Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Напряженное состояние балочных трубопроводных переходов с поддерживающими конструкциями

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Самсонов, Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

1.1. Консольные конструкции в промышленном и гражданском строительстве

1.2. Консольные конструкции в мостах и переходах

1.3. Консольные конструкции в трубопроводном транспорте

1.4. Консольные конструкции при восстановлении эксплуатационных свойств надземных трубопроводных переходов

1.5. Постановка цели и задач исследования

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСОЛЬНЫХ БАЛОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ

2.1. Классификация балочных схем трубопроводных переходов 34 2.2 . Оценка напряженно-деформированного состояния консольных балочных конструкций трубопроводных переходов

2.2.1. Консольные балочные переходы с компенсаторами

2.2.2. Консольные балочные переходы с защемленными опорами

2.2.3. Особенности расчета и работы консольных балочных переходов с учетом факторов их действительной работы

2.3. Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЛОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ С КОНСОЛЬНЫМИ ОПОРАМИ

3.1. Оценка напряженно-деформированного состояния новых балочных конструкций трубопроводных переходов с консольными опорами по методике предложенной автором диссертации

3.2. Оценка напряженно-деформированного состояния новых балочных конструкций трубопроводных переходов с консольными опорами по существующей методике

3.3. Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ БАЛОЧНОГО ПЕРЕХОДА С КОНСОЛЬНЫМИ ОПОРАМИ

4.1. Принципы теории моделирования и подобия физических процессов в конструкциях надземных трубопроводных переходов

4.2. Экспериментальная оценка деформированного состояния балочных переходов с консольными опорами

4.3. Обработка результатов эксперимента и оценка точности измерений

4.4. Выводы

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ НОВЫХ БАЛОЧНЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ С ПОДДЕРЖИВАЮЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ И ИХ РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫБОР

5.1. Определение показателей материалоемкости балочных переходов

5.1.1. Балочный трубопроводный переход, усиленный кожухом

5.1.2. Балочный трубопроводный переход, усиленный трубой, расположенной над рабочим трубопроводом

5.1.3. Балочный трубопроводный переход с консольными опорами в виде вантовых конструкций

5.1.4. Балочный трубопроводный переход с консольными опорами в виде консольных балок

5.1.5. Балочный трубопроводный переход с консольными опорами в виде консольных балок усиленных раскосами

5.1.6. Балочный трубопроводный переход с консольными опорами в виде балансирно - пространственных опор

5.1.7. Балочный трубопроводный переход с консольными опорами в виде балансирно - пространственных опор имеющих анкерные плиты

5.2. Определение трудоемкости изготовления, монтажа и приведенной стоимости балочных трубопроводных переходов

5.3. Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Напряженное состояние балочных трубопроводных переходов с поддерживающими конструкциями"

Актуальность проблемы. Трубопроводный транспорт является одним из самых экономичных способов транспортировки углеводородного сырья. Только в настоящее время в СНГ проложено более 450 тыс.км магистральных трубопроводов, из них 208 тыс.км проложено в Российской Федерации.

Магистральные газопроводы от места добычи газа до потребителя пересекают значительное количество препятствий в виде рек, каналов, оврагов и т. д. Так, на газопроводе "Ставрополь - Москва" длиной 1255 км на долю таких препятствий приходится 120 км, в том числе переходы через овраги, балки и лощины составляют -55%, через ж/дорожные и автомобильные дороги -32%, через реки и каналы -13% соответственно. На газопроводе "Братство" строители преодолели 209 естественных и искусственных препятствий, в том числе 157 балок, оврагов, мелиоративных каналов. Трубопроводные переходы являются наиболее сложными конструкциями магистральных трубопроводов, к сооружению которых предъявляются повышенные требования. Отказ в работе этих конструкций ведет к большим материально-экономическим потерям и отрицательному воздействию на окружающую среду. Только в 1998 году общее количество аварий на магистральных и внутрипромысловых трубопроводах составило более ста. Еще большие требования предъявляются к строительству надземных трубопроводных переходов, поскольку, как правило, к их сооружению прибегают в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях. Поэтому выбор рациональных и надежных конструктивных решений в процессе проектирования и прокладки магистральных трубопроводов в сложных условиях - один из важнейших вопросов строительства трубопроводного транспорта.

По перспективным оценкам, в ближайшие 10 лет протяженность строящихся трубопроводов и трубопроводов, требующих ремонта, сравняется. Это обстоятельство требует выработки научно-обоснованных рекомендаций по проведению регламентных обследований трубопроводных систем и их ремонту для продления сроков эксплуатации.

Работы по повышению надежности магистральных трубопроводов ученых Азметова Х.А., Бородавкина В.Л., Березина B.JL, Быкова Л.И., Галлямова А.К., Иванцова О.М., Макарова Г.И., Телегина Л.Г., Харионовского В.В., Ясина Э.М. и многих других позволяют разработать мероприятия по восстановлению эксплуатационных качеств трубопроводных магистралей, ведущие К уменьшению их отказов в работе.

Таким образом, исследование надежности работы, совершенствование методов расчета, а также разработка новых способов усиления магистральных трубопроводных переходов является актуальной.

Исследование по теме диссертации выполнено в рамках Межгосударственной научно-технической программы «Высоконадежный трубопроводный транспорт», утвержденной правительством Российской Федерации и Украины (1993 г.).

Целью диссертационной работы является разработка методик расчета напряженно-деформированного состояния и совершенствование конструкций балочных трубопроводных переходов с поддерживающими элементами, направленных на повышение эффективности использования несущей способности трубопровода на стадии проектирования и эксплуатации.

В соответствии с указанной целью в ходе исследований предстояло решить следующие основные задачи;

- разработать аналитические методы оценки напряженно-деформированного состояния консольных балочных трубопроводных переходов, учитывающих действительные условия их работы;

- разработать аналитические методы оценки напряженно-деформированного состояния балочных трубопроводных переходов с консольными опорами, учитывающих действительные условия их работы;

- разработать новые конструкции балочных трубопроводных переходов с консольными опорами и провести их экспериментальное исследование;

- на основе анализа практики эксплуатации надземных трубопроводных переходов разработать новые способы их усиления без остановки транспорта газа;

- оценить эффективность и рациональность балочных трубопроводных переходов с поддерживающими элементами при их проектировании.

Научная новизна диссертационной работы: Заключается в разработке: методов оценки напряженного состояния консольных балочных трубопроводных переходов и балочных трубопроводных переходов с консольными опорами, учитывающие действительные условия их работы, и апробации их на экспериментальной модели; технических решений по восстановлению свойств эксплуатируемых трубопроводных переходов; функциональных зависимостей обобщающего параметра материалоемкости и приведенных экономических затрат.

Основные положения выносимые на защиту:

- методика оценки напряженно-деформированного состояния консольных балочных трубопроводных переходов, дополнительно учитывающая влияние участков с компенсаторами;

- методика оценки напряженно-деформированного состояния балочных трубопроводных переходов с консольными опорами, учитывающая влияния внутреннего давления, температурного воздействия и примыкающих подземных участков трубопроводов;

- результаты экспериментальных исследований по изучению напряженно-деформированного состояния балочных трубопроводных переходов с консольными опорами при действии рабочих нагрузок;

- способы восстановления эксплуатационных качеств надземных трубопроводных переходов, находящихся в предаварийном состоянии;

- обоснование полученных в результате расчетов функциональных зависимостей обобщающего параметра материалоемкости и приведенных экономических затрат, позволяющие выбрать рациональную конструкцию балочных трубопроводных переходов на стадии проектирования.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Разработанные методы расчета балочных трубопроводных переходов с учетом действительных условий эксплуатации позволяют оценить их напряженно-деформированное состояние с высокой степенью точности, что обеспечивает рациональное проектирование поддерживающих конструкций, снижает расход используемых материалов и увеличивает надежность транспорта газа.

Мероприятия по повышению надежности трубопроводных переходов через балки и овраги реализованы на участках магистрального трубопровода «Средняя Азия - Центр» диаметром 1220 мм Острогожского УМГ Мострансга-за, по которым получены патенты на изобретения.

Новые конструкции переходов внедрены на 3 переходах магистральных трубопроводов, в том числе:

- переход пролетом 48 м через р.Оскол газопровода диаметром 530 мм в районе с.Ивановка;

- переход пролетом 45 м через р.Оскол газопровода диаметром 530 мм в районе с.Шмарное;

- переход через балку пролетом 56 м газопровода диаметром 219 мм в районе с.Орлик.

Внедрение новых конструкций позволило получить экономический эффект в сумме 362,25 тыс.руб. в ценах 1999 года.

Апробация работы. Основные результаты были представлены и одобрены на:

- международной конференции "Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве", Старый Оскол, 1999 г.;

- заседании секции школы-семинара "Реконструкция" в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете, Санкт-Петербург, 1999 г.;

- международной научно-практической конференции " Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века", Белгород,2000 г.;

- заседаниях секции по надежности и ресурсу газопроводов в ООО "ВНИИ-ГАЗ", Москва,2001г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 работ и получены три патента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 5 глав, общие выводы, список использованных источников и приложение. Вся работа изложена на 132 страницах, в 11 таблицах, на 75 рисунках, имеет список литературы из 63 наименований и 1 приложение на 3 страницах текста.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Самсонов, Сергей Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Поставлена и решена задача определения напряженно-деформированного состояния консольных балочных трубопроводных переходов, с учетом действительных условий их работы. Установлено, что значения изгибающих моментов при учете влияния температурных воздействий, внутреннего давления, примыкающих подземных участков и жесткости компенсатора в исследуемых переходах увеличиваются от 3 до 8 % .

2. На основе разработанных расчетных моделей балочных трубопроводных переходов с консольными опорами проведены исследования их напряженно-деформированного состояния с учетом действительных условий работы. Установлено, что учет влияния температурных воздействий, внутреннего давления, примыкающих подземных участков и жесткости компенсатора в исследуемых переходах приводит к увеличению значений изгибающих моментов в пределах 5-6 %, а перемещений консольных опор - в пределах 2-3 %. Выявлено, что учет перемещения опор приводит к уменьшению максимальных расчетных изгибающих моментов, а максимальные значения изгибающих моментов при воздействии равномерно распределенной нагрузки на всем пролете всегда находятся на опорах консолей.

3. Экспериментальные исследования модели трубопроводного перехода с консольными опорами подтверждают результаты расчета по предложенной методике, при этом расхождение параметров находится в пределах 8%. Доказано, что самой опасной является нагрузка, равномерно распределенная на всем пролете.

4. Разработаны новые способы восстановления эксплутационных качеств надземных трубопроводных переходов, находящихся в предаварийном состоянии. Эти способы основаны на максимальном использовании несущей способности усиливаемого трубопровода, что позволяет снизить

126 величину изгибных напряжений с сохранением компенсирующей способности рабочего трубопровода.

5. Получены закономерности изменения массы и технико-экономических показателей поддерживающих элементов трубопровода в зависимости от конструктивной схемы перехода и характеристик материалоемкости. Выявлено, что в балочных переходах с поддерживающими элементами самые рациональные конструкции по показателям металлоемкости - переходы с консольными опорами в виде вантовых и балансирно - пространственных опор. Металлоемкость этих конструкций на 23 % меньше, чем в балочных переходах с консольными опорами и усиленных кожухом. Установлено, что наиболее экономичной по трудоемкости изготовления конструкцией является переход, усиленный кожухом или трубой, расположенной над рабочим трубопроводом, а по трудоемкости изготовления и общей стоимости конструкции - переход с балансирно -пространственной опорой, имеющей анкерные плиты.

6. Предложенные конструкции и способы усиления трубопроводных переходов защищены тремя патентами на изобретение и внедрены при реконструкции эксплуатируемых переходов на объектах ОАО "БЕЛГО-РОДОБЛГАЗ". Суммарный экономический эффект составил 362,25 тыс.рубл в ценах 1999 года.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Самсонов, Сергей Николаевич, Старый Оскол

1. Мельников Н.П. Металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1983.-541с.

2. Трущев А.Г. Пространственные металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1983,- 216с.

3. Otto F. Das Hangende dach. Berlin: Bauwelt Verlag, I960.- 179c.

4. Мардер А.П. Металл в архитектуре. М.: Стройиздат, 1980.- 231с.

5. Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции. М.: Стройиздат, 1981.-158с.

6. Кирсанов Н.М. Висячие конструкции. М.: Стройиздат, 1983. - 25 с.

7. Шимановский В.Н. Висячие системы.- Киев: Будивельник, 1984. 208с.

8. Карлсен Г.Г., Большаков В. В. , Каган М.Е. и др. Деревянные конструкции. М.: Стройиздат, 1961. - 643 с.

9. Стрелецкий Н.С., Беленя Е.И., Ведеников Г.С. и др. Металлические конструкции. Специальный курс. М.: Стройиздат, 1982. - 472 с.

10. Качурин В.К., Брагин А.В., Ерунов Б.Г. Проектирование висячих и Байтовых мостов. М.: Транспорт, 1971. - 280с.

11. Лунев Л.А. Основы проектирования новых конструкций надземных трубопроводных переходов,- Старый Оскол: СТИ МИСиС, 2000. 124с.

12. Качурин В.К., Брагин В.В., Ерунов Г. Проектирование висячих и вантовых мостов. М.:Транспорт, 1971. - 280 с.

13. Петров И.Л., Спиридонов В.В. Надземная прокладка трубопроводов. М.: Недра, 1973. -470 с.

14. А.С. 1288426 СССР, МКИ F1GL1/00. Трубопроводный переход/Лунев Л.А, Спиридонов В.В.-3906075/23-08; Заявл.07.06.85; 0публ.07.02.87, БИ №5. Зс.

15. А.С. 1744174 А1 СССР, МКИ E01D21/04. Устройство для усиления многопролетных мостов/Лунев Л.А., Ткачев А.В.-4810009/29-33; Заявл. 04. 04. 90; Опубл. 30.06.92, БИ № 24.-4с.

16. А.С. 1679120 А1 СССР, МКИ F16L1/12, 3/22. Жесткая опора для групповой прокладки трубопроводов/Лунев JI.A., Шевченко A.M.-4392426/29-33; Заявл. 16. 03. 88; Опубл. 23.04.91, БИ № 23.-5с.

17. А.С. 1730328 А1 СССР, МКИ E01D 17/00, 3/22. Трубопроводный переход /Лунев Л.А., Старов А.В.-4772732/33; Заявл. 20. 12. 89; Опубл. 30.04.92, БИ № 16.-4с.

18. Лунев Л.А. Мост с консольными опорами. Решение патентной экспертизы ВНИИГПЭ о выдаче патента на изобретения по заявке 49446902/33.

19. Шухов В.Г. Строительная механика // Избранные труды / Под ред. А.Ю.Ишлинского, М.: Наука, 1977. - 192 с.

20. Айбиндер А.Б. Расчет магистральных и промышленных трубопроводов на прочность и устойчивость. -М.: Недра, 1991.- 286с.

21. Патент на изобретение №2150548 С1 Россия, МКИ E01D18/00. Устройство усиления трубопроводного перехода.// Самсонов С.Н., Лунев Л.А. -98123741/03; Заявл. от 21.12.1998; Опубл. 10.06.2000, БИ №16.

22. Патент на изобретение №2166576 С1 Россия, МКИ E01D18/00. Устройство усиления надземного трубопроводного перехода с помощью рычажной установки.// Лунев Л.А., Самсонов С.Н. 2000109935/03; Заявл. от 17.04.2000; Опубл. 10.05.2001, БИ №13.

23. Лунев Л.А., Алисеенко В.М., Самсонов С.Н. Новые способы усиления трубопроводных переходов. // Труды молодых ученых. Часть IV. Санкт-Петербург, Санкт-Петерб.ГАСУ, 1999 - С.68-73.

24. Камерштейн А.Г., Рождественский В.В., Ручимский М. Н. Расчет трубопроводов на прочность. Справочная книга. М.: Недра, 1969.- 440с.

25. Айбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1982,- 341с.

26. Перун И.В. Магистральные трубопроводы в горных условиях. М.: Недра, 1987.- 175с.

27. Магалиф В.Я., Якобсон J1.C. Расчет трубопроводов на вычислительных машинах. М.: Энергия, 1969.- 296с.

28. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов. М.: Машиностроение, 1982,- 280с.

29. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1984,- 245с.

30. Аксельрад Э.Л., Ильин В.П. Расчет трубопроводов.- М.: Машиностроение,-1972.- 239с.

31. Расчет и конструирование трубопроводов. Справочное пособие / Под редакцией Зверькова Б.В.- Л.: Машиностроение,- 1979.- 245с.

32. Стасенко И. В. Расчет трубопроводов на ползучесть.- М.: Машиностроение,-1986,-256с.

33. Карманский Т.Д. Численные методы строительной механики.- М.: Строй-издат, 1981,- 428 с.

34. Снитко Н.К. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1980.- 431с.

35. Лунев Л.А. Конструкции переходов через горные реки. // Научно-производственные достижения нефтяной промышленности в новых условиях хозяйствования. М.:ВНИИОНГ, 1989. - №11- С.4-5.

36. Лунев Л.А. Надземные трубопроводные переходы с консольными опорами // Научно-производственные достижения нефтяной промышленности в новых условиях хозяйствования. М.: ВНИИОНГ, 1988.- №12. - С.5-7.

37. Лунев Л.А. О напряженно-деформированном состоянии балочных трубопроводных мостов с консольными опорами // Совершенствование производства и методов расчете конструкций / Грозненский нефтяной институт. -Грозный, 1987.-С.82-85 Деп. ВНИИНТПИ, 1987, № 7787.

38. Снитко Н.К. Устойчивость стержневых систем в упруго-пластической области.-Л.: Стройиздат, 1968. 247с.

39. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. М.: Недра, 2000. 467с.

40. Харионовский В.В. и др. Методика расчета многопролетных трубопроводов (применительно к промысловым сооружениям на п-ве Ямал). М.: ВНИИГАЗ, 1988. 37 с.

41. Харионовский В.В.и др. Рекомендации по прочностным расчетам надземных газопроводов. М.: ВНИИГАЗ, 1988. 46 с.

42. Гольдштейн А.С., Кириенко В.И. Висячие и арочные переходы нефтепродуктов. М., "Недра", 1964,- 116с.

43. Березин В.Л., Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов.- М.: Недра, 1979.- 199с.

44. Снитко Н.К. Сопротивление материалов. Часть II. Л., Сев.-Зап.ЗПИ, 1960. -259 с.

45. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.- М.: Наука, 1979.- 560с.

46. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1977.- 407с.

47. Бабин Л.А., Быков Л.И., Волохов В.Я. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. -М.: Недра, 1979.- 176с.

48. Поляков Л.П., Файнбурд В.М. Моделирование строительных конструкций. Киев: Будивельник, 1975. - 159с.

49. Дидух Б.И., Каспэ И.Б. Практическое применение методов теории размерностей и подобия в инженерно-строительных расчетах.- М.: Стройиздат, 1975.-48 с.

50. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных М.: Колос, 1967,- 159с.

51. Смирнов Н.В., Дунин-Бырковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.:Наука, 1965.

52. Каширин Б.Л., Розенталь А. Л. Организация эксперимента. Учебное пособие. Часть I.- М.: МИСиС, 1987.- 127с.

53. Беленя Е.И., Гениев А.Н., Балдин В.А. и др. Металлические конструкции. -М.: Стройиздат, 1976. 600 с.

54. Руководство по выбору рациональных конструктивных решений надземных переходов магистральных трубопроводов. Р 474-82.-М.: ВНИИСТ, 1984.-76с.

55. Казакевич М.И., Любин А.Е. Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов Киев: Будивельник, 1980. -144с.

56. Пихтарников Я.М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций.- М.: Стройиздат, 1979,- 319с.

57. Панин А.В., Щеглов А.С., Сигаев И.П. и др. Вариантное проектирование стальных конструкций. Воронеж: ВГАСА, 2000,- 80с.

58. Трофимович В.В., Пермяков В.А. Оптимальное проектирование металлических конструкций. Киев: Будивельник, 1981.- 135с.133