Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики мониторинга пространственного положения магистрального газопровода в сложных геологических условиях

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики мониторинга пространственного положения магистрального газопровода в сложных геологических условиях"

УДК 621.644.07

На правах рукописи

Карнаухов Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

12 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00554346О

Тюмень - 2013

005543463

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (г. Тюмень) и Обществе с ограниченной ответственностью «Газпром трансгаз Сургут» (г.Сургут).

Научный руководитель: Пульников Сергей Александрович

кандидат технических наук

Официальные оппоненты: Азметов Хасан Ахметзиевич

доктор технических наук, ГУЛ «ИПТЭР», г. Уфа, заведующий отделом «Техническая эксплуатация трубопроводов»

Тарасенко Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ТюмГНГУ, профессор кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов»

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью

«Газпром переработка», г. Сургут

Защита состоится 24 декабря 2013 года в 15:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72, биб-лиотечно-информационный центр, кабинет №46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан 23 ноября 2013 г.

И.о. Ученого секретаря Сц1//'

диссертационного совета г Торопов Сергей Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири задача повышения надежности линейной части газотранспортной системы в основном обусловлена непредсказуемостью будущего эксплуатационного положения трубопровода. В условиях мерзлых, сезоннопро-мерзающих, слабых, водонасыщенных и заболоченных грунтов прогнозирование перемещений магистрального газопровода и обеспечение его устойчивости стандартными проектными решениями затруднено недостаточной изученностью сложных процессов силового и теплового взаимодействий между элементами геотехнической системы «трубопровод-грунт».

По мере развития нормативных документов математические модели для оценки устойчивости трубопроводов постоянно усложняются, однако достоверная оценка их отклонений от проектного положения практически невозможна. Известные за последние десять лет примеры из практики эксплуатации (МГ «Бованенково-Ухта», МГ «Заполярное-Н.Уренгой») свидетельствуют о преждевременном выходе на капитальный ремонт линейной части магистрального газопровода именно по причине низкого качества проектных решений и прогнозных оценок без учета сложных геологических процессов.

Современный прорыв в области вычислительной техники и программного обеспечения дает все необходимые инструменты для решения подобных задач. Использование вычислительной техники не только ускоряет расчеты и повышает их точность, но и существенно изменяет способы их решения. Если раньше существовала тенденция к упрощению расчетных схем для сокращения объема вычислений и получения аналитических решений, то сегодня открывается возможность смены приоритетов в область разработки схем и математических моделей, более полно учитывающих реальные процессы в сложных инженерно-геологических условиях. Однако начальные данные, требующиеся для новых расчетных схем и учета негативных геологических процессов, оказывающих влияние на техническую систему, в большинстве своем просто неизвестны и требуют новых изысканий.

В настоящее время необходимо проводить масштабные натурные исследования с выявлением эмпирических зависимостей, характеризующих протекающие процессы в сложных геотехнических системах, сложность которых связана с большой их протяженностью, кривизной линий трасс в поперечном направлении и в плане. Современные требования к безопасной эксплуатации газопроводов заставляют внедрять в процесс эксплуатации технические системы мониторинга различных событий. Имеющиеся системы позволяют вести контроль напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода, отслеживать несанкционированный доступ к линейной части и подвижки грунтовых масс, но ни одна из них не наделена исследовательской функцией. Поэтому разработка новой исследовательской системы мониторинга, продуцирующей данные о перемещениях трубопроводов, дающую меру перемещений протяженного трубопровода и позволяющую выявлять закономерности процесса силовых взаимодействий с геологической средой, является актуальной задачей.

Цель работы - на основе теоретических и натурных исследований процесса пространственных перемещений протяженного подземного магистрального газопровода разработать инженерную методику, позволяющую аналитически описывать и сравнивать его пространственное положение в различные периоды мониторинга.

Основные задачи исследования:

1. Разработать методику мониторинга пространственного положения магистрального газопровода.

2. Разработать методику обработки данных, продуцируемых системой мониторинга пространственного положения магистрального газопровода, включающую последовательные действия:

восстановление линии верхней образующей трубопровода с помощью аналитического описания его фактического пространственного положения.

оценка напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода с учетом изгибных напряжений;

сравнительный анализ пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга.

3. Провести натурный эксперимент по наблюдению за пространственным положением подземного магистрального газопровода, эксплуатируемого в сложных инженерно-геологических условиях.

4. Выполнить анализ экспериментальных данных по предложенной методике обработки данных и выявить закономерности относительных изменений пространственного положения трубопровода.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработана методика мониторинга пространственного положения подземного магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях.

2. Впервые предложен вариант описания пространственного положения верхней образующей трубопровода в виде сглаживающего сплайна и получены выражения для практического определения его неизвестных коэффициентов.

3. Впервые разработана методика сравнительного анализа пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга и получены выражения для практического определения изменений относительных поперечных, покоординатных и продольных перемещений.

