Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния морских газопроводов с бетонным покрытием при укладке

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния морских газопроводов с бетонным покрытием при укладке"

На правах рукописи

005058537

Морин Игорь Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКИХ ГАЗОПРОВОДОВ С БЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ ПРИ УКЛАДКЕ

Специальность: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

і ~ май т

Москва 2013

005058537

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий -Газпром ВНИИГАЗ».

Научный руководитель - кандидат технических наук,

Ковех Виктор Михайлович.

Официальные оппоненты: Мансуров Марат Набиевич,

доктор технических наук, профессор, директор центра морских месторождений нефти и газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ»;

Ремизов Дмитрий Иванович,

кандидат технических наук, начальник управления экспертно-аналитических работ ЭАЦ «Оргремдигаз» ОАО «Оргэнергогаз».

Ведущая организация — Институт машиноведения

им. A.A. Благонравова Российской академии наук.

Защита диссертации состоится «Л5» мая 2013 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.511.001.02, созданного на базе ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « S» апреля 2013 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

И.Н. Курганова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

До недавнего времени строительство подводных трубопроводов в России ограничивалось укладкой на сравнительно небольшие глубины, характерные для переходов магистральных нефте- и газопроводов через реки, озера, водохранилища и другие водные преграды (шельф Каспийского моря, Ладожское озеро, Охотское море, Куйбышевское водохранилище, Финский залив и др.) с глубинами до 60 метров.

В последнее десятилетие ситуация изменилась и компанией ОАО «Газпром» осуществляется реализация значительного числа проектов по строительству более глубоководных морских магистральных газопроводов. Первым российским проектом сверхглубоководного газопровода является осуществленный в 1999 - 2001 годы проект «Голубой поток» магистрального газопровода Россия - Турция с максимальными глубинами укладки 2100 метров. Далее последовала серия проектов по строительству морских участков магистральных газопроводов: «Бованеково — Ухта», «Сахалин — Хабаровск - Владивосток», «Джубга - Лазаревское - Сочи», «СевероЕвропейский газопровод». На этапе разработки находится проект «Южный поток» магистрального газопровода Россия - Западная Европа, строительство которого планируется выполнить в акватории Черного моря на глубинах до 2000 метров.

При строительстве морских трубопроводов широко используются трубы с бетонным утяжеляющим покрытием, предназначенным для придания трубопроводу отрицательной плавучести и механической защиты трубопровода от повреждения падающим грузом (якоря, сетевая оснастка рыболовных судов и др.). Укладка морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, как правило, осуществляется стингерным методом с применением специализированных трубоукладочных судов (ТУС).

Проектирование, строительство и эксплуатация морских трубопроводов ОАО «Газпром» в настоящее время выполняется в соответствии с требованиями морского стандарта СТО Газпром 2-3.7-050-2006 (ОМУ-ОБ-Н01). Согласно требованиям этого стандарта, расчёт напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода для всех режимов укладки при строительстве, включая аварийные, является обязательным элементом проектных работ. По результатам такого расчёта определяется проектная толщина трубопровода, рассчитываются технологические карты укладки и задаются нормы допустимой дефектности монтажных кольцевых сварных соединений. Однако методы и алгоритмы требуемого расчёта НДС при укладке как необетонированных трубопроводов, так и трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием данным стандартом не регламентированы.

В связи с вышеперечисленным представляется актуальной разработка уточнённого и эффективного метода расчёта НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке стингерным методом.

Данный метод позволит изучить влияние бетонного покрытия на НДС необетонированных стыков труб, обеспечит оперативный и корректный расчёт технологических карт укладки, необходимых для качественного выполнения строительно-монтажных работ, а также даст возможность увеличить темпы строительства за счет сокращения объемов ремонта монтажных сварных соединений трубопровода по результатам выполнения инженерной оценки критического состояния монтажных сварных соединений.

Цель работы

Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния морских газопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при стингерной укладке для повышения темпов и качества строительных работ при выполнении принципов обеспечения эксплуатационной надёжности.

Основные задачи работы

1. Исследование влияния натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.

2. Исследование влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.

3. Исследование влияния адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

4. Разработка уточнённого метода определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом, и его программная реализация.

5. Разработка уточненного и эффективного метода расчёта напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающего влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом.

Научная новизна работы

Разработан уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе, укладываемом на дно моря стингерным методом, учитывающий наличие бетонного покрытия. Разработанный метод позволяет учесть следующие особенности укладки морских трубопроводов стингерным методом:

- геометрическая нелинейность задачи (большие деформации металла трубы, большие перемещения оси трубы);

- физическая нелинейность задачи (нелинейные свойства металла труб и бетонного покрытия);

- технологические особенности укладки морских трубопроводов с применением стингерных ТУС (особенности деформирования трубы при прохождении по роликовым опорам стингера);

- особенности профиля морского дна, на которое укладывается трубопровод при спуске с ТУС (реализован учет произвольной формы профиля, абсолютно жесткое или упругое основание);

- трехмерность (неплоскость) деформирования оси трубопровода при укладке с учетом заданной формы коридора укладки и неплоского характера ряда действующих природных воздействий (течение, волнение и пр.).

Разработан эффективный уточнённый метод определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом. Разработанный метод позволяет учесть следующие эффекты:

- изменение по длине оси изгибной жесткости трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием;

- краевой эффект от надавливания краем бетонного покрытия на тело

трубы;

- отслоение и сдвиг бетонного покрытия при недостатке величины адгезии между защитным противокоррозионным и бетонным покрытиями;

- влияние растрескивания бетонного покрытия при укладке на НДС необетонированных участков труб.

Исследовано влияние натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.

Исследовано влияние типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.

Исследовано влияние адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

Защищаемые положения

1. Уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом.

2. Уточненный метод оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

3. Методика определения влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия, а также адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом.

