Введение к работе
Актуальность проблемы. Магистральные и промысловые трубопроводы Западной Сибири прокладываются и эксплуатируются в сложных инженерно-геологических условиях, что обусловливает дополнительные нагрузки на трубопроводы, связанные со структурными изменениями свойств грунтов. Более трет и территории Западной Сибири покрыты многолетнемерзлыми грунтами, более половины - грунтами с глубоким сезонным промерзанием (>2,5 м), почти треть составляют заболоченные территории и водные переходы (рис.1).
Заболоченные
территории
28%
Рис.(.Характеристика инженерно-геологических условии Западной Сибири.
Анализ распределения отказов на магистральных нефтепроводах Западной Сибири показал, что число отказов линейной части в значительной мере зависит от степени заболоченности территории и количества участков перехода (перемежающихся) грунтов различной несущей способности. Построенные на основе проведенных исследований диаграммы для нефтепровода Усть-Балык - Омск наглядно отражают эту ситуацию (рис. 2).
При прокладке трубопроводов в грунтах с низкой несущей способностью -болотистых, оттаивающих многолетнемерзлых - происходят значительные перемещения трубопроводов, чаше всего с потерей продольной устойчивости и выходом их на поверхность, образованием арок и даже гофр. В результате на деформированных участках трубопроводов меняется их напряженное состояние, что вызывает необходимость корректировки расчетных схем. В этих случаях выпол-
нение прочностных расчетов, отражающих действительные условия работы тру бопровода, является одним из основных элементов, обеспечивающих поддер жание его высоконадежной работы.
Рис.2. Распределение отказов нефтепровода Усть-Балык - Омск по трассе.
В связи с этим основной'задачей расчета трубопроводов на прочность яе ляется определение напряженно-деформированного состояния, обусловленног нагрузками и воздействиями, имеющими место в.различные периоды и оценк уровня этого состояния исходя из предельных.
При подземной прокладке в слабонесущих грунтах трубопровод изменяе свою геометрию в плане, а под воздействием весовых нагрузок испытывает еш и вертикальные перемещения, т.е. происходят пространственные перемещени оси трубопровода.
Исследования показали, что не учет пространственных перемещен» трубопровода приводит к завышению напряжений в 2-3 раза, а расчет по форм^ лам СНиП «Магистральные трубопровода», которые не учитывают смещени трубопровода, более чем в 3 раза.
Положение трубопровода в пространстве, формирующееся под влияние внешних воздействий и являющееся его интегральным результатом, несет ИІ
з формацию о техническом состоянии трубопровода, в том числе о его напряженно-деформированном состоянии.
Исследования, проведенные автором на Севере Тюменской области, показали, что в процессе эксплуатации трубопровода в слабонесущнх грунтах возникают значительные перемещения (порядка нескольких диаметров трубы), при которых для оценки прочности становится необходимым учет геометрической нелинейности (использование деформированной расчетной схемы и нелинейных соотношений между деформациями и перемещениями трубопровода). Не менее важен для получения достоверных результатов расчета учет физической нелинейности грунта (нелинейная зависимость между сопротивлением грунта и перемещениями трубы).
Проведенный анализ факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях, позволяет сделать следующие выводы: 1) действующие в настоящее время нормативные документы не позволяют оцепить напряженно-деформированное состояние трубопроводов с учетом особенностей работы их в сложных условиях; 2) известные методы расчет не оівечаюі и полной морс отмеченным выше особенностям работы трубопроводов при прокладке на слабонесущих грунтах, эти методы и соответствующие им комплексы программ ориентированы, в основном, на расчет плоских трубопроводов (т.е., когда сам трубопровод и нагрузки, действующие на него, находятся в одной плоскости), работающих в минеральных грунтах.
В связи с этим актуальным является исследование напряженно-деформированного состояния трубопроводов, прокладываемых в сложных инженерно-геологических условиях, что определило цель и задачи исследовании настоящей работы.
Цель работы - разработка научно-обоснованной методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводи», эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях.
Основные задачи исследований :
-
Провести анализ работы трубопроводов в сложных инженерно- геологических условиях Западной Сибири.
-
Оценить степень влияния различных факторов на величину напряженно-деформированного состояния трубопровода в сложных условиях эксплуатации.
-
Разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода с учетом особенностей его работы в сложных инженерно-геологических условиях.
4. Создать алгоритм и вычислительную программу решения задачи на ЭВМ.
Методы решения задач
При решении поставленных задач использовались математические, итерационные методы, классические методы строительной механики и методы планирования инженерного эксперимента. Для подтверждения выводов и реализации предложенного в работе метода расчета использована полученная в условиях эксплуатации инженерно-технологическая информация.
Научная новизна
-
Впервые при решении геометрически нелинейной задачи определения напряженно-деформированного состояния трубопровода при его пространственных перемещениях учтено влияние крутящих моментов, действующих в стенках трубы.
-
Автором получено решение, позволяющее определять напряженно-
деформированное состояние трубопровода в условиях, близких к потере "его устойчивости.
3. Предложенный метод позволяет установить функциональные зависимости
между эквивалентными напряжениями, действующими в стенке трубы, технологическими параметрами эксплуатации трубопровода и свойствами грунтов.
4. На основе выполненных исследований и полученных зависимостей пред
ложена и апробирована на практике методика оценки напряженно-
деформированного состояния трубопровода в сложных инженерно-геологических условиях.
Практическая ценность работы
Работа выполнена в рамках межгосударственной научно-технической программы "Высоконадежный трубопроводный транспорт", принятой совместно Правительствами России и Украины в 1993 г., а также программы Минтопэнерго «Надежность и безопасность трубопроводного транспорта Западной Сибири», принятой в 1994 году.
Результаты исследований использованы при разработке по заказу Минтопэнерго для проектных организаций «Пособия по проектированию нефтегазопро-мысловых трубопроводов в сложных инженерно-геокриологических условиях».
Разработанная методика оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода нашла применение при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводов Харампурского, Федоровского месторождений, подводного перехода нефтепровода Усть-Балык - Нижневартовск через реку Обь.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены в работах соискателя и докладывались на:
- Областной научно-технической конференции «Применение достижений на
учно-технического прогресса при обустройстве нефтяных месторождений», г.
Тюмень, 1-3 марта 1988 г.
Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий», г. Тюмень, 22 мая 1998 г.
- Международной научно-технической конференции «Проблемы экологии и
энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, Тюм.ГАСА 3-4
декабря 1998 г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
6 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 106 наименований, 7 страниц приложений. Она содержит 124 страницы машинописного текста, 24 рисунка, 10 таблиц.