4. Выявлен волнообразный эффект изменения относительных поперечных и покоординатных перемещений и линейный характер изменения относительных продольных перемещений действующего магистрального газопровода.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволили разработать инструмент для эффективного контроля пространственного положения подземного магистрального газопровода и накопления натурных данных для исследования его перемещений в сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири.

Практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработана методика мониторинга пространственного положения трубопровода, позволяющая определять величины его продольных и попереч-

ных перемещений при сложном профиле трассы любой протяженности.

2. Разработан программный комплекс, позволяющий оценивать полное напряженное состояние стенки магистрального газопровода при его деформировании в пространстве в процессе эксплуатации.

3. Результаты исследования внедрены в систему эксплуатации магистрального газопровода «Уренгой-Сургут-Челябинск».

Методологические основы и достоверность исследований. В диссертации использованы классические положения строительной механики, теории упругости, механики грунтов, вариационного исчисления, математического и регрессионного анализа. Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается сходимостью с данными исследований других авторов и результатами сопоставления данных теоретических и экспериментальных исследований.

Автор защищает совокупность научных положений, на базе которых разработана методика мониторинга пространственного положения протяженного подземного магистрального газопровода, включающую в себя:

1. Методику привязки координат точек, продуцируемых системой мониторинга, к фактическому пространственному положению верхней образующей подземного трубопровода.

2. Методику сравнительного анализа пространственных кривых, соответствующих положению исследуемого участка магистрального трубопровода, в различные периоды мониторинга.

3. Выявленные закономерности процесса пространственных перемещений подземного магистрального газопровода:

- волнообразный эффект изменения относительных поперечных и покоординатных перемещений;

- линейный характер изменения относительных продольных перемещений действующего магистрального газопровода.

Личный вклад автора заключается в формулировании основной идеи, цели и задач исследования; формировании методического подхода и получении зависимостей; постановке, организации и планировании исследования; выборе характерных участков наблюдений исследуемого подземного магистрального газопровода «Уренгой-Сургут-Челябинск»; обработке экспериментальных данных, анализе и обобщении всех материалов исследования.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2010 г.; на международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа», г. Уфа, 2011 г.; на всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2011 г.; на международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах», г. Оренбург, 2011 г.; на всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы трубо-

проводного транспорта Западной Сибири», г. Тюмень, 2013 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 научных трудах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Рассматриваемая область исследования, связанная с разработкой методики мониторинга подземных газопроводов в сложных геологических условиях, соответствует паспорту специальности 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», а именно: по п. 1 «Напряженное состояние и взаимодействие с окружающей средой трубопроводов, резервуаров и оборудования при различных условиях эксплуатации с целью разработки научных основ и методов прочностного, гидравлического и теплового расчетов нефтегазопроводов и газонефтехранилищ» и п. 7 «Исследования в области ресурса трубопроводных конструкций, в том числе прогнозируемого при проектировании и остаточного при их эксплуатации».

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографического списка литературы, включает 16 таблиц, 60 рисунков. Библиографический список включает 130 наименований, в том числе 7 иностранных.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору, Заслуженному дея-

телю науки и техники РФ Кушниру С.Я. и к.ф.-м.н. Герберу А.Д. за полезные

советы и помощь. Автор благодарит соавторов совместных работ и коллег за плодотворное сотрудничество и внимание к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, приведена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен обзор литературных источников и анализ результатов основных исследований в области создания трубопроводных систем. Рассмотрен многолетний опыт эксплуатации подземных магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях. Дана оценка перспективам развития нормативной базы в разделе обеспечения устойчивости подземных магистральных газопроводов.

В области проектирования, сооружения и эксплуатации газопроводных систем за последние несколько десятков лет проведено множество исследований, направленных на расширение знаний о взаимодействии газопровода с грунтовой средой. Обзор результатов исследований подземных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях выполнен на основании анализа опубликованных работ отечественных ученых: А.Б. Айнбиндера, B.JI. Березина, П.П. Бородавкина, Л.И. Быкова, А.И. Горковенко, А.Г. Гумерова, В.А. Иванова, А.Г. Камерштейна, И.Н. Кургановой, С.Я. Кушнира, H.A. Малюшина, В.М. Стоякова, Г.Н. Тимербулатова, В.В. Харионовского, М.Ш. Хигера,

В.И. Черникина, A.M. Шаммазова, Э.М. Ясина и др.

Эксплуатация подземных магистральных газопроводов в грунтах простой и средней категории сложности существенно отличается от их эксплуатации в сложных геологических условиях, характерных для территорий Западной Сибири. Две трети всех наблюдаемых отказов, аварий и ненормативных положений участков газопровода, произошедших по причине негативных геологических процессов в системе «трубопровод-грунт» приходится на линейную часть. К таким процессам относятся оползни, просадки, пучения, локальные горизонтальные перемещения, растепление грунта и селевые потоки.

Результаты геотехнического мониторинга подземного газопровода «Заполярное - Уренгой» на участке от месторождения Заполярное до реки Пур в 2011-2012 гг. зафиксировали последствия сложившейся ситуации на 10-ый год эксплуатации линейной части (рисунок 1).

