Статика и динамика трубопроводов

Актуальность решения обозначенной проблемы определяется тем, что трубопроводы, в том числе изготовленные из композитных материалов, широко применяются в энергетике, нефтегазовой промышленности, аэрокосмической технике, машинах и аппаратах. Композитные трубы обладают рядом преимуществ. Они позволяют прокачивать среды при больших давлениях, имеют более высокую усталостную прочность, более стойки к агрессивным средам, могут иметь меньший вес и другие технические преимущества. Транспортировка жидкости и газа по трубопроводам осуществляется работой насосов, которые создают постоянное и переменное внутреннее давление. Вибрационные движения может совершать основание, с которым связаны опоры трубы. Для летательного аппарата, например, таким основанием служит его корпус. В условиях действия постоянного и переменного давления в транспортируемом продукте и вибрациях опор происходят как взаимодействия изгибных параметрических и вынужденных колебаний в одной плоскости, так и пространственные движения трубопровода. В зависимости от условий возбуждения колебания конкретного трубопровода могут усиливаться или ослабевать. Поэтому значительный практический и научный интерес представляют вопросы заблаговременного принятия мер по защите трубопровода от колебаний с большой амплитудой, вследствие которых он может потерять работоспособность. Научная новизна исследований заключается в развитии изгибно-вращательной модели для изучения пространственной статики и динамики трубопроводов. Применение данной модели также возможно при изучении плоских изгибных колебаний трубы. Модель учитывает действия гравитационной и выталкивающей архимедовой сил, сил вязкого сопротивления, взаимодействие постоянного и переменного давления в транспортируемой среде и изменений кривизны осевой линии, вибрации опор и т.д. Также важен учет внешней и внутренней присоединенных масс сред, взаимного влияния продольной и кольцевой деформаций трубы. Постоянное и переменное внутреннее и внешнее давления, а также другие факторы могут приводить к среднему перемещению трубопровода. В частности, явление всплытия подводного газового трубопровода, более тяжелого, чем выталкивающая сила воды, объясняется одновременным действием температурного расширения, осевого сжатия, поперечной распределенной нагрузки, обусловленной взаимодействием давления газа и воды и кривизной осевой линии. Такое равновесное положение сооружения является недопустимым для его эксплуатации. До сих пор не разработан механизм всплытия трубопровода вследствие изменения гидростатического давления при его подъеме и колебаний давления газа, что отмечено в литературе. Обычным является недостаток информации о причинах наступившего происшествия. В качестве примера можно привести всплытие двух газовых трубопроводов «Бованенково – Ухта-2» в Байдарацкой губе (залив Карского моря, лето 2021 года). Здесь трубопровод представляет собой слоистую конструкцию (между двумя стальными оболочками находится бетонный слой), что обеспечивает балластные, теплоизоляционные свойства, защиту внутренней трубы от повреждений. Особое внимание в проекте уделяется взаимодействию внутреннего давления в трубопроводе и изменений кривизны его осевой линии.