Расчётно-экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния подводных переходов магистральных газопроводов

Филатов, Александр Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Расчётно-экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния подводных переходов магистральных газопроводов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Расчётно-экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния подводных переходов магистральных газопроводов"

На правах рукописи

005060884

Филатов Александр Анатольевич

РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ИЮН ¿013

Уфа 2013

005060884

Работа выполнена (ОАО «Оргэнергогаз»).

в Открытом акционерном обществе

Научный руководитель - Велиюлин Ибрагим Ибрагимович,

доктор технических наук

Официальные оппоненты: - Королёнок Анатолий Михайлович,

доктор технических наук, профессор,

Российский государственный

университет нефти и газа

им. И.М. Губкина, декан факультета

«Трубопроводный транспорт

газонефтепродуктов»

- Малюшин Николай Александрович,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Институт «Нефтегазпроект», советник директора

Ведущая организация: - Закрытое акционерное научно-проектное

внедренческое общество «НГС-оргпроектэкономика»

Защита состоится 19 июня 2013 года в Ю30 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055, Республика Башкортостан, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат диссертации разослан 17 мая 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

-Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Подводные переходы магистральных газопроводов (МГ) через речные преграды представляют собой участки, эксплуатация и обслуживание которых происходят в условиях повышенных рисков. Участки подводных переходов объективно отличаются от других участков трубопроводов по признакам, влияющим на напряжённо-деформированное состояние (НДС) стенки трубы, и результаты этих отличий проявляются в процессе эксплуатации. Пролегающий в траншее речного дна трубопровод испытывает целый ряд воздействий природного и техногенного характера. Специфика конструкции речного подводного перехода, необходимость его балластировки и закрепления создают дополнительные сложности для стабилизации пространственного положения подводного трубопровода. Ситуация еще более усугубляется в случаях размыва отдельных участков перехода и образования свободных пролетов.

На территории России действуют более 2,7 тыс. подводных переходов, в том числе через крупные реки Обь, Волга, Кама и др. Как показывает статистика, свыше 22 % ниток подводных переходов находятся в неисправном состоянии, причём 60 % случаев вывода переходов в ремонт вызваны изменением их пространственного положения при эксплуатации.

Такая ситуация выдвигает исследования процессов формирования НДС подводного трубопровода и выявление механизмов его перемещения в число важнейших направлений решения задачи повышения эксплуатационной надёжности подводных переходов. Однако развитие экспериментальных работ по исследованию перемещений трубопроводов речных подводных переходов сдерживается сложностями в организационном и техническом обеспечении таких работ, значительными трудностями проведения самого эксперимента с чрезвычайно большим объемом необходимых измерений.

Большой вклад в развитие экспериментальных и теоретических исследований по проблеме проектирования и строительства газопроводных систем внесли работы российских учёных В.Л. Березина, В.В. Харионовского, П.П. Бородавкина, А.Г. Гумерова, Д.В. Штеренлихта, С.И. Левина, М.А. Камышева и др.

Действующие нормативные документы по проектированию и обслуживанию подводных переходов регламентируют подходы к выбору технологии их строительства, ремонта и эксплуатации. Вместе с тем, несовершенство математической модели, положенной в их основу, не позволяет учесть ряд действующих на трубопровод сил и вызываемых ими процессов перемещения.

Силовые нагрузки, испытываемые трубопроводом речного подводного перехода, в немалой степени зависят от геометрических параметров его конструкции. Однако характер этой зависимости не изучен, и проектировщикам при выборе геометрии конструкции перехода приходится полагаться на имеющийся опыт.

К числу не в полной мере учитываемых нормативно-технической документацией факторов нагружения трубопровода относится воздействие транспортируемого газа. Значительный интерес представляют собой также исследования перемещений размытого участка подводного трубопровода под влиянием набегающего речного потока. Необходимость таких исследований диктуется существованием протяжённых размытых участков на многих действующих подводных переходах и отсутствием информации о процессе обтекания трубопроводов с утяжелителями различных типов. Для постановки такого рода экспериментов необходимо создать исследовательский комплекс, воспроизводящий условия речного течения.

Круг означенных задач, поставленных в рамках данной работы, при сочетании расчётных и экспериментальных методов исследования представляет собой часть общей проблемы обеспечения прочности и устойчивости трубопроводных систем. Успешное их решение может принципиально влиять на последующие этапы исследований и на формирование новых технологий строительства и технического обслуживания подводных переходов МГ, включая переходы с унифицированными конструкционными и эксплуатационными параметрами.

Цель работы — изучение особенностей формирования НДС подводных переходов МГ под влиянием силовых факторов, выходящих за рамки их рассмотрения нормативно-технической документацией.

Основные задачи работы:

• выполнить анализ НДС трубопровода речного подводного перехода с рассмотрением воздействий, не учитываемых в полной мере нормативными документами. Изучить роль в формировании НДС давления транспортируемого газа, вариаций геометрической структуры перехода, нагрузки, распределённой по внешней поверхности трубопровода;

• провести экспериментальные исследования перемещений подводного трубопровода на действующем речном подводном переходе в реальных условиях эксплуатации. Изучить характер и механизм вертикальных и горизонтальных перемещений трубопровода, связанных с давлением транспортируемого газа. Исследовать перемещения свободного пролёта трубопровода под воздействием водного потока;

• разработать и изготовить экспериментально-испытательный стенд, моделирующий речное течение, с непрерывной циркуляцией воды и регулируемой скоростью потока в широких пределах;

• разработать новые технические средства по повышению надёжности эксплуатации подводных переходов.

Методы решения поставленных задач

Решение расчётных задач для подводного трубопровода, находящегося под воздействием нагрузок по его внутренней (давление газа) и внешней (обтекание) поверхностям, проводилось методами анализа напряжённо-деформированного состояния с применением современных компьютерных

программных средств (методов МКЭ и трубопровода-балки, программ «МаШ1аЬ» - «МаЛСАБ», «COSMOSWorks» и др.).

При экспериментальных исследованиях перемещений трубопровода на действующем речном подводном переходе применялся метод тригонометрического нивелирования с использованием вспомогательного оборудования, прецизионной измерительной аппаратуры и плавсредства.

Для построения современного экспериментально-испытательного комплекса «Гидрометрический лоток» задействован способ регулирования скорости водного потока с помощью электронного блока плавного пуска системы водоснабжения. Использован также известный метод повышения подачи воды насосом с помощью рассчитанного струйного гидроэжектора.

