Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности строительства трубопроводов в районах с высокой сейсмичностью

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

Автореферат диссертации по теме "Особенности строительства трубопроводов в районах с высокой сейсмичностью"

На правах рукописи

НАВАРРЕТЕ ДУЭНЬАС ДЖОННИ ХАВИЕР

ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ В РАЙОНАХ С ВЫСОКОЙ СЕЙСМИЧНОСТЬЮ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 4 ФЕ8 ?!)13

Уфа-2013

005049595

Работа выполнена на кафедре «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

доктор технических наук, профессор, Мустафин Фаниль Мухаметович

Королёнок Анатолий Михайлович

доктор технических наук, профессор, «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», декан факультета «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта»

Файзуллин Саяфетдин Минигулович

кандидат технических наук, ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Уфа», главный специалист СИОТГ

Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» РБ

Защита состоится «5» марта 2013 года в 16-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «1»

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

февраля 2013 года.

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Сильные землетрясения, произошедшие в Эквадоре за последние десятилетия, показали, что республика находится в зоне высокой сейсмичности. Согласно Сейсмическому Каталогу Эквадора (Egred, 1999а), за последние 110 лет были зарегистрированы 7 землетрясений силой от 6,8 до 8,8 баллов по шкале Рихтера. К недавним землетрясениям, которые принесли значительный ущерб стране, относятся землетрясения марта 1987 и августа 1998 годов.

В первом случае эпицентр находился в районе вулкана Ревентадор, на восточных склонах Анд на северо-востоке Эквадора. Повреждения были значительными, так как движения грунтовых масс, сопровождаемые землетрясением, спровоцировали разрыв нефтепровода СОТЭ (Система Нефтепроводов Эквадора). Это событие уменьшило на 60% доход от национального экспорта нефти.

В связи с тем, что в Эквадоре нефтепроводы находятся в районах высокой сейсмичности, проблема их строительства в таких условиях особенно актуальна.

В мировой практике строительства трубопроводов используются различные способы и конструктивные решения по их прокладке в сейсмических районах. Широко применяется способ прокладки трубопроводов над поверхностью земли на свободноподвижных опорах. Данный способ прокладки наиболее эффективен при пересечении трассой трубопровода активных тектонических разломов. К недостаткам способа относятся высокая металлоемкость и необходимость установки демпфирующих элементов.

При прокладке подземных трубопроводов применяется способ с разработкой траншеи с пологими откосами (уклон 1:1,5), устройством подсыпки из мягкого грунта толщиной не менее 200 мм, засыпкой

трубопровода измельченным, несвязным грунтом (крупнозернистым песком, торфом).

Недостатком данного способа является то, что мелкий песок и торф вымываются из траншеи потоками воды от ливневых дождей и весеннего паводка. Это в конечном итоге приводит к ухудшению компенсационного и демпфирующего свойств окружающего грунта при данном способе прокладки трубопровода.

Цель работы: повышение сейсмостойкости подземных трубопроводов на основе усовершенствования способов их прокладки для компенсации поперечных и продольных нагрузок, а также демпфирования колебаний при воздействии землетрясений.

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1 Анализ особенностей работы трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных районах, в частности, в Эквадоре.

2 Расчёт напряженно-деформированного состояния трубопровода при землетрясении для усовершенствованного способа его прокладки.

3 Расчёт сил, необходимых для достижения скольжения трубы относительно окружающего грунта в поперечном направлении.

4 Исследование воздействия динамических нагрузок на трубопровод для усовершенствованного способа его укладки.

5 Создание новых безопасных и экономичных конструктивных решений, позволяющих противостоять нагрузкам при землетрясениях и разработка технологии прокладки трубопроводов в районах с высокой сейсмической активностью.

Научная новизна

1 Выполненными расчетами напряженно-деформированного состояния трубопроводов установлены рациональное количество и толщина

упругопластичных элементов для трубопроводов различных диаметров, прокладываемых в районах с высокой сейсмической активностью.

2 Экспериментальными исследованиями установлена зависимость воздействия поперечной силы на трубопровод от угла откоса траншеи для различных видов грунта при прокладке трубопроводов в сейсмически опасных зонах.

3 Экспериментальными исследованиями показано снижение параметров вибрации для трубопровода диаметром 219 мм в 1,5-3,2 раза в зависимости от количества и толщины упругопластичных элементов и чередования воздушных прослоек.

