Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
УДК 622.691.4
На правах рукописи
СЫСОЕВ ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
УСТОЙЧИВОСТЬ ПОДЗЕМНОГО
МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
НА ОБВОДНЕННЫХ УЧАСТКАХ ТРАССЫ
Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
Тюменский государственный нефтегазовый университет.
Научный руководитель | - кандидат технических наук, доцент Пульников Сергей Александрович |
Официальные оппоненты: | - Малюшин Николай Александрович, доктор технических наук, профессор, президент ОАО Институт Нефтегазпроект - Кантемиров Игорь Финсурович, кандидат технических наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет, доцент кафедры Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ |
Ведущая организация | - ОАО Гипротюменнефтегаз |
Защита состоится 31 мая 2012 года в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР) по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП ИПТЭР.
Автореферат разослан 27 апреля 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Подземные магистральные газопроводы, прокладываемые в сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири, подвержены значительным пространственным перемещениям и находятся в сложном силовом взаимодействии с окружающими грунтами. Процесс изменения проектного положения обусловлен сложным сочетанием эксплуатационных и инженерно-гидрогеологических факторов, воздействие которых носит случайный характер.
Потеря устойчивости обуславливается наличием значительных сжимающих продольных сил, низкой удерживающей способностью обводненного грунта и недостаточной эффективностью мероприятий по закреплению газопровода на проектных отметках. Такие участки являются потенциально опасными и подвержены не только риску потери общей устойчивости, но и местной с превышением допустимого предела действующих в сечении трубы напряжений, что может привести к исчерпанию несущей способности.
Актуальность проблемы обеспечения пространственной устойчивости подземных газопроводов обусловлена значительным количеством, разнообразием и суммарной протяженностью участков, находящихся в непроектном положении; высокой стоимостью и технологической сложностью производства работ по восстановлению проектного положения участков газопровода; отсутствием достоверных методов прогнозирования возможных пространственных перемещений участков подземного газопровода, находящихся в особо сложных условиях.
Целью работы является обеспечение общей устойчивости участков подземного магистрального газопровода в слабонесущих грунтах на основе результатов натурных наблюдений за их пространственными перемещениями.
Для достижения поставленной цели сформулированы основные
задачи:
- с использованием результатов натурных наблюдений за перемещениями подземных магистральных газопроводов разработать математические модели, описывающие геометрию участка в непроектном положении;
- с помощью разработанных математических моделей получить графическую зависимость между величинами оголенного участка газопровода (отношением стрелы прогиба к длине оголенного участка) и его эксплуатационными параметрами;
- с учетом переменных физико-механических характеристик грунта разработать новую расчетную схему дополнительной балластировки, обеспечивающей устойчивость газопровода при его продольных перемещениях;
- разработать методику определения полной длины трубопровода, потерявшего пространственную устойчивость (с изменением высотного и продольного положений), по начальным геометрическим данным с известными характеристиками вдольтрассового грунта прилегающего участка;
- разработать методику расчета по дополнительной балластировке прилегающих к потенциально опасным участкам газопровода зон с учетом переменной степени водонасыщения грунта засыпки.
Методологические основы и достоверность результатов
исследований
В диссертации использованы классические положения механики грунтов, строительной механики, теории упругости, вариационного исчисления, математического и регрессионного анализов. Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается сходимостью с данными исследований других авторов. Результаты практических расчетов дают адекватные значения применительно к реальным объектам газопроводных систем.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
- впервые геометрия существующих непроектных положений подземного магистрального газопровода описана колоколообразными функциями, которые позволяют с минимальными погрешностями определять величины продольных деформаций трубы;
- разработана методика определения полной длины участка газопровода, вовлеченного в силовое взаимодействие при потере устойчивости его проектного положения;
- получены математические зависимости между геометрическими и эксплуатационными параметрами оголенного участка трубопровода, потерявшего проектную устойчивость;
- разработана методика расчета дополнительной балластировки прилегающих к потенциально неустойчивым участкам газопровода зон с учетом переменной водонасыщенности грунтов засыпки.
На защиту выносятся:
- колоколообразные функции, описывающие геометрию газопровода на участке потери общей устойчивости с изменением проектного положения и графическая зависимость между параметрами оголенного участка и его удлинением;
- методика определения границ участка подземного магистрального газопровода, потерявшего устойчивое проектное положение, с учетом прилегающих участков, находящихся в грунте;
- метод снижения продольных перемещений трубопровода на прилегающих участках, находящихся в грунте, к участку с отсутствием продольных и поперечных сопротивлений грунта с помощью расчета дополнительной балластировки.