I нитка (L= 191км) II нитка (L= 18 8 км)

1 - нормативное состояние геотехнической системы;

2 - отклонение от нормативного состояния в допустимых пределах;

3 - ненормативное состояние

Рисунок 1 - Результаты геотехнического мониторинга 1-П ниток газопровода «Заполярное - Уренгой»

Отклонения от проектного положения, принятого за нормативное состояние, составляют »40%. Порядка 20% общей протяженности линейной части находится в ненормативном техническом состоянии. К ненормативному состоянию геотехнического сооружения относятся участки с наличием овражной и водной эрозии, обводненные участки с дефляцией песчаного обвалования, а также участки газопровода значительной протяженности, имеющие пространственные перемещения и деформации, что привело к выводу магистрального газопровода в капитальный ремонт раньше установленного срока службы.

Низкий уровень проектной предсказуемости пространственных перемещений потенциально опасных участков газопровода привел к необходимости постоянного наблюдения за ними. Однако применение известных сегодня систем наблюдений не повлияло на решение проблемы устойчивости ни на одном из этапов создания новых или восстановления существующих газопроводов.

Целью мониторинга, как инструмента, необходимого для повышения эксплуатационной надежности газотранспортной системы, должно стать изучение и накопление опыта эксплуатации с разработкой рекомендаций для их эффективного проектирования в будущем в подобных условиях.

Во второй главе изложены основные положения методики мониторинга пространственного положения протяженного подземного магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях. Автор предлагает разработать универсальный инструмент, позволяющий создать систему мониторинга для натурных наблюдений за перемещениями трубопровода и решающий для эксплуатации актуальную задачу по оценке его технического состояния в реальном времени.

Функциональная схема системы мониторинга пространственного положения газопровода состоит из трех блоков (рисунок 2). Технологический блок содержит переменные во времени инструменты, зависящие от целей мониторинга, контролируемых параметров и технического уровня средств сбора и передачи данных. Аналитический блок - инструмент обработки и анализа данных в виде методики, включающей в себя три последовательных этапа:

1) восстановление линии верхней образующей трубопровода;

2) оценка напряженного состояния стенки трубопровода с учетом изгиб-ных напряжений;

3) сравнительный анализ пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга.

В практический блок входят операции по представлению и оформлению результатов обработки данных мониторинга и алгоритм принятия решений.

Рисунок 2 - Функциональная схема системы мониторинга

Поставленные в работе задачи связаны с разработкой аналитического блока системы мониторинга пространственного положения протяженного магистрального газопровода, являющегося постоянным для выбранного объекта исследования и не зависящего от технологии сбора данных.

В третьей главе приведена методика обработки данных, продуцируемых системой мониторинга пространственного положения магистрального газопровода, состоящая из трех основных этапов, позволяющих последовательно проводить сопоставление данных.

Первый этап обработки данных заключается в привязке координат точек, продуцируемых системой мониторинга, к фактическому пространственному положению верхней образующей подземного трубопровода.

Положение верхней образующей трубопровода предложено описывать в виде радиус вектора, координаты которого аппроксимируются с помощью сглаживающего кубического сплайна. Идея основана на обнаруженном Дж .Холлидеем в 1957 году свойстве, связывающим кубические сплайны Шёнберга с решением вариационной задачи о минимуме квадратичного функционала потенциальной энергии изгиба упругого стержня:

Ф(иО = а\[^(1)]2с11 + |>,(и</,) - Ц)2, (1)

о ¡=0

где а - параметр сглаживания, подбирающийся в интерактивном режиме с помощью компьютерной программы исходя из равенства величины среднеквадратичной ошибки аппроксимации 5 ошибке измерительного комплекса:

5 = -!>,.-и</,.))2; (2)

и м

и'(/) - искомое аналитическое описание сплайна (для точек х, у или г); р{ - набор множителей, определяющих вес точки в процессе построения сглаживающей кривой, например, при проведении всех измерений с одинаковой точностью р1, = 1;

- рассчитанные значения координат точек по линии сплайна; щ - измеренные значения координат точек (по х, у или г) с некоторой контролируемой ошибкой.

В функционале (1) согласно теории сплайнов и теории решения некорректных задач (работы М. Атья, 1966 г.; Ф.М. Анселона, П.-Ж. Лорана, 1968 г.) скомбинированы функционал потенциальной энергии и интерполяционное слагаемое, позволяющие строить сплайн-аппроксимации с учетом ошибки во входных данных, обусловленной техническим несовершенством средств измерений координат точек.

Искомое положение верхней образующей трубопровода является решением задачи об обеспечении минимума функционала (1) сглаживающим кубическим сплайном вида:

б/г,. 6А. ^ (>) К { б; к

где у} (/) - 1-й элемент отрезка сплайна;

тп / = 0,1,...,я - неизвестные коэффициенты сплайна; А, = /,. - /,._,, г = 1,...,л - шаг, расстояние между узлами; //,, г = 0,1,...,п - узловые значения, через которые проходит кривая сплайна на каждом отрезке.

