Моделирование работы ремонтных конструкций магистральных трубопроводов с дефектами в условиях эксплуатации в среде CAE Fidesys
В апреле 2026 года компанией ООО «ИскраТех» в среде CAE Fidesys проведено масштабное численное исследование работы системы «магистральный трубопровод – ремонтная конструкция» в эксплуатационных условиях. Выполнено конечно-элементное моделирование, включающее 86 расчётных случаев, охватывающих бездефектное состояние и широкий спектр дефектов в трубе, ремонтных конструкциях и зоне их взаимодействия. При расчётах учтено совместное действие внутреннего давления и изгиба, а также нелинейный характер контактного взаимодействия.
Цель исследования
Целью исследования является определение допустимых предельных размеров дефектов ремонтных конструкций, при которых обеспечивается надёжная и безопасная эксплуатация участка магистрального трубопровода в междиагностический период, в том числе при наличии дефектов в основном металле трубы под ремонтными конструкциями, по которым зафиксировано развитие по результатам внутритрубной диагностики.
Реализация исследования
В соответствии с техническим заданием и ГОСТ Р 59724–2021 были построены трёхмерные модели ремонтных муфт, устанавливаемых на участок трубы Ø 1220 мм длиной 5 м с толщиной стенки 12 мм. Рассмотрены конструкции типов П1–П5 (см. рисунки 1–5): композитная муфта (П1), обжимная приварная муфта (П2), галтельная муфта (П3), галтельная муфта с технологическими кольцами (П4), галтельная сварная муфта (П5). Построенные модели отражают основные конструктивные особенности муфт и используются для дальнейшего расчётного анализа.
Рисунок 1 — Муфта композитная П1
Рисунок 2 — Муфта обжимная приварная П2
Рисунок 3 — Муфта галтельная П3
Рисунок 4 — Муфта галтельная с технологическими кольцами П4
Рисунок 5 — Муфта галтельная сварная П5
Рисунок 6 — КЭМ ремонтной конструкциим
На основе разработанных геометрических моделей была построена пространственная конечно-элементная модель. Формирование полной расчётной модели, а также настройка и решение задачи выполнены в программной системе компьютерного инжиниринга CAE Fidesys.
Дискретизация осуществлена с использованием твердотельных конечных элементов второго порядка: 10-узловых тетраэдральных (TETRA10) и 20-узловых гексаэдральных элементов (HEX20), обеспечивающих требуемую точность расчёта.
Рисунок 7 — Дефект потери металла
Рисунок 8 — Трещиноподобный концентратор напряжений
Конечно-элементная модель (КЭМ) ремонтной конструкции приведена на рисунке 6, примеры локальных сгущений сетки в зонах дефектов (потеря металла, трещиноподобные концентраторы напряжений) — на рисунках 7 и 8.
Нагружение давлением и изгибом (без дефектов)
Зависимости кольцевых и продольных напряжений от величины эксплуатационных нагрузок
Для расчетных случаев, соответствующих бездефектному состоянию трубопровода при действии внутреннего давления и изгиба, получены зависимости кольцевых и продольных напряжений от величины эксплуатационных нагрузок для трубы и ремонтных конструкций(см. рис. 11-12). Установлено, что кольцевые и продольные напряжения при увеличении внутреннего давления, а также продольные напряжения при увеличении изгиба возрастают линейно и пропорционально величине нагрузки. При этом кольцевые напряжения при изменении изгиба остаются практически постоянными.
Рисунок 9 — Распределение кольцевых (σFF) и продольных (σZZ) напряжений в системе «труба–муфта» при действии давления и изгиба
Рисунок 10 — Распределение кольцевых (σFF) и продольных (σZZ) напряжений в трубе (муфта скрыта)
Рисунок 11 — Зависимости кольцевых (σFF) и продольных (σZZ) напряжений от внутреннего давления
Рисунок 12 — Зависимость кольцевых (σFF) и продольных (σZZ) напряжений от изгиба
Оценка прочности композитного слоя и адгезионного соединения
Рисунок 13 — Радиально-осевые касательные напряжения композита τZR, МПа
Для ремонтной конструкции типа П1 (композитная муфта) выполнена оценка напряжённого состояния композитного слоя и адгезионного соединения «композит–металл». Оценка работоспособности композитного слоя проводилась по нормальным и касательным напряжениям (см. рис. 13) в цилиндрической системе координат. Прочность композитного материала анализировалась по радиальным нормальным напряжениям, а адгезионная прочность соединения — по касательным напряжениям на границе контакта композитного слоя с металлическими элементами муфты.