Практическая значимость работы заключается в обосновании эффективного способа обеспечения устойчивости подземного магистрального газопровода с учетом переменных гидрогеологических условий исследуемых участков.
Разработанная методика определения границ участка трубопровода, потерявшего устойчивость проектного положения, с учетом прилегающих участков, находящихся в грунте, позволяет решать обратную задачу, что применимо на практике при оценках устойчивости подземного магистрального газопровода в подобных условиях с учетом дополнительных сил, влияющих на равновесие системы.
Предложенный способ снижения продольных перемещений трубопровода на прилегающих участках, находящихся в грунте, к участку с отсутствием продольных и поперечных сопротивлений грунта позволит с минимальными затратами обеспечить устойчивость магистрального газопровода на проектных отметках.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Рассматриваемая область исследования, связанная с проблемой обеспечения устойчивости магистральных газопроводов на обводненных участках трассы, соответствует паспорту специальности 25.00.19 Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ, а именно: по п. 1 Напряженное состояние и взаимодействие с окружающей средой трубопроводов, резервуаров и оборудования при различных условиях эксплуатации с целью разработки научных основ и методов прочностного, гидравлического и теплового расчетов нефтегазопроводов и газонефтехранилищ и п. 7 Исследования в области ресурса трубопроводных конструкций, в том числе прогнозируемого при проектировании и остаточного при их эксплуатации.
Апробация результатов работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции Проблемы функционирования систем транспорта (г. Тюмень, 2010 г.); IV Международной научно-технической конференции Нефтегазовый терминал (г. Тюмень, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Проблемы функционирования систем транспорта
(г. Тюмень, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Новые технологии - нефтегазовому региону (г. Тюмень, 2011 г.); Десятой международной научно-практической конференции Прогрессивные технологии в транспортных системах (г. Оренбург, 2011 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных трудах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и библиографического списка использованной литературы, включающего 128 наименований. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, включает 5 таблиц, 77 рисунков.
ичный вклад соискателя состоит в постановке и реализации задач исследования, в сборе и обработке натурных и статистических данных, формулировке основных положений научной новизны и практической значимости.
краткое СОДЕРЖАНИЕ работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе выполнен аналитический обзор видов и причин неустойчивости проектного положения подземного магистрального газопровода Уренгой - Сургут - Челябинск, проложенного в сложных гидрогеологических условиях, дана оценка эффективности применяемых методов восстановления его проектного положения.
Анализ данных натурных наблюдений в сопоставлении с проектными продольными планами исследуемого магистрального газопровода показал, что значительная его часть находится в непроектном положении. Исходя из результатов научных исследований и в соответствии с нормативными документами выделены три основные группы участков газопровода с потерей проектного положения:
- участки с частично или полностью размытым грунтом обратной засыпки;
- участки, подверженные всплытию вследствие значительного обводнения грунта;
- участки выпучивания арок и развития прогибов трубопровода в результате возникновения продольных сжимающих усилий в стенке трубы.
Только на участке наблюдений с 60-ого по 80-ый км трассы зафиксировано более пятидесяти участков с потерей устойчивости проектного положения (рисунки 1, 2), на участке с 712-ого по 720-ый км - пять подобных участков.
Рисунок 1 - Распределение числа участков в непроектном положении по их длине | Рисунок 2 - Распределение числа участков в непроектном положении по стреле прогиба |
Ежегодный мониторинг трассы после весеннего паводка добавляет к имеющейся статистике все новые данные, усугубляющие общую картину в целом.
В настоящее время не существует достоверных силовых схем взаимодействия подземного газопровода со слабыми сезоннообводняемыми грунтами, которые бы гарантировали устойчивость газопровода в проектном положении на весь срок его эксплуатации. Оценка продольной устойчивости потенциально опасных участков производится без учета снижения характеристик вдольтрассовых грунтов в результате их водонасыщения при паводке.