В качестве граничных условий выбран вариант жесткой заделки с контролируемым наклоном:

*/(0) = 50;и/(£) = 5, (4)

Для определения всех неизвестных коэффициентов т1 с учетом (4) в работе предлагается следующая система уравнений:

« = 0 =>т0 =С0 ог + = о 3 6 я,

• 1 , Л, + Л.

»=],..., и —1=>/и, , — + т,—— 6 ' 3

' "»,'.1.1

А Л /' = я => /и = С, ог т„ — + т„ . — = -

Л I/ 3 6

Я,-А,-!

(5)

Решение системы уравнений (5) методом прогонки для пяти-диагональной матрицы дает значения неизвестных коэффициентов кубического сглаживающего сплайна (3), позволяющего восстановить линию верхней образующей подземного трубопровода любой протяженности.

Для описания линии верхней образующей трубопровода использовался параметрический вариант ее представления г (/). В качестве параметра кривой выбиралось расстояние / вдоль трубы, отсчитываемое от первой точки (рисунок 3).

Построение сглаживающего сплайна включает следующие операции:

1. Определение расстояния каждой измеренной точки от первой г (/,.) = (л, где /, - расстояние от первой точки.

2. Нормирование расстояния межу измеренными точками по схеме s¡ = 1,/Ь, где Ь- общая длина наблюдаемого участка.

3. Нормирование значения координат по схеме: X. = (х: - *0)/хта11, *шах =тах|х(|; У,=(у,~у0)/утах , Ут!а =тах|^.|; г1=(г1-г0)/гтш ,гтах = тах|2,.|.

4. Определение параметра сглаживания из расчета, что среднеквадратичная ошибка сглаживания не превышает ошибку измерений.

Второй этап обработки данных заключается в оценке НДС стенки трубопровода с учетом изгибного напряжения по линии кривой, описывающей его фактическое пространственное положение, восстановленной на первом этапе.

Рисунок 3 - Схема к построению кривой сглаживающего сплайна

Оценка НДС основана на методе расчета эквивалентных напряжений ажв, приведенного в работах А.Б. Айнбиндера, П.П. Бородавкина, А.И. Горко-венко с учетом полного продольного напряжения на любом участке I трубы:

апр(1) = у^Щ^-ЕаМ{1)±Е (6)

где V - коэффициент Пуассона; р - внутреннее давление; £>„„, - внутренний и наружный диаметр трубы; <5 - толщина стенки трубы; Е - модуль упругости стали; а - коэффициент линейного расширения стали; ДТ - перепад температуры;

|г"(/)| = 1/7? - кривизна линии, совпадающая по абсолютной величине с модулем

второй производной по длине |г"(/)| = х")2 + (у")2 + (г")2 .

Третий этап обработки данных заключается в проведении сравнительного анализа пространственных кривых, соответствующих положению исследуемого участка трубопровода, в различные периоды мониторинга.

Сравнение пространственного положения трубопровода предполагает выбор базового измеренного положения трубопровода и анализ:

- изменения абсолютных и относительных удлинений;

- характера покоординатных изменений;

- продольных и поперечных перемещений точек верхней образующей трубы у'-го измерения по сравнению с базовым (рисунок 4).

Из анализа геометрического положения кривых определены следующие характеристики трубопровода, с помощью которых оцениваются его перемещения в пространстве:

1. Абсолютная величина удлинения дляу'-го измерения к-го номера точки:

А'/ (Л)|. (7)

2. Абсолютное изменение длины:

Л£ = Л//-Л/°. (8)

3. Относительное изменение или величина деформации:

Рисунок 4 - Схема к нахождению

физически одной и той же точки при ее смещении

£ =

А/°

(9)

4. Продольное смещение точки трубопровода, определенное как проекция разности радиус векторов одной и той же точки между измерениями по отношению к базовому:

5. Поперечное смещение точки трубопровода, как проекция на перпендикуляр к исходной базовой кривой:

(13)

Расчетные значения характеристик (7-13) позволили выявить закономерность их изменения во времени для действующих газопроводов.

В четвертой главе приведены результаты натурного эксперимента по наблюдению за пространственным положением подземного МГ.

Для возможности применения результатов исследования на практике и апробации основных положений методики мониторинга возникла необходимость в проведении экспериментальных исследований. Автором реализован натурный эксперимент на двух протяженных участках МГ «Уренгой-Сургут-Челябинск» ООО «Газпром трансгаз Сургут». Длины участков 2,7 и 1,2 км обусловлены рельефом местности в прямой видимости для геодезических приборов. Первый участок - в 13 км от КС-3 «Аганская» (609 км трассы), второй участок - в 10 км от КС-4 «Приобская» (710 км трассы).

В качестве простейшей испытательной системы мониторинга для отработки методики наблюдений и обработки данных применена марка собственной конструкции с высокоточным отражателем. Для измерения пространственного положения исследуемых участков газопровода геодезические марки устанавливались с определенным интервалом. На участке I установлено 15 марок, а на участке II - 10 марок (рисунок 5).