На защиту выносятся теоретические и экспериментальные исследования, технические и технологические решения повышения сейсмостойкости подземных трубопроводов с применением упругопластичных элементов в траншее с пологими откосами.

Практическая ценность

1 Получен патент на изобретение №2447348, Российской Федерации «Способ прокладки трубопроводов в сейсмических районах».

2 Результаты работы используются в учебном процессе УГНТУ при чтении курса лекций по дисциплинам «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», «Сооружение и ремонт газонефтепроводов» и «Современные технологии сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ», при дипломном проектировании студентами специальности 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», а также при подготовке выпускных квалификационных работ бакалаврами и диссертаций магистрантами направления подготовки 130500 «Нефтегазовое дело».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: 59-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, 2008 г.; 61-я научно-техническая

конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, 2010 г.; VI Международная учебно-научно-практическая конференция «Трубопроводный транспорт-2010», 2010 г.; 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, 2011 г.; VII Международная учебно-научно-практическая конференция «Трубопроводный транспорт-2011», 2011 г.; 63-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, 2012 г.; VIII Международная учебно-научно-практическая конференция «Трубопроводный транспорт-2012», 2012 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе патент на изобретение и полезную модель, десять статей, из них три статьи в научно-технических журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций; содержит 163 страниц машинописного текста, в том числе 15 таблиц, 76 рисунков, библиографический список из 113 наименований и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, цель и основные задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, характеристика научной новизны, практической ценности и апробации научных результатов.

Первая глава посвящена анализу особенностей работы трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах. Показаны основные нефтепроводы Эквадора, а также уровень сейсмичности в стране. Проведен анализ аварийности и оценка надежности трубопроводов, эксплуатируемых в сейсмически опасных районах Эквадора. Проведенный анализ показал, что в

стране нет мест, где исключено возможное возникновение землетрясения. Следовательно, все трубопроводы, находящиеся в стране, подвергаются сейсмическим воздействиям. Наиболее критическими зонами с точки зрения сейсмической чувствительности являются центральная и западная части страны. Описано землетрясение, произошедшее 5 марта 1987 года, которое спровоцировало разрыв главного нефтепровода страны — Транс-Эквадорского нефтепровода СОТЭ. Также был проведен сравнительный анализ сейсмостойкости трубопроводов из различных материалов. В результате анализа выявлено, что из полиэтиленовых труб могут быть созданы трубопроводы для работы в сейсмически опасных зонах.

В связи с тем, что в Эквадоре нефтепроводы находятся в зонах высокой сейсмической активности, актуальными являются исследования различных способов и конструктивных решений по прокладке трубопроводов в сейсмических районах.

Во второй главе проведён обзор существующих методик расчёта напряженно-деформированного состояния трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах.

Значительный вклад в развитие различных аспектов рассматриваемой проблемы внесли работы: Александрова A.A., Андреевой Е.В., Гехмана A.C., Зайнетдинова Х.Х., Мурзаханова Г.Х., Омельяненко В.А., Рашидова Т.Р., Рябцева С.Л., Савинова O.A., Сущева Т.С., Хожметова Г.Х. Anderson I.C., Johnston S.B., Newmark N.M., Okamoto S. и других авторов.

В литературных источниках отмечается, что для компенсации сейсмических воздействий на трубопровод существуют различные способы, такие как установка компенсаторов, усиление жёсткости трубы (увеличение толщины стенки), устройство траншеи для трубопровода специальной конфигурации, устройство грунтового основания, устройство демпфирующей обкладки, применение композитных конструкций и т.д.

Изучен способ устройства траншеи для трубопровода специальной конфигурации (с пологими откосами), для которого наиболее опасной

составляющей сейсмического воздействия землетрясения является сила, направленная по нормали к оси трубопровода.

С целью усовершенствования данного метода нами было предложено применение упругопластичных элементов под трубопровод, для чего было рассчитано напряженно-деформированное состояние трубопроводов с использованием метода конечных элементов. В программе Ашув смоделирован фрагмент трубопровода диаметром 219,720,820,1220,1420 мм с упругопластичными элементами под ним. При этом проведены расчёты распределения напряжения в трубопроводе под действием сейсмических сил, направленных по нормали к продольной оси трубопровода. С целью определения оптимальной толщины упругопластичных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию трубопровода при землетрясении, упругопластичный слой увеличивался по 10 см до тех пор, пока значение максимального напряжения не оказалось ниже расчётного сопротивления металла трубы.