Научная новизна результатов работы:

1. Показано, что нагрузка на трубопровод речного подводного перехода со стороны транспортируемого потока имеет не рассматриваемую действующими нормами составляющую, существенно влияющую на НДС перехода и способную привести к напряжению стенки трубы выше предельных нормативных значений;

2. Определена зависимость НДС речного подводного перехода от параметров пространственной геометрии его конструкции, характеризующаяся существованием локальных максимумов и минимумов функции напряжения;

3. Экспериментально показано, что под действием давления транспортируемого газа трубопровод подводного перехода претерпевает поперечные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, распределенные по его длине неравномерно и знакопеременно в виде «волны»;

4. На базе полученных расчётно-экспериментальных данных определены параметры реального НДС подводного перехода в режиме рабочего давления газа;

5. Наблюдавшееся распределение перемещений создает зоны повышенного напряжения, локализованные на границах «полуволн» перемещений. Выявленные особенности перемещений и НДС формируются при сочетании изгибающих напряжений, создаваемых возникающей осевой силой в точках нарушений прямолинейности трубопровода, и напряжений начальных изгибов трубы, не связанных с давлением газа;

6. По результатам исследования воздействия скоростного напора речного потока на открытый участок газопровода установлено проявление из-гибного перемещения участка с несимметричным распределением прогиба, максимум которого смещен в сторону края участка с шарнирным опирани-ем; получено распределение напряжения стенки трубы по длине участка свободного пролёта.

Защищаемые положения:

кальных максимумов и минимумов, что позволяет определить наборы геометрических параметров перехода, приводящие к минимумам напряжения;

2. В процессе эксплуатации в режиме рабочего давления газа трубопровод речного подводного перехода испытывает поперечные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Перемещения трубопровода распределяются по его длине неравномерно и знакопеременно в виде «волны». При этом вблизи точек смены направления перемещений образуются локальные зоны повышенного напряжения. Такие особенности перемещений являются следствием формирования реального НДС трубопровода по следующему механизму. В локальных зонах разнонаправленных отклонений оси трубопровода от прямолинейности по всей его длине действующая осевая сила создаёт изгибающие моменты, а возникающие при этом изгибающие напряжения, суммируясь с напряжением начального изгиба при поворотах оси трубы, дают вклад в продольное напряжение, распределённое по длине трубопровода неравномерно;

3. Измеренное в отсутствии давления газа изгибное перемещение участка свободного пролёта в направлении течения реки с характерным смещением максимума прогиба в сторону края участка с шарнирным опиранием является следствием действия скоростного напора водного потока;

4. Созданный измерительный комплекс-стенд «гидрометрический лоток» с непрерывным замкнутым циклом циркуляции воды и возможностью дистанционного управления скоростью потока обеспечивает получение эпюр скоростей течения по длине русла, его ширине и по глубине потока, характерных для реальных рек. Это позволяет проводить эксперименты по обтеканию моделей устройств подводных переходов в условиях подобия потоков при геометрическом подобии модели и натуры;

5. Предложенные для практического применения защищённые патентами новые технические средства балластировки и закрепления, сочетающие в одном устройстве две функции — утяжелителя-анкера и утяжелителя-обтекателя, способны повысить надёжность эксплуатации речного подводного перехода.

Практическая значимость результатов работы

Применённая в работе методика расчёта ожидаемых перемещений трубопровода может быть использована при проектировании строительства и ремонта речных подводных переходов. Такие расчёты позволят на стадии проектирования предупреждать чрезмерные перемещения трубопровода при эксплуатации перехода, что приведет к снижению объемов необходимых ремонтных работ на участках подводных переходов.

Полученная зависимость функции напряжения от геометрических параметров перехода позволяет определять значения этих параметров, соответствующие одному из минимумов функции. На таком подходе может базироваться один из принципов выбора проектных решений по конструкции речного подводного перехода.

Разработан и изготовлен экспериментально-испытательный стенд «гидрометрический лоток» с непрерывной циркуляцией воды и возможностью

управления скоростью потока при помощи электронного блока, предназначенный для исследований и испытаний моделей трубопроводов, оснащенных различными средствами балластировки и закрепления.

Результаты исследований используются при разработке унифицированных проектных решений по ремонту подводных переходов.

Разработаны и защищены патентами новые технические средства балластировки и закрепления подводного трубопровода.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на совещании «Обеспечение надёжной эксплуатации подводных переходов трубопроводов ОАО «Газпром». Положительный опыт при решении проблем» (д. Летово Московской обл., 2008 г.), V Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (г. Туапсе, 2010 г.), расширенном заседании научно-технического совета ОАО «Оргэнергогаз» (г. Видное, 2012 г.), VI Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (г. Бечичи, Черногория, 2012 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе 6 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получено 3 патента на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, библиографического списка использованной литературы, включающего 55 наименований, и основных выводов. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы с обоснованием актуальности темы исследования, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассматриваются нормативные подходы к решению задач устойчивости подводного трубопровода и делается попытка структуризации действующих норм по задачам в части силовых воздействий и возникающих напряжений.

Проведенный анализ норм позволяет сформулировать общий комплекс прямо или косвенно указанных в нормах задач, решение которых необходимо для обеспечения прочности и устойчивости трубопровода.

Задача 1 - обеспечение прочности (сплошности) стенки трубы. Эта задача выполняется не из требования равновесия сил, а ограничением действующих напряжений.

Задача 2 - обеспечение общей устойчивости положения. Выполняется соблюдением условия продольной устойчивости на основе ограничения осе-

вых сил, а также ограничения нагрузки в вертикальной плоскости путем расчета нормативной интенсивности балластировки.

Дополнительной к этим требованиям нормой является Задача 3 - сохранение положения балластировочных конструкций. Для решения этой задачи необходимо ограничение величины поперечных перемещений трубопровода.

Учет воздействий, связанных с условиями эксплуатации, требует решения Задачи 4 - рассмотрение нагрузки, распределенной по внешней поверхности трубы.

Задача 5 — учет изменения условий на контактах с соседними участками.

Задача 6 - определение изменения положения трубы и напряжения её стенки при изменении давления транспортируемого газа.

Формально процессы перемещения трубопровода определяются используемой для их описания математической моделью - уравнениями движения. Необходимо рассмотреть уравнения движения трубопровода, описывающие действия на трубопровод всех сил, способных вызвать его перемещения.

Таким требованиям отвечает система обобщённых уравнений движения трубопровода с транспортируемым потоком:

J (1)

f " ds2

В системе (1) использованы следующие обозначения: s - координата, направленная вдоль оси трубы; t - время; у (s, t) - функция перемещения трубопровода; С — жесткость пространственной трубопроводной системы без транспортируемого потока; р, v — соответственно давление и скорость транспортируемого потока; тр, mf — масса соответственно трубопровода и проходящего продукта единицы длины трубы; Ff— площадь внутреннего сечения трубы; fp - осесимметричная нагрузка со стороны транспортируемого потока; ff(s, t) — сосредоточенные усилия со стороны транспортируемого потока, возникающие в разветвлениях, поворотах осевой линии, на границах участков; fo(s,t)— распределенная по внешней поверхности трубы нагрузка; N/- осевая сила; N0 — осевая «следящая» нагрузка, вызываемая перепадом температуры по длине перехода и смещением соседних с переходом участков трубопровода. В квадратных скобках показаны силы со стороны транспортируемого потока, не учитываемые нормативными документами.

