УДК 622.692.4 На правах рукописи

ДУДНИКОВ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

НА УЧАСТКАХ ДЕЙСТВИЯ НАЗЕМНОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2007

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР)

Защита диссертации состоится 3 августа 2007 г. в 1130 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП Институт проблем транспорта энергоресурсов.

Автореферат разослан 28 июня 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Основными требованиями, предъявляемыми к подземным трубопроводам, являются высокая надежность, экологическая безопасность и эффективность эксплуатации. Эти показатели зависят от качества проектирования и строительства трубопроводов. При эксплуатации важным является обеспечение воздействий и нагрузок на уровне, не превышающем нормативный.

Исследованиями В.Л. Березина, А.Г. Гумерова, П.П. Бородавкина,
Э.М. Ясина, О.М. Иванцова, А.М. Шаммазова, Н.А. Малюшина, Л.И. Быкова, Р.С. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, К.М. Гумерова, Х.А. Азметова и других ученых созданы научные основы и определены эффективные пути обеспечения надежности трубопроводных систем при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводов. Вместе с тем в результате антропогенной деятельности и изменения ситуации в местах прокладки подземного трубопровода принятые в годы его сооружения конструктивные решения зачастую не отвечают современным требованиям надежности и безопасности. Специфика указанных изменений обусловлена, прежде всего, возникновением значительных дополнительных нагрузок на подземный трубопровод от транспортной техники и всевозможного тяжелого наземного оборудования.

Под действием наземной нагрузки в зоне ее влияния при определенных условиях происходит изгиб подземного трубопровода, что приводит к появлению в стенке труб напряжений изгиба, в ряде случаев превышающих нормативные значения. В трубопроводах с отношением толщины стенки к радиусу менее 1/30 под действием наземной нагрузки возможны чрезмерные деформации поперечного сечения трубы и образование гофров в сжатой зоне при изгибе. По результатам анализа методов проектирования подземных трубопроводов и в связи с развитием трубопроводных сетей вблизи населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий и необходимостью обеспечения их высокой надежности и безопасности при эксплуатации проблема совершенствования методов проектирования подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок является весьма актуальной.

Основные исследования по диссертационной работе выполнены в соответствии с Межгосударственной научно-технической программой Высоконадежный трубопроводный транспорт, утвержденной правительствами Российской Федерации и Украины в 1993 г.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов расчета на прочность и проектирования подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок.

Основные задачи исследований

1. Анализ условий эксплуатации и методов расчета на прочность подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок.

2. Оценка напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов под действием наземных нагрузок.

3. Установление зависимостей между напряжениями в трубопроводе и параметрами его прокладки, свойствами грунта, нагрузками и воздействиями.

4. Совершенствование методов проектирования подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок, обеспечивающих снижение напряжений до нормативного уровня.

Научная новизна

1. Определены условия деформации в грунте трубопроводов на участках действия наземных нагрузок и установлены основные критериальные соотношения для оценки их напряженно-деформированного состояния.

2. Получены аналитические зависимости напряжений и перемещений трубопроводов от параметров их сооружения и эксплуатации, характеристик наземных нагрузок.

3. Разработаны научно обоснованные методы проектирования и прочностных расчетов подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок, обеспечивающие нормативные по уровню напряжений условия работы.

На защиту выносятся усовершенствованные методы расчета напряжений и обоснованные конструктивные решения прокладки участков подземных трубопроводов, находящихся под действием наземных нагрузок.

Практическая ценность работы

1. Разработана методика расчета напряжений и прогиба трубопроводов на участках действия наземных нагрузок, учитывающая эксплуатационные нагрузки и воздействия, геометрические характеристики трубопроводов, параметры наземных нагрузок, свойства грунта и позволяющая обоснованно принять конструктивные решения прокладки трубопроводов и защитные технические мероприятия.

2. Разработаны конструктивные решения прокладки подземных трубопроводов на участках воздействия наземных нагрузок, позволяющие снизить напряжения до нормативного уровня.

3. Разработана методика проектирования подземных трубопроводов, находящихся под действием наземных нагрузок, обеспечивающая надежность и безопасность трубопровода.

По результатам научных исследований разработан руководящий документ Методика расчета на прочность подземного трубопровода на участках действия наземной нагрузки (РД 39.Р-00147105-035-07).

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практической конференции Энергоэффективность. Проблемы и решения в рамках VI Российского энергетического форума (г. Уфа, 2006 г.) и на научно-практической конференции Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа в рамках VII Конгресса нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2007 г.).

Диссертационная работа заслушана на расширенном заседании методического совета отдела № 6 Техническая эксплуатация трубопроводов ГУП ИПТЭР (протокол № 4 от 17 мая 2007 г.) и рекомендована к защите.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 научных трудах.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 95 наименований. Работа изложена на 221 странице машинописного текста, содержит 14 таблиц, 84 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен анализ условий эксплуатации и методов расчета на прочность подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок. К таким участкам в данной работе отнесены подземные трубопроводы, проложенные под проездами, автомобильными дорогами, на территориях промышленных и сельскохозяйственных предприятий без защитного кожуха. Подземный трубопровод испытывает также воздействие ремонтно-строительной техники при его техническом обслуживании и ремонте, особенно со вскрытием траншеи и последующей засыпкой его грунтом.