С учётом применения упругопластичных элементов расчёт величины давления грунта на оболочку трубопровода при сейсмическом воздействии, направленного по нормали к упругой оси трубопровода, произведён с использованием зависимости предложенной Андреевой Е.В.

В качестве примера на рисунке 1 представлены результаты распределения напряжений в трубопроводе диаметром 1220 мм с четырьмя слоями упругопластичных элементов при землетрясении силой в 9 баллов.

Рисунок 1 - Напряжения в трубопроводе диаметром 1220 мм с четырьмя слоями упругопластичных элементов

В результате расчёта распределения продольных и кольцевых напряжений в трубопроводе под действием сейсмических сил, направленных по нормали к продольной оси трубопровода, максимальное напряжение составило 335 МПа. В данном примере максимальное значение напряжения оказалось выше расчётного сопротивления металла трубопровода стали 12Г2СБ, составляющего 271,4 МПа. Для получения значения оптимальной толщины упругопластичного элемента был добавлен еще один слой, в результате чего напряжение оказалось ниже предела прочности и составило 206 МПа.

Концентрация минимальных напряжений достигается за счёт увеличения количества слоев упругопластичных элементов под трубопроводом.

С целью определения оптимального количества слоев упругопластичных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию трубопровода при землетрясении силой в 9 баллов, по итогам полученных результатов построена диаграмма (рисунок 2).

Рисунок 2 - Диаграмма сравнения максимальных напряжений в трубопроводе при землетрясении силой в 9 баллов в зависимости от диаметра трубы и количества упругопластичных элементов

Из диаграммы видно, что значение напряжения ниже расчётного сопротивления рассматриваемой стали 12Г2СБ, составляющее 271,4 МПа, достигается при толщине 10 см для трубопровода диаметром 219 мм, 40 см для трубопровода диаметром 720 мм и 820 мм, 50 см для трубопровода диаметром 1220 мм и 60 см для трубопровода диаметром 1420 мм.

Результаты данного анализа дают основание считать, что использование упругопластичных элементов в траншее приводит к снижению напряженно-деформированного состояния металла трубопровода.

В третьей главе представлен анализ экспериментальных исследований по сейсмостойкости трубопроводов, проводимых как в России, так и за рубежом.

Как показали результаты исследований трубопроводов, перенесших землетрясение, и проведенные эксперименты, важную роль играет степень защемления подземного трубопровода в грунте.

Во время землетрясения трубопровод приподнимается, в результате чего сейсмические напряжения частично компенсируются.

Для обеспечения сейсмостойкости трубопроводов необходимо предусматривать возможность свободного перемещения и деформирования трубопровода.

Проведены статические опыты с целью определения сил, необходимых для достижения скольжения трубы относительно окружающего грунта в поперечном направлении от оси трубы.

Была сконструирована и изготовлена установка по исследованию сопротивления грунта вертикальным перемещениям. Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 3.

1 - труба; 2 - грунт; 3 - груз; 4 - трос; 5 - блок; 6 - подушка; 7 - грунт засыпки; 8 - металлический лоток Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки

Эксперименты заключались в вытягивании трубы вверх, уложенной в траншею с пологими откосами = 26°, = 35°, = 45° из различных видов грунтов (торф, песок, гравий, щебень и гравийный песок).

Исследования показали, что чем меньше степень защемления трубопровода в окружающем грунтовом массиве и угол откоса траншеи, тем меньшее усилие нужно приложить для того, чтобы трубопровод оказался вне траншеи.

На рисунке 4 представлен график зависимости поперечной силы (Р) от уклона откоса траншеи.

Таким образом, сделан вывод о том, что в качестве грунта засыпки необходимо использовать гравий или щебень. Выбор данных видов грунтов определяется их несвязностью, что обеспечивает возможность перемещения трубопровода при сейсмических подвижках, а также их устойчивостью к вымыванию потоками воды от ливневых дождей и весеннего паводка.

В рассматриваемой главе также описываются проведенные исследования колебания трубопровода под действием динамических воздействий.