4. Расчётное обоснование выбора величины натяжения на трубоукладочном судне при формировании технологических режимов

стингерной укладки морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

- разработан эффективный уточнённый метод определения НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, позволяющий выполнять корректный расчёт укладки трубопроводом с применением стингерных трубоукладочных судов;

- разработанный метод реализован в виде программного кода на языке АРБЬ для применения в современных версиях программного конечно-элементного комплекса АЫБУБ, что позволяет повысить оперативность и эффективность выполнения расчётов и визуализации полученных результатов;

- разработанные методы и их программная реализация применены для расчёта морской укладки при разработке компанией ООО «Газпром ВНИИГАЗ» экспертных заключений в рамках научно-технического сопровождения строительства морских участков магистральных газопроводов «Бованенково - Ухта», «Сахалин - Хабаровск - Владивосток», «Джубга -Лазаревское - Сочи» и проекта «Обустройство Киринского месторождения».

- результаты выполненных параметрических исследований влияния характеристик бетонного утяжеляющего покрытия на НДС необетонированных участков труб могут быть использованы при выборе алгоритма расчёта укладки трубопроводов на новых морских проектах.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- Отраслевом совещании «Состояние и направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа ОАО «Газпром»» (г. Саратов, 2009 г.);

- III Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (СТ8-2009, г. Москва, 2009 г.);

- Международной научно-технической конференции «Остаточный ресурс и проблемы модернизации систем магистральных и промысловых трубопроводов» (г. Киев, 2011 г.);

- IV Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (СТ8-2011, г. Москва, 2011 г.);

- VII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (г. Полоцк, 2011 г.).

Публикации

В процессе работы над диссертацией автором опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, входящих в "Перечень ..." ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения (выводов) и списка литературы. Текст диссертации изложен на 139 страницах формата A4, содержит 99 рисунков, 7 таблиц.

Список литературы включает 84 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная и практическая значимость работы, приведены ее краткая аннотация и основные результаты.

В первой главе приведён обзор современного состояния проблемы расчёта укладки морских трубопроводов.

Рассмотрены вопросы строительства морских глубоководных трубопроводов с применением следующих методов укладки: стингерный или S-метод, J-метод, барабанный метод и несколько вариантов метода протаскивания. Рассмотрены конструкционные особенности трубоукладочных судов.

Рассмотрены применяемые ранее и в настоящее время методы расчёта укладки морских трубопроводов. Научные основы в области проектирования, сооружения и эксплуатации подводных трубопроводов были заложены и получили развитие в работах широкого круга ученых. Среди них как отечественные ученые: В.Л. Березин, П.П. Бородавкин, И.А. Искандеров, М.А. Камышев, В.Ф.Кожинов, И.П. Кулиев, И.Л. Бошкова, К.Я. Капустин, Б.И. Ким, С.И. Левин, Ф.М. Мугаллимов, Н.Ф. Нефедова, С.А. Оруджев, О.Б. Шадрин, A.M. Шамазов, В.В. Харионовский, так и зарубежные исследователи: Bynum Douglas, G. Clauss, R.T. Igland, S. Kyriakides, C.D. Babcock, Lam Quang Chien, T. Moan, A.H. Mousseli, Reifel Michael D., Rapp Ira H., J.R. Wilkins и др.

Существующие методы расчёта укладки морских трубопроводов можно условно разделить на три категории.

Методы первой категории основаны на использовании уравнений балочного изгиба, учитывающих большие перемещения и углы поворота оси трубопровода при укладке. Однако, следует отметить, что класс задач, для которых может быть получено аналитическое решение, ограничен простейшими случаями геометрии и нагружения конструкции. На практике, при расчёте процесса укладки морских трубопроводов, особенно на большие глубины, требуется численно решать двухточечную задачу Коши в условиях высокой жесткости полученной системы дифференциальных уравнений, а также в условиях неединственности и неавтономности получаемого решения. Кроме того, этот метод решения неэффективен для учета особенностей деформирования трубопровода на роликовых опорах стингера и практически непригоден для учета механизма деформирования необетонированных участков трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием.

Методы расчёта укладки морских трубопроводов второй категории основаны на применении теории метода конечных элементов. Это направление представляется более перспективным по сравнению с первым методом расчёта в силу своей универсальности, вычислительной эффективности, возможности учета геометрической и физической нелинейности задачи, а также наличия механизма решения контактных задач достаточно общего вида. Наиболее подходящими для моделирования данной задачи являются универсальные конечно-элементные пакеты ANS YS и ABAQUS, обладающие большой библиотекой конечных элементов и широкой возможностью расширения функциональных возможностей.

Методы расчёта укладки морских трубопроводов третьей категории основаны на применении узкоспециализированного программного обеспечения. К программным комплексам такого типа относятся, например, программы OFFPIPE и PipeLay, основанные на применении стержневых конечных элементов. Программы такого типа не могут быть модифицированы пользователем, ограниченно учитывают влияние бетонного покрытия (через коэффициент концентрации) и не пригодны для исследования влияния бетонного покрытия на НДС необетонированных участков трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием.

Рассмотрены особенности учета влияния бетонного утяжеляющего покрытия при расчёте укладки морских трубопроводов. Анализ научных публикаций и нормативной литературы по данной тематике показал, что в настоящий момент эта проблема недостаточно проработана. Среди значимых научных статей по рассматриваемой тематике отметим работы следующих исследователей: А.Б. Айнбиндер, Н.М. Гусейнов, Г.А. Мехтиев, G. L. Archer, J. Adams, Н. Т. Atken, S. Lund, D. M. Miller, R. Verley, О. B. Ness, G. Endal, N. Nourpanah, F. Taheri.

Бетонное покрытие оказывает следующее дополнительное влияние на НДС укладываемого морского трубопровода:

- изменяет изгибную жесткость трубы и делает эту изгибную жесткость переменной по длине трубопровода;

- вызывает концентрацию деформаций на необетонированных участках трубы;

— изменяет расположение оси изгиба трубы;

— может изменять НДС необетонированных участков трубы в случае отслаивания покрытия при недостаточности адгезионных свойств.