При восстановлении проектного положения существующих участков газопровода, потерявших пространственную устойчивость, решение об их границах основывается на результатах геодезических изысканий, и, как правило, границы ремонтно-восстановительных работ совпадают с границами непроектного положения. Однако известно, что причиной неустойчивости явились значительные продольные перемещения прилегающих участков, защемленных грунтом засыпки. Оценка подобных дополнительных воздействий не учитывается, и большинство восстановленных участков продолжает трансформироваться, что сопровождается увеличением изгибных напряжений в стенке трубы и вновь приводит к потере общей устойчивости.
Существующие методы борьбы с непроектным положением фактически ими не являются, а являются методами ремонта и защиты уже существующих отклонений и дефектов. Борьба с непроектным положением должна основываться на новых исследованиях силовых взаимодействий магистрального газопровода с окружающим грунтом и быть направлена на предупреждение образования оголений, всплытий и арочных выбросов.
Во второй главе выполнен обзор литературных источников. Проведен анализ современных моделей расчёта устойчивости и силового взаимодействия магистрального газопровода с грунтом. Рассмотрены представления о продольной устойчивости магистрального газопровода при действии положительного температурного перепада, оценено влияние переменного обводнения грунта. Изучены схемы взаимодействия трубопровода и грунта при продольном перемещении в зависимости от различных форм искривления трубы и начальных условий потери устойчивости.
Теоретические и экспериментальные исследования, посвященные решению проблемы обеспечения продольной устойчивости подземных газопроводов, широко и подробно представлены в научных трудах Айнбиндер.Б., Бородавкина П.П., Быкова Л.И., Ясина Э.М., Черникина В.И., Герсеванова Н.М., Егорова К.Е., Березина М.Ш., Жемочхина Б.М.,
Клейна Г.К., Коренева Б.Г., Короткина В.Г., Крылова Л.Н., Миндлина Р.Д., ФлоринааВ.А., Цытовича Н.А. и др.
Вопрос о продольной устойчивости возникает при строительстве газопроводов, работающих при значительных температурных перепадах. Сочетание сил температурного расширения металла трубы и воздействия
окружающей грунтовой среды является основной причиной потери устойчивости трубопровода. Взаимодействие трубопровода и грунтовой среды - это сложный процесс, зависящий от многих параметров грунта и трубопровода.
Для определения количественных параметров взаимодействия подземных трубопроводов с грунтом необходимы данные о его физико-механических характеристиках, а также ряд параметров, определяющих нагрузки и воздействия на трубопровод, связанные с изменением инженерно-геологических и гидрогеологических условий.
В существующих расчетных моделях определения сопротивления грунта продольным или поперечным перемещениям трубы не учитывается существенное увеличение влажности грунтов в период паводковых явлений. В условиях обводнения грунт обратной засыпки в первые годы эксплуатации имеет значительно сниженные прочностные характеристики, обусловленные потерей структуры. Только к пятому году эксплуатации грунт набирает структурную прочность, что характерно для суглинков; для мелких и пылеватых песков этот процесс протекает быстрее - порядка двух-трех лет. Однако за этот период газопровод приобретает новую форму - пространственное, отличное от проектного, положение, то есть некоторые участки теряют проектную устойчивость. Геометрия новой формы зачастую опасна для дальнейшей эксплуатации системы.
Анализ результатов современных экспериментальных и теоретических исследований силовых взаимодействий подземных трубопроводов со слабыми водонасыщенными грунтами позволил перейти к оценке имеющихся данных натурных наблюдений за пространственными перемещениями газопровода и его новыми устойчивыми формами в виде арок.
В третьей главе дана общая характеристика выбранного объекта исследования, разработана методика определения полной длины непроектного положения газопровода с учетом прилегающих участков, находящихся в грунте, на основе предложенных колоколообразных функций, описывающих линию изгиба арочных форм.
Компенсация возникающих продольных усилий в газопроводе при аркообразовании в результате удлинения происходит не только на участке изменения высотного положения, но и на участке, прилегающем к нему. Для определения полной длины трубопровода, участвующей в процессе аркообразования, и граничных зон автором разработана методика, позволяющая учитывать эксплуатационный режим объекта и сложные вдоль-
трассовые грунтовые условия.
Схема к определению геометрических параметров участка в непроектном положении представлена на рисунке 3.
