Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение надёжности воздушных переходов магистральных трубопроводов

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

Автореферат диссертации по теме "Повышение надёжности воздушных переходов магистральных трубопроводов"

УДК 622.692.4 На правах рукописи

ГИМАЗЕТДИНОВ ИЛЬДАР РАСИЛЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 — Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

- 7 ОКТ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005563077

Уфа 2015

005563077

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ООО «ИПТЭР»).

Научный руководитель — Гумеров Кабир Мухаметович,

доктор технических наук, профессор, ООО «Институт проблем транспорта энергоресурсов», заведующий отделом «Техническая диагностика промысловых трубопроводов»

Официальные оппоненты: — Ларионов Валерий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ООО «Центр исследований экстремальных ситуаций», заместитель генерального директора

— Чучкалов Михаил Владимирович,

кандидат технических наук, ООО «Газпром трансгаз Уфа», начальник технического отдела

Ведущая организация — Южно-Уральский государственный университет

(Национальный исследовательский университет)

Защита состоится 29 октября 2015 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ООО «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ООО «Институт проблем транспорта энергоресурсов» www.ipter.ru.

Автореферат разослан 21 сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Трубопроводная сеть нефтегазовой отрасли России продолжает развиваться быстрыми темпами. В отличие от прежних периодов развития отрасли в настоящее время намного больше уделяется внимания вопросам безопасности по отношению к окружающей среде, населённым пунктам, предприятиям, коммуникациям и обслуживающему персоналу. Для этого создана и достаточно эффективно действует система экспертизы промышленной безопасности.

Другая особенность состоит в том, что сейчас стало известно гораздо больше механизмов развития опасностей, чем раньше. В результате анализа множества аварийных ситуаций выяснилось, что принятые раньше некоторые технические решения не в полной мере учитывали некоторые важные явления, определяющие безопасность. К числу таких явлений относятся, например, малоцикловое развитие трещин на концентраторах напряжений, старение металла труб при длительной эксплуатации, механохимические эффекты, коррозионное растрескивание под напряжением. Как оказалось, общим ускоряющим фактором этих механизмов является напряжённое состояние трубопроводов, особенно на сложных участках, таких как переходы через различные препятствия (реки, овраги, дороги и др.).

Это, в свою очередь, привело к развитию методов контроля напряженного состояния трубопроводов и его элементов с учётом всего набора усложняющих факторов (большая протяжённость, труднодоступность подземных участков, разнообразие конструктивных элементов, сложные природно-климатических условия, большие диапазоны температурно-силовых воздействий, различные грунтовые изменения). И абсолютно очевидно, что одними лишь экспериментальными методами данную задачу невозможно полностью решить. Поэтому уделяется большое внимание развитию расчётных методов, позволяющих эффективно использовать результаты периодических обследований всеми известными методами.

Однако, как показывает анализ современных учебников, монографий и нормативных документов по расчётам надземных участков магистральных трубопроводов, в них присутствуют некоторые недостатки, в частности:

— не учитывается взаимодействие балочных переходов с прилегающими подземными участками трубопровода;

— не учитывается неоднородность как самого трубопровода (например, по толщине стенки труб), так и грунтовых условий (свойства грунта, глубина залегания трубопровода);

— не учитывается распределение кривизны приграничных подземных участков, обеспечивающее соответствие рельефу местности;

— допущена неточность при расчётной оценке осевых сил под действием внутреннего давления, что вносит погрешность при оценках устойчивости воздушных переходов (данная неточность вкралась не только в учебники и нормативные документы, но и в стандартные расчётные программы).

В математических моделях стандартных П-, Г-, г-образных компенсаторов с прямыми отводами и стойками также допущены недостаточно обоснованные положения, например:

а) не учитывается:

— изгиб горизонтальных частей компенсаторов (полок) и самого трубопровода в зонах примыкания к стойкам;

— опоры и характер их взаимодействия (вид крепления) с трубопроводом.

б) недостаточно обоснованно допускается, что прямые участки трубопровода не деформируются, а могут только сдвигаться в продольном направлении как абсолютно жесткое целое;

Обнаруженные недостатки можно устранить, применяя численные методы решения задач. Они позволяют учитывать практически любые законы взаимодействия трубопровода с грунтом, максимально эффективно использовать результаты обследований, и при этом допускают автоматизацию расчётов.

