izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2023-27-4-8-24izvestswsu-1200Research ArticleМашиностроение и машиноведениеMechanical engineering and machine scienceНапряженно-деформированное состояние сварного соединения при приварке седлового отвода к полиэтиленовой трубе в условиях низких температурStress-Strain State of a Welded Joint in Welding a Saddle Branch to a Polyethylene Pipe under Low Temperatureshttps://orcid.org/0000-0002-5686-1817СтаростинН. П.StarostinN. P.

Старостин Николай Павлович, доктор  технических наук, профессор, г.н.с., и.о. зав.лабораторией климатических  испытаний

ул. Автодорожная, д. 20, г. Якутск 677007

AuthorID 7004125992 

Nikolay P. Starostin, Dr. of Sci. (Engineering), Professor, Chief Scientific Officer, Acting Head Climate Testing Laboratory

20, Avtodorozhnaya str., Yakutsk 677007

AuthorID 7004125992 

nikstar56@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9930-3305ТихоновР. С.TikhonovR. S.

Тихонов Роман Семенович, кандидат  технических наук, с.н.с.

ул. Автодорожная, д. 20, г. Якутск 677007

AuthorID 56763891300 

Roman S. Tikhonov, Cand. of Sci. (Engineering), Senior Researcher

20, Avtodorozhnaya str., Yakutsk 677007

AuthorID 56763891300 

roman_tikhon@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1805-1776НиколаеваМ. А.NikolaevaM. A.

Николаева Мария Александровна, кандидат физико-математических наук, с.н.с.

ул. Автодорожная, д. 20, г. Якутск 677007

AuthorID 36867667000 

Mariya A. Nikolaeva, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

20, Avtodorozhnaya str., Yakutsk 677007

AuthorID 36867667000 

eowa@mail.ruАкимовМ. П.AkimovM. P.

Акимов Мир Петрович, кандидат  технических наук, доцент

ул. Кулаковского, д. 48, г. Якутск 677891

AuthorID 57214972589

Mir P. Akimov, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor

48, Kulakovskogo str., Yakutsk 677891

AuthorID 57214972589

mir_akimov@mail.ruИнститут проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН – обособленное подразделение ФГБНУ ФИЦ «Якутский научный центр Сибирского отделения РАН»Institute of Oil and Gas Problems of the Siberian Branch of the RAS - Division of Federal Research Centre «Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences»Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. АммосоваNorth-East Federal University202301032024274824Copyright © Старостин Н.П., Тихонов Р.С., Николаева М.А., Акимов М.П., 20242024Старостин Н.П., Тихонов Р.С., Николаева М.А., Акимов М.П.Starostin N.P., Tikhonov R.S., Nikolaeva M.A., Akimov M.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/1200

Целью исследования является сравнительный анализ напряженно-деформированных состояний сварных соединений при приварке седловых отводов к действующим газопроводам в нормальных условиях по стандартной технологии и низких температурах по предлагаемой технологии.

Методы

Методы. Для достижения цели выполнена численная реализация математической модели  термоупругого  состояния методом конечных элементов. Динамика изменения температурного поля в процессе приварки седлового отвода к полиэтиленовой трубе описывалась нестационарным трехмерным уравнением теплопроводности с учетом фазовых превращений в интервале температур. Температурные напряжения при приварке седлового отвода к полиэтиленовым трубам рассматриваются в квазистационарной постановке, в которой напряжения зависят от решения тепловой задачи сварки в каждый расчетный момент времени. Вычислительные эксперименты проводились в среде программирования Python с использованием вычислительного пакета Dolphin/Fenics. Вычислительная сетка построена с использованием программы GMSH.

Визуализация полученных результатов реализовывалась с помощью пакета Paraview.

Результаты

Результаты. При приварке седлового отвода к полиэтиленовой трубе при температурах воздуха ниже нормативных расчетами определены технологические параметры сварки. На основе вычислительных экспериментов приварки седлового отвода к действующему газопроводу при допустимых и низких температурах окружающего воздуха динамики полей температур, напряжений и деформаций в зоне термического влияния практически идентичны.