- длина оголенного участка; - стрела прогиба;
L1, L2 - длины прилегающих участков;
- полная длина аркообразования;
ΔL1, ΔL2 - перемещения сечений 1-1 и 2-2
Рисунок 3 - Схема к определению геометрических параметров
участка в непроектном положении
Для определения полной длины участка газопровода, участвующего в процессе изменения проектного положения, необходимо рассчитать удлинение трубопровода . Используя начальные данные (длину оголенного участка и стрелу прогиба ), проводится обратный расчет по определению продольных перемещений трубопровода. Известными начальными условиями являются конечные перемещения крайних сечений трубопровода 1-1 и 2-2. По известным зависимостям температурного расширения металла стали определяется полная возможная длина участка трубопровода, с которого произошел сбор зафиксированных перемещений.
Принимая во внимание допущение, что , длина прилегающего к аркообразованию участка будет равна:
. (1)
На основе экспериментальных данных, полученных в процессе обработки более 70 (семидесяти) существующих участков в непроектном положении, автором сделана попытка определить их граничные зоны. При исследовании рассматривались аркообразования с одной полуволной как самые распространенные, протяженностью от 50 до 250 м и со стрелой прогиба до 5 м от проектных отметок.
Для определения геометрических параметров линия изгиба каждой арки описана предложенными автором колоколообразными функциями, которые точнее передают геометрию аркообразования по сравнению с использовавшейся в более ранних работах синусоидальной функцией. С помощью предложенных функций произведена обработка данных геометрии арок и получена графическая зависимость между параметрами оголенного участка (отношением стрелы прогиба к длине оголенного участка) и удлинением газопровода при температурном расширении металла трубы.
Для этого с помощью синусоидальной функции
, (2)
где - длина оголенного участка; - стрела прогиба,
а также с помощью предложенных автором двух вариантов колоколообразных кривых:
и , (3)
где , производится аппроксимация линии изгиба трубопровода.
Степень k позволяет регулировать остроту максимального значения, величина x0 центрирует кривую, величина a нормирует исходные данные, f отвечает за величину максимума.
Синусоидальная функция (2) является более простой в использовании, но дает наибольшую погрешность. Простота ее использования заключается в том, что коэффициенты, входящие в функцию, являются постоянными для любой конфигурации арки, и для расчета удлинения L достаточно знать только стрелу прогиба f и длину оголенного участка L. Минус применения функции синуса заключается в невозможности описать несимметричные арочные кривые, что отклоняет практическое применение этой функции, поскольку симметричные арки встречаются крайне редко.
Предложенные колоколообразные функции (3) достаточно точно описывают линию изгиба арки, повторяя искривления трубы в областях примыкания к сечениям 1-1 и 2-2. При наличии дополнительных данных о пространственном положении арки предлагаемые функции корректируют результат аппроксимации, уточняя его. Пример аппроксимации линии изгиба характерной арки с помощью функций (3) приведен на рисунке 4.
Для определения удлинения трубопровода L применялся метод наименьших квадратов и для каждого случая вычислялись коэффициенты, входящие в функцию. Обработка значительного объема натурных данных потребовала разработки компьютерной программы.
Алгоритм программы по выявлению наилучшего значения параметров для набора экспериментальных точек основан на выявлении наименьшего значения квадрата модуля отклонения, рассчитанного по предложенным автором зависимостям (3) из эксперимента на основе перебора значений x0, a, k, f в некотором интервале значений.
а) ; б)
Рисунок 4 - Аппроксимация колоколообразными функциями
линии изгиба арки по координатам ее высотного
положения
Сравнительные результаты обработки натурных данных представлены в виде графических зависимостей (рисунок 5) между отношением стрелы прогиба к длине арки f / L и удлинением всего рассматриваемого участка L.
Рисунок 5 - Графики зависимостей показателя L от относительной
величины f / L
олученные зависимости позволяют однозначно судить о том, что расчеты удлинения по функции синуса в сравнении с колоколообразными функциями дают заниженные результаты L на участках с большим отношением f / L. Это объясняется тем, что график функции синуса грубо описывает реальное положение оси трубопровода. Описание линии изгиба газопровода функцией синуса допустимо только для протяженных участков с малой стрелой прогиба (фактически всплывших участков без потери продольной устойчивости). Расчет удлинения L арок с отношением
f / L > 0,008 по функции синуса имеет погрешность более 20 %.
Предлагаемые колоколообразные функции работают на всем диапазоне относительного параметра f / L, имея незначительное отличие в области f / L > 0,016. Выбор подходящей функции при их практическом применении производится с помощью оценки минимальной ошибки отклонения расчетного значения стрелы прогиба от экспериментального.
