Различные аспекты учета давления жидкости и газа в задачах статики гибких стержней
Авторы: Овчинников Н.Т.
Опубликовано в выпуске: #11(119)/2021
DOI: 10.18698/2308-6033-2021-11-2124
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
Стержневые объекты в ряде практических применений нагружены давлением жидкостей и газов. Работа таких объектов исследуется в большом количестве публикаций, в части которых, несмотря на полную изученность вопроса, встречаются неправомерные положения. Так, в уравнения равновесия трубопровода часто включают осевое усилие вместо эквивалентного усилия, что снижает точность оценки формы изгиба и действующих напряжений. Проблемность учета давления объективно обусловлена более сложным видом этого нагружения в сравнении с весом, а также недостаточным распространением в инженерной среде известных положений. В обзорно-методической статье рассмотрен комплекс вопросов, связанных с нагружением стержня давлением. Получены векторные и линеаризованные уравнения равновесия стержня с учетом нагрузки от давления на поверхность. Обоснована эквивалентность нагружения стержня давлением и весовой нагрузкой, определяемой законом Архимеда. Приведены положения по учету давления при исследовании равновесия, устойчивости, деформирования и прочности стержня. В качестве примера показано влияние давления в задачах укладки трубопровода на морское дно и оценки продольной устойчивости стержня.
Литература
[1] Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. Москва, Недра, 1991, 287 с.
[2] Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. Москва, Недра, 1982, 341 с.
[3] Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов: Задачи взаимодействия стержней с потоком жидкости или воздуха. Москва, Машиностроение, 1982, 279 с.
[4] Шаммазов А.М., Зарипов Р.М., Чичелов В.А., Коробков Г.Е. Расчет и обеспечение прочности трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях. В 2 т. Т. 1: Численное моделирование напряженно-деформированного состояния и устойчивости трубопроводов. Москва, Интер, 2005, 706 с.
[5] Глазков А.С., Климов В.П., Гумеров К.М. Продольно-поперечный изгиб трубопровода на участках грунтовых изменений. Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов, 2012, № 1, c. 63–70.
[6] Александров М.М. Взаимодействие колонн труб со стенками скважины. Москва, Недра, 1982, 144 с.
[7] Бородавкин П.П., Березин В.Л., Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы. Москва, Недра, 1979, 415 с.
[8] Лебедев Н.Ф. Динамика гидравлических забойных двигателей. Москва, Недра, 1981, 251 с.
[9] Клюшников В.Д. Лекции по устойчивости деформируемых систем. Москва, Изд-во МГУ, 1986, 224 с.
[10] Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. Москва, Наука, Физматлит, 1996, 368 с.
[11] Дадашев Б.Б. К вопросу о продольном изгибе колонны бурильных труб от гидростатического давления. Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1940, № 10–11, c. 35–36.
[12] Moore P.I., Cole F.V. Does buoyancy cause buckling of drill collars and drill pipe? The Oil and Gas Journal, 1965, vol. 63, no. 37, pр. 108–110.
[13] Феодосьев В.И. Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов. 2-е изд. Москва, Наука, Физматлит, 1975, 176 с.
[14] Сидоров Н.А., Григорьев В.И. Напряженность и устойчивость обсадных колонн под влиянием внутреннего избыточного давления. В кн.: Разработка нефтяных и газовых месторождений. Москва, 1963, c. 193–200.
[15] Handelman G.H. Buckling under locally hydrostatic pressure. J. of Applied Mechanics, 1946, vol. 13, no. 3, pp. A198–A200.
[16] Банатов В.П., Столяров В.А. Влияние гидростатического давления на изменение веса наклонно расположенной обсадной колонны, закрепленной в ее нижней части. Известия вузов. Нефть и газ, 1973, № 8. c. 30–34.
[17] Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов. Москва, Недра, 1977, 407 с.
[18] Lubinski A., Althouse W.S., Logan J.Z. Helical buckling оf tubing sealed in packers. J. of Petroleum Technology, 1962, vol. 14, no. 6, рp. 655–670.
[19] Lubinski A., Blenkarn K.A. Buckling of tubing in pumping wells, its effects and means for controlling it. AIME Transactions, 1957, vol. 210, pp. 73–88.
[20] Palmer A.C., Baldry J.A.S. Lateral buckling of axially constrained pipelines. J. of Petroleum Technology, 1974, vol. 26, no. 11, pp. 1283–1284.
[21] Mitchell R.F. Tubing buckling — the state-of-the-art. SPE Drilling & Completion, 2008, December, pp. 361–370.
[22] Fyrileiv O., Collberg L. Influence of pressure in pipeline design: Effective axial force. Proceeding of OMAE2005 24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, January 2005, pp. 629–636. DOI: 10.1115/OMAE2005-67502
[23] Kaarstad E., Aadnoy B.S. Theory and application of buoyancy in wells. Modern Applied Science, 2011, vol. 5, no. 3, рp. 15–32.
[24] Nergaard A.I. Effective force; fiction or reality? SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 2015, September 28. DOI: 10.2118/174785-MS
[25] Nergaard A.I. The magic of buoyancy and hydrostatics — buoyancy and effective forces. Modern Applied Science, 2017, vol. 11, no. 12, рp. 77–83. DOI: 10.5539/mas.v11n12p77
[26] Samuel R., Kumar A. Effective force and true force: What are they? IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition, 6–8 March, 2012. DOI: 10.2118/151407-MS
[27] Gay Neto A., Pimenta P.M., Martins C.A. Hydrostatic pressure load in pipes modeled using beam finite elements: Theoretical discussions and applications. J. of Engineering Mechanics, 2017, vol. 143, no. 4. Art. no. 04017003. DOI: 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001189
[28] Li Z. Using the fictitious force to judge the stability of pipe string is wrong. The Open Petroleum Engineering Journal, 2013, vol. 6, no. 1, рp. 57–60. DOI: 10.2174/1874834101306010057
[29] Овчинников Н.Т. Учет гидростатики в задачах бурения. Известия вузов. Геология и разведка, 1979, № 11, с. 1–21. № 3160–79 Деп.
[30] Овчинников Н.Т. Работа колонны труб в скважине, заполненной жидкостью. Известия вузов. Геология и разведка, 1982, № 3, c. 145–150.
[31] Овчинников Н.Т. Разработка методов учета влияния гидростатического давления на напряженно-деформированное состояние колонн труб при бурении и эксплуатации скважин. Автореф. дис. … канд. техн. наук. Москва, 1984, 24 с.
[32] Курант Р. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 2. 4-е изд. Москва, Наука, Физматлит, 1970, 672 с.
[33] Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. 5-е изд. Москва, Наука, 1970, 544 с.
[34] Овчинников Н.Т. Моделирование приведения трубопровода в нормативное состояние изопериметрическим изменением формы. Территория нефтегаз, 2020, № 11–12, с. 90–101.