В последние годы достигнуты определенные успехи в сочетании расчётных методов с методом внутритрубной диагностики с применением навигационных датчиков. Созданные программные комплексы апробированы на ряде магистральных трубопроводов (МН Восточная Сибирь-Тихий океан, МГ Челябинск-Петровск, трубопроводы месторождения Ванкор). При этом обнаружен ряд неизвестных ранее явлений, в частности по формированию жесткости и податливости подземных участков, по влиянию опор на деформативную способность воздушных участков. Также обнаружилась необходимость в совершенствовании расчётных формул применительно к компенсаторам новых типов, которые стали широко применяться на северных магистральных трубопроводах. Без решения этих вопросов невозможно с достаточной точностью определять прочность и устойчивость трубопроводов на сложных участках с воздушными переходами, следовательно, невозможно гарантировать безопасность на длительные сроки.

Таким образом, анализ обозначенных выше проблем и возможных путей их решения позволил сформулировать цель и задачи в рамках настоящей диссертационной работы.

Цель работы — повышение надёжности сложных участков магистральных нефтегазопроводов с надземными переходами.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1 Анализ и совершенствование методов расчёта продольных перемещений подземных трубопроводов на участках, граничащих с воздушными переходами и надземными участками.

2 Оценка продольных сил на воздушном участке трубопровода с учётом взаимодействия с приграничными подземными участками.

3 Исследование эффективности компенсаторов разных типов: П-, Г-, Z-образных и слабоизогнутых с учётом расположения опор и крепления на них.

4 Исследование закономерностей формирования устойчивости воздушного участка с комплексным учётом конфигурации, опор и приграничных подземных участков. Оценка допустимых режимов эксплуатации.

5 Исследование напряженно-деформированного состояния участков действующих магистральных трубопроводов с компенсаторами. Практические рекомендации по рассмотренным случаям.

Методы решения поставленных задач

В диссертационной работе использованы положения теоретической механики, теории упругости, сопротивления материалов, теории устойчивости, численные методы, в том числе метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Также использованы результаты обследования участков действующих магистральных трубопроводов, результаты расследования аварийных ситуаций.

Основой для решения данных задач явились также работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: Х.А. Азметова, А.Б. Айнбиндера, P.A. Алиева, P.M. Аскарова, И.В. Березина, П.П. Бородавкина, Л.И. Быкова, Г.Г. Васильева, А.Г. Гумерова, K.M. Гумерова, P.C. Зайнуллина, О.М. Иванцова. Г.К. Клейна, A.A. Коршака, Ф.М. Мустафина, В.Ф. Новосёлова, И.П. Петрова, К.Е. Ращепкина, С.К. Рафикова, Е.Е. Тарковского, Л.Г. Телегина, П.И. Тугунова, В.П. Флорина, В.В. Харионовского, В.И. Черникина, A.M. Шаммазова, Э.М. Ясина и др.

Научная новизна результатов работы

1 Разработана методика и алгоритм расчёта продольных перемещений трубопровода в грунте с учетом неоднородности трубопровода и грунта по всем основным факторам: размерам, конфигурации, глубине, механическим свойствам грунта, характеру взаимодействия трубопровода с грунтом с учётом эффектов пластического срыва. Исследованы и установлены основные закономерности продольного перемещения подземных участков с учётом всех перечисленных особенностей.

2 Исследованы закономерности взаимодействия балочного, перехода трубопровода с приграничными подземными участками с учётом факторов неоднородности трубопровода, грунта, температурно-силовых условий. Предложена методика, позволяющая рассматривать надземные и подземные участки трубопровода как единое целое и точнее выполнять расчёты прочности и устойчивости.

3 Исследованы особенности напряженно-деформированного состояния воздушных переходов со стандартными П-, Г-, 7-образными компенсаторами и нестандартными слабоизогнутыми элементами с учётом характера взаимодействия трубопровода с опорами.

4 Введены понятия интегральной жесткости и интегральной податливости воздушного участка с компенсаторами. Введено понятие коэффициента снижения жёсткости в качестве одной из характеристик, определяющих эффективность компенсатора. Получены расчётная формула и алгоритм, позволяющие определять продольную силу на воздушном участке с учётом введённых новых понятий.

5 Исследована эффективность разных видов компенсаторов по критериям коэффициента снижения жёсткости и коэффициента концентрации напряжений а0. При этом установлено, что характеристики \ и аа зависят не только от формы и размеров компенсаторов, но и от характера взаимодействия трубопровода с опорами, а также от продольной жесткости приграничных подземных участков.

На защиту выносятся:

— математические модели взаимодействия воздушных и подземных участков трубопровода при различных сочетаниях исходных данных, характеризующих трубопровод, грунт, температурно-силовые условия;

— закономерности формирования напряженного состояния воздушных участков трубопроводов, содержащих компенсаторы напряжений различных форм, закреплённых различным способом на опорах;

— методика расчёта устойчивости воздушных участков трубопровода с учётом взаимодействия с опорами и приграничными подземными участками;

— рекомендации по повышению эффективности компенсаторов на воздушных участках магистральных трубопроводов;

— результаты исследования напряженного состояния участков действующих магистральных трубопроводов с компенсаторами и рекомендации по совершенствованию их конструкций.