Заключение

Заключение. Результаты расчетов показали, что при приварке седловых отводов к полиэтиленовым трубам действующих газопроводов в условиях низких температур по предлагаемой технологии основные  физические и механические процессы будут протекать как при сварке в нормальных условиях и обеспечат необходимую прочность

Purpose of research

Purpose of research. The aim of the study is a comparative analysis of the stress-strain states of welded joints during welding of saddle branches to existing gas pipelines under normal conditions using standard technology and low temperatures using the proposed technology.

Methods

Methods. To achieve the goal, a numerical implementation of the mathematical model of the thermoelastic state by the finite element method in the Python programming environment using the Fenics computing package was performed. The computational grid was built using the GMSH program. Visualization of the obtained results was implemented using the Paraview package.

Results

Results. On the basis of computational experiments of welding a saddle branch to an existing gas pipeline at permissible and low ambient temperatures, the dynamics of the temperature fields, stresses and strains in the heataffected zone are almost identical.

Conclusion

Conclusion. The calculation results showed that when welding saddle branches to polyethylene pipes of existing gas pipelines at low temperatures using the proposed technology, the main physical and mechanical processes will proceed as in welding under normal conditions and provide the necessary strength.

математическое моделированиесварка полиэтиленовых трубнапряженно-деформированное состояниеседловой отводметод конечных элементов: mathematical modelingwelding of polyethylene pipesstress-strain statesaddle branchfinite element methodРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской федерации № 122011100162-9.The work was carried out within the framework of the state task of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation No. 122011100162-9.ReferencesВасильева М.А., Старостин Н.П. Анализ температурных полей сварки полиэтиленовых распределительных трубопроводов с помощью седлового отвода при температурах воздуха ниже нормативных // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2022. № 1 (185). С. 54–58. DOI: 10.52190/2073-2597_2022_1_54Vasileva M.A., Starostin N.P. Analiz temperaturnykh poley svarki polietilenovykh raspredelitel'nykh truboprovodov s pomoshch'yu sedlovogo otvoda pri temperaturakh vozdukha nizhe normativnykh [Temperature field analysis in the welding of polyethylene distribution gaspipelines with the use of a saddle branch at ambient temperatures below standard]. Informatsionnyye tekhnologii v proyektirovanii i proizvodstve = Information Technologies of CAD/CAM/CAE, 2022, no. 1 (185), pp. 54–58. DOI: 10.52190/2073-2597_2022_1_54.Математическое моделирование деформационных процессов при сварке полиэтиленовых труб / В.И. Махненко, Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, Е.Ш. Гисер // Автоматическая сварка. 1991. № 4. С. 1–6.Makhnenko, V. I., Velikoivanenko, E. A., Rozynka, G. F., Giser, E. Sh. Matematicheskoye modelirovaniye deformatsionnykh protsessov pri svarke polietilenovykh trub [Mathematical modeling of deformation processes in the welding of polyethylene pipes]. Avtomaticheskaya svarka = Automatic Welding, 1991, no. 4, pp. 1–6.Труфанов Н.А., Сметанников О.Ю., Завьялова Т.Г. Численное решение краевых задач механики полимеров с учетом фазовых и релаксационных переходов // Математическое моделирование. 2000. Т. 12, № 7. С. 45–50.Trufanov, N. A., Smetannikov O. Yu., Zav'yalova T. G. Chislennoye resheniye krayevykh zadach mekhaniki polimerov s uchetom fazovykh i relaksatsionnykh perekhodov [Numerical solution of boundary value problems of polymer mechanics with allowance for phase and relaxation transitions]. Matematicheskoye modelirovaniye = Mathematical Modeling, 2000, vol. 12, no. 7, pp. 45–50.