По словам ученого, магистральные трубопроводы большого диаметра, как тонкостенные цилиндрические и тороидальные оболочки в грунтовой среде, подвержены различного рода динамическим воздействиям и вибрациям, вызванным, например перекачивающими установками. Расчеты, выполняемые по СП, ГОСТ и другим нормативным документам, в основном базируются на стержневой теории,  затрагивают отдельные аспекты надежности при эксплуатации трубопроводов и носят упрощенный характер. 

Наибольшее применение нашли оболочечные модели, которые наиболее полно отражают реальное поведение рассматриваемых конструкций. Таким образом, в связи с развитием тонкостенных трубопроводов во многих отраслях промышленности ставится задача – сформировать расчетные модели, соответствующие реальным условиям эксплуатации и решить научную проблему колебаний цилиндрических и тороидальных (однослойных и двухслойных) оболочек, взаимодействующих с упругой средой. 

«Оболочечная модель в сравнении со стержневой является наиболее адекватной при расчетах тонкостенных трубопроводов большого диаметра, именно она позволяет учесть деформацию поперечного сечения, влияние внутреннего и внешнего давления на стенку трубы», – объясняет Игорь Разов.

Игорь Олегович разработал усовершенствованную расчетную модель, рассматривающую трубопровод, как тонкостенную оболочку, взаимодействующую с упругой грунтовой средой. 

«Тема моего исследования посвящена разработке усовершенствованной расчетной модели трубопровода в виде цилиндрических и тороидальных оболочек, находящихся в грунте, а также методов определения частот свободных колебаний и исследования динамической устойчивости системы «труба-грунт», – отмечает ученый.

В своей работе исследователь сформулировал пять ключевых научных результатов, которые комплексно повышают точность выполняемых инженерных расчетов. Впервые на базе сформированной расчетной модели в виде цилиндрической или тороидальной оболочки были разработаны аналитические решения, учитывающие совместное влияние внутреннего и внешнего давления, параметра продольной сжимающей силы, температурного воздействия, скорости потока протекающей жидкости, влияние упругого основания, присоединенной массы и демпфирующих свойств окружающей среды на динамические характеристики трубопровода при наземном, частично заглубленном и подземном размещении. 

Примечательно, что для частично заглубленных труб автор впервые применил аналитический метод с использованием импульсной функции и двойных тригонометрических рядов Фурье, позволяющих описать влияние давления окружающей среды на контактную поверхность. 

Исследование также дало инженерам инструмент для выбора: теперь в зависимости от геометрических характеристик, нагрузок и воздействий можно определить, в каких случаях трубу допустимо рассматривать как стержень с недеформируемым контуром, а когда как оболочку, цилиндрическую для прямолинейных участков, тороидальную для криволинейных. 

Особое внимание в работе уделено параметрическому резонансу. 

«Дело в том, что в процессе эксплуатации оболочки подвержены динамическим воздействиям и вибрациям от пульсирующих потоков жидкостей и газов. Нестационарное воздействие пульсирующих потоков приводит к возникновению целых областей динамической неустойчивости, где при определенных сочетаниях между частотой возмущающей силы и собственными частотами системы малое начальное возмущение приводит к развитию колебаний большой амплитуды», – поясняет Игорь Олегович. 

Завершает научный вклад разработка инженерных формул для двухслойных оболочек, позволяющих точно оценить влияние современных бетонных или стеклопластиковых защитных покрытий на динамические характеристики трубопровода.

Разработанные решения имеют высокую практическую ценность. Они позволяют проектировщикам точно рассчитывать трубопроводы не только на стадии проектирования, но и при модернизации, например, при замене насосов или компрессоров на более мощные. Методика универсальна и может быть применена в авиастроении и атомной энергетике, где также используются тонкостенные трубы, например, топливные или трубы охлаждения.

«Цель всей этой работы очень простая: сделать трубопроводы надежными на весь период эксплуатации и минимизировать количество аварий, – уверен Игорь Разов. – Инженер, проектирующий систему в сложных условиях, должен иметь под рукой современный и точный инструмент расчета, а не полагаться на консервативные частные решения, полученные много десятилетий назад».

В дальнейшем ученый планирует развивать проект в двух направлениях: вместе с аспирантами продолжить изучать параметрический резонанс и расчет тройниковых соединений, а также работать над внедрением новых методик в нормативную документацию и созданием автоматизированных расчетных модулей.

Защита диссертации Игоря Разова прошла на базе Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета в конструктивной и доброжелательной атмосфере. 

Между защитой кандидатской и докторской диссертаций прошло более 10 лет. За это время была опубликована 41 работа по теме исследования и пройден большой путь при разработке новых методов динамического расчета трубопроводов с позиции теории цилиндрических и тороидальных оболочек, взаимодействующих с упругой грунтовой средой.