Во второй главе рассмотрен разработанный двухуровневый метод расчёта напряженно-деформированного состояния морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке стингерным методом.

Принципиальная схема укладки морского трубопровода стингерным методом приведена на рисунке 1. Укладка стингерным методом ведется с помощью специализированных трубоукладочных судов (ТУС), оборудованных специальным устройством, называемым стингером. Стингер современного ТУС представляет собой ферменную конструкцию, шарнирно закрепленную на

корме судна. В зависимости от типоразмера укладываемого трубопровода и глубины моря в районе укладки стингер может состоять из одной или нескольких секций, а также позволяет менять угол схода трубопровода и радиус его кривизны. Радиус кривизны обычно изменяется (в определенных пределах) путем регулировки высоты и расположения роликовых опор, по которым спускается трубопровод. Основное предназначение стингера -создание пологой линии спуска трубопровода, причем радиус стингера рассчитывается на стадии проектирования с учетом заданных требований по предельно допустимым деформациям основного металла трубопровода.

чч\чч\\ч\\ччч\ч\\ччч\ч\ч\ч\ччу

Рисунок 1 - Принципиальная схема укладки морского трубопровода стингерным методом (1 - трубоукладочное судно, 2 - стингер, 3 - трубопровод)

Обобщённая расчётная схема укладки морского трубопровода стингерным методом приведена на рисунке 2. На трубопровод действуют: сила тяжести тд, сила Архимеда сила натяжения трубопровода Т0 на

трубоукладочном судне, распределенная по вертикали сила воздействия морского течения Я|еч, контактные реакции от роликовых опор стингера и контактные реакции, возникающие при касании трубопроводом морского дна Длина провисшей плети трубопровода от точки схода со стингера до точки касания дна неизвестна и определяется в ходе решения задачи. Типичное распределение изгибающего момента по длине трубопровода, укладываемого стингерным методом, показано на рисунке 3.

Для данного метода укладки характерны две области, в которых можно ожидать повышенных изгибных продольных деформаций: зона перегиба за концом стингера и зона провиса у морского дна. Напряжения и деформации в этих зонах очень чувствительны к позиционированию судна и величине натяжения трубопровода Т0 на трубоукладочном судне. При больших глубинах укладки наиболее опасной зоной становится зона провиса у морского дна, контроль деформаций в которой осуществляется только с помощью натяжения трубопровода. Данная зона находится в условиях комбинированного

нагружения локальным изгибом и наружным давлением, и, при неправильном выборе параметров укладки, в ней возможны значительные деформации вплоть до потери устойчивости формы сечения с разгерметизацией трубопровода в результате разрыва монтажного сварного шва.

Рисунок 2 - Обобщённая расчётная схема укладки морского трубопровода

стингерным методом

Зона перегиба

— Без ^ёта жесткости бетонного покрытия

- -Обетонированный трубопровод с

равномерной по дшне жёсткостью

Координата вдоль оси трубы, м

Рисунок 3 - Распределение изгибающего момента по длине трубопровода, укладываемого стингерным методом

Для определения напряженно-деформированного состояния морского трубопровода с утяжеляющим бетонным покрытием при укладке стингерным методом был выбран метод конечных элементов, причем используемые типы конечных элементов варьировались в зависимости от этапа расчёта и типа решаемой задачи.

Для учета геометрической (большие перемещения и углы поворота осевой линии трубопровода при укладке) и физической (нелинейное поведение основного металла трубы и бетонного покрытия) нелинейностей задачи была применена инкрементальная теория деформируемого твердого тела в подходе Лагранжа. Решение строилось на основе принципа виртуальной работы в

приращениях перемещений. Равновесное напряженное состояние определялось вектором перемещений, тензором деформаций Грина и тензором напряжений Кирхгофа. Применение данного подхода позволило получить разрешающие конечно-элементные уравнения в виде, позволяющем, в случае получения неприемлемого отклонения конструкции в ходе решения от положения равновесия, производить коррекцию решения итерационными методами.

Повышение вычислительной эффективности метода расчёта было достигнуто разбиением процесса расчёта на два этапа.

На первом этапе (уровень расчёта №1) формировалась стержневая конечно-элементная модель процесса укладки морского трубопровода стингерным методом (рисунок 4,а). При этом в конечно-элементной модели учитывались следующие особенности:

- нагружение весом трубопровода в воде, технологическим натяжением на ТУС, распределенными по глубине воды силами течения;

- переменная по длине жесткость трубопроводной нити;

- контактные реакции роликовых опор стингера;

- контактные реакции морского дна в зоне касания трубопроводом донной поверхности.

На втором этапе (уровень расчёта №2) формировалась объёмная конечно-элементная модель для уточненного расчёта НДС обетонированных труб при укладке (рисунок 4,в). Модель включает необетонированный сварной стык и по половине обетонированной трубы с каждой из его сторон. Для моделирования используются объёмные конечные элементы. При возможности используется условие симметрии задачи (изгиб трубопровода происходит в одной плоскости). В общем случае трехмерного деформирования используется полный вариант объемной модели. Тип объемного элемента зависит от типа решаемой задачи. Типы реализованных моделей приведены на рисунке 5.

По краям модели прикладываются перемещения и внутренние силовые факторы, полученные на уровне 1. Дополнительно к объемной модели прикладываются массовые силы от погонного веса трубы в воде и, при необходимости, распределенные силы от воздействия течения на данной глубине.

Результатом расчёта на уровне 2 являются поля напряжений и деформаций в основном металле трубы и бетонном покрытии (рисунок 4,г), причем эти результаты могут быть выведены для любого возможного пространственного положения необетонированного стыка в зависимости от его координаты в вдоль оси трубы.