При решении расчётных задач с помощью системы (1) могут приниматься следующие допущения:

- задачи решаются для статического нагружения трубы;

- не учитывается «следящая» нагрузка No", при этом граничные условия формально можно учесть, принимая смещения соседних участков равными нулю;

- для трубопроводной системы налагается запрет вращения вокруг оси X общей системы координат.

Анализ литературных данных позволяет отметить следующее.

Величина фактического продольного напряжения стенки трубы <т®р является суммой нормативного напряжения и не учитываемого нормами напряжения сцр, вызванного воздействием транспортируемого продукта. Это означает, что по сравнению с нормативной необходимо расширить Задачу 1 в приложении к продольной составляющей напряжения стенки трубы.

На величину сверхнормативной части продольного напряжения сг"р, связанной с воздействием транспортируемого продукта, оказывают влияние

д2 v

давление р, типоразмер трубы 0 D„xôH и параметр—~, зависящий от про-

странственной геометрии перехода.

Получение данных результатов для подводных переходов, выполненных с применением гнутых вставок, указывает на возможность и необходимость решения более общих задач:

д2

- нахождение зависимости сгЦр =<т(—у) путем вариации комбинации

д2у

численных значении величины —~ ;

ds1

- проверка возможности проявления подобного результата для подводных переходов, выполненных без применения гнутых вставок.

Это означает необходимость расширения по сравнению с нормами Задачи 2 в приложении к силам Nf и ff(s, t). Нагрузка со стороны обтекающего водного потока может быть учтена при расширении по сравнению с нормами Задачи 4 в приложении к силам /„(5, t).

Во второй главе исследуются некоторые задачи устойчивости подводного трубопровода, расширяющие рамки нормативного подхода.

Непроектное перемещение трубопровода в процессе эксплуатации означает выполнение двух условий:

- решение системы уравнений (1) с фактическими нагрузками, являющимися функцией перемещения трубопровода, не равного нулю:

У(*,0Ф 0, (2)

- нормативное решение как функция перемещения ун (s, t) отличается от решения с фактическими нагрузками:

Ун (s, t) (s, t). (3)

Не учитываемая нормами нагрузка на трубопровод со стороны транспортируемого потока является следствием выполнения технологического режима трубопроводного транспорта и существует при всех условиях эксплуатации. Она определяется, в частности, слагаемым в квадратных скобках в левой части первого уравнения системы (1).

Отличие возникающего в стенке трубы напряжения от нормативного задаётся действием в конструкции осевой силы Щ, не учитываемой в нормативных документах и рассчитываемой по первому уравнению системы (1). Сосредоточенные усилия со стороны транспортируемого потока ff (в, $ зависят от геометрии трубопроводной системы и не зависят от величины искомой функции перемещения у (в, ¡Г). Осевая сила И/ является функцией параметров транспортируемой среды и пространственной геометрии трубопроводной системы, и её значение изначально неизвестно. Таким образом, в одном уравнении движения присутствуют две неизвестные функции -функция перемещения трубопровода^ (э, 0 и функция осевой силы Л/.

Уравнение решается численным методом последовательных приближений с идеализацией трубопровода системой конечных элементов.

Численную оценку отличия вызванного осевой силой Ы/ напряжения от нормативного проведем для случая, в котором аргументом функции силы Л^ является только пространственная геометрия трубопровода. Численные же характеристики технологического процесса трубопроводного транспорта (давление потока газа 7,0 МПа, его плотность 50 кг-м"3 и скорость 1,5 м-с"1, сечение трубы 0 720x11,3 мм и длина участка Ь = 20 м) принимаются фиксированными. Осевая сила Л^ рассматривается как функция отношений геометрических параметров перехода, т.е.

Л^Л^Я'/ЛЯ-Г1), (4)

где Ь - длина перехода; - длина подводной части перехода; Н - глубина заложения трубопровода.

Результаты расчета осевой силы А^ представлены на рисунке 1 (в 2В-изображении) и рисунке 2 (в ЗБ-изображении). На рисунке 1 по периметру диаграммы даны значения отношений НЬЛ (записаны перед точкой с запятой) и БЬЛ (записаны после точки с запятой). В радиальном направлении указаны значения осевой силы И/, МН.

Рисунок 1 - Значения осевой силы Л^как функции параметров Ш,"' и ££"' в 2Б-изображении

Выделенные пунктиром линия (рисунок 1) и плоскость (рисунок 2) соответствуют предельному допустимому значению Л^пред.

Рисунок 2 - Значения осевой силы N/как функции параметров HL и ££"' в ЗО-изображении

Расчёт показал, что максимальная величина осевой силы равна 4,329 МН. Эта сила вызывает в стенке трубы дополнительное не учтенное нормами продольное напряжение, равное 172,1 МПа. При этом данное напряжение составляет 80 % от рассчитанного по нормам кольцевого напряжения сг"ц и нарушает принятую в нормах величину отношения между осевой составляющей напряжения, вызванного воздействием на трубопровод транспортируемого потока, и а"щ (то есть нарушает принятую в нормах

схему НДС). Это говорит о необходимости обязательного учета осевой силы Nf при расчете НДС подводных переходов.

С помощью рисунков 1 и 2 можно проиллюстрировать принцип выбора проектных решений по конструкции подводного перехода.

Наличие локальных минимумов и максимумов силы Nf показывает возможность минимизации напряжения стенки трубы, связанного с давлением транспортируемого потока, путем относительно небольшого изменения конструкции перехода. Из рисунков видно, как нужно изменить параметры конструкции перехода, чтобы напряжение стенки трубы стало минимальным. В итоге задача фактически сводится к определению оптимальных значений отношений HLи SL'1.

Расположенная в правой части второго уравнения системы (1) сила /о (s, t), распределённая по внешней поверхности трубы, проявляется на открытых участках подводных переходов.

Рассмотрены размытые участки переходов с трубопроводами двух типоразмеров: 0 1220x12,9 мм и 0 1420x18,7 мм с утяжелителями 2УТК-24-2.

В горизонтальной плоскости на свободный пролёт действует сила давления водного потока Fx (сила лобового сопротивления). В расчете на единицу длины трубопровода сила Fx определяется по формуле

Fs = 0,5Cxpv2D, (5)

где Сх - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от числа Рей-нольдса.