Рисунок 5 - Виртуальная модель подземного газопровода с марками

Съемка пространственных координат марок велась геодезическим позиционированием с привязкой к сооруженной на подготовительном этапе геодезической сети: на участке I было заложено 7 геодезических реперов, на участке II - 2. На участке I в течение 2012 года проведено 8 измерений, на участке II - 4.

Результаты натурных наблюдений подтвердили предположение о сложном характере пространственных перемещений подземного магистрального газопровода, качественным отображением которого явилась мера перемещений марочных точек. В течение года наблюдений зафиксированы непрерывные плавные перемещения марочных точек, ни одна из координат которых не вернулась в первоначальное базовое положение. Расчетные величины перемещений контролируемых сечений газопровода находились в пределах от 5 до 25 см.

В процессе анализа экспериментальных данных выявлен волнообразный эффект изменения относительных поперечных (рисунок 6) и покоординатных перемещений (рисунок 7) верхней образующей трубы.

Рисунок 6 - Поперечное смещение трубопровода для 3-го измерения относительно базового: а) участок I, б) участок II

2,0 а, с.

1,0 о

0 0

-1,0

-2,0

-2,0 а) о

-3,0 -4,0 б

К.Ч ¿,КЛ 1

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Рисунок 7 - Абсолютные изменения х-координаты для Зго измерения относительно базового: а) участок I, б) участок II

Характер изменений в первом приближении анализировался комбинацией синусоиды и линейной зависимости. Расстояние между двумя пиками для поперечного смещения и покоординатного изменения составил величину порядка 1,0 км для участка I и 0,4 км для участка II.

В работе приведена оценка условий возникновения волнообразного эффекта на основе уравнения равновесия упругого сжатого стрежня. Дана оценка характеристикам грунтовой среды и критической продольной силы, при которой возможно появление волнообразного эффекта.

3,0 Л/ гч 8 - л/

яр ' »р>

2,0 1 п 4

I ,и 0 0

Л

1.0 -ч - б) .......

а) Л* _д

2,0 / Ь,км

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Рисунок 8 - Продольное смещение точек трубопровода для 1-го измерения относительно базового: а) участок I, б) участок II

Анализ продольных смещений точек магистрального газопровода выявил линейный характер изменения относительных продольных перемещений трубы (рисунок 8) и существование неподвижных сечений, совпадающих с минимальной высотной отметкой профиля трассы.

Обнаруженное явление показывает, что в процессе эксплуатации магистральный газопровод в продольном направлении не остается неподвижным. Величины продольных перемещений достигают до 5,0 см для участка I и до 10,0 см для участка II. Выявлено, что наблюдаемые изменения продольного смещения трубопровода представляют собой практически линейную зависимость. В работе дана оценка величине продольной силы и несущей способности грунта, при которой реализуется наблюдаемый эффект.

Обнаруженные экспериментальные закономерности являются результатом применения разработанной методики обработки продуцируемых данных и представляют собой новое научное знание.

Таким образом, экспериментально доказано, что методика мониторинга пространственного положения подземного магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях применима для научных исследований и является совокупностью способов получения, корректировки, систематизации новых, полученных ранее знаний и методов решения задач в рамках любой науки, изучающей физические процессы, протекающие в геотехнической системе «трубопровод-грунт».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны основные положения методики мониторинга пространственного положения протяженного магистрального газопровода.

2. Разработана методика обработки данных, продуцируемых системой мониторинга пространственного положения магистрального трубопровода, состоящая из трех последовательных этапов:

восстановление линии верхней образующей трубопровода с помощью математического описания его фактического пространственного положения.

оценка напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода с учетом изгибного напряжения;

сравнительный анализ пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга.

3. Предлагаемая методика обработки данных мониторинга пространственного положения магистрального газопровода позволяет определять величины его продольных и поперечных смещений на участке любой протяженности. Путем восстановления с помощью кубического сглаживающего сплайна аналитического описания линии верхней образующей трубопровода возможна оценка напряженного состояния его стенки при пространственных деформациях в процессе эксплуатации.

4. Проведены натурные наблюдения за двумя действующими участками подземного магистрального газопровода в сложных грунтовых условиях и установлено, что газопровод перемещается как в продольном, так и поперечном

направлениях в пределах от 5,0 до 25,0 см. Характер перемещений сложный, обусловленный упругим изгибом искривленного в плане трубопровода и эксплуатационной нагрузкой в установленных требованиями рамках.

5. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода по линии кривой, описывающей его фактическое пространственное положение, включающий оценку изменения величин изгибных, продольных и эквивалентных напряжений в процессе натурных наблюдений исследуемых участков газопровода. Уровень колебаний величины эквивалентных напряжений не превышает 20% от полного напряженного состояния и находится в пределах нормативной эксплуатации. При этом величины пространственных деформаций достигают значений, превышающих допустимые, установленные пунктом 2.2 свода правил СП 107-34-96 «Балластировка, обеспечение устойчивости положения газопроводов на проектных отметках».