Дефекты на трубе и на ремонтной конструкции
В рамках расчёта также рассмотрены дефекты, расположенные в различных зонах ремонтной конструкции, включая дефекты потери металла, а также трещиноподобные концентраторы напряжений в основном металле и по линиям сплавления сварных соединений (продольных, стыковых кольцевых и нахлесточных кольцевых швов). Аналогичные дефекты рассматривались при их расположении непосредственно в теле трубопровода. Примеры моделирования указанных дефектов приведены на рисунках 14 и 15.
Рисунок 14 — Кольцевые и продольные напряжения в области дефекта потери металла на ремонтной конструкции
Рисунок 15 — Кольцевые и продольные напряжения в сечении трубопровода с ремонтной конструкцией в области трещиноподобного концентратора напряжений в основном металле трубы
Далее был выполнен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния системы «труба–муфта» при различных вариантах задания дефекта (в теле трубы и в теле муфты).
Целью анализа являлась оценка чувствительности расчетной модели к месту задания дефекта и проверка, влияет ли это на характер распределения напряжений и их максимальные значения.
Для этого были сопоставлены результаты моделирования по уровням напряжений и зонам их концентрации.
Несплавление монтажного сварного соединения
Рисунок 16 — Схема расположения дефекта типа «несплавление» в монтажном сварном соединении муфты
В рамках исследования была проведена серия расчетов для различных вариантов дефекта типа несплавления в монтажном сварном соединении. Рассматривались несколько конфигураций несплавлений (пять вариантов) для различных типов муфт.
Один из рассматриваемых вариантов расположения дефекта приведен на рисунке 16.
Распределения напряжений, полученные в результате расчетов, представлены отдельно для трубы и для муфты (см. рис. 17 и 18). На соответствующих рисунках приведены поля кольцевых (σFF) и продольных (σZZ) напряжений.
Рисунок 17 — Кольцевые и продольные напряжения в трубе при наличии несплавления
Рисунок 18 — Кольцевые и продольные напряжения в муфте при наличии несплавления
Для рассматриваемого случая, соответствующего наличию непровара, выполнен анализ напряжений в контрольных точках вдоль оси трубы в зоне муфтового соединения. Показано, что в зоне дефекта отсутствует протяжённое повышение напряжений. Установлено, что непровар вызывает локальные концентрации напряжений в областях его начала и окончания.
Полость в композите
Рисунок 19 — Схема расположения дефекта типа «полость» в композитном слое муфты
Схема расположения дефекта типа отслоения композитного слоя представлена на рисунке 19. Распределения продольных напряжений в трубе, а также радиальных и касательных напряжений в композитном слое приведены на рисунках 20–21.
Рисунок 20 — Кольцевые и продольные напряжения в трубе при наличии полости в композите
Рисунок 21 — Радиально-осевые касательные напряжения композита τZR, МПа
Установлено, что наличие отслоения композитного слоя приводит к локальному перераспределению напряжений в приграничной зоне дефекта. Наибольшее влияние наблюдается при выходе отслоения на край ремонтной конструкции при совместном действии давления и изгиба.
Значения радиальных и касательных напряжений в композитном слое не превышают допустимых уровней, что свидетельствует о сохранении его работоспособности и адгезионной прочности соединения «композит–металл».
Заключение. Моделирование трубопроводов в CAE Fidesys
В данной работе представлены результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния системы «труба–муфта» при оценке прочности ремонтной конструкции и трубы.
Для проведения расчетов использовались пространственные геометрические модели, дискретизированные в рамках твердотельной постановки метода конечных элементов. При моделировании учитывались основные конструктивные элементы системы и особенности их взаимодействия.
В расчетах учитывались внутреннее давление, изгиб, сварные соединения, нелинейное контактное взаимодействие, а также адгезионная связь, заданная по схеме «узел-в-узел» для композитной муфты.
В результате расчетов получены распределения напряжений в характерных сечениях и зонах концентрации, что позволило оценить влияние дефектов на прочностное состояние системы. Показано, что в бездефектном состоянии напряжения изменяются пропорционально действующим нагрузкам и носят предсказуемый характер (см. рис. 11–12).
Установлено, что наличие дефектов приводит к формированию локальных концентраций напряжений в зонах их расположения, при этом вне зоны дефекта существенного изменения напряженного состояния не наблюдается, что свидетельствует о локальном характере их влияния.
Полученные результаты могут быть использованы при оценке работоспособности ремонтных конструкций и обосновании допустимых размеров дефектов при эксплуатации магистральных трубопроводов, а также при разработке расчетных методик и нормативных требований.
Список литературы:
- ГОСТ 7.32–2017 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления
- ГОСТ Р 59724–2021 Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Конструкции ремонтные. Общие технические условия
- ГОСТ Р ИСО 17659–2009 Сварка. Термины многоязычные для сварных соединений
- Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975. — 541 с.
Получить консультацию
Заполните форму прямо сейчас, и мы свяжемся с Вами!
* Обязательные поля для заполнения