Тихонов Р.С., Старостин Н.П., Аммосова О.А. Исследование влияния низких температур окружающего воздуха на термоупругое состояние электромуфтового сварного соединения полиэтиленовых труб // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2022. № 3 (187). С. 41–47. DOI: 10.52190/2073-2597_2022_3_41Tikhonov R.S., Starostin N.P., Ammosova O.A. Issledovaniye vliyaniya nizkikh temperatur okruzhayushchego vozdukha na termouprugoye sostoyaniye elektromuftovogo svarnogo soyedineniya polietilenovykh trub [Investigation of the effect of low ambient temperatures on the thermoelastic state of electrofusion welded joint of polyethylene pipes ]. Informatsionnyye tekhnologii v proyektirovanii i proizvodstve = Information Technologies of CAD/CAM/CAE, 2022, no. 3 (187), pp. 41–47.Старостин Н.П., Николаева М.А. Приварка седлового отвода к полиэтиленовой трубе газопровода при низких температурах // Нефтегазовое дело. 2022. Т. 20, № 4. С. 133–140.Starostin N.P., Nikolayeva M.A. Privarka sedlovogo otvoda k polietilenovoy trube gazoprovoda pri nizkikh temperaturakh [Welding of tapping saddle to a polyethylene pipe of the gas pipeline at low temperatures]. Neftegazovoye delo = Petroleum Engineering, 2022, vol. 20, no. 4, pp. 133–140.Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Изд. 2-е. М: Энергия, 1969. 440 с.Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha [Heat transfer. Edit.2] Moscow, Energiya Publ., 1969, 440 p.Численное моделирование температурного поля многолетнемерзлого грунтового основания железной дороги / П. Н. Вабищевич, С. П. Варламов, В. И. Васильев, М. В. Васильева, С. П. Степанов // Математическое моделирование. 2016. Т. 28. № 10. С. 110–124.Vabishchevich P.N., Varlamov S.P., Vasiliev V.I., Vasilieva M.V., Stepanov S.P. Numerical simulation of the temperature dynamics of railway foundation material in permafrost. Matematicheskoe modelirovanie = Mаthematical Models and Computer Simulations, 2017, no. 9, pp. 292–304.Bondarev E.A., Rozhin I.I., Argunova K.K. Generalized Mathematical Model of Hydrate Formation in Gas Pipelines // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2019. Vol. 60. No. 3. Pp. 503-509. DOI: 10.1134/S002189441903012XBondarev E.A., Rozhin I.I., Argunova K.K. Generalized Mathematical Model of Hydrate Formation in Gas Pipelines. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2019, vol. 60, no. 3, pp. 503-509. DOI: 10.1134/S002189441903012XКутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Изд. 5-е. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.Kutateladze S.S. Osnovy teorii teploobmena [Fundamentals of the theory or heat transfer]. Moscow, Atomizdat Publ., 1979, 416 p.Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986. 318 с.Zenkevich O., Morgan K. Konechnyye elementy i approksimatsiya [Finite elements and approximations]. Moscow, Mir Publ., 1986, 318 p.Logg A., Mardal K.A, Wells G. Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method: The FEniCS Book. New York: Springer Sci. & Business Media. 2012. DOI: 10.1007/978-3-642-23099-8Logg A., Mardal K.A, Wells G. Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method: The FEniCS Book. New York: Springer Sci. & Business Media. 2012. DOI: 10.1007/978-3-642-23099-8Software package GMSH. URL: http://geuz.org/gmsh/ (дата обращения: 31.03.2023).Software package GMSH. Available at: http://geuz.org/gmsh/ (accessed: 31.03.2023).Software package ParaView. URL: http://paraview.org/ (дата обращения: 31.03.2023).Software package ParaView. Available at: http://paraview.org/ (accessed: 31.03.2023).Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977. 416 с.Lekhnitskiy S.G. Teoriya uprugosti anizotropnogo tela [Theory of elasticity of an anisotropic body]. Moscow, Nauka Publ., 1977, 416 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.