6. С помощью методики обработки данных мониторинга выявлены экспериментальные закономерности процесса пространственных перемещений подземного магистрального газопровода:

- волнообразный эффект изменения относительных поперечных и покоординатных перемещений;

- линейный характер изменения относительных продольных перемещений действующего магистрального газопровода.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Ведущие рецензируемые научные журналы:

1. Карнаухов М.Ю. Анализ пространственных перемещений магистральных газопроводов с определением граничных зон / Кушнир С.Я., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. // Известия вузов «Нефть и газ». — Тюмень, 2011г. № 5. - С. 71-75.

2. Карнаухов М.Ю. Аналитическая задача определения удлинения газопровода в области аркообразования / Кушнир С.Я., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. -Уфа, 2011. №4.-С.74-80.

3. Карнаухов М.Ю. Методика обработки данных мониторинга пространственного положения эксплуатируемого участка подземного магистрального газопровода / Гербер А.Д., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. — Уфа, 2013. №3. - С.58-66.

Прочие печатные издания:

4. Карнаухов М.Ю. Техническое состояние и остаточный ресурс магистральных нефтегазопроводов с учетом их взаимодействия с окружающим грунтом / Кушнир С.Я., Пульников С.А, Казакова Н.В. // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции; под ред. И.А. Анисимова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. -408. С.189-191.

5. Карнаухов М.Ю. Проблемы современных методов восстановления непроектного положения подземного магистрального газопровода / Пульников

С.А., Сысоев Ю.С. // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции; под ред. И.А. Ани-симова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С.278-280.

6. Карнаухов М.Ю. Характерные случаи нарушения проектного положения подземного магистрального газопровода и методы борьбы с ними / Пуль-ников С.А., Сысоев Ю.С. // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции; под ред. И.А. Анисимова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С.280-283.

7. Карнаухов М.Ю. К проблеме определения пространственного положения подземных магистральных газопроводов / Кушнир С.Я., Пульников С.А., Казакова Н.В. // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: Материалы Международной научно-практической конференции 25 мая 2011 г. — Уфа, 2011. - С. 152-154.

8. Карнаухов М.Ю. Решение задачи определения удлинения газопровода при температурном расширении металла трубы / Пульников С.А., Сысоев Ю.С. // Проблемы функционирования систем транспорта: Материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 11 ноября 2011г. / отв. редактор В.И. Бауэр. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. -496с. -С.344-350.

9. Карнаухов М.Ю. Проблемы аркообразований на магистральных газопроводах и эффективность борьбы с ними / Пульников С.А., Сысоев Ю.С. // Прогрессивные технологии в транспортных системах / Сб. ст. Десятой между-нар. научн.-практ.конф./ под ред. проф. Щурина К.В. — Оренбург: Оренбург, гос. ун-т.; ООО «Руссервис». -2011. - С.251-253.

10. Карнаухов М.Ю. К оценке существующих методов ремонта магистрального газопровода / Пульников С.А., Сысоев Ю.С. // Прогрессивные технологии в транспортных системах / Сб. ст. Десятой междунар. научн.-практ.конф./ под ред. проф. Щурина К.В. - Оренбург: Оренбург, гос. ун-т.; ООО «Руссервис».-2011. - С.249-250.

11. Карнаухов М.Ю. Постановка задачи сглаживания данных при мониторинге пространственного положения эксплуатируемого участка подземного магистрального газопровода / Гербер А.Д., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. // Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири: материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень, ТюмГНГУ, 2013. - 144 с. -С.108-113.

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. я. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ № 1969.

Библиотечно-издательский комплекс Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет».

625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Карнаухов, Михаил Юрьевич, Тюмень

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

КАРНАУХОВ Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук ПУЛЬНИКОВ Сергей Александрович

Тюмень - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.............................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ПРЕДСКАЗУЕМОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ............12

1.1. Актуальность проблемы исследования с позиции опыта эксплуатирующих газотранспортных организаций...................................12

1.2. Обзор основных исследований в области создания надежных трубопроводных систем...........................................................................20

1.3. Анализ и перспективы развития нормативной базы по оценке пространственных перемещений подземного газопровода.................27

Выводы по главе 1..............................................................................................37

Глава 2. МЕТОДИКА МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.....................38

2.1. Цели и задачи системы мониторинга пространственного положения магистрального газопровода........................................................38

2.2. Технические особенности системы мониторинга пространственного положения протяженного объекта...........................................45

2.3. Критерии оценки эффективности способов мониторинга пространственного положения магистрального газопровода....................49

2.4. Сглаживание данных результатов измерений при мониторинге пространственного положения магистрального газопровода..............56

2.5. Роль мониторинга пространственного положения газопровода в оценке комплексного показателя его технического состояния...........60

Выводы по главе 2..............................................................................................61

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБРАБОТКИ ПРОДУЦИРУЕМЫХ ДАННЫХ МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА .................................................................................................63

3.1. Разработка методики привязки координат точек к фактическому пространственному положению верхней образующей трубопровода.............................................................................................................63

3.2. Разработка методики оценки НДС стенки трубопровода по линии кривой, описывающей его фактическое пространственное положение..................................................................................................69

3.3. Разработка методики сравнительного анализа пространственных положений трубопровода в различные периоды его мониторинга.......................................................................................................78