Увеличение сети подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок в результате антропогенной деятельности и изменения ситуации в местах их прокладки привело к существенным изменениям условий их работы и к росту уровня напряженно-деформированного состояния. Высокие напряжения снижают ресурс и безопасность эксплуатации трубопроводов.

Подземный трубопровод взаимодействует с окружающим его грунтом и деформируется совместно с ним. Грунт создает нагрузку, действующую на трубопровод, является основанием и средой, через которую передается давление наземных нагрузок. При действии на подземный трубопровод неравномерного по его длине усилия от наземной нагрузки происходит изгиб участка трубопровода.

Действие на трубопровод наземных нагрузок зависит от распределения напряжения в грунте. Вертикальное напряжение в грунте по величине симметрично относительно точки приложения сосредоточенной наземной нагрузки и оси симметрии приложения полосовой наземной нагрузки. Максимальное вертикальное напряжение имеет место непосредственно под точкой приложения сосредоточенной силы и участком полосовой нагрузки. С удалением от этих мест вертикальное напряжение убывает. К сосредоточенным нагрузкам относятся транспортная техника на колесах, отдельное тяжелое оборудование и т.п., к полосовым - транспортная техника на гусеницах, любые механизмы, установленные на несущих плитах.

Усилие, воспринимаемое трубопроводом от действия наземной нагрузки, изменяется так же, как и напряжение в грунте, имея наибольшие значения в местах приложения наземных нагрузок и убывая с удалением от этих мест. В результате анализа характера изменения усилия на трубопровод вдоль его продольной оси установлено, что изменение усилия может быть выражено показательной функцией. Нами определены вид и параметры этой показательной функции, удобные для использования при исследовании напряженно-деформированного состояния трубопровода и достаточно точно описывающие зависимость усилия на трубопровод от параметров наземной нагрузки, глубины заложения и диаметра трубопровода.

Для решаемых нами задач весьма важным является уровень напряжений в трубопроводе от внутреннего давления и температурного перепада. Высокий уровень этих напряжений налагает довольно жесткие ограничения на значения напряжений, возникающих от действия наземной нагрузки. Кроме того, продольные напряжения от внутреннего давления и температурного перепада существенно влияют на значения перемещений подземного трубопровода под действием наземной нагрузки.

Напряженно-деформированное состояние подземного трубопровода в значительной степени зависит от характера и количественных параметров его взаимодействия с грунтом. В связи с этим рассмотрены модели взаимодействия подземного трубопровода с грунтом и дан анализ имеющихся работ по определению сопротивления грунта перемещениям трубопровода.

В соответствии с требованиями СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе определяются от всех нормативных нагрузок и воздействий с учетом их поперечных и продольных перемещений. Вместе с тем отсутствуют расчетные формулы для определения продольных напряжений с учетом поперечных (прогибов) и продольных перемещений подземного трубопровода, проложенного под проездами, на участках его пересечения с дорогами и тому подобных участках действия наземных нагрузок.

В результате проведенного анализа определены основные направления исследований, необходимых для усовершенствования методов проектирования подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок с учетом оценки их напряженно-деформированного состояния.

Вторая глава посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов под действием наземных нагрузок.

Трубопровод рассматривается как достаточно длинная гибкая балка, находящаяся под действием вертикального усилия от наземной нагрузки, изменяющихся с ростом перемещений продольного усилия и усилия отпора грунтового основания.

Задача решена с использованием дифференциального уравнения четвертого порядка изгиба трубопровода. При решении задачи учтен тот факт, что изгиб трубопровода приводит к возникновению дополнительных продольных растягивающих усилий. Суммарные продольные усилия N в равновесном состоянии трубопровода после его прогиба зависят от начального продольного усилия N0, возникающего из-за разности температур металла трубопровода при сооружении и эксплуатации, внутреннего давления перекачиваемого продукта, величины прогиба трубопровода и продольных перемещений участков, прилегающих к нагруженному участку. В зависимости от значений начального продольного усилия и прогиба трубопровода суммарные продольные усилия могут быть растягивающими, сжимающими и равными нулю. Проведены исследования всех этих возможных вариантов. Следует отметить, что в зависимости от знака суммарного продольного усилия N (растягивающего или сжимающего) расчетные формулы будут различны. Кроме того, в зависимости от соотношения между величинами N и расчетные формулы также различны. Здесь k0 - коэффициент пропорциональности при сжатии грунтового основания; D - наружный диаметр трубы; Е - модуль упругости материала трубы; J - момент инерции сечения трубы.

По результатам решения задачи получены выражения для максимального изгибающего момента М и максимального прогиба v трубопровода в виде

; (1)

, (2)

где - максимальное значение распределенного усилия, возникающего в результате действия наземной нагрузки и действующего на единицу длины трубопровода;

, - соответственно безразмерные параметры изгибающего момента и прогиба, определяемые в зависимости от нагрузок, действующих на трубопровод, геометрических характеристик трубопровода и свойств грунта;

а - параметр, определяемый в зависимости от глубины заложения трубопровода и параметров наземной нагрузки и имеющий размерность, обратную единице длины.

Для определения значений и а при сосредоточенной и полосовой наземных нагрузках в работе представлены расчетные формулы.