Устойчивость подземного магистрального газопровода на обводненных участках трассы
Скачать 254.48 Kb.
|
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;L1, L2 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 ΔL 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 ΔL 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 ΔL.  Рисунок 5 Графики зависимостей показателя ΔL 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 ΔL 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 ΔL 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 ΔL 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 ΔL показала, что:
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 Δt = 5; 2 – при Δt = 10; 3 – при Δt = 15; 4 – при Δt = 20; 5 – при Δt = 25; 6 – при Δt = 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 3050 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 τпр 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 τпр 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 2,0 см  uпр 4,0 см.По длине прилегающего участка предельное сопротивление грунта не является постоянной величиной. На изменение τпр 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 Nτ, 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 Nτ:  , (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 Δt = 15 °С определены геометрические параметры арки: полное удлинение ΔL = 8 см; полная длина арки Lполн = 440 м; удлинение прилегающего участка ΔLприл =  = 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 ΔLпр / 2 = uпр = 2 см, что для данных грунтовых условий соответствует Nпр = 0,65 МН. 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 τпр,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.
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 ΔL от относительной величины f / L. Выделенная область продольной устойчивости в пределах ΔL = 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). |
Похожие:
 | Памятка на производство земляных работ в районе действующего газопровода Правила производства земляных и других хозяйственных работ в охранной зоне газопровода определены «Правилами охраны газораспределительных... | | Мчс: Вдоль белгородских трасс работают пункты помощи водителям Скорость ветра до 10 метров в секунду. В связи с неблагоприятными погодными условиями на федеральной трассе м-2 в Белгородской области... |
 | Влияние подземного водообмена на гидрохимический режим мирового океана Получение новых знаний о формировании гидрохимического состава Мирового океана, гидрохимического режима Мирового океана с учетом... | | Разработка моделей принятия решений с применением методов искусственного... Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям) |
| Это заболевание, при котором стенка подкожных вен теряет свою эластичность.... В результате этого сосуды растягиваются, на отдельных их участках образуются узловатые расширения, которые и дали название этой болезни... | | Рабочей программы учебной дисциплины (модуля) «Здания, сооружения... Изучение данной дисциплины базируется на знании общеобразовательной программы по следующим предметам: математика; физика; химия;... |
| Опрос по лыжной активности населения и по состоянию лыжной трассы... | | Программа подготовки: Электроэнергетические системы и сети, их режимы,... Программа подготовки: Электроэнергетические системы и сети, их режимы, устойчивость, надежность и качество электрической энергии |
| Реферата – «Почва – живая земля» Автор Дьяков Никита Сергеевич; 3а... Постановка экологической проблемы бережного отношения к почве как живой земле отличается самостоятельностью наблюдений автора реферата... | | Патентный поиск в области конструкций запорной арматуры для аэс,... Зао «аэм-технологии» и Минобрнауки России от 23. 05. 2013 №02. G25. 31. 0031 и договором между зао «аэм-технологии» и ПетрГУ |
| Биогенная концентрация золота В гольцах растительность несомкнутая, фрагментарная и развита на участках скопления мелкозема | | Методическое пособие Мкоу «Булуктинская средняя общеобразовательная школа» расположена в п. Бурата Приютненского района рк. Поселок расположен южнее г.... |
| Тип работы Влияние некоторых анальгетиков на устойчивость липидных мембран к осмотическому стрессу | | Пособие содержит следующие разделы Мкоу «Булуктинская средняя общеобразовательная школа» расположена в п. Бурата Приютненского района рк. Поселок расположен южнее г.... |
| Конспект Развить устойчивость и концентрацию внимания, способность переключаться с одного вида деятельности на другой | | Комплекс работ по подготовке Актов выбора для строительства линейных... В ноябре и декабре 2009 года сотрудниками геокад плюс была выполнена большая предпроектная работа по двум протяженным объектам транспорта... |
