектируемого трубопровода современных технологий высокоточного компьютерного моделирования [1]. При этом прогнозный анализ нужно начинать с оценки отклонения геометрических параметров и уровня остаточных напряжений, возникающих при изготовлении труб и трубных деталей, которые будут применяться при сооружении проектируемого трубопровода. В качестве расчетного ядра отечественной компьютерной аналитической системы (КАС) "Alfargus/CHTRP-CPS/SOT" использовалась универсальная компьютерная программа ANSYS [2], реализующая метод конечных элементов (МКЭ) [3].

Возможность практической реализации предлагаемых базовых теоретических положений численной верификации проектных решений, принимаемых при сооружении трубопроводов, обеспечивается существующим уровнем развития математической физики, численных методов моделирования и высокопроизводительной компьютерной техники. К численным методам прежде всего следует отнести МКЭ [3], метод контрольных объемов [3, 4], метод конечных разностей [4], метод граничных элементов [3] и т.д. Для высокоточной верификации проектных решений важно присутствие на рынке надежных универсальных программных продуктов, которые предназначены для численного решения задач механики и электродинамики сплошных сред. Эти программы снабжены специальными средствами параметрического программирования, позволяющими встраивать их в КАС в качестве расчетных ядер. Примерами таких программ являются: ANSYS (США) [2], MSC.NASTRAN (США) [5], ABAQUS (США) [6], MSC.MARC (США) [7], CFX (США) [8], LS-DYNA (США) [9], Star-CD (Великобритания) [10] и др.

Практическое применение численной верификации проектных решений должно быть направлено: на повышение качества и сокращение сроков выполнения проектных работ; на аргументированную защиту проектов перед надзорными, природоохранными и экспертными организациями; на повышение точности оценки несущей способности и определение запасов прочности всех участков проектируемой трубопроводной системы; на формирование рекомендаций по безопасному повышению пропускной способности трубопроводной системы с учетом реального состояния конструкции; на прогнозирование последствий аварийных разрушений трубопроводов и выработку комплекса защитных мер для снижения ущерба; на разработку политики страхования проектируемой трубопроводной системы; на разработку планов ремонта и реконструкции трубопроводной системы и т.д.

Теоретические положения метода. Метод численной верификации проектных решений базируется на компьютерном прогнозировании параметров функционирования проектируемого трубопровода на протяжении его предполагаемого жизненного цикла при нормальных условиях эксплуатации и в случаях возникновения аварийных ситуаций.

Метод заключается в построении и численном анализе комплекса взаимосвязанных математических моделей жизненного цикла трубопроводных систем (включая их техническую диагностику), описывающих: сложное нелинейное напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопроводных конструкций при эксплуатационных и аварийных нагрузках (включая воздействия от прогнозируемых стихийных бедствий и возможных террористических атак); функционирование при нормальной эксплуатации и в аварийных ситуациях; управление транспортированием продуктов по трубопроводным сетям при нормальной эксплуатации и при авариях; технологии и аппаратные средства диагностики технического состояния трубопроводных сетей; изменения состояния и режимов функционирования системы при ремонте дефектных участков трубопроводов; вредные воздействия на людей и окружающую среду при нормальной эксплуатации, в нештатных и аварийных ситуациях.

Для компьютерного прогнозирования предлагается параллельно с проектированием магистрального трубопровода проводить построение ряда высокоточных компьютерных симуляторов физических процессов, которые будут протекать в новой или реконструированной трубопроводной системе при ее эксплуатации [1, 11]. Для анализа

специфических конструкторских решений или исследования механизмов снижения последствий особо опасных аварийных ситуаций на стадии проектирования разрабатывается набор частных вычислительных технологий [1, 12, 13]. Современный уровень позволяет минимизировать время на построение компьютерных симуляторов и разработку частных вычислительных технологий. Это дает возможность проектировщикам соблюдать установленные сроки выполнения проектных работ.

Высокоточные компьютерные симуляторы и частные вычислительные технологии строятся на адаптации базовых математических моделей механики и электродинамики сплошных сред к описанию процессов сооружения и работы магистральных трубопроводов, включая нештатные и аварийные ситуации [1]. Адаптация производится с применением правила минимизации глубины необходимых при моделировании упрощений и допущений. Адекватность математических моделей, реализованных в симу-ляторах и частных технологиях, проектируемым трубопроводным системам и прогнозируемым процессам их функционирования (включая аварийные ситуации), а также сходимость методов их численного анализа к достоверным результатам обосновывается теоретически и подтверждается численными и натурными экспериментами. Следует отметить, что требуемое качество верификации проектных решений не может быть получено при использовании существенно упрощенных математических моделей. Применение таких моделей часто приводит к грубым или ошибочным оценкам параметров физических процессов функционирования трубопроводов, не удовлетворяющим современным и перспективным требованиям проектирования и эксплуатации трубопроводных систем [14], что требует многочисленных исправлений проектов и срывает сроки их выполнения.

Определение и исправление ошибок и недочетов проектных решений производится при проведении и анализе результатов численных экспериментов по имитации жизненного цикла проектируемой трубопроводной системы с использованием разработанных симуляторов и частных вычислительных технологий. Для повышения гарантий по выявлению ошибок и недочетов планы проведения численных экспериментов должны тщательно составляться опытными проектировщиками в сотрудничестве с разработчиками применяемых симуляторов и вычислительных технологий. Суть численных экспериментов, как правило, сводится к детальному исследованию поведения проектируемого трубопровода при многофакторных воздействиях и изменяющихся режимах транспортирования по нему продуктов, характерных для критических ситуаций его функционирования в разные периоды жизненного цикла. При этом вероятностные изменения исходных данных моделируются с помощью компьютерных генераторов псевдослучайных чисел, работающих по заданным законам распределения вероятностей. Применение симуляторов и частных вычислительных технологий направлено не только на выявление ошибок в проектах, но и на выработку рекомендаций по их гарантированному устра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком