Напряженно-деформированное состояние (НДС) нефтепроводов, непосредственно приваренных к магистральному нефтеперекачивающему насосу (входные и выходные патрубки), напрямую влияет на долговечность и работоспособность нефтеперекачивающего агрегата в целом. Сезонные сдвиги грунтов, некачественная укладка коллектора, монтажные "натяги" концевых стыков нефтепроводов приводят к существенному росту действующих внутренних напряжений в материале нефтепровода и насосного агрегата. Вследствие этого, во время работы насоса возникают сильные вибрации из-за постоянных расцентровок, существенно сокращается межремонтный ресурс агрегата, повышается вероятность разрушения сварных стыков, может возникнуть серьёзная авария.
     В соответствие с РД 16.01-60.30.00-КТН-085-2-05*) основные и вспомогательные нефтепроводы нефтеперекачивающих станций (НПС) должны проходить периодический диагностический контроль для оценки текущего состояния и продления ресурса, в том числе, необходимо контролировать НДС нефтепроводов. Получение значений действующих механических напряжений возможно с помощью метода акустоупругости и прибора ИН-5101А его реализующего. На основании полученных значений напряжений возможно создание нормативов по оценке степени их опасности, также можно оценить какие технологические дефекты приводят к появлению недопустимых напряжений.
     В настоящей статье описывается случай, который наглядно показывает, как можно использовать прямые измерения напряжений, действующих в стенках входных и выходных патрубков магистрального нефтеперекачивающего агрегата (МНА), для оценки смещений сварного стыка, в месте приварки патрубков к нефтеперекачивающему насосу.

     Нефтеперекачивающие насосы №№ 1, 2, 3, 4 НПС №2 «Нефтеюганск».
     Дата измерений: май 1997г.
     Измерения механических напряжений проводились в материале входных и выходных патрубков нефтеперекачивающих насосов №№ 1, 3 и 4, а также в концевых сечениях отрезанных патрубков (ненапряженные участки) на демонтированном насосе № 2 (рис.1).
     Измерялась продольная компонента напряжения σ1, связанная с изгибом патрубков.
     Измерения проводились с целью оценки возможностей прибора ИН-5101А для измерения механических напряжений в материале нефтепроводов, а также для оценки усилий, возникающих в патрубках в результате их монтажа и приварки к насосам и оценки значений смещения кромок сварного стыка патрубков и насоса.
     Измерения проводились в точках, показанных на рис. 2, в режиме «безнулевой акустической тензометрии» (БАТ), в качестве нулевых (соответствующих ненагруженному состоянию) параметров акустической анизотропии материала патрубков использовались параметры, полученные на патрубках насоса № 2.
     Для выходного патрубка агрегата №3, где зафиксированы максимальные напряжения, осуществлялся расчёт статической силы, приводящей к изгибу патрубка, и расчёт смещений кромок стыка выходного патрубка и насоса методом конечных элементов (основные размеры конструкции приведены на рис. 3).

     Результаты измерений продольных напряжений приведены в таблице 1.
     Таблица 1. Измеренные продольные напряжения входных и выходных патрубков нефтеперекачивающих насосов НПС №2 «Нефтеюганск».

№№ насоса	Измеренные напряжения в точках контроля, МПа							Примечание
	1	2	3	4	5	6	7
1 вх.	-60	50	20	30	-10	-10	-20
1 вых.	10	10	40	-40	-30	20	20
4 вх.	90	-10	-100	-10	-30	80	20
4 вых.	10	-20	90	10	-60	-80	30
3 вх.	-10	-10	30	40	-10	0	-30
3 вых.	20	200	90	80	10	-120	-180	Максимальные напряжения
2 вх.	-20	-30	10	0	0	20	10	Насос демонтирован

     Максимальные значения продольных напряжений зафиксированы на выходном патрубке насоса №3 (около 0,5 σТ для стали марки 17Г1С, из которой изготовлены патрубки). Эпюра распределения напряжений для выходного патрубка насоса №3 показана на рис. 4. Из рассмотрения эпюры на рис.4 следует, что максимальное напряжение действует в плоскости близкой к горизонтальной.
     Для ненагруженного патрубка (насос № 2 – входной), где продольные напряжения σ₁ ~ 0, погрешность оценки ненагруженного состояния не превышает ~ 7% от σ_Т для стали марки 17Г1С.
     Распределение продольных напряжений для наиболее нагруженных патрубков показано на рис. 5.

Основные допущения, принятые при расчете величины действующей статической силы:

1. Выходной трубопровод имеет жесткую заделку в плоскости крепления к насосу.
2. Криволинейный выходной патрубок заменяется прямолинейной балкой постоянного (кольцевого) сечения (L= 3м - длина, D=1,0м - внешний диаметр сечения  =14мм - толщина стенки).
3. При расчете учитывается только чистый изгиб.
4. Влияние массы выходного трубопровода и присоединенной массы коллектора на величину действующей статической силы (Р) не учитывается.

     Расчётные формулы:
     
     где σ₁ = 200 МПа ~ 20х10³ т/м – измеренное максимальное напряжение;
     М_и = Р (L – 0,5) – изгибающий момент [тм];
     W - момент сопротивления изгибу [м₃]. Для / D_ср = 0,02 ср² = 0,76 (D-)₂ [1].
     Отсюда


     
     Подставляя числовые значения в последнюю формулу, получим:


     Р ~ 83 т.


     Следует отметить, что проведенный расчет является ориентировочным, т.к. не учтены кривизна трубопровода и присоединенные массы.
     Расчёт смещения кромок стыка выходного патрубка и насоса осуществлялся методом конечных элементов в программе ANSYS, в качестве исходных данных использовались значения измеренных напряжений и геометрические параметры конструкции. Результаты расчёта приведены в табл. 2.
     Таблица 2. Усреднённые результаты расчёта смещения кромок стыка выходного патрубка и насоса нефтеперекачивающего агрегата №3