Была сконструирована и изготовлена установка по исследованию колебаний трубопровода под действием динамических воздействий.

Установка (рисунок 5) представляет собой деревянный ящик 9, усиленный металлическими связками длиной 210 см, шириной 100 см и высотой 55 см, в котором размещена стальная труба 1, длиной 200 см, диаметром 219 мм, с толщиной стенки 11 мм, под которую послойно устанавливались упругопластичные элементы.

Эксперимент состоял в измерении параметров вибрации трубы вибропреобразователями (датчиками), расположенными в центре, на правом и левом её конце.

1 - трубопровод, 2 - упругопластичный элемент, 3 - грунт, 4 - пластина, 5 - грунт засыпки (щебень), 6 - рычаг, 7 - опора, 8 - вибратор, 9 - деревянная коробка, 10 - датчик 1,11- датчик 2, 12 - датчик 3, 13 - датчик 4 Рисунок 5 - Схема экспериментальной установки

Под трубопроводом послойно устанавливались упругопластичные элементы без воздушных прослоек и с чередованием воздушных прослоек между слоями. Для сравнения результатов опыты проводились с одним, тремя и пятью слоями, а также без них, толщина каждого слоя равна 2 см, длина равна длине трубопровода. Траншея подготавливалась с пологими откосами, в соотношении 1:2, с использованием щебня в качестве грунта засыпки. Колебания грунта возбуждались вибратором.

Измерения и анализы поступающих из датчиков сигналов проводились многоканальным прибором Диана-8.

Обработка показаний на компьютере осуществлялась с помощью программы Атлант.

При повторении эксперимента трубу раскапывали и добавляли большее количество слоев упругопластичных элементов, после этого снова укладывали в траншею.

На рисунках 6 и 7 представлены результаты изменений виброускорения, виброскорости и виброперемещения в зависимости от количества слоев упругопластичных элементов без воздушных прослоек и с чередованием воздушных прослоек.

Слои упругопластичных элементов

Слон упругопластнпных элементов

а - виброускорение; б - виброскорость; в - виброперемещение 1 - по центру трубы; 2 - на правом конце трубы; 3 - на левом конце трубы Рисунок 6 - Изменение параметров вибрации в зависимости от количества слоев упругопластичных элементов без

воздушных прослоек

1

12_

Значения количест при ради 1вСЛОЙвб нальном. 3 / \ з

воздуипц IX проело к »

40

I35

«30 ¡я

V" §20

|ю

а

Я„

2

кошгчесп гслоёвбек У

воздушнь х прослоек /

0,5 1 1,5 2 2,5 В Количество шгёв с воздушными прослойками

0,5 1 1,5 2 2,5 3 Количество слоев с воздушными прослойками

0,5 1 1,5 2 2,5 3 Количество слоев с воздушными прослойками

а - виброускорение; б - виброскорость; в - виброперемещение 1 - по центру трубы; 2 - на правом конце трубы; 3 - на левом конце трубы Рисунок 7 - Изменение параметров вибрации в зависимости от количества слоев упругопластичных элементов с чередованием

воздушных прослоек

Экспериментальные исследования показали, что значения параметров вибрации трубопровода (виброускорение, виброскорость и виброперемещение) при наличии упругопластичных элементов значительно уменьшаются. При наличии упругопластичных элементов без воздушных прослоек значение виброускорения уменьшилось на 43,26%, значение виброскорости на 44% а значение виброперемещения на 44,01%. При наличии упругопластичных элементов с чередованием воздушных прослоек значение виброускорения уменьшилось на 66,56%, значение виброскорости на 66,88%, а значение виброперемещения на 66,9%.

Результаты данного эксперимента дают основание считать, что для компенсации нагрузок и демпфирования колебаний трубопровода во время землетрясения необходимо укладывать упругопластичные элементы в траншею с чередованием воздушных прослоек.

Исходя из практической и экономической целесообразности, рекомендуется укладывать упругопластичные элементы с чередованием воздушных прослоек.

В четвёртой главе был проанализирован существующий метод проектирования и строительства магистральных подземных трубопроводов, прокладываемых в условиях высокой сейсмичности, который заключается в следующем:

- заглубление трубопровода должно быть минимально допустимым, в скальных грунтах оно составляет 0,6 м, а в полускальных 1,0 м;

- толщина подсыпки из песка на дне не менее 200 мм;

- уклон откосов траншеи 1:1,5;

- засыпка измельченным, несвязным грунтом выполняется толщиной не менее 200 мм.