3.4. Апробация методики обработки продуцируемых данных...................86

Выводы по главе 3..............................................................................................90

Глава 4. АПРОБАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ГАЗОПРОВОДА............................................................................................91

4.1. Постановка и реализация промышленного эксперимента по наблюдению за пространственным положением подземного магистрального газопровода...........................................................................91

4.2. Анализ изменений пространственного положения наблюдаемых участков трубопровода..........................................................................102

4.3. Волнообразный эффект изменения относительных пространственных перемещений действующего газопровода.............................117

4.4. Анализ напряженного состояния стенки трубопровода.................125

Выводы по главе 4............................................................................................132

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................................133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................................................148

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ггс государственная геодезическая сеть

кп контрольный пункт

КС компрессорная станция

мг магистральный газопровод

НДС напряженно-деформированное состояние

СМПП система мониторинга пространственного положения

УСЧ Уренгой-Сургут-Челябинск

ВВЕДЕНИЕ

Современные требования к безопасной эксплуатации магистральных газопроводов (МГ) заставляют внедрять в процесс эксплуатации технические системы мониторинга различных событий. Разработан ряд систем, позволяющих вести контроль напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода, отслеживать несанкционированный доступ к линейной части и подвижку грунтовых масс. Мониторинг изменения ряда параметров, являющихся следствием нагруже-ния системы, позволяет эксплуатирующим организациям повышать эксплуатационную надежность магистралей непосредственным управлением параметрами на-гружения.

В сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири задача повышения надежности линейной части газотранспортной системы в основном обусловлена непредсказуемостью будущего эксплуатационного положения трубопровода. Прогнозирование перемещений МГ в условиях мерзлых, сезоннопро-мерзающих, слабых, водонасыщенных грунтов, болот и обеспечение его устойчивости стандартными проектными решениями затруднено недостаточной изученностью сложных процессов силового и теплового взаимодействий элементов геотехнической системы. Действующие нормативные документы предлагают методики проектирования трубопроводов с компенсацией продольных деформаций на основе аналитических решений, но с многолетними практическими наблюдениями эксплуатирующих организаций за пространственными перемещениями на подведомственных им МГ они имеют значительные расхождения. Достоверного аналитического решения эта задача иметь не может и решается только с применением численных методов и вычислительных программных комплексов. Трудность решения связана с необходимостью учета изменения физических характеристик грунтовой среды, в результате чего для адекватного отображения действительности необходимо решать задачу в нелинейной постановке.

Современный прорыв в области вычислительной техники и программного обеспечения сегодня дал все необходимые инструменты для решения подобных

нелинейных задач. Использование вычислительной техники не только ускоряет расчеты и повышает их точность, но и существенно изменяет способы решения актуальных задач. Если раньше существовала тенденция к упрощению расчетных схем для сокращения объема вычислений и получения аналитических решений, то сегодня открывается возможность смены приоритетов в область разработки схем и моделей, более полно учитывающих реальные процессы в сложных геологических условиях. Новые механизмы требуют проведения масштабных натурных исследований с выявлением эмпирических зависимостей, характеризующих протекающие процессы в геотехнических системах.

Важнейшим преимуществом любой системы мониторинга событий является возможность решения обратных задач по продуцируемым данным. Потенциальные возможности определения положения газопровода в заданный момент времени, установления изменения его напряженного состояния, уточнения некоторых вопросов устойчивости трубопроводов, а в конечном итоге, разработки соответствующих технических решений, повысит надежность эксплуатации, закладываемую на этапе проектирования, и предсказуемость их безотказной работы на заданный срок.

Для разрабатываемых методик прогнозных расчетов пространственных деформаций МГ требуются исходные данные о подвижках действующих и вводимых в эксплуатацию трубопроводов. Наблюдение за эксплуатацией линейной части МГ позволит выявить закономерности, характерные для исследуемых участков (между давлением газа, температурой газа, силовыми и тепловыми характеристиками грунтовой среды и пространственными деформациями трубопровода). Выявленные закономерности уточнят существующие расчетные схемы, и появится возможность рассмотрения трубопровода и грунта единой системой. Многовариантность численных расчетов при проектировании позволяет поставить, а в некоторых случаях и решать задачи оптимального проектирования. Проблема же создания оптимальных конструкций, с точки зрения различных критериев, является одной из наиболее актуальных и трудных задач современной технической науки.

Диссертационная работа представляет собой часть крупного исследования в области внедрения методов научного сопровождения проектирования, строительства и эксплуатации подземных МГ в сложных инженерно-геологических условиях с применением системы мониторинга пространственных перемещений подземных протяженных пространственно-искривленных линейных объектов.

Актуальность работы. Результаты исследований, полученные автором при многолетних наблюдениях за процессом взаимодействия эксплуатируемых магистральных газопроводов со специфическими грунтами, имеющих существенные сезонные изменения их состояния, свидетельствуют о практической непредсказуемости пространственных подвижек линейной части. Существенные проектные упрощения силовых моделей трубопроводной системы путем замены «сложного» целого отдельными «простыми» расчетными участками привели к теоретическому тупику и отсутствию качественного развития нормативной документации.