Описанный выше алгоритм 2-х уровневого расчёта представлен на рисунках 6 и 7.

Разработанный метод расчёта НДС при укладке стингерным методом обладает следующими преимуществами:

- учитывает в полном объеме геометрическую и физическую нелинейности задачи;

- учитывает все необходимые массовые силы, действующие на трубопровод при укладке;

- учитывает технологические особенности укладки морских трубопроводов с применением стингерных ТУС (особенности деформирования трубы при прохождении по роликовым опорам стингера);

- учитывает особенности профиля морского дна, на который укладывается трубопровод при спуске с ТУС (реализован учет произвольной формы профиля, абсолютно жесткое или упругое основание);

- учитывает трехмерность (неплоскость) деформирования оси трубопровода при укладке с учетом заданной формы коридора укладки и неплоского характера ряда действующих природных воздействий (течение, волнение и пр.);

б) Внутренние силовые факторы в трубопроводе при укладке, полученные в результате расчёта по модели уровня 1

г) Результаты расчёта НДС по конечно-элементной модели 2-го уровня

а) Стержневая конечно-элементная модель для моделирования процесса укладки морского трубопровода стингерным методом (уровень 1)

в) Объёмная конечно-элементная модель уровня 2 для уточненного расчёта НДС обетонированных труб при укладке стингерным методом

Рисунок 4 - Конечно-элементные модели уровней №1 и №2 для численного моделирования процесса укладки морского трубопровода стингерным методом и результаты расчёта по этим моделям

12

б) Стержневая конечно-элементная модель трубы (тип №1) для расчёта укладки стингерным методом

а) Укладка трубопровода стингерным методом

в) Общий вид морской трубы с утяжеляющим бетонным покрытием

д) Адгезионный слой морской обетонированной трубы

е) Объёмная конечно-элементная модель (тип № 3) для учета влияния адгезии бетонного покрытия

г) Объёмная конечно-элементная модель (тип №2) для уточнения влияния бетонного утяжеляющего покрытия

ж) Трещины в бетонном утяжеляющем покрытии

и) Объёмная конечно-элементная модель (тип №4) для учета влияния растрескивания бетонного покрытия

Рисунок 5 - Расчётные конечно-элементные модели трубы с бетонным утяжеляющим покрытием

- обладает высокой вычислительной эффективностью, позволяющей выполнять полномасштабное численное моделирование процесса укладки морских трубопроводов на рабочих станциях среднего уровня.

Также разработанный метод расчёта НДС позволяет учесть:

- изменение изгибной жесткости трубопровода;

- краевой эффект от надавливания краем бетонного покрытия на тело

трубы;

- отслоение и сдвиг бетонного покрытия при недостаточной величине адгезии между защитным противокоррозионным и бетонным покрытиями;

- влияние растрескивания бетонного покрытия при укладке на НДС необетонированных участков труб.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния характеристик бетонного утяжеляющего покрытия на напряженно-деформированное состояния трубопровода, укладываемого с применением стингерного трубоукладочного судна. Исследование выполнено на основе разработанного и рассмотренного во второй главе усовершенствованного метода расчёта напряжений и деформаций при укладке.

В главе представлены результаты параметрического анализа следующих эффектов:

- влияние технологического натяжения на ТУС на уровень продольных напряжений и деформаций в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом стингерным методом;

- влияние типоразмера трубы и базовых характеристик бетонного покрытия на изгибную жесткость системы «стальная труба - бетонное утяжеляющее покрытие»;

- влияние типоразмера трубы и базовых характеристик бетонного покрытия на величину краевого эффекта от надавливания краем бетонного покрытия на тело трубы при изгибе в процессе укладки;

- влияние отслоения и сдвига бетонного покрытия при недостатке величины адгезии между защитным противокоррозионным и бетонным покрытиями на НДС стальной трубы;

- влияние растрескивания бетонного покрытия при укладке на НДС необетонированных участков трубопровода при укладке.

На рисунке 8 показаны результаты расчёта напряженно-деформированного состояния трубопровода 01219x27 мм с утяжеляющим бетонным покрытием толщиной 85 мм для различных значений натяжения, полученные с использованием балочной конечно-элементной модели.

На рисунке 9 показаны результаты расчёта модельной задачи по определению длины краевого эффекта от надавливания краем бетонного покрытия на трубопровод и взаимодействие краевых эффектов на необетонированном участке и их влияние на стыковое сварное соединение в зависимости от типоразмера трубопровода.

На рисунке 10 показаны результаты исследования влияния характеристик стали и бетонного покрытия на НДС трубопровода.

№ Величина натяжения Эпюра продольных деформаций на верхней

на ТУС, тонна образующей трубы

1 Т = 200

2 Т = 290 т

3 Т = 375 ЛЫ

Рисунок 8 - Влияние технологического натяжения на ТУС на величину продольных деформаций на нижней образующей (типоразмер трубы 01219x27/85 мм, глубина 75 м)

Н«о6втонироваиные «рая трув

а) продольные деформации верхней образующей трубопровода для разных типоразмеров

II 12 13

Продольная координата, м

б) Распределение продольных деформаций по верхней образующей трубопровода Рисунок 9 - Влияние типоразмера трубы и базовых характеристик бетонного покрытия на величину краевого эффекта от надавливания краем бетонного покрытия на тело трубы при изгибе

ІАГ

а) варьируется модуль упругости бетона Рисунок 10 - Продольная деформация верхней образующей трубопровода на стингере при различных характеристиках металла трубы

На рисунке 11 - напряженно-деформированное состояние трубопровода при недостаточной адгезии бетонного покрытия (наличии проскальзывания между трубой и бетонным покрытием).

Рисунок 11 - Поля распределения контактного давления (слева) и продольных деформаций в сжатой области трубопровода (справа)

В четвёртой главе представлен перечень морских объектов ОАО «Газпром», для которых на основе разработанного 2-х уровневого метода расчёта был выполнен комплекс расчётных работ по определению напряженно-деформированного состояния подводных трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке стингерным методом, а также обсуждены некоторые особенности этих расчётов.

