Устойчивость подземного магистрального газопровода на обводненных участках трассы

Скачать 254.48 Kb.

Название	Устойчивость подземного магистрального газопровода на обводненных участках трассы
страница	1/3
Дата публикации	16.01.2015
Размер	254.48 Kb.
Тип	Автореферат

100-bal.ru > Право > Автореферат

1 2 3

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.

Личный 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 Айнбиндера А.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., Флорина В.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.