Полученные зависимости (рисунок 5) применимы для определения удлинения трубопровода по известным значениям стрелы прогиба и длины оголенного участка для грунтовых условий, аналогичных исследуемым в работе. Экспериментально определенный параметр L отражает удлинение газопровода с учетом действующих сил касательного сопротивления грунта обратной засыпки на прилегающих участках.
Оценка продольных перемещений прилегающих к исследуемым аркам участков по определенным удлинениям L показала, что:
- работа прилегающих участков характерна не для каждого случая. Имеются примеры арок, у которых такой участок отсутствует;
- работа прилегающих участков протяженностью более 20 % от центральной части арки фактически является основной в процессе потери устойчивости газопровода на проектных отметках.
Оказывается, что в первом случае являются недооцененными гидрогеологические условия участка, и потеря продольной устойчивости отсутствует. Во втором случае имеет место потеря продольной и, как следствие, поперечной устойчивости. В этом случае обеспечение пространственной устойчивости заключается в ограничении продольных перемещений, начинающихся еще на прилегающих участках.
Полная длина участка Lполн определяется по диаграмме на рисунке 6. Определение границ участка, потерявшего устойчивость, производится с учетом действующего температурного градиента в начале процесса аркообразования. По формуле (1) определяется длина прилегающего участка.
Применение диаграммы возможно и при решении обратных задач.
1 - при t = 5; 2 - при t = 10; 3 - при t = 15;
4 - при t = 20; 5 - при t = 25; 6 - при t = 30
Рисунок 6 - Диаграмма к определению полной длины участка,
потерявшего устойчивость
Таким образом, разработаны основные положения методики определения геометрических параметров арок и критериев оценки для установления причин их происхождения.
В четвертой главе рассмотрено силовое взаимодействие подземного магистрального газопровода с грунтом в условиях его водонасыщения на прилегающих участках и обводнения на центральной части арки. Разработана методика расчета дополнительной балластировки прилегающих
участков и описаны критерии ее применения.
Характерным примером служит участок газопровода, на котором произошла потеря проектного положения (потеря общей устойчивости) в виде арки по причине возросших сжимающих сил и снижения сопротивления грунта продольным перемещениям прилегающих участков (рисунок 7).
Рисунок 7 - Расчетная схема к оценке продольных перемещений
трубопровода в область арки с учетом переменного
водонасыщения грунта на прилегающих участках
Существует несколько способов ограничения продольных перемещений магистральных газопроводов, однако каждый имеет неустранимые минусы. Устройство компенсаторов, например П-образных, необходимых 30-50 участкам, расположенных на протяжении ~ 100 км от КС до КС, в полном объеме недопустимо. Закрепление анкерами приводит к сосредоточению значительных продольных сил в месте крепления, часто приводящих к их разрушению при критических силах. Поэтому в работе рассмотрен вариант обеспечения устойчивости проектируемой системы с помощью балансирования продольной силой на определенном уровне. Балансирование достигается применением дополнительного пригружения прилегающих участков к центральной части потенциально опасного участка.
Дополнительное пригружение обеспечит повышение сопротивления грунта продольным перемещениям трубопровода прямо пропорционально добавочной нагрузке. Это позволит нивелировать продольные перемещения в область потенциально опасного участка, но и оставить некоторую подвижность в допустимых пределах. Причем пределы должны соответствовать нормативным ограничениям продольных перемещений с применением самых распространенных пригрузов УБО и УБК - не более 4,0 см.
Основным препятствием сбора максимальных продольных перемещений в сечении 1-1 (1′-1′) служит касательное сопротивление грунта обратной засыпки прилегающих участков. Характер сопротивления грунта продольным перемещениям трубопровода оценивается известной диаграммой Прандтля (рисунок 8).
Рисунок 8 - Диаграмма зависимости касательного сопротивления
грунта от продольных перемещений трубы
На самом деле характер силового взаимодействия сложнее, однако для решения поставленной задачи достаточна оценка предельных состояний грунтов пр и uпр при известном их водонасыщении. Влияние на характер сопротивления грунта оказывает и вес трубопровода, который мы будем увеличивать при подборе балластировки прилегающего участка.