В частности, комплексы таких расчётных работ были выполнены при научно-техническом сопровождении процесса строительства следующих объектов:

— подводный переход через Байдарацкую губу системы МГ «Бованенково-Ухта» (1-я и 2-я нитки);

Продольная деформации не

б) варьируется класс прочности стали

- морской участок магистрального газопровода «Джубга - Лазаревское -

Сочи»;

- подводный переход через пролив Невельского магистрального газопровода «Сахалин - Хабаровск - Владивосток»;

- подводные промысловые трубопроводы Киринского газоконденсатного месторождения.

Подводный переход через Байдарацкую губу системы МГ «Бованенково-Ухта» является составной частью магистрального газопровода Ямал - Европа, предназначенного для подачи природного газа с месторождений полуострова Ямал в газотранспортную сеть центральной части России и далее - в страны Западной Европы. Трубопроводная система будет состоять из четырёх ниток с наружным диаметром 1219 мм, длиной чуть более 70 км каждая. Толщина стенки труб - 27 мм. Максимальная глубина моря по трассе составляет 26 м.

Разработанный двухуровневый метод расчёта был применен для определения напряженно-деформированного состояния трубопровода типоразмера 01219x27 мм класса прочности Х65 с бетонным утяжеляющим покрытием толщиной 85 мм при укладке по стингерной технологии с применением трубоукладочной баржи «МЯТБ БеГепс1ег». Существенным элементом расчёта является учет влияния бетонного покрытия.

С использованием данной модели проведена оценка влияния статического натяжения трубопровода на максимальное значение деформаций в трубопроводе для глубины коридора укладки до Н = 23 м и определены значения максимальных продольных деформаций для всех возможных режимов укладки. По результатам выполненных расчётов определено, что увеличение деформаций на необетонированных стыках газопровода, по сравнению с расчётом, не учитывающим жёсткость бетонной покрытия, может достигать 20% (в зависимости от глубины и режима укладки). Полученные результаты позволили обосновать режимы укладки, обеспечивающие дальнейшую надежную эксплуатацию объекта.

Магистральный газопровода «Джубга - Лазаревское - Сочи» предназначен для увеличения объёма и стабильности поставок природного газа в регион Сочи и обеспечения снабжения газом спортивных объектов, которые будут задействованы во время международных спортивных соревнований 2014 года. Протяженность газопровода— 171,6 км, при этом около 90% трассы проходит по дну Черного Моря вдоль прибрежной полосы на глубине до 75 метров.

Для этого объекта разработанный метод расчёта был применен с целью определения напряженно-деформированного состояния трубопровода типоразмера 0530x15 мм из стали марки 8А\¥Ь 415 № с бетонным утяжеляющим покрытием толщиной 60 мм при укладке по стингерной технологии с использованием трубоукладочных судов С-Ма51сг и ЕНдЯэо! 1. Расчётный диапазон глубин по коридору укладки составляет: 12 - 72 м для

ТУС C-Master и 7 - 40 м для ТУС Bigfoot 1. Угол поворота стингера на трубоукладочных судах варьировался в зависимости от глубины укладки.

По сравнению с трубопроводом, используемым на подводном переходе через Байдарацкую губу, трубопровод на морском участке МГ «Джубга-Лазаревское - Сочи» характеризуется существенно меньшими диаметром и изгибной жесткостью. В сочетании с большей глубиной укладки это делает задачу расчёта НДС математически хуже обусловленной и требует более строгого контроля позиционирования судна и величины технологического натяжения в процессе укладки. Результаты расчета позволили повысить темпы строительства при одновременном обеспечении требуемого уровня надежности.

Магистральный газопровод «Сахалин - Хабаровск - Владивосток»

предназначен для масштабной газификации дальневосточных регионов России и создания благоприятных условий для поставок газа в страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Подводный переход через пролив Невельского данного МГ имеет протяжённость 21,5 км с глубинами укладки до 20 м.

Для данного объекта разработанный метод расчёта был применен с целью определения НДС трубопровода типоразмера 01020x27 мм из стали класса прочности Х60 с бетонным утяжеляющим покрытием толщиной 90 мм.

Расчёты выполнялись для трубоукладочных судов «Виктория-Небула» и «Фортуна», глубина укладки - от 6 до 20 м. В конструктивном отношении данные суда представляют собой классические трубоукладочные баржи стингерного типа. Причем для ТУБ «Фортуна» монтажная площадка расположена под углом порядка 3,5 градусов к горизонту.

По толщине стенки труб и глубинам укладки трубопровод подводного перехода через пролив Невельского во многом аналогичен трубопроводу подводного перехода через Байдарацкую губу. Полученные результаты позволили обосновать режимы укладки трубопровода с учетом конструктивных особенностей трубоукладочного судна, обеспечившие дальнейшую надежную эксплуатацию объекта.

Подводные промысловые трубопроводы Киринского газокондеисатного месторождения расположены на шельфе о. Сахалин в 28 км от берега. В районе месторождения глубина моря составляет от 85 до 90 м. Киринское месторождение является для «Газпрома» первоочередным объектом освоения сахалинского шельфа.

В рамках данной работы была выполнена оценка напряженно-деформированного состояния трубопроводов диаметром 114,3 мм и толщиной стенки 7,9 мм и диаметром 273,1 мм и толщиной стенки 15,9 мм без бетонного покрытия и трубопроводов диаметром 508 мм с толщинами стенок 22,4 мм и 23,8 мм с бетонным покрытием толщиной 80 мм, выполненных из стали марки SAWL 450 (APL Х-65) в процессе строительства.