= (б) м

Здесь р - плотность воды; и — средняя скорость потока, набегающего на трубу; £> - наружный диаметр трубопровода; /л - динамическая вязкость воды.

По величине горизонтальной нагрузки Рх рассчитаны параметры НДС, формирующегося под действием водного потока, и построены зависимости максимального напряжения в пролёте и радиуса кривизны от длины свободного пролёта. По критерию максимального допустимого напряжения оценены критические протяжённости свободных пролётов для рассмотренных трубопроводов и предложены значения критического радиуса кривизны при изгибе.

1 1.5

Диамсгр О трубопровод.!, м

а - 20-изображение;

б - ЗР-изображение

Рисунок 3 - Зависимости максимальной допустимой длины Ькр.

свободного пролёта от диаметра £> забалластированного трубопровода и толщины 8 его стенки

В программах «МаШаЬ» - «МаШСАБ» проведены расчёты и графические построения, в результате которых получены карты-номограммы критических протяженностей Ькр. свободных пролётов речных подводных переходов как функции диаметра £> и толщины 3 стенки трубы (рисунок 3).

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям НДС и перемещений трубопровода на участках речных подводных переходов.

Для выявления и исследования перемещений подводного трубопровода под воздействием давления газа были проведены экспериментальные работы на действующем речном подводном переходе. Был выбран переход газопровода 0 530x8 мм через реку Коньга в Астраханской области. Длина перехода в границах подводных технических работ (ПТР) равна 580 м. Подводная часть перехода делится на две неравные части - зону русла с течением у левого берега и более протяжённую зону застойной воды. Трубопровод имеет защитный слой грунта над верхней образующей только на береговых участках и на участке, разделяющем русловую зону и зону застойной воды.

Пространственное положение газопровода с его планово-высотной привязкой к существующим реперам определялось методом тригонометрического нивелирования в режиме эксплуатации при давлении газа 4,8 МПа и сразу после сброса давления в трубопроводе до нуля.

Съёмка профиля исследуемой нитки перехода выполнялась с одних и тех же 4-х съёмочных точек (по две на каждом берегу) полярным способом с использованием электронного тахеометра Trimble 3300.

Общий вид продольного профиля исследованного подводного перехода показан на рисунке 4.

Призменный отражатель, закреплённый на 4-метровом стальном штыре (щупе), устанавливался на верхней части исследуемого трубопровода и переставлялся по трубопроводу по возможности с постоянным шагом 4 м. Измерения выполнялись с моторной лодки в следующей последовательности:

- поперечными галсами на заданном расстоянии от точки съёмки с помощью щупа определялось местоположение верхней образующей трубопровода;

- щуп с отражателем выставлялся на выбранное место на трубопроводе при удержании лодки в статическом положении;

- с помощью тахеометра проводилась планово-высотная привязка выбранной точки на трубопроводе (с точностью ±10 мм).

Рисунок 4 - Схема продольного профиля перехода (точки, нанесённые через каждые 4 м, имеют планово-высотную привязку к существующим реперам; точки 26 и 82 — границы участка, исследованного на перемещения в вертикальной плоскости)

Съёмка замытых участков трубопровода в урезной части и участка, разделяющего русловую часть перехода на зоны с течением (между точками 26 и 38) и с застойной водой (между точками 44 и 82) (рисунок 5), проводилась путем штыревания или трассоискателем с последующим определением отметок и координат точек с помощью тахеометра. На этих участках перехода отметки верхней образующей трубопровода определялись также с точностью не менее ±10 мм.

Графические построения положений трубопровода выполнены с помощью программы «AUTOCAD 2010».

Рисунок 5 - Измеренные положения трубопровода (а) [1 - без давления газа (р = 0); 2 - при давлении газа (р = 4,8 МПа)] и рассчитанные напряжения и направления измеренных перемещений на исследованном участке (б) [1 - нормативное продольное напряжение при р = 4,8 МПа; 2 - распределение изгибающих напряжений; 3 - распределение перемещений. Расстояние между соседними точками 4 м]

На рисунке 5, а показаны положения верхней образующей исследованного отрезка подводного перехода, построенные по экспериментальным отметкам.

Наблюдавшиеся поперечные перемещения трубопровода в вертикальной плоскости свидетельствуют об изменении продольного напряжения его стенки. При изменении давления газа нормативное продольное напряжение должно меняться равномерно по длине трубопровода. Представленные же результаты измерений положения трубы указывают, что продольное напряжение меняется по длине трубопровода неравномерно и знакопеременно. Это обстоятельство говорит о том, что фактическое продольное напряжение а^, трубы отличается от нормативного. Оно может быть представлено как сумма нормативного и дополнительного продольных напряжений:

ст*=стЦр + ст^. (7)

Нормативное продольное напряжение рассчитано по данным условий эксперимента:

= Кц - №^ = 03 ■ 4,3 • ^ = 46,26 МПа . (8)

Дополнительное к нормативному продольное напряжение а'^ является суммой двух составляющих напряжений:

N. N, дг

< = + (9)

где Р, - площадь кольца поперечного сечения трубы; сг^ - напряжение изгиба, вызванное силами Ы/.

Осевая сила А^-и изгибающее напряжение рассчитывались по сис-

теме уравнений (1). Расчёт напряжения — показал, что его абсолютное

значение на рассматриваемом участке незначительно и не превышает 1,792 МПа. При этом рассчитанное напряжение сг^ дает существенный вклад в общее продольное напряжение (рисунок 5, б). Из рисунка видно, что распределение напряжения а"/г по длине перехода хорошо коррелирует с измеренным распределением перемещений по длине трубы в форме «волны».

В работе рассмотрены особенности перемещений на отдельных отрезках исследованного участка перехода (рисунок 5, б).

Проведённые экспериментальные работы позволили зарегистрировать и изучить также и поперечные перемещения подводного трубопровода в горизонтальной плоскости под воздействием давления газа.

На рисунке 6 показаны положения участка подводного трубопровода между точками 82 и 124 (см. рисунок 4), построенные по экспериментальным отметкам.

В работе приведена таблица отклонений точек 82 124 от линии створа перехода.

о? + 2,0

О.Е

= 5 +1,0

и1?,? 0.0: §Е2 -1.0

еЗе

-2,0-

Ось трубопровода

' находящегося под давлением Ось трубопровода

/ / после сброса давления

/ 2 Линия ст&ора подВодноео перехода

Рисунок 6 - Измеренные положения трубопровода в горизонтальной плоскости в режиме рабочего давления (р = 4,8 МПа) (линия 1) и после сброса давления (р = 0) (линия 2) на участке перехода между точками 82 и 124

На рисунке 7 представлены результаты измерений и теоретического расчёта по уравнениям движения (1) поперечных горизонтальных перемещений трубопровода. Сравнение результатов измерений и расчёта показывает хорошую сходимость между ними, что позволяет провести анализ причин перемещения трубопровода.