На основе анализа был сделан вывод, что недостатком этого способа является то, что мелкий песок и торф вымываются из траншеи потоками воды от ливневых дождей и весеннего паводка. Это в конечном итоге приводит к

ухудшению компенсационного и демпфирующего свойств данного метода прокладки.

Таким образом, сделан вывод о том, что необходима разработка такого метода прокладки, который позволит противостоять нагрузкам при землетрясениях и будет удовлетворять требованиям по надежности, будучи при этом безопасным и экономически целесообразным.

С целью усовершенствования данного способа нами предложен новый способ прокладки, предназначенный для компенсации поперечных и продольных нагрузок на трубопровод и демпфирования колебаний трубопровода при сейсмическом воздействии на него, повышения надежности трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах.

Предложенный способ включает подземную прокладку трубопровода в широкой траншее с пологими откосами. При прокладке трубопровода используют упругопластичные элементы, которые устанавливают вплотную друг к другу по всей длине или с шагом Ь от 1 до 10 метров. Шаг Ь зависит от диаметра и толщины стенки трубопровода и выбирается исходя из условия возникновения допустимых прогибов участков трубопровода между двумя соседними опорами в виде упругопластичных элементов. Кроме того, в случае установки упругопластичных элементов с шагом Ь на внешнюю поверхность трубопровода дополнительно устанавливают скальный лист для исключения повреждения стенки трубы или изоляции трубы от грунта засыпки.

Для исключения контакта трубопровода со стенкой и дном траншеи и грунтом засыпки он также может обкладываться со всех сторон упругопластичными элементами.

Для засыпки траншеи на участках с уклоном до 5° используют песчаный грунт с зернами размером 2,0 - 5,0 мм без пылеватых фракций.

Выбор данного вида грунта засыпки определяется его несвязностью, что обеспечивает возможность перемещения трубопровода при сейсмических подвижках, а также его устойчивостью к размыванию потоками воды от ливневых дождей и весеннего паводка.

Упругопластичные элементы представляют собой мешки или емкости различной геометрической формы с габаритными размерами (0,2 - 1,5 м) х (0,4 - 3,0 м) в зависимости от диаметра трубопровода и района строительства, заполненные стружкой непрессованных стекловолокнистых материалов или пенопропиленовых, поролоновых и других упругопластичных материалов, песком или торфом, а также резинотканевые (полимерные, металлокордовые и другие материалы), в качестве которых могут быть использованы, например, утилизированные автопокрышки.

Итак, предлагаемый нами способ прокладки трубопроводов в сейсмических районах заключается в следующем: в широкую траншею с пологими откосами (рисунок 8) укладывают трубопровод 1, в случае установки упругопластчных элементов с шагом Ь для исключения повреждения стенки трубы и изоляции от грунта засыпки, дополнительно предусматривается установка на внешнюю поверхность трубопровода скального листа 2. Далее производят засыпку траншеи грунтом 4.

На рисунке 8 представлен поперечный и продольный разрез траншеи с упругопластичными элементами.

а) поперечный разрез; б) продольный разрез 1 - трубопровод; 2 - скальный лист; 3 - упругопластичный элемент; 4 - грунт

засыпки (щебень)

Рисунок 8 - Прокладка трубопровода в траншею с упругопластичными

элементами

В случае прокладки трубопровода на склоновых участках (рисунок 9) с уклоном более 5° упругопластичные элементы 3 укладывают только под трубопровод 1. При этом для исключения повреждения стенки трубы и

изоляции трубы от грунта засыпки 4 дополнительно предусматривается установка на внешнюю поверхность трубопровода скального листа 2. Далее производят засыпку траншеи щебнем с зернами размером 10 - 50 мм.

На рисунке 9 представлен поперечный и продольный разрез траншеи с упругопластичными элементами, укладываемыми под трубопровод.

а) поперечный разрез; б) продольный разрез 1 - трубопровод; 2 - скальный лист; 3 - упругопластичный элемент; 4 - грунт

засыпки (щебень)

Рисунок 9 — Прокладка трубопровода в траншею с упругопластичными элементами на уклоне

Технологическая схема укладки трубопровода на упругопластичные элементы представлена на рисунке 10.

ДтА 6 5

5 - упругопластичный элемент;

6 - трубопровод защищенный скалышм листом;

МиМг.М'.М» - машинист трубоукладчика.

Рисунок 10 - Технологическая схема укладки трубопровода на упругопластичные элементы

Для исключения контакта трубопровода со стенкой и дном траншеи и грунтом засыпки 3 трубопровод 1 может обкладываться со всех сторон упругопластичными элементами 2.

На рисунке 11 представлен поперечный разрез траншеи с упругопластичными элементами, укладываемыми вокруг трубопровода.

1 - трубопровод; 2 - упругопластичный элемент; 3 - фунт засыпки (щебень) Рисунок 11 - Поперечный разрез траншеи с упругопластичными элементами

Технологическая схема организации работ монтажа упругопластичных элементов представлена на рисунке 12.

_4 т3

1 - кран-трубоукладчик;

2 - площадка для складирования деталей;

3 - штабель упругопластичных элементов;

4 - упрупластичный элемент установленный вокруг трубопровода;

5 - трап-мостик.

С) ■ рабочее место исполнителя Исполнители:

М1, - машинист трубоукладчика; *Г|» Т2, Т3, Т4 - монтажники.

Рисунок 12 - Технологическая схема организации работ монтажа упругопластичных элементов

При сейсмической активности компенсация нагрузок на трубопровод и демпфирование колебаний трубопровода достигается за счет свойств упругопластичных элементов и, как следствие, возможности свободного перемещения и деформирования трубопровода в траншее. Повышение надежности достигается за счет отсутствия в траншее легкоразмываемых водой грунтов (мелкий песок, торф).

Во время землетрясения трубопровод приподнимается, в результате чего сейсмические напряжения частично компенсируются.

Упругопластичные элементы предлагаемой конструкции обладают достаточной прочностью для сопротивления действию грунта засыпки и достаточной пластичностью для свободного перемещения трубопровода во время сейсмической активности.

Благодаря отсутствию защемления трубопровода грунтом и возможности свободного перемещения и деформирования трубопровода при сейсмической активности происходит существенное уменьшение механических напряжений в стенке трубы. Благодаря отсутствию в траншее легкоразмываемых водой грунтов (мелкий песок, торф) обеспечивается стабильность компенсирующих и демпфирующих свойств данного способа прокладки. Как следствие, происходит повышение надежности данного участка трубопровода.

В данной главе также показана диаграмма стоимости упругопластичных элементов в зависимости от их количества и расположения — без воздушных прослоек и с чередованием воздушных прослоек.

Исходя из практической и экономической целесообразности, рекомендуется укладывать упругопластичные элементы с чередованием воздушных прослоек.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Проведённый анализ особенностей работы трубопроводов в сейсмических районах показал, что все трубопроводы подвергаются динамическим нагрузкам, а возникающие напряжения в стальных трубопроводах превышают расчётное сопротивление металла. Анализ характеристик трубопроводов из различных материалов показал, что из полиэтиленовых труб могут быть созданы трубопроводы для работы в условиях высокой сейсмичности. Установлено, что необходимо применять различные способы прокладки трубопроводов в сейсмических районах в связи с тем, что многие из них, в том числе в Эквадоре, построены без применения особых технологических и конструктивных решений, обеспечивающих их сейсмическую безопасность.

2 Расчётами доказано, что для обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводных систем в сейсмически опасных зонах необходимо использовать упругопластичные элементы при прокладке трубопровода. Использование упругопластичных элементов приводит к снижению напряженно-деформированного состояния металла трубопровода в 2 - 4 раза в зависимости от их толщины и упругих свойств.

3 Экспериментально подтверждено, что чем меньше степень защемления трубопровода в окружающем грунтовом массиве и угол откоса траншеи, тем меньшее усилие в зависимости от типа грунта нужно приложить для того, чтобы трубопровод оказался вне траншеи.

4 Установлено, что воздействия динамических нагрузок на трубопровод при укладке упругопластичных элементов с чередованием воздушных прослоек под него уменьшаются значительнее, чем при их укладке без воздушных прослоек. При наличии упругопластичных элементов без воздушных прослоек значение виброускорения уменьшилось на 43,26%, значение виброскорости на 44%, а значение виброперемещения на 44,01%. При наличии упругопластичных элементов с чередованием воздушных прослоек значение виброускорения

уменьшилось на 66,56%, значение виброскорости на 66,88% а значение виброперемещения на 66,9%.