Трубопровод 0114,3x7,9 мм имеет наименьшую жёсткость из тех, для которых применялись разработанная модель. При этом производился расчёт его укладки на глубины до 90 м. Разработанная модель продемонстрировала

полную работоспособность в данных условиях, что позволяет её применять на значительном диапазоне типоразмеров труб и глубин укладки.

Для каждого типоразмера был проведён анализ напряженно-деформированного состояния, учитывающий особенности его укладки: конструкцию стингера, натяжение, глубины укладки. В результате было достигнуто существенное повышение темпов строительных работ за счёт сокращения объёмов ремонта монтажных сварных соединений при выполнении принципов обеспечения эксплуатационной надёжности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в морском трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом и его программная реализация на языке АРБЬ в программном комплексе А^УБ.

2. Разработан уточненный метод определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом, и его программная реализация на языке АРОЬ.

3. Разработанный 2-х уровневый метод определения напряженно-деформированного состояния газопровода позволяет учесть всю историю нагружения металла трубы в процессе укладки. При этом достигнута его вычислительная эффективность: размерность задачи существенно уменьшена по сравнению с моделированием укладываемого участка трубопровода полностью объёмными элементами, что позволяет использовать для проведения расчётов рабочие станции среднего уровня

4. Выполнено расчётное обоснование выбора величины натяжения на трубоукладочном судне при формировании технологических режимов стингерной укладки морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием.

5. Разработан способ расчётного определения влияния основных характеристик труб и бетонного покрытия (типоразмер и прочностные свойства труб, толщина, прочностные, весовые и адгезионные свойства бетонного покрытия, а также возможность его растрескивания и выкрашивания) на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом.

6. Результаты выполненного параметрического анализа влияния типоразмера труб, толщины бетонного покрытия, адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом могут быть использованы при выборе алгоритма расчёта укладки трубопроводов на новых морских проектах.

7. Разработанный 2-х уровневый метод определения НДС морских трубопроводов при укладке стингерным методом был использован при подготовке Заключений ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в рамках научно

технического сопровождения строительства морских участков магистральных газопроводов «Бованенково — Ухта», «Сахалин - Хабаровск - Владивосток», «Джубга - Лазаревское - Сочи» и проекта «Обустройство Киринского месторождения». По результатам выполненных работ были существенно увеличены темпы укладки за счёт снижения объёмов ремонта монтажных сварных соединений при выполнении принципов обеспечения эксплуатационной надёжности.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах:

1. Г. А. Алексашин, В. М. Ковех, И. Н. Курганова, И. Ю. Морин. «Анализ влияния бетонного покрытия труб на напряженно-деформированное состояние кольцевых сварных соединений при строительстве магистральных газопроводов», Сборник докладов IV Международной научно-техннческой конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (ОТБ-2011), стр. 243 - 248, Москва, 2011

2. И. Ю. Морин, В. М. Ковех. «Особенности расчёта напряженно-деформированного состояния морских обетонированных газопроводов», Сборник научных статей аспирантов и соискателей ООО «Газпром ВНИИГАЗ», стр. 50 - 54, 2011

3. В. М. Ковех, М. Ю. Панов, И. Ю. Морин, Е. Н. Овсянников. «Анализ напряжённо-деформированного состояния морских трубопроводов при укладке с учётом влияния бетонного покрытия труб», Справочник. Инженерный журнал, № 10, приложение, стр. 2 - 6,2012

4. В. М. Ковех, И. Н. Курганова, И. Ю. Морин, Г. А. Алексашин. «Особенности расчёта укладки морских магистральных газопроводов», Материалы VII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта», Полоцк, 2011, стр. 169

5. В. М. Ковех, В. М. Силкин, Е. Н. Овсянников, И. Ю. Морин. «Оценка работоспособности сварных соединений трубопроводов с учётом состава, объёма и достоверности исходных данных», Справочник. Инженерный журнал, № 10, приложение, стр. 7-11, 2012

6. В. М. Ковех, В. М. Силкин, И. Ю. Морин, Е. Н. Овсянников. «Уточнённая оценка допустимой дефектности сварных соединений по результатам расширенных расчётно-экспериментальных исследований фактической нагруженности и прочностных свойств металла газопровода на примере подводного перехода через Байдарацкую губу», Материалы отраслевого совещания "Состояние и направления развития неразруигающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа ОАО "Газпром"", Саратов, 2009, стр. 106 - 116

7. А. В. Шипилов, В. М. Силкин, В. М. Ковех, Е. Н. Овсянников, И. Ю. Морин. «Анализ напряженно-деформированного состояния газопровода в рамках инженерной оценки критического состояния кольцевых сварных

соединений при строительстве подводного перехода через Байдарацкую губу системы МГ Бованенков-Ухта», Тезисы докладов III Международной конференции "Газотранспортные системы: настоящее и будущее" (GTS-2009), Москва, 2009, стр. 86

8. В.М. Ковех, И.Ю. Морин, E.H. Овсянников, В.М. Силкин. Учет влияния бетонного покрытия труб при оценке напряженно-деформированного состояния кольцевых сварных соединений морских трубопроводов в процессе строительства, Наука и техника в газовой промышленности, №3, 2012, стр. 60 -67

9. В.М. Силкин, Е.М. Вышемирский, В.М. Ковех, И.Н. Курганова, E.H. Овсянников, И.Ю. Морин. Методика трехуровневой оценки качества сварных соединений магистральных газопроводов с учетом полноты и достоверности исходных данных, Наука и техника в газовой промышленности, №4, 2012, стр. 68 - 76

Подписано к печати 04 апреля 2013 г. Заказ №4011 Тираж 120 экз. 1 уч. - изд.л, ф-т 60x84/16

Отпечатано в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» По адресу: 142717, Московская область, Ленинский р-н, п. Развилка, ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Морин, Игорь Юрьевич, Москва

Общество с ограниченной ответственностью Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий Газпром ВНИИГАЗ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКИХ ГАЗОПРОВОДОВ С БЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ ПРИ УКЛАДКЕ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук

На правах рукописи

04201357273

МОРИН ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ

В.М. Ковех

Москва 2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................5

1 Состояние вопроса по расчёту укладки морских трубопроводов.........12

1.1 Методы строительства морских трубопроводов.....................12

1.2 Методы расчёта укладки морских трубопроводов. Актуальные направления исследований....................................................................23

1.3 Особенности расчета укладки морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием......................................................26

1.4 Выводы по главе.......................................................................31

2 Разработка методов определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке стингерным методом....................................................................32

2.1 Постановка задачи....................................................................32

2.2 Двухуровневый алгоритм расчёта НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке ....35

2.3 Разработка конечно-элементных моделей для расчёта напряженно-деформированного состояния морских трубопроводов при укладке..............................................................................................41

2.3.1 Формирование базисной системы КЭ уравнений для задач с физической и геометрической нелинейностями...................41

2.3.2 Расчетные модели материала обетонированных труб .46

2.3.3 Основные типы разработанных КЭ-моделей обетонированных труб........................................................................51

2.4 Тестирование КЭ моделей и алгоритма расчёта НДС морских трубопроводов при укладке....................................................................54

2.5 Выводы по главе.......................................................................66

3 Расчетное исследование взаимодействия бетонного покрытия с трубой при укладке.....................................................................................68

3.1 Перечень решаемых задач.......................................................68

3.2 Влияние типоразмера трубы и базовых характеристик бетонного покрытия на изгибную жёсткость системы «стальная труба -бетонное утяжеляющее покрытие»........................................................69

3.3 Влияние типоразмера трубы и базовых характеристик бетонного покрытия на величину краевого эффекта от надавливания краем бетонного покрытия на тело трубы при изгибе в процессе укладки ...................................................................................................76

3.4 Влияние отслоения и сдвига бетонного покрытия при недостатке величины адгезии между защитным противокоррозионным и бетонным покрытиями.........................................................................83

3.5 Влияние растрескивания бетонного покрытия при укладке на НДС необетонированных участков трубопровода при укладке............89

3.6 Влияние технологического натяжения на трубоукладочном судне на уровень продольных деформаций в трубопроводе с бетонным покрытием..............................................................................95

3.7 Выводы по главе......................................................................101

4 Практическое применение работы.......................................................104

4.1 Расчётное обоснование выбора величины натяжения на ТУС при укладке............................................................................................104

4.2 Пример расчёта напряженно-деформированного состояния необетонированного трубопровода.....................................................107

4.3 Расчёт напряженно-деформированного состояния газопровода с бетонным покрытием....................................................110

4.4 Результаты применения работы на объектах ОАО «Газпром» .. .................................................................................................120

4.4.1 Подводный переход через Байдарацкую губу.............120

4.4.2 Газопровод Джубга — Лазаревское — Сочи................121

4.4.3 Морской переход через пролив Невельского Магистрального газопровода «Сахалин - Хабаровск - Владивосток» ............................................................................................................124

4.4.4 Подводные промысловые трубопроводы проекта

«Обустройство Киринского месторождения»...................................125

4.5 Выводы по главе......................................................................127

Заключение...............................................................................................128

Список литературы...................................................................................130

Введение

Актуальность работы

До недавнего времени строительство подводных трубопроводов в России ограничивалось укладкой на сравнительно небольшие глубины, характерные для переходов магистральных нефте- и газопроводов через реки, озера, водохранилища и другие водные преграды (шельф Каспийского моря, Ладожское озеро, Охотское море, Куйбышевское водохранилище, Финский залив и др.) с глубинами до 60 метров.

В последнее десятилетие ситуация изменилась и компанией ОАО «Газпром» осуществляется реализация значительного числа проектов по строительству более глубоководных морских магистральных газопроводов. Первым российским проектом сверхглубоководного газопровода является осуществленный в 1999 -2001 годы проект «Голубой поток» магистрального газопровода Россия -Турция с максимальными глубинами укладки 2100 метров. Далее последовала серия проектов по строительству морских участков магистральных газопроводов: «Бованеково - Ухта», «Сахалин -Хабаровск - Владивосток», «Джубга - Лазаревское - Сочи», «СевероЕвропейский газопровод». На этапе разработки находится проект «Южный поток» магистрального газопровода Россия - Западная Европа, строительство которого планируется выполнить в акватории Черного моря на глубинах до 2000 метров.

При строительстве морских трубопроводов широко используются трубы с бетонным утяжеляющим покрытием, предназначенным для придания трубопроводу отрицательной плавучести и механической защиты трубопровода от повреждения падающим грузом (якоря, сетевая оснастка рыболовных судов и др.). Укладка морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, как правило, осуществляется

стингерным методом с применением специализированных трубоукладочных судов (ТУС).

Проектирование, строительство и эксплуатация морских трубопроводов ОАО «Газпром» в настоящее время выполняется в соответствии с требованиями морского стандарта СТО Газпром 2-3.7050-2006 (01Ч\/-08-Р101). Согласно требованиям этого стандарта, расчёт напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода для всех режимов укладки при строительстве, включая аварийные, является обязательным элементом проектных работ. По результатам такого расчёта определяется проектная толщина трубопровода, рассчитываются технологические карты укладки и задаются нормы допустимой дефектности монтажных кольцевых сварных соединений. Однако методы и алгоритмы требуемого расчёта НДС при укладке как необетонированных трубопроводов, так и трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием данным стандартом не регламентированы.

В связи с вышеперечисленным представляется актуальной разработка уточнённого и эффективного метода расчёта НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке стингерным методом. Данный метод позволит изучить влияние бетонного покрытия на НДС необетонированных стыков труб, обеспечит оперативный и корректный расчёт технологических карт укладки, необходимых для качественного выполнения строительно-монтажных работ, а также даст возможность увеличить темпы строительства за счет сокращения объемов ремонта монтажных сварных соединений трубопровода по результатам выполнения инженерной оценки критического состояния монтажных сварных соединений.