Измеренное положение трубопровода без давления указывает на существовавшие начальные смещения осевой линии трубы в направлениях как против, так и по течению реки. Из расчёта следует, что перемещение трубопровода против течения реки на отрезке между точками 82 и 92 вызвано силой Щ действующей на данный отрезок, и наличием поворота осевой линии трубы в сторону против течения. Рассчитанная величина Л^ в точке максимального смещения на этом отрезке равна 0,393 МН, а сверхнормативная часть продольного напряжения на данном отрезке трубы, созданная силой Л^и начальным изгибом осевой линии, составляет 79,65 МПа.

Перемещение трубопровода по направлению течения реки на отрезке между точками 102 и 121 также вызвано имевшим место начальным смещением в эту сторону оси трубы и действием осевой силы И/. Созданное при

этом на данном отрезке напряжение достигает максимальных значений 99,93 МПа и 69,65 МПа соответственно в точках 109 и 113.

0,75

-0,5.

2 94 96 98 100 102 104 106 108 110 1 2 1

X, М

ГТТТТТ-П

1 - экспериментально измеренные; 2 - рассчитанные; 3 - усредненная линия

положения трубопровода после сброса давления (р = 0)

Рисунок 7 - Распределение поперечных перемещений трубопровода

в горизонтальной плоскости под воздействием давления газа (р = 4,8 МПа) по длине участка между точками 82 и 124

Возникновение высокого напряжения в точке 113 связано с наблюдавшимся «закреплением» («зажатием») трубы на отрезке между точками 113 и 120, на котором отмечено также и меньшее по сравнению с отрезком между точками 82 и 92 перемещение трубы.

Перемещения трубы на отрезках между точками 92 и 97, 97 и 102 определяются влиянием «полуволн» перемещения соответственно отрезков между точками 82 и 92, 102 и 121 и «идеальным шарнирным опиранием» в точках 92, 97 и 102 граничных контактов.

В работе представлена таблица результатов расчёта осевой силы Л^г, напряжения изгиба <т"аг, максимального общего (суммарного - нормативного и сверхнормативного) продольного напряжения ащ для локальных отрезков трубопровода между соседними точками по всей длине трубопровода.

Одной из задач проведённых экспериментальных работ были выявление и изучение поперечного перемещения в горизонтальной плоскости участка свободного пролёта исследуемого перехода под воздействием водного потока. Такой участок на схеме продольного профиля перехода (см. рисунок 4) расположен между точками 31 и 35. Он имеет разные граничные условия закрепления: справа - жёсткое защемление, а слева - близкое к шарнирному опиранию. На рисунке 8 показаны полученные по эксперимен-

тальным измерениям отметки положений в горизонтальной плоскости точек верхней образующей трубопровода после сброса давления газа до нуля. Отмеченные горизонтальные перемещения относительно линии створа образуют линию прогибов, соответствующую реальным видам закрепления концов участка - жёсткому справа и шарнирному слева. При этом максимум прогиба оси газопровода на этом участке смещён относительно середины участка в сторону границы с шарнирным опиранием.

Для проверки правильности отнесения наблюдавшихся перемещений к изгибной деформации под воздействием скоростного напора водного потока проведён расчёт перемещений под воздействием лишь горизонтальной нагрузки со стороны водного потока = 14915 Н).

Расчёты прогибов проведены по трём программам - «Ма&1аЬ» (трубопровод - балка), «Ва1ка» и «СОБМОЗМУогкз» (МКЭ). Приняты следующие граничные условия. Для метода балки: один край жёстко защемлён - перемещение и угол поворота равны нулю; другой край в виде шарнирной опоры - прогиб и изгибающий момент равны нулю. Для МКЭ: с одного края жёсткая заделка; на другом краю отсутствуют перемещения в горизонталь-

Участок свободного пролета на течении, м Рисунок 8 - Экспериментально измеренные перемещения в горизонтальной

плоскости участка свободного пролёта длиной 15м под воздействием речного потока

Рисунок 9 - Эпюра прогибов свободного пролёта длиной 15 м при

равнораспределённой по длине нагрузке = 14915 Н (Положение максимума прогиба смещено от середины пролёта в сторону края с шарнирным опиранием на 1,177 м. Расчёт по программе «Ва1ка»)

Для удобства сравнения с экспериментальной кривой распределения прогибов по длине свободного пролёта (рисунок 8) на рисунках 9 и 10 представлены эпюры прогибов, полученные соответственно в программах «Ваїка» и «СОвМС^огкз».

Координата газ сщр ев еда по длине, м

Рисунок 10 - Распределение прогибов и напряжений по длине рассматриваемого свободного пролёта (Положение максимума прогиба смещено на 1,170 м. Расчёт по программе «СОЗМОЭ'^Уогкз»)

Качественное совпадение экспериментальной и расчётных кривых распределения перемещений (прогибов) по длине свободного пролёта очевидно. Количественные различия в прогибах экспериментальных и расчётных могут быть связаны, в первую очередь, с тем, что реальный коэффициент лобового сопротивления трубопровода с кольцевыми утяжелителями намного больше принятого в проведённых расчётах.

Результаты экспериментальных исследований поперечных перемещений трубопровода речного подводного перехода в вертикальной и горизонтальной плоскостях под воздействием давления транспортируемого газа отражают значительные количественные и качественные отличия процесса формирования реального НДС от нормативного. Возникающие в трубопроводе при изменении давления газа изгибающие напряжения атт определяют:

- отличие фактического продольного напряжения от нормативного и, следовательно, возникновение непроектного перемещения трубопровода;

- неравномерность изменения продольного напряжения по длине перехода;

- направление и величину перемещения трубопровода.

Найденный ранее для трубопроводов с гнутыми вставками результат действия осевой силы Ы/ проявляется и для трубопровода без гнутых вставок.

В четвертой главе описаны разработанные технические средства для экспериментальных исследований процессов обтекания и стабилизации пространственного положения трубопроводов речных подводных переходов.

Для получения возможности решения целого ряда экспериментальных задач построен экспериментально-испытательный стенд «Гидрометрический лоток».

Разработанный стенд состоит из следующих основных блоков:

- несущего металлического каркаса;

- водонесущего рабочего блока (лотка) с расходным и приемным баками;

- трубопроводной системы водоснабжения с насосом и струйным эжектором;

- электронного блока плавного пуска с дистанционным управлением мощностью насоса для изменения скорости водного потока.

Рабочий блок (лоток) (рисунки 11, 12) имеет размеры 12820x562x562 мм; ёмкости баков: 1,6 м3— расходного и 2,25 м3 — приёмного.

1 - гибкое герметичное соединение; 2 - регулируемая опора-домкрат - 6 шт.:

2 по 20 т и 4 по 5 т; 3 - боковые стенки из стекла «триплекс» толщиной 12,4 мм

Рисунок 11 - Схема несущего каркаса и русловой части стенда с баками (вид сбоку)

-m_¡™|_иш_Ц._"и-1

1 - центробежный консольный насос; 2 - струйный насос; 3 - русло лотка;

4 - приёмный бак; 5 - расходный бак; 6 - задвижка Ду 200; а - сопло струйного насоса (D = 108 мм, L = 75 мм); 6 - горловина (D = 426 мм); в - камера смешения (D = 426 мм, L = 3384 мм); г - диффузор (426*520 мм, L = 686 мм)

Рисунок 12 - Схема системы подачи воды в русловую часть

Фотография общего вида изготовленного стенда показана на рисунке 13.

Блок трубопроводной системы водоснабжения (рисунки 12, 14) включает:

- центробежный консольный насос К200-150-250 с подачей 315 м3/ч;

- разработанный струйный насос (гидроэжектор) с диффузором и камерой смешения с расчётным преобразованием подачи с 315 до 600 м3/ч.

Электронный блок плавного пуска системы циркуляции воды с выносным пультом дистанционного управления частотой тока асинхронного двигателя центробежного насоса позволяет регулировать мощность насоса от 30 % до 100 % его номинальной мощности.

Блок системы водоснабжения обеспечивает циркуляцию водного потока по замкнутой системе, не ограничивая время проведения экспериментальных измерений и испытаний.

Рисунок 13 - Общий вид стенда «Гидрометрический лоток»

Рисунок 14 - Трубопроводная система водоснабжения стенда

При постановке эксперимента по обтеканию недостаточно лишь соблюдения геометрического подобия построенной модели и натуры. Необходимо также подобие потоков, обтекающих модель и натуру. Поэтому важными характеристиками «Гидрометрического лотка» являются распределения скоростей течения по глубине потока, а также по длине и ширине русла лотка. Измерения скоростей проводились с помощью микровертушки ГМПМ-1 с цифровой индикацией мгновенной и осредненной скоростей.

Полученные эпюры скоростей течения в лотке представлены на рисунке 15. Они подобны соответствующим эпюрам скоростей в реальных реках, не считая проявляющейся определенной стеснённости потока у боковых стенок лотка.

0,8 5 0,7 -0,6 0,5 -0,4 -0,3 -0,2 ■ ОД 0

Длі

• ••••

0 Б 10 15

нарусла Л (отсчётот выхода расходного бака}, м

-5 5

15 25 35 45

П оверхность потока

— •-

0,2

0,4 0,(

Дно русла и, м/с

0,54 0,52 0,5 -г 0,48 -0,46 0,44

• *

30 40 50

Ширина русла I, см

1,0 0,3 О О-6 ' 0,4 0,2 0,0

г1

• •

40 60

Ширина русла Л см

а - по длине лотка; б - по глубине; в - по ширине лотка на уровне середины глубины; г - по ширине лотка на уровне середины глубины (при больших скоростях)

Рисунок 15 - Эпюры скоростей потока

Рисунок 16 - Картина обтекания модели трубопровода с кольцевыми утяжелителями

На рисунке 17 показан утяжелитель с анкерным устройством

На рисунке 16 показана картина обтекания изготовленной с соблюдением геометрического подобия модели трубопровода с футеровкой и кольцевыми утяжелителями.

При разработке новых средств повышения устойчивости размытых участков речных подводных переходов учитывалась перспективность для использования в практике таких устройств, которые выполняют одновременно несколько функций, например утяжелителя и анкера или функций в другом сочетании.

а - в положении протаскивания плети; б - в положении закрепления в траншее;

1 - утяжелитель; 2 - трубопровод; 3 - грунт; 4, 5 - отверстия; 6,7- сваи;

8,9- клинья; 10 - дно траншеи; 11 - виброударный агрегат; 12 - штанга

Рисунок 17 - Кольцевой утяжелитель с анкерным устройством

В случае размыва трубопровод, испытывающий давление со стороны водного потока, фиксируется на дне траншеи сваями, повышая устойчивость против воздействия потока.

Предложено устройство, сочетающее функции утяжелителя и обтекателя, конструкция и действие которого поясняются рисунком 18.

Уровень воды

1 - трубопровод; 2 - кольцевой утяжелитель; 3 - верхняя консоль; 4 - нижняя консоль; 5 - гибкая тяга

Рисунок 18 - Поперечное сечение утяжелителя-обтекателя трубопровода в рабочем положении

листа упругого материала. Листы закреплены на цилиндрической поверхности утяжелителя 2, установленного на трубопроводе 1, и образуют верхнюю и нижнюю консоли 3, 4 соответственно. Консоли 3, 4 фиксируются в исходном положении так, что упругодеформированная нижняя консоль 4 прилегает к поверхности утяжелителя 2, а упругодеформированная верхняя консоль 3 - к наружной поверхности нижней консоли 4. Фиксация консолей 3, 4 друг к другу и к утяжелителю 2 осуществляется гибкой тягой 5. При размыве трубопровода 1 гибкая тяга 5, оказавшись в воде, освобождает консоли 3, 4 от фиксации. Упругие консоли 3, 4 расходятся так, что конструкция забалластированного трубопровода 1 приобретает в поперечном сечении каплевидную форму, ориентированную вдоль водного потока. В результате коэффициент лобового сопротивления конструкции значительно уменьшается.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Реальное НДС подводного перехода в режиме рабочего давления газа отличается от рассчитываемого на основе нормативно-технической документации существенно более высоким уровнем напряжения стенки трубы. Это отличие является результатом не учитываемых действующими нормами процессов нагружения подводного трубопровода, которые могут привести к напряжению стенки трубы выше предельных нормативных значений.

2. По результатам исследований функции напряжения стенки трубы в зависимости от параметров пространственной геометрии речного подводного перехода с установленным наличием локальных максимумов и минимумов функции показана возможность минимизации напряжения путем определения соответствующей комбинации геометрических параметров конструкции перехода. На этой основе может быть разработан принцип выбора проектных решений по конструкции речного подводного перехода.