5 Усовершенствована технология прокладки трубопроводов в сейсмически активных районах, предназначенная для компенсации поперечных и продольных нагрузок на трубопровод и демпфирования колебаний при сейсмическом воздействии на него. Компенсация нагрузок на трубопровод и демпфирование колебаний трубопровода достигаются за счет прокладки упругопластичных элементов. Усовершенствованная технология прокладки является перспективной с точки зрения обеспечения надежности работы трубопроводных конструкций в соответствии с полученным патентом на изобретение №2447348 «Способ прокладки трубопроводов в сейсмических районах».

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1 Наваррете Д.Д.Х., Веселов Д.Н., Мустафин Ф.М. Особенности появления перевальных точек по нефтепроводу "SOTE" (Эквадор) // Материалы 59-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 2008. - Кн. 1. - С. 72.

2 Наваррете Д.Д.Х. Полиэтиленовые трубы, армированные синтетическими нитями, для нефтепромысловых трубопроводов в сейсмических районах // Материалы 61-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 2010.—Кн. 1.-С. 43 -44.

3 Патент на полезную модель №95781 Российская Федерация, МПК F16L51/00. Компенсатор для трубопровода на свободноподвижных опорах / Шаммазов A.M., Мустафин Ф.М., Гаскаров А.И., Нафиев Р.Х., Наваррете Д.Д.Х., Веселов Д.Н., Аль-Рашид Мохаммед Хамад. № 2009148361; заявлено 24.12.2009; опубл. 10.07.2010. Бюл. № 19. - 2 с.

4 Наваррете Д.Д.Х., Мустафин Ф.М. Способ прокладки подземных трубопроводов в сейсмических районах // Нефтегазовое дело. — 2011. - Т.9, №2. -С. 34-37.

5 Наваррете Д.Д.Х., Мустафин Ф.М. Экспериментальные исследования взаимодействия трубопроводов, проложенных в сейсмических опасных районах, с различными видами грунтов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2011. - №4. - С. 9 - 12.

6 Наваррете Д.Д.Х., Остапчук А.Э. Совершенствование способа прокладки трубопроводов в сейсмических опасных районах // Материалы 62-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Уфа: УГНТУ,2011.-Кн.1.-С. 53-54.

7 Наваррете Д.Д.Х. Моделирование трубопровода при прокладке в траншею с упругопластичными элементами // Материалы докладов VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2012». - Уфа: УГНТУ, 2012. - С. 253 - 255.

8 Наваррете Д.Д.Х. Установка и методика проведения статических опытов, при прокладке трубопровода в сейсмических районах // Материалы докладов VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2012». - Уфа: УГНТУ, 2012. - С. 251 - 253.

9 Наваррете Д.Д.Х. Установка и методика проведения динамических опытов, при прокладке трубопровода в сейсмически опасных зонах // Материалы докладов VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2012». - Уфа: УГНТУ, 2012. - С. 248 - 250.

10 Наваррете Д.Д.Х., Мустафин Ф.М. Исследования взаимодействия трубопроводов, проложенных упругопластичными элементами, с грунтом в районах с высокой сейсмической активностью // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2012. - №2. - С. 14-17.

11 Мустафин Ф.М., Куценко К.В., Наваррете Д.Д.Х. Повышение надежности эксплуатации надземных трубопроводов в сейсмических районах //

Материалы докладов VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2012». - Уфа: УПТГУ, 2012. - С. 272 - 274.

12 Патент № 2447348 Российская Федерация, МПК F1611/028. Способ прокладки трубопроводов в сейсмических районах / Мустафин Ф.М., Шаммазов A.M., Гаскаров А.И., Наваррете Д.Д.Х., и др. № 2010111591/06; заявлено 25.03.2010; опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10. - 6 с.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой, доктору технических наук Мустафину Фанилю Мухаметовичу, а также коллективу кафедры «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» УГНТУ за помощь и ценные замечания при подготовке работы.

Подписано в печать 24.01.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 'Аб Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 100. Заказ 8

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1