Оценка пр производилась по известной формуле:
, (4)
где - погонный вес трубопровода с продуктом, кН/м; - погонный вес дополнительной балластировки, кН/м; - наружный диаметр трубопровода, м; - удельный вес грунта, кН/м3; - безразмерный коэффициент, отражающий возможность образования свода обрушения.
Первое слагаемое в формуле (4) учитывает вес трубопровода с продуктом, второе - давление грунта по периметру трубы, третье - необратимую часть сцепления грунта по периметру трубы.
Величина uпр зависит от вида грунта и его состояния и служит для оценки упругого режима работы грунта. Для исследуемых грунтов 2,0асмааuпраа4,0асм.
По длине прилегающего участка предельное сопротивление грунта не является постоянной величиной. На изменение пр оказывают влияние переменные физико-механические характеристики грунта и взаимосвязь со степенью его водонасыщения в соответствующих сечениях, оцениваемой влажностью (рисунок 7). Для этого применены известные зависимости и .
Увеличение веса прилегающего участка при дополнительной балластировке создает силу сопротивления грунта продольным перемещениям N, оцениваемую по формуле (5) (рисунок 9):
. (5)
При этом от сечения 3-3 к сечению 1-1 происходит изменение продольной силы N за счет постепенного увеличения N:
, (6)
где Nt - продольная сжимающая сила, возникающая в стенке трубы от температурного расширения стали.
Критерием устойчивости потенциально опасного участка газопровода в работе выбрано условие, при котором конечное перемещение u сечения 1-1 (рисунок 7) остается в пределах 0 < u < uпр (рисунок 8). Такое условие блокирует развитие интенсивных деформаций в область центральной части и обеспечивает взаимодействие прилегающего участка с грунтом с сохранением его упругих свойств.
Для выполнения условия 0 < u < uпр в сечении 1-1 с помощью дополнительной балластировки участка необходимо снизить продольную силу N до пределов 0 < N < Nпр. Nпр - предельная сила, при действии которой сечение 1-1 перемещается на величину uпр.
На основе расчета реально существующей арки с параметрами: длина оголенного участка L = 220 м; стрела прогиба f = 3,3 м; расчетный перепад температуры t = 15 С определены геометрические параметры арки: полное удлинение L = 8 см; полная длина арки Lполн = 440 м; удлинение прилегающего участка Lприл = = 4 см (перемещение сечения 1-1 в область арки); длина прилегающих участков Lприл = 120 м. Расчет показал, что:
- арка образовалась при действии в сечении 1-1 продольной сжимающей силы N = 0,85 МН, что явилось причиной его перемещений на 4 см;
- предельно допустимым удлинением прилегающего участка является Lпр / 2 = uпр = 2 см, что для данных грунтовых условий соответствует
Nпр = 0,65аМН.
Характер зависимости нелинейный, соответствует зависимости и устанавливается экспериментально.
Для вновь проектируемого участка в подобных условиях с применением разработанной методики обеспечения продольной устойчивости прилегающего участка требуется:
- выполнить оценку состояния грунта обратной засыпки прилегающего участка с определением переменных в сечениях пр,i;
- обеспечить расчетом по формулам (5) и (6) требуемый уровень действующей продольной силы в сечении 1-1.
На рисунке 9 приведены результаты сравнительных расчетов с применением методики расчета дополнительной балластировки - и без - . Конечная сила в сечении 1-1 составила N = 0,45 МН.
| - расчет существующего участка с аркой; - расчет вновь проектируемого участка по предлагаемой методике Рисунок 9 - Графики изменения продольной силы N и сопротивления грунта по длине прилегающего участка |
Требуемое условие
0 < N = 0,45 МН < Nпр = 0,65 МН
выполнено, что ограничит перемещение u сечения 1-1 в пределах:
0 < u < uпр = 2 см.
Принятые в работе предельно допустимые величины перемещений сечения 1-1 сопоставляются с данными натурных наблюдений и результатами их анализа. На рисунке 10 приведена диаграмма зависимости показателя L от относительной величины f / L. Выделенная область продольной устойчивости в пределах L = 0,04 м = 4 см и f / L < 0,011 действительно имеет место, поскольку для подобных соотношений действие продольной сжимающей силы не является причиной пространственных перемещений газопровода.