В настоящее время существует ряд существенных проблем, решение которых требует нашего внимания:

- низкое качество и достоверность инженерно-геологических изысканий;

- отсутствие методов оценки второго предельного состояния системы, связанного с оценкой величины продольных перемещений (удлинения) протяженного участка трубопровода, зажатого в неоднородной грунтовой среде;

- отсутствие методик расчета протяженных пространственно-искривленных трубопроводов в геологической среде и достоверного определения граничных условий на концах расчетных участков.

Актуальность проблем обусловлена:

- значительным количеством, разнообразием и суммарной протяженностью участков МГ, подверженных неконтролируемым перемещениям;

- высокой стоимостью и технологической сложностью производства работ по восстановлению проектного положения МГ;

- отсутствием эффективных методов обеспечения устойчивого положения газопровода в сложных геологических условиях.

Цель работы: на основе теоретических и натурных исследований процесса пространственных перемещений протяженного подземного магистрального газопровода разработать инженерную методику, позволяющую аналитически описывать и сравнивать его пространственное положение в различные периоды мониторинга.

Для достижения цели сформулированы основные задачи:

1. Разработать методику мониторинга пространственного положения магистрального газопровода.

2. Разработать методику обработки данных, продуцируемых системой мониторинга пространственного положения магистрального газопровода, включающую последовательные действия:

восстановление линии верхней образующей трубопровода с помощью аналитического описания его фактического пространственного положения.

оценка напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода с учетом изгибных напряжений;

сравнительный анализ пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга.

3. Провести натурный эксперимент по наблюдению за пространственным положением подземного магистрального газопровода, эксплуатируемого в сложных инженерно-геологических условиях.

4. Выполнить анализ экспериментальных данных по предложенной методике обработки данных и выявить закономерности относительных изменений пространственного положения трубопровода.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Впервые разработана методика мониторинга пространственного положения подземного магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях.

2. Впервые предложен вариант описания пространственного положения верхней образующей трубопровода в виде сглаживающего сплайна и получены выражения для практического определения его неизвестных коэффициентов.

3. Впервые разработана методика сравнительного анализа пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга и получены выражения для практического определения изменений относительных поперечных, покоординатных и продольных перемещений.

4. Выявлен волнообразный эффект изменения относительных поперечных и покоординатных перемещений и линейный характер изменения относительных продольных перемещений действующего магистрального газопровода.

Практическая ценность заключается в том, что ее результаты позволили разработать инструмент для эффективного контроля пространственного положения подземного магистрального газопровода и накопления натурных данных для исследования его перемещений в сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири.

Практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработана методика мониторинга пространственного положения трубопровода, позволяющая определять величины его продольных и поперечных перемещений при сложном профиле трассы любой протяженности.

2. Разработан программный комплекс, позволяющий оценивать полное напряженное состояние стенки магистрального газопровода при его деформировании в пространстве в процессе эксплуатации.

3. Результаты исследования внедрены в систему эксплуатации магистрального газопровода «Уренгой-Сургут-Челябинск».

Методологические основы и достоверность полученных результатов

В диссертации использованы классические положения строительной механики, теории упругости, механики грунтов, вариационного исчисления, математического и регрессионного анализа. Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается сходимостью с данными исследований других авторов и результатами сопоставления данных теоретических и экспериментальных исследований.

Обследование и мониторинг участков магистрального газопровода осуществлялось квалифицированным персоналом, с применением современного пове-

ренного оборудования. Предложенные методики апробированы на действующем МГ «Уренгой-Сургут-Челябинск».

На защиту выносится совокупность научных положений, на базе которых разработана методика мониторинга пространственного положения протяженного подземного магистрального газопровода, включающую в себя:

1. Методику привязки координат точек, продуцируемых системой мониторинга, к фактическому пространственному положению верхней образующей подземного трубопровода.

2. Методику сравнительного анализа пространственных кривых, соответствующих положению исследуемого участка магистрального трубопровода, в различные периоды мониторинга.

3. Выявленные закономерности процесса пространственных перемещений подземного магистрального газопровода:

- волнообразный эффект изменения относительных поперечных и покоординатных перемещений;

- линейный характер изменения относительных продольных перемещений действующего магистрального газопровода.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы были доложены:

- на международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2010 г.;

- на международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа», г. Уфа, 2011 г.;

- на всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2011 г.;

- на международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах», г. Оренбург, 2011 г.;

- на всероссийской научно-практической конференции студентов, аспиран-

тов и молодых ученых «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», г. Тюмень, 2013 г.

Личный вклад автора заключается в формулировании основной идеи, цели и задач исследования; формировании методического подхода и получении зависимостей; постановке, организации и планировании исследования; выборе характерных участков наблюдений исследуемого подземного магистрального газопровода «Уренгой-Сургут-Челябинск»; обработке экспериментальных данных, анализе и обобщении всех материалов исследования.

Список публикаций. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 научных т