3. Экспериментальными исследованиями на действующем речном подводном переходе (0 530x8 мм) выявлено, что в режиме рабочего давления газа трубопровод претерпевает поперечные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, распределённые по его длине неравно-

Утяжелитель-обтекатель содержит два

мерно и знакопеременно в виде «волны». Наблюдавшиеся особенности перемещений могут быть объяснены следующим механизмом формирования НДС трубопровода. Под влиянием ряда факторов (усадок, подвижек и размыва грунта, переформирования рельефа дна и др.) нарушается одно из нормативных условий - прямолинейность оси трубопровода. По этой причине возникает действующая по всей длине трубопровода осевая сила Щ которая создаёт в точках разнонаправленных поворотов осевой линии трубы изгибающие моменты. Генерируемые при этом изгибающие напряжения, складываясь с напряжением изгиба в локальных зонах начальных поворотов оси трубы, дают сверхнормативный вклад в продольное напряжение трубопровода. В итоге полное продольное напряжение и, соответственно, перемещения распределяются по длине трубопровода неравномерно.

4. Рассчитанные по измеренным перемещениям параметры НДС локальных отрезков трубопровода последовательно по всей его длине показали, что локальные участки вблизи точек смены направления перемещений, т.е. границы «полуволн» перемещений, являются зонами повышенного напряжения. Появление таких локальных зон высокого напряжения при знакопеременном перемещении трубопровода создаёт потенциальную опасность потери устойчивости перехода.

5. Выявленные и измеренные экспериментально незначительные из-гибные перемещения участка свободного пролёта под действием набегающего водного потока, не вызывая сами по себе существенных локальных напряжений, становятся причиной возникновения осевой силы с последующей генерацией более значительных напряжений на данном участке.

6. Разработан и изготовлен измерительный комплекс-стенд «гидрометрический лоток», обеспечивающий непрерывный замкнутый цикл циркуляции воды с плавной регулировкой скорости течения в широких пределах. Характеристики водного потока и диапазон скоростей течения в русле лотка отвечают предназначению стенда - исследования процесса обтекания и испытания моделей устройств, применяемых в подводных переходах, при соблюдении условий теоремы подобия Рейнольдса.

7. Разработаны и защищены патентами новые технические средства балластировки и закрепления подводного трубопровода, сочетающие в одном устройстве две функции - утяжелителя-анкера и утяжелителя-обтекателя. Практическое применение предложенных технических решений значительно (в 5...6 раз) повысит безопасность эксплуатации речных подводных переходов с размытыми участками большой протяжённости.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы 1. Филатов, А. А. Принципы формирования проектных решений по унификации конструкции подводных переходов МГ [Текст] / А. А. Филатов, И. И. Велиюлин, В. А. Поляков и др. // Газовая промышленность. - 2010. -№ 8. - С. 70-72.

2. Филатов, А. А. Формирование напряжённо-деформированного состояния свободного пролёта речного подводного перехода магистрального газопровода [Текст] / А. А. Филатов, И. И. Велиюлин, А. С. Добров, Э. И. Велиюлин // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2010. - № 8. - С. 78-79.

3. Филатов, А. А. Номограммы предельных протяженностей свободных пролётов на участках речных подводных переходов МГ [Текст] / А. А. Филатов, И. И. Велиюлин, А. С. Добров, Э. И. Велиюлин // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2011. - № 2. - С. 76-77.

4. Филатов, А. А. Особенности перемещений трубопровода на участках речных подводных переходов МГ под воздействием давления газа [Текст] / А. А. Филатов, И. И. Велиюлин, В. А. Поляков, Э. И. Велиюлин, В. А. Александров // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2011. - № 5. - С. 72-75.

5. Филатов, А. А. Механические напряжения и перемещения трубопровода на участках речных подводных переходов МГ [Текст] / А. А. Филатов // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2011. - № 9. - С. 56-60.

6. Филатов, А. А. Поперечные горизонтальные перемещения трубопроводов речных подводных переходов МГ под действием давления газа [Текст] / А. А. Филатов, И. И. Велиюлин, В. А. Поляков, В. А. Александров, Э. И. Велиюлин // Газовая промышленность. - 2012. - № 10. - С. 74-77.

Патенты

7. Пат. на полезную модель 97472 Российская Федерация, МПК Б 16 Ь 1/16. Утяжелитель «ВАГУС-ПП» речного подводного перехода трубопровода [Текст] / Филатов А. А., Велиюлин И. И., Васильев Н. П., Гуслиц В. М., Решетников А. Д., Велиюлин Э. И.; патентообладатели Филатов А. А., Велиюлин И. И., Васильев Н. П., Гуслиц В. М., Решетников А. Д. - № 2010114633/06; заявл. 14.04.2010; опубл. 10.09.2010, Бюл. № 25.

8. Пат. на полезную модель 97473 Российская Федерация, МПК Б 16 Ь 1/16. Речной подводный переход трубопровода [Текст] / Филатов А. А., Велиюлин И. И., Васильев Н. П., Гуслиц В. М., Решетников А. Д., Велиюлин Э. И., Александров В. А.; патентообладатели Филатов А. А., Велиюлин И. И., Васильев Н. П., Гуслиц В. М., Решетников А. Д. -№ 2010114635/06; заявл. 14.04.2010; опубл. 10.09.2010, Бюл. № 25

9. Пат. на полезную модель 103885 Российская Федерация, МПК Б 16 Ь 1/16 . Утяжелитель-обтекатель трубопровода [Текст] / Филатов А. А., Велиюлин И. И., Васильев Н. П., Гуслиц В. М., Решетников А. Д., Велиюлин Э. И.; патентообладатели Филатов А. А., Велиюлин И. И., Васильев Н. П., Гуслиц В. М., Решетников А. Д. -№ 2010143662/06; заявл. 26.10.2010; опубл. 27.04.2011., Бюл. № 12.

Прочие печатные издания

10. Филатов, А. А. Особенности оценки напряжения трубопроводов при ремонтных работах методом подсадки [Текст] / А. А. Филатов, А. А. Маматкулов, В. А. Поляков // Обслуживание и ремонт газонефтепроводов: матер. V Междунар. конф. 4-9 октября 2010 г. - М.: ООО «Газпром экспо»,2011.-С. 320-323.

11. Филатов, А. А. Порядок проведения ремонтно-восстановительных работ на подводных переходах трубопроводов ОАО «Газпром» и организация выбора подрядчика // Обеспечение надежной эксплуатации подводных переходов трубопроводов ОАО «Газпром». Положительный опыт при решении проблем: матер, совещания 24-27 ноября 2008 г. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2009. - С. 36-42.

12. Филатов, А. А. Конструкционные особенности и НДС речных подводных переходов магистральных газопроводов [Текст] / А. А. Филатов, И. И. Велиюлин, В. А. Поляков и др. // Обслуживание и ремонт газонефтепроводов: матер. V Междунар. конф. 4-9 октября 2010 г. - М.: ООО «Газпром экспо», 2011. - С. 301-307.