Практическая ценность н реализация результатов работы

1 Показано, что на магистральных трубопроводах предпочтение следует отдавать компенсаторам со слабоизогнутыми элементами, которые обеспечивают повышенную проходимость для внутритрубных снарядов и имеют достаточную эффективность по критериям Е, и ап.

2 Разработанный математический аппарат и расчётные программы могут быть полезны как при проектировании трубопроводов с надземными участками и переходами, так и при экспертизе технического состояния эксплуатирующихся трубопроводов.

3 Показано, что часто используемое допущение о том, что на подземных участках осевые деформации отсутствуют, т. е. ет = 0, не всегда верно. Это условие нарушается на балочных переходах, на подземных участках в окрестности балочных переходов, при наличии компенсаторов, а также на прямых подземных участках, неоднородных по толщине стенки.

4 Исследовано техническое состояние надземного перехода магистрального газопровода Челябинск-Петровск через реку Юрюзань, сооруженного с использованием г-образных компенсаторов с прямыми углами. Определены виды и источники опасности, включая конструктивные особенности, дефекты и перенапряженные участки.

5 Установлено, что на этом переходе путём замены некоторых скользящих опор на свободные можно снизить продольные напряжения почти в 2 раза и тем самым снизить напряжения до безопасного уровня без изменения режимов эксплуатации газопровода.

6 Установлено, что данный воздушный переход находится в устойчивом состоянии при режимах эксплуатации в пределах Р < 7,7 МПа; -50 °С < Т < +50 °С. Определен параметр эффективности компенсаторов на данном воздушном переходе £ = 0,031. Это означает, что продольная жёсткость перехода составляет 3,1 % по сравнению с жёсткостью прямого трубопровода такой же длины.

7 Расследована аварийная ситуация на узле подключения компрессорной станции КС-2 "Ургала" к магистральному газопроводу Челябинск-Петровск. Установлены механизмы развития разрушения и отрицательная роль компенсатора на входном шлейфе.

8 Исследовано напряжённо-деформированное состояние узлов соединения входного и выходного шлейфов к подземному газопроводу. На основе результатов исследований предложена конструкция подземного компенсатора для устройства ответвлений с тройниковыми соединениями.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на:

— XIV Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2014 г.);

— XVIII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2014 г.);

— Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2014 г.).

— Международной научно-практической конференции "Инновационные технологии в нефтегазовом комплексе" (Уфа, 2014 г.)

— XXV научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири "Современные проблемы сварочного производства" (Челябинск, 2014 г.).

Автор диссертации выражает глубокую благодарность сотрудникам ГУП "ИПТЭР" РБ за совместное обсуждение полученных результатов.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе пять — в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 136 наименований, и 3 приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 21 таблицу.

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 результатов работы.

В первой главе приводится аналитический обзор учебной, научной и нормативной литературы по проблемам оценки работоспособности надземных переходов магистральных трубопроводов через различные препятствия, в том числе с использованием компенсаторов и без них. При этом выявлен ряд неучтённых факторов и неточностей, которые снижают достоверность оценки напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости и тем самым в некоторых случаях не обеспечивают принятие оптимальных технических решений.

Используемые методики сильно упрощены, так как в них не учитывается ряд важных явлений, в том числе взаимодействие воздушных участков с приграничными подземными участками. В методиках не учитывается, что на подземных участках интегральная податливость зависит как от геометрических параметров трубопровода, так и от взаимодействия трубы с грунтом. Также не учитывается, что на воздушных участках интегральная податливость зависит не только от размеров и конфигурации самого трубопровода с компенсаторами, но и от расположения опор и способов крепления трубопровода на опорах. В научной литературе упомянутые интегральные характеристики надземных и подземных участков практически не исследованы.

Как известно, общую устойчивость трубопровода в продольном направлении рекомендуется проверять по условию

S<mNK р, (1)

где S — эквивалентное осевое усилие, определяемое по формуле

S = F [(0,5 - р)стк + а ЕЛГ], (2)

где т — коэффициент условий работы трубопровода (т = 0,6-0,9); NKp — продольное критическое усилие; F — площадь поперечного сечения трубы; Е, р — упругие характеристики металла трубы; ак — кольцевое напряжение в стенке трубопровода; ДТ— изменение температуры.

В данной рекомендации не учитывается ряд важных особенностей, характерных для магистральных нефтегазопроводов. Формула (2) не предусматривает тот факт, что подземные нефтегазопроводы в основном прямолинейны и защемлены грунтом. Поэтому на таких участках осевые деформации отсутствуют, следовательно, действие давления продукта в осевом

направлении не сказывается на устойчивости, а число 0,5 в круглой скобке не должно присутствовать.

Данная формула может быть близка к реальности только на воздушных участках, где нет защемления, и только при наличии П-, Ъ-, Г-образных компенсаторов, обеспечивающих податливость в осевом направлении. С другой стороны, если осевая податливость участка высока, то сжимающие осевые напряжения при повышении температуры будут незначительными, следовательно, потери продольной устойчивости не будет.

Для прямолинейных участков, где соблюдается условие = 0, нами получено следующее выражение для осевой силы (с учётом правила знаков):

5= Р

2цР-Ц--ЕаАТ

(£>/с/) -1

(3)

где О, с1— наружный и внутренний диаметры труб; Р — рабочее давление.

В методических документах приводятся расчётные формулы для компенсаторов П-, Ъ-, Г-образных. Но нет расчётных формул для других видов компенсаторов, например слабоизогнутых форм. Нет также сведений о характере влияния опор, их расположения и способов крепления на эффективность компенсаторов. Опоры являются ограничителями перемещений, поэтому не могут не влиять на продольные и поперечные перемещения трубопровода, следовательно, и на устойчивость. Закономерности такого влияния практически не изучены.

Таким образом, проблемы выбора эффективных типов и размеров компенсаторов продолжают оставаться открытыми. На наш взгляд, для магистральных трубопроводов необходимо дать универсальные дифференциальные уравнения состояния с учётом продольных и поперечных сил, а также конфигурации участков. А методы решения могут быть различными, особенно с учётом эффектов пластичности грунта, кривизны трубопровода, неоднородности всех характеристик. Тогда имеющиеся решения для П-, Ъ-, Г-образных компенсаторов можно использовать как тестовые задачи.

Вторая глава посвящена изучению взаимодействия трубопровода с грунтом в подземных участках в окрестности надземного перехода. Проанализированы существующие математические модели и разработаны новые, отвечающие современным требованиям. Расчётная схема моделей показана на рисунке 1.

Упругая область

Надземный уасток

хпр О

Рисунок 1 — Расчётная схема состояния подземного участка трубопровода в районе перехода к воздушному участку (кривизна трубопровода не показана)

Рассмотрены следующие задачи:

1 Трубопровод и грунт однородны, реакция грунта на продольное перемещение трубы и(х) вызывает упругие касательные напряжения т(х) = -ки(х), где к — коэффициент сопротивления грунта (коэффициент постели). Для этого случая получено решение, где осевая сила на границе играет роль граничного условия:

ехр(рх); т(х) =

пЕЕО

ехр(р.г);

>

е = ^ехр(рх); а = -^ехр(Рх); N = ехр(р.т); р = ЕЕ Е

У ЕЕ

(4)

2 Условия те же, дополнительно появляются термонапряжения под влиянием перепада температуры А Т. / ЛГ0 + Ш Л

у!п ЕЕЭк

ехр(рх), Ш = ЕЕ аАТ. т(х) = -(^о + ду^-^ехрОЗх); £ = );

= ^0+/Ш)ехр(Рх)- —; N = + ААг)ехр(Рх)-АЛ^. Т^ г

(5)

Данное решение показывает, что температурный фактор эквивалентен появлению дополнительной осевой силы ДЛГ.

3 Условия те же, дополнительно появляется внутреннее давление Р. Решение имеет вид (5), при этом дополнительная осевая сила выражается формулой

М = ЕЕ

аАТ~-

И

(6)

где ? — толщина стенки труб.

4 Грунт упругопластичный. После достижения определённого сдвига касательные напряжения на поверхности трубопровода перестают увеличиваться, наступает стадия пластического перемещения. Зависимость между продольным сдвигом трубы относительно грунта и касательным напряжением описывается моделью Прандтля-Кулона (рисунок 2).

X >-

-и

пр

-X,

' пр

и

пр

и

пр---"-

Рисунок 2 — Зависимость касательных напряжений от продольного сдвига трубопровода, согласно модели Прандтля-Кулона (с учётом направлений и знаков)

Предельное касательное напряжение тпр определяется по формуле — агр^(ср) + С, где ф — угол внутреннего трения грунта; Стгр — давление

грунта на стенку трубы; С — сцепление грунта. При этом в зависимости от приложенной силы N0 могут образоваться области упругого и пластического сдвига трубопровода (см. рисунок 1).

В упругой области х < хпр решение описывается формулами, аналогичными (5), где вместо координаты х следует подставлять смещённую координату % = х-хпр, вместо Ы0 следует подставлять осевую силу на границе

упругой ЗОНЫ Ло(упр). Для величин л:Пр и Л'о(упр) получены формулы

IъЕЕР ллг Щ+АN , ГЁГ

В пластической зоне перемещения подчиняются выражению

«плас рЕ \х-хщ>)+-^- (8)

5 Условия те же, но сцепление грунта С принимает разные значения до и после начала пластического сдвига трубы в грунте (имеет место эффект срыва). Для этого случая также получены формулы, но они более многовариантны. Поэтому составлен алгоритм, позволяющий предусмотреть все возможные случаи в зависимости от набора исходных данных. На рисунке 3 приведено одно из частных решений данной задачи.

Рисунок 3 — Трубопровод 0 720 х 10 мм в приграничном подземном участке с учётом эффекта срыва грунта (ки = 4 Н/см3; тупр = 25 кПа; т^,. = 15 кПа)

6 Условия те же, но трубопровод и грунт неоднородны по всем параметрам. Данная задача решается только численно. Для этого применены методы конечных разностей и конечных элементов, которые привели к одинаковым формулам и алгоритмам, несмотря на разные исходные положения и принципы.

7 Условия те же, но введена кривизна трубопровода, которая также может быть разной на разных участках. Для этого случая расширены предыдущий алгоритм и соответствующая расчётная программа.

Таким образом, окончательная расчетная программа фактически охватывает все рассмотренные выше случаи и позволяет решать задачу

о напряженно-деформированном состоянии подземных участков в окрестности воздушных переходов. Введены понятия интегральной продольной жесткости и податливости подземных участков в окрестности воздушных переходов

*п=№>/«о|; Оп=\!Кп, (9)

которые позволяют рассматривать подземные и воздушные участки во взаимодействии друг с другом. Исследованы зависимости этих величин от ■ свойств трубопровода и грунта.

Третья глава посвящена изучению напряжённого состояния и деформативной способности воздушных переходов прямых и с компенсаторами, с учётом расположения опор и способов крепления на них.

Для прямых балочных переходов длиной £ получено выражение осевой силы с учётом взаимодействия с приграничными подземными зонами:

2ЕвЕЖа+екп мв екп+2

где АЫВ и АЫ„ — определяются по формуле (6) для воздушного и подземного участков соответственно; — площадь сечения воздушного участка; Кп — продольная жесткость подземных участков.

Продольная жесткость прямого балочного перехода определяется по формуле Л:прям -\И1Ми\ = РЕ11, где Мы — удлинение участка под действием осевой силы N. Аналогично для воздушных участков с компенсаторами предлагается выражение Къ = ^ Р Е/1, где Ь, — коэффициент снижения жесткости за счёт использования компенсаторов. С учётом этого параметра выражение для осевой силы на воздушном участке с учётом компенсаторов и всех остальных особенностей (температуры, давления, размеров труб на воздушном и подземных участках, свойств грунта) имеет вид

в еки+2 '

Эффективность компенсаторов определяется значениями параметра % и коэффициента концентрации напряжений аа. Численными решениями исследована эффективность компенсаторов разных конфигураций (рисунок 4). Результаты решений приведены в таблице 1, где приняты следующие исходные данные: трубопровод размерами 0 720 х 10 мм; расстояние между неподвижными опорами 160 м; расстояние между опорами £ = 20 м; на всех отводах радиус кривизны составляет пять диаметров трубы р = 5 О;

температурный перепад ЛТ = -50 °С; коэффициент линейного расширения

ат = 0,000012 град ; давление отсутствует; упругие свойства металла труб Е = 2-10й Па; р = 0,3.

0

но 1

I I

11 но

I 1=

но I

© 1

1 1 4 5

1 1 ^

10 11

НО

=#=

© ,

4=^

НО =ф=

©

ч б

I I

НО =+=

но =1=

©

I 1

5 /У * 7

3 4

НО

Рисунок 4 — Компенсаторы продольных деформаций; НО — неподвижные опоры: цифры — номера скользящих и свободных опор

Исследования показали, что эффективность работы компенсаторов (значения параметров Е, и а0) сильно зависит от того, как устроены опоры, особенно в окрестности отводов. При освобождении каждой опоры (переводе скользящей опоры в состояние свободной опоры) параметры Е, и ап снижаются. Освобождением некоторых опор можно добиться того, что наименее металлоёмкое решение типа 5 по рисунку 3 можно перевести из неэффективного состояния в эффективное, Таким образом, например, удалось снизить концентрацию напряжений от значения аа = 2,8303 до а„ = 0,8363.

Таблица 1 —Результаты расчёта эффективности компенсаторов

Схема Опоры Ъ, м с1, м ЛГ,кН аэкв, МПа % а„

Прямая труба 2676,6 120 1 1

1а Все опоры в исходном состоянии 10 ю 41,60 65,09 0,0155 0,5424

1 10 20 8,11 23,85 0,0030 0,1988

2 60 20 34,85 69,96 0,0130 0,5830

3 — 20 53,11 106,91 0,0198 0,8909

4 — 20 7,66 23,85 0,0029 0,1988

5 — 20 785,62 339,64 2,8303

Схема Опоры Ъ, м г/, м ЛГ,кН стэкв, МПа К ая

1 Освобождена одна опора на изгибе 10 20 5,61 20,44 0,0021 0,1703

2 60 20 18,30 38,62 0,0068 0,3218

3 — 20 18,95 42,91 0,0071 0,3576

4 — 20 5,22 19,78 0,0020 0,1648

5 — 20 100,32 100,36 0,0375 0,8363

1 Освобождены две опоры на изгибах 10 20 4,56 19,05 0,0017 0,1587

2 60 20 7,58 18,33 0,0028 0,1528

3 — 20 10,75 25,96 0,0040 0,2163

4 — 20 4,40 18,47 0,0016 0,1539

5 — 20 22,65 38,84 0,0085 0,3237

Четвертая глава посвящена изучению воздушных участков действующего магистрального газопровода Челябинск—Петровск. В качестве примеров рассмотрен воздушный переход через реку Юрюзань и узел подключения КС-2 "Ургала".

Воздушный переход 0 1420 х 19,5 мм протяженностью 583 м содержит два 2-образных компенсатора и поддерживается на 14 опорах. Решения получены методом конечных элементов при разных условиях нагружения и разных креплениях труб на опорах. На рисунках 5-7 показаны графики распределения некоторых компонент напряженно-деформированного состояния при следующем режиме нагружения: Р = 7,5 МПа; ДТ = 100°; действует вес. Линии А, В, С соответствуют следующим вариантам взаимодействия трубопровода с опорами: А — все опоры в том состоянии, которое обнаружено в момент обследования трубопровода, опора № 1 не действует; В — скользящие опоры № 2 и 12 заменены на свободные; С — скользящие опоры № 2, 3, 11, 12 заменены на свободные.

и2) ем

-5

-10

Опоры

-15-------

-20 ------

о юо 200 300 400 500

Рисунок 5 — Отклонение в вертикальной плоскости (прогибы)

иу, см

60

40

20

о

-20

-40 0

Рисунок 6

Опоры--

6 7 8 -----*■

100 200 300 400 500 600

— Перпендикулярные отклонения в горизонтальной плоскости

Ох , МПа

Рисунок 7 — Продольное напряжение по правой боковой образующей

Решения показали, что существует ярко выраженная зависимость напряжений и реакций опор от способа крепления труб на опорах. Вблизи поворотов трубопровода опоры должны быть свободными, а не скользящими. После замены одной или нескольких скользящих опор на свободные существенно снижаются напряжения в перенапряженных зонах.

Параметр эффективности компенсаторов на данном воздушном переходе составляет £, = 0,031, что обеспечивает устойчивость.

Второй из обследованных участков — узел подключения к компрессорной станции КС-2 "Ургала", где в 2014 г. произошла авария. Первопричиной аварии явилось частичное раскрытие одного из стыков рядом с узлом подключения входного шлейфа, который был присоединен к магистральному газопроводу через тройник и компенсатор (рисунок 8). При горении факела воздушный участок компенсатора раскалился докрасна, потерял прочность и раскрылся под влиянием остаточного давления, одновременно повредив находящуюся в окрестности арматуру. В связи с этим возник вопрос о целесообразности данного компенсатора, тем более, что совершенно аналогичный выходной шлейф не содержал компенсатора.

' . ' Д МГ ) — Выходной шлейф

Рисунок 8 — Схемы присоединения к магистральному газопроводу (МГ) входного и выходного шлейфов

Исследование узлов подключения входного и выходного шлейфов выполняли численным решением задачи о напряженном состоянии при разных сочетаниях давления и температуры. В таблице 2 приведены поперечные смещения магистрального трубопровода на месте присоединения шлейфов.

Результаты расчётов показывают, что наличие компенсатора снижает амплитуду поперечных смещений магистрального газопровода в среднем в 3,6 раз.

Таблица 2 — Поперечные смещения магистрального трубопровода под воздействием осевых напряжений во входном и выходном шлейфах

Шлейф Компенсатор Давление Температура Смещение

Входной Есть 5,5 МПа ДГ= +20 °С ДХ=-2,88мм

Входной Есть 5,5 МПа ДГ=—20 °С ДХ= +1,65 мм

Выходной Нет 5,5 МПа ДГ= +20 °С ДХ=-8,5 мм

Выходной Нет 5,5 МПа ДГ = —20 °С ДХ = +4,74 мм

Таким образом, компенсатор выполняет положительную роль, снижает концентрацию напряжений на тройниковом узле. Недостатком такой конструкции компенсатора является то, что на опасном участке компенсатор находится в воздухе, и в случае возгорания оказывается под термическим воздействием факела.

Этот недостаток предлагается исключить, изменив конфигурацию компенсатора, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9 — Предлагаемые конфигурации подземного компенсатора на месте соединения входного и выходного шлейфов к магистральному трубопроводу

Вся конструкция находится под землёй на глубине 1 м. Предусматривается переходной участок шлейфа ВС, который укладывается параллельно или под углом 45° к магистральному трубопроводу и принимает на себя продольные нагрузки И, возникающие на перпендикулярном протяжённом участке СД. Длина участка АВ небольшая, поэтому на этом участке не возникают существенные деформации, способные привести к поперечному смещению магистрального трубопровода. Следовательно, продольные напряжения, возникающие на входных и выходных шлейфах при изменениях температуры и рабочего давления, не приведут к росту напряжений на тройниковом узле.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Разработаны методика и алгоритм расчёта продольных перемещений трубопровода в грунте под действием произвольных осевых сил с учетом неоднородности трубопровода и грунта по всем основным характеристикам, упругопластического характера взаимодействия и эффектов срыва.

Установлены основные закономерности продольного перемещения подземных участков, приграничных надземному (воздушному) переходу, с учётом всех перечисленных выше особенностей.

2 Введены понятия продольной жесткости К^ и податливости применительно к приграничным подземным участкам в окрестности надземных участков. Данные понятия позволяют рассматривать надземные и подземные участки трубопровода как единое целое и точнее выполнять расчёты прочности и устойчивости.

Установлены основные закономерности взаимодействия подземных и бескомпенсаторных надземных участков магистральных трубопроводов.

3 Исследованы особенности напряженно-деформированного состояния воздушных переходов со стандартными П-, Г-, 7-образными компенсаторами с учётом характера взаимодействия с опорами.

Установлены основные закономерности влияния опор на напряженное состояние воздушного перехода с компенсаторами. Показано, что замена неподвижных и скользящих опор в окрестности компенсаторов на свободные опоры значительно снижает концентрацию напряжений и реакции опор.

4 Введены понятия интегральной жесткости и интегральной податливости воздушного участка с компенсаторами. Введено понятие коэффициента снижения жёсткости \ в качестве одной из характеристик,

определяющих эффективность компенсатора. Получена расчётная формула, позволяющая уточнять продольную силу на воздушном участке с учётом взаимодействия с приграничными подземными участками.

5 Исследована эффективность разных видов компенсаторов по критериям коэффициента снижения жёсткости Е, и коэффициента концентрации напряжений а„. Установлено, что характеристики с, и а„ зависят не только от формы и размеров компенсаторов, но и от характера взаимодействия трубопровода с опорами.

6 Установлено, что для магистральных трубопроводов предпочтение следует отдавать компенсаторам со слабоизогнутыми элементами, которые обеспечивают хорошую проходимость для внутритрубных снарядов и имеют достаточную эффективность по критериям и аа.

7 Установлено, что часто используемое допущение о том, что на подземных участках осевые деформации отсутствуют, т. е. г^ = 0, не всегда верно. Это условие нарушается на балочных переходах, на подземных участках в окрестности балочных переходов, при наличии компенсаторов, а также на прямых подземных участках, неоднородных по толщине стенки.

Такие участки испытывают продольные перемещения при изменениях рабочего давления и температуры.

8 Исследованы два участка действующего магистрального газопровода Челябинск-Петровск: надземный переход через реку Юрюзань, сооруженный с использованием 2-образных компенсаторов с прямыми углами, и узел подключения к компрессорной станции КС-2 "Ургала" с использованием трапециевидного компенсатора с воздушной частью.

8.1 Определен параметр эффективности компенсаторов на надземном переходе 2, = 0,031. Это означает, что продольная жёсткость перехода составляет 3,1 % по сравнению с жёсткостью прямого трубопровода такой же длины. Установлено, что при некоторых режимах на начальном и конечном участках надземного перехода продольные напряжения превышают допустимые значения и представляют опасность. Показано, что замена некоторых скользящих опор на свободные приводит к снижению продольных напряжений до безопасного уровня.

8.2 Установлено, что компенсатор с воздушной частью на узле подключения КС-2 "Ургала" снижает жесткость конструкции в 3,6 раза (£; = 1/3,6 = 0,28). На основе результатов исследований предложена более эффективная и безопасная конструкция подземного компенсатора для устройства ответвлений с тройниковыми соединениями.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1 Гимазетдинов, И. Р. Повышение эффективности работы магистрального нефтепровода на основе нейросетевого моделирования [Текст] / И. Р. Гимазетдинов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР.— 2010,—Вып. 4 (82).— С. 69-73.

2 Гимазетдинов, И. Р. Некоторые особенности напряженного состояния трубопроводов с 2-образными компенсаторами [Текст] / И. Р. Гимазетдинов,

B. С. Шадрин, А. К. Гумеров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР.— 2014.— Вып. 2 (96).—

C. 113-118.

3 Гимазетдинов, И. Р. Некоторые особенности напряженного состояния трубопроводов на переходах через реки и овраги [Текст] / И. Р. Гимазетдинов,

B. П. Климов, А. К. Гумеров, Б. Р. Хасиятулин // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР.— 2014.— Вып. 3 (97).—С. 55-65.

4 Гумеров, К. М. Условия локального равновесия конечно-элементной модели подземного трубопровода [Текст] / К. М. Гумеров, А. С. Глазков, И. Р. Гимазетдинов, В. С. Шадрин // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР.— 2014.— Вып. 3 (97).—

C. 72-79.

5 Шадрин, В. С. Изменение напряженного состояния трубопровода после ремонта [Текст] / В. С. Шадрин, И. Р. Гимазетдинов, К. М. Гумеров // НТЖ «Территория нефтегаз».— 2014.— № 6.— С. 14-17.

Прочие печатные издания

6 Гумеров, А. К. Об эффективности компенсаторов на надземных трубопроводах [Текст] / А. К. Гумеров, И. Р. Гимазетдинов, В. С. Шадрин // Проблемы строительного комплекса России: матер. XVIII Междунар. научн.-техн. конф., 12-14 марта 2014 г. / УГНТУ,— Уфа, 2014,— С. 237-238.

7 Шадрин, В. С. Уравнения продольно-поперечного изгиба трубопровода с кривизной [Текст] / В. С. Шадрин, Д. Ю. Валекжанин, И. Р. Гимазетдинов // Проблемы строительного комплекса России: матер, XVIII Междунар. научн.-техн. конф. 12-14 марта 2014 г. / УГНТУ.— Уфа, 2014.— С. 239-241.

8 Гимазетдинов, И. Р. Распределения сил и напряжений на трубопроводе с 2-образными компенсаторами [Текст] / И. Р. Гимазетдинов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа, матер. Междунар. научн.-практ. конф., 22-25 апреля 2014 г.— Уфа, 2014 — С. 187-188.

9 Шадрин, В. С. Динамика изменения напряженного состояния трубопровода после ремонта на ограниченном участке [Текст] / В. С. Шадрин, И. Р. Гимазетдинов, Д. Ю. Валекжанин // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф., 22-25 апреля 2014 г.— Уфа, 2014.— С. 245-248.

10 Гумеров, А. К. Влияние опор на работу надземных трубопроводов [Текст] / А. К. Гумеров, И. Р. Гимазетдинов // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XIV Всеросс. научн.-практ. конф., 21-24 окт. 2014 г.— Уфа, 2014,—С. 172-173.

11 Гимазетдинов, И. Р. Некоторые особенности работы компенсаторов на надземных трубопроводах [Текст] / И. Р. Гимазетдинов, А. К. Гумеров // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XIV Всеросс. научн.-практ. конф., 21-24 окт. 2014 г.—Уфа, 2014,—С. 170-171.

12 Гумеров, К. М. Пример единства мира в нефтегазовой отрасли [Текст] / К. М. Гумеров, В. П. Климов, И. Р. Гимазетдинов // Инновационные технологии в нефтегазовом комплексе: матер. Междунар. научн.-практ. конф., 23-29 ноября 2014 г. Часть II — Уфа, РИЦ БашГУ, 2014,— С. 42-51.

13 Гумеров, К. М. Напряженно-деформированное состояние трубопровода на границе подземного и воздушного участков [Текст] / К. М. Гумеров, И. Р. Гимазетдинов // Прикладные проблемы прочностной безопасности нефтегазопроводов: сб. научн. тр. / ИПТЭР.— Уфа, 2015.— С. 70-83.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 01.09.2015 г. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л.0,91. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 20. Ротапринт ООО «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.