Цель работы

Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния морских газопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием

при стингерной укладке для повышения темпов и качества строительных работ при выполнении принципов обеспечения эксплуатационной надёжности.

Основные задачи работы

1. Исследование влияния натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.

2. Исследование влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.

3. Исследование влияния адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

4. Разработка уточнённого метода определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом, и его программная реализация.

5. Разработка уточненного и эффективного метода расчёта напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающего влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом.

Научная новизна

Разработан уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе, укладываемом на дно моря стингерным методом, учитывающий наличие бетонного покрытия. Разработанный метод позволяет учесть следующие особенности укладки морских трубопроводов стингерным методом:

- геометрическая нелинейность задачи (большие деформации металла трубы, большие перемещения оси трубы);

- физическая нелинейность задачи (нелинейные свойства металла труб и бетонного покрытия);

- технологические особенности укладки морских трубопроводов с применением стингерных ТУС (особенности деформирования трубы при прохождении по роликовым опорам стингера);

- особенности профиля морского дна, на которое укладывается трубопровод при спуске с ТУС (реализован учет произвольной формы профиля, абсолютно жесткое или упругое основание);

- трехмерность (неплоскость) деформирования оси трубопровода при укладке с учетом заданной формы коридора укладки и неплоского характера ряда действующих природных воздействий (течение, волнение и пр.).

Разработан эффективный уточнённый метод определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом. Разработанный метод позволяет учесть следующие эффекты:

- изменение по длине оси изгибной жесткости трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием;

- краевой эффект от надавливания краем бетонного покрытия на тело трубы;

- отслоение и сдвиг бетонного покрытия при недостатке величины адгезии между защитным противокоррозионным и бетонным покрытиями;

- влияние растрескивания бетонного покрытия при укладке на НДС необетонированных участков труб.

Исследовано влияние натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.

Исследовано влияние типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.

Исследовано влияние адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

Защищаемые положения

1. Уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом.

2. Уточненный метод оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

3. Методика определения влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия, а также адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом.

4. Расчётное обоснование выбора величины натяжения на трубоукладочном судне при формировании технологических режимов стингерной укладки морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

- разработан эффективный уточнённый метод определения НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, позволяющий выполнять корректный расчёт укладки трубопроводом с применением стингерных трубоукладочных судов;

- разработанный метод реализован в виде программного кода на языке APDL для применения в современных версиях программного конечно-элементного комплекса ANSYS, что позволяет повысить оперативность и эффективность выполнения расчётов и визуализации полученных результатов;

- разработанные методы и их программная реализация применены для расчёта морской укладки при разработке компанией ООО «Газпром ВНИИГАЗ» экспертных заключений в рамках научно-технического сопровождения строительства морских участков магистральных газопроводов «Бованенково - Ухта», «Сахалин -Хабаровск - Владивосток», «Джубга - Лазаревское - Сочи» и проекта «Обустройство Киринского месторождения».

- результаты выполненных параметрических исследований влияния характеристик бетонного утяжеляющего покрытия на НДС необетонированных участков труб могут быть использованы при выборе алгоритма расчёта укладки трубопроводов на новых морских проектах.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- Отраслевом совещании «Состояние и направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа ОАО «Газпром»» (г. Саратов, 2009 г.);

- Ill Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2009, г. Москва, 2009 г.);

- Международной научно-технической конференции «Остаточный ресурс и проблемы модернизации систем магистральных и промысловых трубопроводов» (г. Киев, 2011 г.);

- IV Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2011, г. Москва, 2011 г.);

- VII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (г. Полоцк, 2011 г.).

Публикации

В процессе работы над диссертацией автором опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, входящих в "Перечень ..." ВАК Минобрнауки РФ.

1 Состояние вопроса по расчёту укладки морских трубопроводов

1.1 Методы строительства морских трубопроводов

С открытием морских месторождений нефти в мелководье Мексиканского залива в конце 1940-х начались разработки методов строительства морских трубопроводов. Первые трубопроводы в Мексиканском заливе были введены в эксплуатацию в 1954 году [1].

К настоящему моменту морские месторождения обнаружены на глубинах, превышающих 3000 км.

В России, вплоть до 1999 г., строительство подводных трубопроводов ограничивалось глубинами 10 - 60 метров, характерными для переходов магистральных нефте- и газопроводов через реки, озера, водохранилища и другие водные преграды (шельф Каспийского моря, Ладожское озеро, Охотское море, Куйбышевское водохранилище, Финский залив и др.).

Наиболее распространенными методами укладки морских трубопроводов являются:

- S-метод (или стингерный метод; используется на малых и средних глубинах);

- J-метод (от средних до больших глубин);

- барабанный метод (от средних до больших глубин).

В данном случае под малыми глубинами понимаются глубины до 150 метров, под средними - от 150 до 300 метров, и под большими -свыше 300 метров.

К другим методам, используемым при строительстве морских газопроводов, относятся:

- Метод протаскивания (буксировки) трубопровода по морскому

дну;

- Методы протаскивания над морским дном, «в средней воде»1 и на поверхности.

Методы протаскивания могут использоваться на всём диапазоне глубин.

Одним из наиболее распространённых методов строительства морских трубопроводов является Б-метод. Принципиальная схема данного метода показана на рисунке 1.

Характерным конструктивным элементом трубоукладочного судна, реализующего Э-метод, является стингер, предназначенный для формирования пологой линии оси трубопровода при сходе с корабля. При использовании Б-метода ось трубопровода образует линию, по форме напоминающую букву Б, состоящую из двух участков с различным знаком кривизны: зона перегиба и зона провиса.

Рисунок 1 - Принципиальная схема укладки трубопровода Б-методом

В процессе строительства данным методом трубопровод удерживается на судне с помощью натяжителей, за сч