Рисунок 10 - К анализу общей устойчивости потенциально опасных
участков по материалам натурных наблюдений
Анализ результатов расчета двадцати характерных примеров потенциально опасных участков подтвердил, что:
- разработанная методика балластировки прилегающих участков газопровода обеспечивает расчетную продольную устойчивость трубопровода на центральном участке;
- эффективным критерием оценки устойчивости служит ограничение предельно допустимых перемещений крайнего сечения прилегающего участка (второе предельное состояние).
основные ВЫВОДЫ
- Разработаны математические модели, качественно описывающие геометрию участка подземного магистрального газопровода в непроектном положении, позволяющие точно описать его пространственное положение и определить параметры продольных деформаций.
- По разработанным математическим моделям получены графические зависимости между параметрами оголенного участка трубопровода, потерявшего проектную устойчивость.
- Разработана методика определения полной длины газопровода, потерявшего пространственную устойчивость, по его начальным геометрическим и эксплуатационным параметрам с учетом характеристик вдоль-
трассового грунта. - Разработана новая расчетная схема балластировки прилегающих к обводненному участку газопровода зон, обеспечивающей продольную
устойчивость трубопровода с учетом переменных физико-механических характеристик грунта. - Разработана методика расчета балластировки прилегающих к потенциально опасным участкам газопровода зон с учетом переменных грунтовых условий.
Основные результаты работы опубликованы в следующих
научных трудах:
Ведущие рецензируемые научные журналы
1. Кушнир С.Я., Карнаухов М.Ю., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. Анализ пространственных перемещений магистральных газопроводов с
определением граничных зон // Известия вузов. Нефть и газ. - 2011. - № 5. - С. 71-75.
2. Кушнир С.Я., Пульников С.А., Сысоев Ю.С., Карнаухов М.Ю. Аналитическая задача определения удлинения газопровода в области аркообразования // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - 2011. - Вып. 4 (86). - С. 74-80.
3. Кушнир С.Я., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. Пространственная
устойчивость подземного магистрального газопровода на обводненных участках трассы // Известия вузов. Нефть и газ. - 2012. - № 1. - С. 72-76.
Прочие печатные издания
4. Пульников С.А., Сысоев Ю.С., Карнаухов М.Ю. Проблемы современных методов восстановления непроектного положения подземного магистрального газопровода // Проблемы функционирования систем транспорта. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. / Под ред. И.А. Анисимова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С. 278-280.
5. Пульников С.А., Сысоев Ю.С., Карнаухов М.Ю. Характерные случаи нарушения проектного положения подземного магистрального газопровода и методы борьбы с ними // Проблемы функционирования систем транспорта. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. / Под ред. И.А. Анисимова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С. 280-283.
6. Кушнир С.Я., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. Анализ современных подходов к восстановлению непроектного положения подземного магистрального газопровода // Нефтегазовый терминал. Матер. IV Междунар. научн.-техн. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. - Вып. 4. - С. 65-67.
7. Сысоев Ю.С. Определение границ ремонтно-восстановительных работ участка подземного магистрального газопровода в непроектном положении // Новые технологии - нефтегазовому региону. Матер. Всеросс. научн.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. - С. 85-86.
8. Сысоев Ю.С. Пространственная устойчивость подземного магистрального газопровода после проведения ремонтно-восстановительных работ // Новые технологии - нефтегазовому региону. Матер. Всеросс. научн.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Тюмень:
ТюмГНГУ, 2011. - С. 86-87.
9. Пульников С.А., Сысоев Ю.С., Карнаухов М.Ю. К оценке существующих методов ремонта магистрального газопровода // Прогрессивные технологии в транспортных системах. Сб. статей Десятой междунар. научн.-практ. конф. / Под ред. проф. К.В. Щурина. - Оренбург: ООО Руссервис, 2011. - С. 249-250.
10. Пульников С.А., Сысоев Ю.С., Карнаухов М.Ю. Проблемы аркообразований на магистральных газопроводах и эффективность борьбы с ними // Прогрессивные технологии в транспортных системах. Сб. статей Десятой междунар. научн.-практ. конф. / Под ред. проф. К.В. Щурина. - Оренбург: ООО Руссервис, 2011. - С. 251-253.
Фонд содействия развитию научных исследований.
Подписано к печати 18.04.2012 г. Бумага писчая.
Заказ № 116. Тираж 100 экз.
Ротапринт ГУП ИПТЭР РБ. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле