   На правах рукописи
Морин Игорь Юрьевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКИХ ГАЗОПРОВОДОВ
С БЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ ПРИ УКЛАДКЕ
Специальность: 25.00.19 – Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва 2013
Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью
«Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ».
Научный руководитель – кандидат технических наук,
Ковех Виктор Михайлович.
Официальные оппоненты: Мансуров Марат Набиевич,
доктор технических наук, профессор,
директор центра морских месторождений
нефти и газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ»;
Ремизов Дмитрий Иванович,
кандидат технических наук,
начальник управления
экспертно-аналитических работ
ЭАЦ «Оргремдигаз» ОАО «Оргэнергогаз».
Ведущая организация – Институт машиноведения
им. А.А. Благонравова
Российской академии наук.
Защита диссертации состоится «__» мая 2013 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.511.001.02, созданного на базе ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Автореферат разослан «__» апреля 2013 года.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук И.Н. Курганова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования
До недавнего времени строительство подводных трубопроводов в России ограничивалось укладкой на сравнительно небольшие глубины, характерные для переходов магистральных нефте- и газопроводов через реки, озера, водохранилища и другие водные преграды (шельф Каспийского моря, Ладожское озеро, Охотское море, Куйбышевское водохранилище, Финский залив и др.) с глубинами до 60 метров.
В последнее десятилетие ситуация изменилась и компанией ОАО «Газпром» осуществляется реализация значительного числа проектов по строительству более глубоководных морских магистральных газопроводов. Первым российским проектом сверхглубоководного газопровода является осуществленный в 1999 – 2001 годы проект «Голубой поток» магистрального газопровода Россия – Турция с максимальными глубинами укладки 2100 метров. Далее последовала серия проектов по строительству морских участков магистральных газопроводов: «Бованеково – Ухта», «Сахалин – Хабаровск – Владивосток», «Джубга – Лазаревское – Сочи», «Северо-Европейский газо провод». На этапе разработки находится проект «Южный поток» магистрального газопровода Россия – Западная Европа, строительство которого планируется выполнить в акватории Черного моря на глубинах до 2000 метров.
При строительстве морских трубопроводов широко используются трубы с бетонным утяжеляющим покрытием, предназначенным для придания трубопроводу отрицательной плавучести и механической защиты трубопровода от повреждения падающим грузом (якоря, сетевая оснастка рыболовных судов и др.). Укладка морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, как правило, осуществляется стингерным методом с применением специализированных трубоукладочных судов (ТУС).
Проектирование, строительство и эксплуатация морских трубопроводов ОАО «Газпром» в настоящее время выполняется в соответствии с требованиями морского стандарта СТО Газпром 2-3.7-050-2006 (DNV-OS-F101). Согласно требованиям этого стандарта, расчёт напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода для всех режимов укладки при строительстве, включая аварийные, является обязательным элементом проектных работ. По результатам такого расчёта определяется проектная толщина трубопровода, рассчитываются технологические карты укладки и задаются нормы допустимой дефектности монтажных кольцевых сварных соединений. Однако методы и алгоритмы требуемого расчёта НДС при укладке как необетонированных трубопроводов, так и трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием данным стандартом не регламентированы.
В связи с вышеперечисленным представляется актуальной разработка уточнённого и эффективного метода расчёта НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке стингерным методом. Данный метод позволит изучить влияние бетонного покрытия на НДС необетонированных стыков труб, обеспечит оперативный и корректный расчёт технологических карт укладки, необходимых для качественного выполнения строительно-монтажных работ, а также даст возможность увеличить темпы строительства за счет сокращения объемов ремонта монтажных сварных соединений трубопровода по результатам выполнения инженерной оценки критического состояния монтажных сварных соединений.
Цель работы
Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния морских газопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при стингерной укладке для повышения темпов и качества строительных работ при выполнении принципов обеспечения эксплуатационной надёжности.
Основные задачи работы
1. Исследование влияния натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.
2. Исследование влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.
3. Исследование влияния адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.
4. Разработка уточнённого метода определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом, и его программная реализация.
5. Разработка уточненного и эффективного метода расчёта напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающего влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом.
Научная новизна работы
Разработан уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе, укладываемом на дно моря стингерным методом, учитывающий наличие бетонного покрытия. Разработанный метод позволяет учесть следующие особенности укладки морских трубопроводов стингерным методом:
– геометрическая нелинейность задачи (большие деформации металла трубы, большие перемещения оси трубы);
– физическая нелинейность задачи (нелинейные свойства металла труб и бетонного покрытия);
– технологические особенности укладки морских трубопроводов с применением стингерных ТУС (особенности деформирования трубы при прохождении по роликовым опорам стингера);
– особенности профиля морского дна, на которое укладывается трубопровод при спуске с ТУС (реализован учет произвольной формы профиля, абсолютно жесткое или упругое основание);
– трехмерность (неплоскость) деформирования оси трубопровода при укладке с учетом заданной формы коридора укладки и неплоского характера ряда действующих природных воздействий (течение, волнение и пр.).
Разработан эффективный уточнённый метод определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом. Разработанный метод позволяет учесть следующие эффекты:
– изменение по длине оси изгибной жесткости трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием;
– краевой эффект от надавливания краем бетонного покрытия на тело трубы;
– отслоение и сдвиг бетонного покрытия при недостатке величины адгезии между защитным противокоррозионным и бетонным покрытиями;
– влияние растрескивания бетонного покрытия при укладке на НДС необетонированных участков труб.
Исследовано влияние натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.
Исследовано влияние типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.
Исследовано влияние адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.
Защищаемые положения
1. Уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом.
2. Уточненный метод оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.
3. Методика определения влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия, а также адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом.
4. Расчётное обоснование выбора величины натяжения на трубоукладочном судне при формировании технологических режимов стингерной укладки морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
– разработан эффективный уточнённый метод определения НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, позволяющий выполнять корректный расчёт укладки трубопроводом с применением стингерных трубоукладочных судов;
– разработанный метод реализован в виде программного кода на языке APDL для применения в современных версиях программного конечно-элементного комплекса ANSYS, что позволяет повысить оперативность и эффективность выполнения расчётов и визуализации полученных результатов;
– разработанные методы и их программная реализация применены для расчёта морской укладки при разработке компанией ООО «Газпром ВНИИГАЗ» экспертных заключений в рамках научно-технического сопровождения строительства морских участков магистральных газопроводов «Бованенково – Ухта», «Сахалин – Хабаровск – Владивосток», «Джубга – Лазаревское – Сочи» и проекта «Обустройство Киринского месторождения».
– результаты выполненных параметрических исследований влияния характеристик бетонного утяжеляющего покрытия на НДС необетонированных участков труб могут быть использованы при выборе алгоритма расчёта укладки трубопроводов на новых морских проектах.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на:
– Отраслевом совещании «Состояние и направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа ОАО «Газпром»» (г. Саратов, 2009 г.);
– III Международной научно-технической конференции «Газо транспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2009, г. Москва, 2009 г.);
– Международной научно-технической конференции «Остаточный ресурс и проблемы модернизации систем магистральных и промысловых трубопроводов» (г. Киев, 2011 г.);
– IV Международной научно-технической конференции «Газотран-спортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2011, г. Москва, 2011 г.);
– VII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (г. Полоцк, 2011 г.).
Публикации
В процессе работы над диссертацией автором опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, входящих в "Перечень …" ВАК Минобрнауки РФ.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения (выводов) и списка литературы. Текст диссертации изложен на 139 страницах формата А4, содержит 99 рисунков, 7 таблицы.
Список литературы включает 84 наименование.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная и практическая значимость работы, приведены ее краткая аннотация и основные результаты.
В первой главе приведён обзор современного состояния проблемы расчёта укладки морских трубопроводов.
Рассмотрены вопросы строительства морских глубоководных трубопроводов с применением следующих методов укладки: стингерный или S-метод, J-метод, барабанный метод и несколько вариантов метода протаскивания. Рассмотрены конструкционные особенности трубоукладочных судов.
Рассмотрены применяемые ранее и в настоящее время методы расчёта укладки морских трубопроводов. Научные основы в области проектирования, сооружения и эксплуатации подводных трубопроводов были заложены и получили развитие в работах широкого круга ученых. Среди них как отечественные ученые: В.Л. Березин, П.П. Бородавкин, И.А. Искандеров, М.А. Камышев, В.Ф.Кожинов, И.П. Кулиев, И.Л. Бошкова, К.Я. Капустин, Б.И. Ким, С.И. Левин, Ф.М. Мугаллимов, Н.Ф. Нефедова, С.А. Оруджев, О.Б. Шадрин, А.М. Шамазов, В.В. Харионовский, так и зарубежные исследователи: Bynum Douglas, G. Clauss, R.T. Igland, S. Kyriakides, C.D. Babcock, Lam Quang Chien, T. Moan, A.H. Mousseli, Reifel Michael D., Rapp Ira H., J.R. Wilkins и др.
Существующие методы расчёта укладки морских трубопроводов можно условно разделить на три категории.
Методы первой категории основаны на использовании уравнений балочного изгиба, учитывающих большие перемещения и углы поворота оси трубопровода при укладке. Однако, следует отметить, что класс задач, для которых может быть получено аналитическое решение, ограничен простейшими случаями геометрии и нагружения конструкции. На практике, при расчёте процесса укладки морских трубопроводов, особенно на большие глубины, требуется численно решать двухточечную задачу Коши в условиях высокой жесткости полученной системы дифференциальных уравнений, а также в условиях неединственности и неавтономности получаемого решения. Кроме того, этот метод решения неэффективен для учета особенностей деформирования трубопровода на роликовых опорах стингера и практически непригоден для учета механизма деформирования необетонированных участков трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием.
Методы расчёта укладки морских трубопроводов второй категории основаны на применении теории метода конечных элементов. Это направление представляется более перспективным по сравнению с первым методом расчёта в силу своей универсальности, вычислительной эффективности, возможности учета геометрической и физической нелинейности задачи, а также наличия механизма решения контактных задач достаточно общего вида. Наиболее подходящими для моделирования данной задачи являются универсальные конечно-элементные пакеты ANSYS и ABAQUS, обладающие большой библиотекой конечных элементов и широкой возможностью расширения функциональных возможностей.
Методы расчёта укладки морских трубопроводов третьей категории основаны на применении узкоспециализированного программного обеспечения. К программным комплексам такого типа относятся, например, программы OFFPIPE и PipeLay, основанные на применении стержневых конечных элементов. Программы такого типа не могут быть модифицированы пользователем, ограниченно учитывают влияние бетонного покрытия (через коэффициент концентрации) и не пригодны для исследования влияния бетонного покрытия на НДС необетонированных участков трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием.
Рассмотрены особенности учета влияния бетонного утяжеляющего покрытия при расчёте укладки морских трубопроводов. Анализ научных публикаций и нормативной литературы по данной тематике показал, что в настоящий момент эта проблема недостаточно проработана. Среди значимых научных статей по рассматриваемой тематике отметим работы следующих исследователей: А.Б. Айнбиндер, Н.М. Гусейнов, Г.А. Мехтиев, G. L. Archer, J. Adams, H. T. Atken, S. Lund, D. M. Miller, R. Verley, O. B. Ness, G. Endal, N. Nourpanah, F. Taheri.
Бетонное покрытие оказывает следующее дополнительное влияние на НДС укладываемого морского трубопровода:
– изменяет изгибную жесткость трубы и делает эту изгибную жесткость переменной по длине трубопровода;
– вызывает концентрацию деформаций на необетонированных участках трубы;
– изменяет расположение оси изгиба трубы;
– может изменять НДС необетонированных участков трубы в случае отслаивания покрытия при недостаточности адгезионных свойств.
|