13. Капитальный ремонт линейной части магистральных газонефтепроводов: учебн. пособие для вузов [Текст] / Н. X. Халлыев, Б. В. Будзуляк, С. В. Алимов, А. А. Филатов и др. - М.: МАКС Пресс, 2011. - 448 с.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 14.05.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. л. 1,19. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 100. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Филатов, Александр Анатольевич, Москва

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ОРГЭНЕРГОГАЗ»

(ОАО «ОРГЭНЕРГОГАЗ»)

УДК 622.691.4

На правах рукописи

0420135^262'

ФИЛАТОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Велиюлин Ибрагим Ибрагимович доктор технических наук

Москва 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................4

ГЛАВА 1. НОРМАТИВНЫЕ ЗАДАЧИ И УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТРУБОПРОВОДА РЕЧНОГО ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА..................11

1.1. Выбор объекта и процесса исследования.................................................12

1.2. Анализ нормативных документов и определение набора нормативных задач......................................................................................................................17

1.3. Условия общей устойчивости трубопровода...........................................22

1.4. Ненормативные составляющие реального напряжения подводного трубопровода в условиях эксплуатации...........................................................32

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ НЕНОРМАТИВНЫХ НАГРУЗОК НА НДС ТРУБОПРОВОДА РЕЧНОГО ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА..................39

2.1. Ненормативные нагрузки и перемещения подводного трубопровода.. 39

2.2. НДС речного подводного перехода как функция его пространственной геометрии.............................................................................................................44

2.3. Формирование НДС свободного пролета речного подводного перехода....................................................................................50

2.4. Номограммы критических протяженностей свободных пролётов подводных переходов..........................................................................................56

2.5. Задача минимизации перемещений трубопровода на участках речных подводных переходов..........................................................................................60

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ТРУБОПРОВОДА НА УЧАСТКАХ РЕЧНЫХ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МГ..................................................................64

3.1. Экспериментальные работы на речном подводном переходе................64

3.2. Перемещения подводного трубопровода в вертикальной плоскости под воздействием давления газа ..............................................................................68

3.3. Поперечные перемещения подводного трубопровода

в горизонтальной плоскости под воздействием давления газа .....................71

3.4. Поперечные перемещения трубопровода в горизонтальной плоскости под действием речного потока..................................................................................76

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ОБТЕКАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ РЕЧНЫХ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ......................................................................................................82

4.1. Особенности обтекания водным потоком тел цилиндрической формы 84

4.2. Общая характеристика разработанного и изготовленного экспериментально-испытательного стенда «Гидрометрический лоток»......86

4.2.1. Эпюры скоростей течения в рабочем блоке стенда...............................90

4.3.Общая характеристика разработанных новых способов и средств повышения устойчивости размытых участков речных подводных переходов...................................................................................95

4.3.1. Утяжелитель трубопровода речного подводного перехода

с анкерным устройством.....................................................................................95

4.3.2. Речной подводный переход трубопровода.............................................98

4.3.3. Утяжелитель-обтекатель трубопровода................................................100

Основные выводы..............................................................................................103

Перечень использованных математических символов..........................106

Библиографический список использованной литературы.....................108

ВВЕДЕНИЕ

B.В. Харионовского, П.П. Бородавкина, А.Г. Гумерова, Д.В. Штеренлихта,

C.И. Левина, М.А. Камышева и др.

обслуживания подводных переходов МГ, включая переходы с унифицированными конструкционными и эксплуатационными параметрами.

Цель работы - изучение особенностей формирования НДС подводных переходов МГ под влиянием силовых факторов, выходящих за рамки их рассмотрения нормативно-технической документацией.

Основные задачи работы:

• разработать новые технические средства по повышению надёжности эксплуатации подводных переходов.

Методы решения поставленных задач

Научная новизна результатов работы:

при сочетании изгибающих напряжений, создаваемых возникающей осевой силой в точках нарушений прямолинейности трубопровода, и напряжений начальных изгибов трубы, не связанных с давлением газа;

6. По результатам исследования воздействия скоростного напора речного потока на открытый участок газопровода установлено проявление изгибного перемещения участка с несимметричным распределением прогиба, максимум которого смещен в сторону края участка с шарнирным опиранием; получено распределение напряжения стенки трубы по длине участка свободного пролёта.

Защищаемые положения:

1. Возбуждаемое давлением транспортируемого газа НДС речного подводного перехода зависит от геометрических параметров конструкции перехода; соответствующая функция напряжения характеризуется наличием локальных максимумов и минимумов, что позволяет определить наборы геометрических параметров перехода, приводящие к минимумам напряжения;

3. Измеренное в отсутствии давления газа изгибное перемещение участка свободного пролёта в направлении течения реки с характерным

смещением максимума прогиба в сторону края участка с шарнирным опиранием является следствием действия скоростного напора водного потока;

4. Созданный измерительный комплекс-стенд «Гидрометрический лоток» с непрерывным замкнутым циклом циркуляции воды и возможностью дистанционного управления скоростью потока обеспечивает получение эпюр скоростей течения по длине русла, его ширине и по глубине потока, характерных для реальных рек. Это позволяет проводить эксперименты по обтеканию моделей устройств подводных переходов в условиях подобия потоков при геометрическом подобии модели и натуры;

5. Предложенные для практического применения защищенные патентами новые технические средства балластировки и закрепления, сочетающие в одном устройстве две функции - утяжелителя-анкера и утяжелителя-обтекателя, способны повысить надёжность эксплуатации речного подводного перехода.

Практическая значимость результатов работы

Разработан и изготовлен экспериментально-испытательный стенд «Гидрометрический лоток» с непрерывной циркуляцией воды и возможностью управления скоростью потока при помощи электронного

блока, предназначенный для исследований и испытаний моделей трубопроводов, оснащенных различными средствами балластировки и закрепления.

Апробация результатов работы

ГЛАВА 1. НОРМАТИВНЫЕ ЗАДАЧИ И УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТРУБОПРОВОДА РЕЧНОГО ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА

Трубопроводная система предназначена для реализации технологического процесса перемещения транспортируемой среды. Основным процессом взаимодействия при этом является механическое взаимодействие трубопроводной системы с транспортируемым потоком. Результатом такого взаимодействия является возникновение в общем случае действующих на транспортируемый поток сил сопротивления его перемещению по трубе и сил, действующих на внутреннюю поверхность трубы.

Технологический режим трубопроводного транспорта газа возбуждает как минимум два механических процесса: движение транспортируемого потока газа по трубопроводу и деформации трубопроводной системы под воздействием на нее сил.

Движение по трубопроводу транспортируемого потока обеспечива

Информация о работе

Филатов, Александр Анатольевич
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.19

Диссертация

Расчётно-экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния подводных переходов магистральных газопроводов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Расчётно-экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния подводных переходов магистральных газопроводов - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы