Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы

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

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы"

На правах рукописи

Совершенствование методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2006 г.

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Институт «Нефтегазпроект» (г. Тюмень)

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Малюшин Николай Александрович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Азметов Хасан Ахметзиевич

- кандидат технических наук, доцент Кутузова Татьяна Тимофеевна

Ведущая организация:

ОАО «Сибнефтепровод» ОАО «АК «Транснефть»

( г. Тюмень)

Зашдта диссертации состоится « 8 » декабря 2006 г. в 14-30 час. на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» ( ГУЛ «Ш П ЭР») по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, №144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ «И1ТГЭР» по адресу: г. Уфа, пр. Октября, № 144/3.

Автореферат разослан ■« 7 » ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук —-- Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Сооружение и эксплуатация трубопроводов в районах со сложными природными и климатическими условиями обусловливают необходимость усовершенствования методов их проектирования и принятия новых конструктивных решений. Сооружение трубопроводов в таких условиях приводит к возникновению высоких напряжений при их эксплуатации и необходимости принятия конкретных мер по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации трубопроводов.

Обеспечение надежности является весьма важным для трубопроводов, прокладываемых в районах Сибири и Севера, где суровые климатические условия и бездорожье делают техническое обслуживание и ремонт трубопровода сложной и дорогостоящей операцией. Кроме того, повреждение трубопроводов может иметь тяжелые экологические последствия. Научной базой этой концепции явились исследования известных научных школ и специалистов ОАО «АК «Транснефть», РГУНГ им. И.М. Губкина, УГНГУ, ТГНГУ, ГУП «ИПТЭР», ОАО «Гипротрубопровод», ОАО «Институт «Нефтегазпроект», ОАО «ВНИИСТ» и Др.

Исследования В.Л. Березина, А.Г. Гумерова, П.П. Бородавкина, В.В. Новоселова, Г.Г. Васильева, О.М. Иванцова, Э.М. Ясина, Л.И. Быкова, Х.А. Азметова и других ученых позволили создать современные методы проектирования магистральных трубопроводов. Использование в практике проектирования и строительства достижений науки и техники обеспечили высокую надежность и безопасность магистральных трубопроводов. Однако по результатам анализа напряженного состояния трубопроводов на сложных участках и в связи с необходимостью дальнейшего повышения их надежности и безопасности проблема усовершенствования методов проектирования подземных трубопроводов в части выбора оптимальных конструктивных решений является весьма актуальной. Это особенно важно при проектировании магистрального нефтепровода Восточная Сибирь — Тихий океана (В СТО), где рельеф трассы сильно изменчив. Перепады геодезических отметок по трассе превышают 1500 м.

Основные исследования по диссертационной работе выполнены в соответствии с Межгосударственной научно-технической программой "Высоконадежный трубопроводный транспорт", утвержденной правительствами Российской Федерации и Украины в 1993 г.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов расчета на прочность и проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы с применением оптимальных конструктивных решений.

Основные задачи исследований

1. Анализ конструктивных решений и методов расчета на прочность и устойчивость подземных трубопроводов.

2. Оценка напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, проложенных в сложных условиях.

3. Разработка методов снижения напряжений и перемещений подземного трубопровода.

4. Разработка методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы, обеспечивающих снижение напряжений и их перемещений.

Научная новизна

1. Определены условия деформирования в грунте трубопроводов на поворотных участках под действием продольных сжимающих усилий и установлены основные критериальные соотношения для оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода.

2. Получена аналитическая зависимость напряжений и перемещений трубопровода от параметров условий сооружения и их конструктивных решений.

3. Разработаны методы снижения напряжений и перемещений подземных трубопроводов на сложных участках.

4. Разработаны научно обоснованные методы проектирования и прочностных расчетов трубопроводов на сложных участках, обеспечивающие оптимальные по уровню напряжений условия работы.

Практическая ценность работы

1. Разработана методика расчета продольных напряжений и прогиба подземных трубопроводов на сложных участках, учитывающая эксплуатационные нагрузки и воздействия, геометрические характеристики трубопровода, свойства грунта и позволяющая назначать глубину заложения и конструкцию поворота трубопровода.

2. Разработаны конструктивные решения прокладки подземного трубопровода на криволинейных участках, позволяющие снизить напряжения и перемещения до нормативного уровня.

3. Разработана методика проектирования подземных трубопроводов на сложных участках, позволяющая принимать оптимальные конструктивные решения и обеспечивающая прочность и устойчивость трубопровода.

По результатам научных исследований разработаны "Методические указания по расчету на прочность и выбору конструкции криволинейных участков подземных трубопроводов".

На защиту выносятся усовершенствованные методы проектирования трубопроводов на сложных участках.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы в период с 1999 по 2006 гг. докладывались и обсуждались на технических совещаниях, семинарах и международных конференциях в ОАО «Институт «Нефтегазпроект» ( 1999, 2000, 2005 гг.), Тюменском государственном университете (1999 г.), в Тюменском государственном нефтегазовом университете ( 2001, 2002, 2003 гг.) в ОАО «ВНИ-ИСТ» (2005, 2006 гг.).

Диссертационная работа заслушивалась на заседании научно-технического совета ОАО «Институт «Нефтегазпроект» 16 июня 2006 г. и рекомендована к защите.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 научных трудах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 42 рисунка. Список литературы включает 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлена цель и сформулированы задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен анализ конструктивных решений и напряженно-деформированного состояния сложных участков подземных трубопроводов. К сложным участкам в данной работе отнесены криволинейные участки подземных трубопроводов, сооруженные при отрицательной температуре и засыпанные грунтами с низкой несущей способностью.

Сооружение и эксплуатация трубопроводов в сложных условиях привели к существенным изменениям условий их работы и к росту напряженно-деформированного состояния. Высокие напряжения снижают ресурс и безопасность эксплуатации трубопровода.

Наибольшие перемещения и напряжения трубопроводов при их эксплуатации возникают на выпуклых кривых криволинейных участков. На этих участках под действием продольных снижающих усилий происходят продольные перемещения и вертикальные перемещения трубопровода вверх. Причем повышенные перемещения происходят при конструктивном выполнении углов поворота гнутыми отводами.

В связи с увеличением жесткости на изгиб трубопроводов больших диаметров количество сварных и гнутых отводов при сооружении трубопроводов на криволинейных участках резко возрастает. Так, например, анализ конструктивных решений прокладки подземных трубопроводов показал, что

сооружение трубопроводов с условным диаметром 720 мм приводит к использованию гнутых отводов на пересеченной местности в среднем через 11,0 км, а для трубопроводов с условным диаметром 1220 мм - через 3,5 км.

Для решаемых нами задач весьма важным является и то, что с увеличением диаметра подземных трубопроводов относительное защемление их в грунте уменьшается и снижается темп изменения температуры продукта по длине трубопровода, возрастает протяженность участков, имеющих высокую температуру перекачиваемого продукта.

В северных районах страны и Сибири на участках протяженных болот и на заболоченных участках строительство трубопроводов ведется в основном в зимней период в условиях отрицательных температур и при эксплуатации трубопроводов возможны воздействия значительных продольных сжимающих усилий. Причиной возникновения продольных сжимающих усилий является превышение температуры стенок труб в процессе эксплуатации над температурой стенок труб в процессе монтажа. Кроме того, на криволинейных участках влияние внутреннего давления на изгиб эквивалентно сжатию в осевом направлении. Таким образом, перемещения трубопровода на криволинейных участках происходят под действием суммарных сжимающих усилий, вызванных температурным воздействием и внутренним давлением. Эти усилия весьма большие и в трубопроводах с условным диаметром 1220 мм при температурном перепаде 50 °С и внутреннем давлении в трубопроводе в 6,0 МПа достигают 800 тс.

Напряженно-деформированное состояние подземного трубопровода в значительной степени зависит от характера и количественных параметров его взаимодействия с грунтом. В связи с этим рассмотрены модели взаимодействия подземного трубопровода с грунтом и дан анализ имеющихся работ по определению несущей способности грунтовой засыпки.

В результате проведенного анализа определены основные направления исследований, необходимые для усовершенствования методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках с учетом оценки их напряженно-деформированного состояния.

Вторая глава посвящена исследованию перемещений подземных трубопроводов на криволинейных участках под действием эксплуатационных нагру-

зок и воздействий. Исследования проведены на выпуклых кривых, конструктивно оформленных гнутыми отводами.

Трубопровод рассматривается как достаточно длинная гибкая балка, находящаяся под давлением изменяющихся с ростом перемещений продольного сжимающего усилия и сопротивления грунта перемещениям трубопровода. Задача решена с использованием дифференциального уравнения четвертого порядка изгиба трубопровода.

По результатам решения задачи определены параметры, характеризующие напряженно-деформированное состояние трубопровода и устанавливающие зависимость между продольным усилием на изогнутом участке Л/", максимальным прогибом УВ1.1, максимальным изгибающим моментом Мтях и конструктивным решением криволинейного участка, геометрическими характеристиками трубопровода и свойствами металла трубы и его веса с перекачиваемым продуктом. К этим параметрам относятся а - параметр продольного усилия, V - параметр максимального прогиба, ю - параметр изгибающего момента.

Указанные зависимости получены в виде:

ю = М.„ -[чт(ЕЛе?>)2}^3, (3)

где I— момент инерции сечения трубы;

Е — модуль упругости материала трубы; дТ — вес единицы дины трубопровода с продуктом; Ф — половина угла поворота трубопровода. С целью установления зависимости параметров усилий а, прогиба V и изгибающего момента га от начального продольного усилия N0 проведен анализ характера изменения продольного усилия в процессе изгиба подземного трубо-

провода. При этом учитывалось, что в процессе изгиба трубопровода происходят поперечные и продольные перемещения трубопровода, а продольные сжимающие усилия при этом уменьшаются от первоначального значения N0 до равновесного N. Рассматривая модель жестко-пластического взаимодействия трубопровода с грунтом при продольных перемещениях трубопроводов, получены аналитические зависимости комплексного параметра а от начального продольного усилия N^.

Параметр а связывает параметры а, V и <о с начальным продольным усилием, конструктивными решениями и свойствами грунта. -

Полученные зависимости позволяют при заданных значениях усилия N4 , свойств грунта, конструкции угла поворота найти значения усилий ЛГ, максимального прогиба уят и максимально изгибающего момента М^, а также провести анализ влияния исходных величин на напряженно-деформированное со-стаяиис трубопровода.

В результате известных экспериментальных исследований установлено, что с увеличением поперечного перемещения в вертикальной плоскости от нуля до определенного значения сопротивление грунта поперечным перемещениям увеличивается до предельного значения. При дальнейшем увеличении перемещения сопротивление грунта остается постоянным, а затем с увеличением перемещения сопротивление грунта снижается. С учетом указанного фактора проведены исследования влияния характер» взаимодействия трубопровода с грунтом на его напряженно-деформированное состояние. Получены зависимости параметров усилия прогиба и изгибающего момента от физико-механических характеристик грунта.

Исследования показали, что в слабонесущих грунтах и в трубопроводах, сооруженных при отрицательной температуре, перемещения и напряжения достигают величин, представляющих в ряде случаев опасность разрушения трубопровода и нарушения грунтовой засыпки.

Проведен анализ влияния конструктивных решений на напряженно-деформированное состояние трубопровода. Так, например, анализ влияния радиуса кривизны отводов на напряжения и перемещения трубопровода показал, что проектирование и сооружение трубопроводов на углах поворота с использо-

ванием отводов холодного гнуть* создают более благоприятные условия работы трубопровода. Увеличение радиуса кривизны гнутого отвода позволяет существенно снизить максимальное напряжение изгиба. Уменьшается также прогиб трубопровода, но незначительно.

В работе получены формулы для определения напряжений и прогиба трубопровода в зависимости от радиуса кривизны отвода и представлены в виде графиков. Один из графиков приведен на рис. 1, где а* - безразмерный параметр радиуса кривизны отвода; £ - параметр удельного сопротивления грунта

поперечному перемещению трубопровода, § = ; д^ - удельное со-

Чт

противление грунта поперечному перемещению трубопровода; - вес единицы длины трубопровода с продуктом.

Параметр а« изменяется прямо пропорционально изменению радиуса кривизны отвода.

(7 -И

чЧ

/х^1 л А \ у 1 (а -2^) л

о о,5 1 1,5 а,

-------5 = 0,1

Рис. 1. Зависимость параметра ш от параметра ав при различных а и £

Таким образом, результаты исследований напряженно-деформированного состояния сложных участков подземных трубопроводов позволили установить, что для реальных условий сооружения и эксплуатации трубопровода продольные напряжения весьма значительны и в ряде случаев превышают нормативные значения. Требуется разработка конструктивных решений, позволяющих снизить напряжения до нормативного уровня.

В третьей главе исследовано напряженно-деформированное состояние участков подземных трубопроводов при их эксплуатации, прокладываемых на пересеченной местности с упругим изгибом трубопровода.

Рассматривая изгиб трубопровода под действием продольных усилий, получены зависимости между продольным усилием N. прогибом и изгибающим моментом М.,, и исходными величинами, характеризующими конструкцию, угла поворота и трубопровода. Эти зависимости имеют вид:

(4)

У=У (5)

шах Ао 4 '

<а=Мга„^ГАоЯт}-<^; «О

где Аа — амплитуда начального упругого прогиба трубопровода при укладке.

Проведены исследования и дан анализ зависимости перемещений упругои-скривленного участка трубопровода от начального продольного сжимающего усилия. В результате получены аналитические зависимости комплексного параметра а от начального продольного усилия ]Ч», амплитуды А», длины волны г0 и радиуса кривизны р начального прогиба и свойств грунта. Параметр а устанавливает зависимость параметров продольного усилия и, прогиба "V и изгибающего момента с начальным продольным усилием

По полученным зависимостям определяются усилия ТУ, прогиб и изгибающий момент М„„. Кроме того, эти зависимости дают возможность провести анализ влияния исходных величин на напряжения и перемещения трубопро- .

вода. Анализ показал, что в случаях положительного температурного перепада более 50 °С суммарные продольные напряжения от начального упругого изгиба и изгиба под действием продольных сжимающих, усилий весьма значительны и должны быть учтены при выборе параметров укладки Аф, ¿, и р. Наиболее существенное влияние на перемещение трубопровода под действием продольных усилий оказывает радиус р начального упругого изгиба. Уменьшение р приводит к интенсивному росту перемещений и напряжений изгиба.

В работе представлены графические зависимости между параметрами продольного усилия а, прогиба V, изгибающего момента со и начального продольного усилия Д Безразмерный параметр р зависит прямо пропорционально от начального продольного усилия. Один из графиков приведен на рис. 2, где ащ — безразмерный параметр длины волны начального прогиба;

А« и Ъ - безразмерные параметры, характеризующие геометрические характеристики трубопровода, параметры укладки при сооружении и свойства грунта.

-5 = 1 -----£ = 0,1

Рис. 2. Зависимость параметра а от р при Ъ — 0,05; А» = 0,5 . и различных значениях

Анализ графиков и выполненных расчетов по полученным нами формулам показывает, что при определенных значениях параметров начального прогиба и продольного усилия трубопровод на упругоискривлениом участке теряет общую устойчивость в продольном направлении в вертикальной плоскости, который характеризуется интенсивным ростом прогиба. Потеря устойчивости происходит в области значения а = 3,14. Для определения значения продольного критического усилия , при котором наступает потеря продольной устойчивости трубопровода, получена формула в виде:

где ркр - параметр начального продольного сжимающего усилия, при котором происходит резкое нарастание прогиба.

Параметр ркр является максимальным значением зависимости Р от параметра а. Такая зависимость представлена на рис. 2 для некоторых конкретных исходных данных. Как видно га этого рисунка, с уменьшением а0 и увеличением несущей способности грунта (параметра значения Ркр растут и растут значения критического усилия

В результате исследований упругоискривленных участков подземных трубопроводов, находящихся под действием продольных сжимающих усилий, установлено, что суммарные продольные напряжения от начального упругого изгиба при сооружении, дополнительного прогиба при эксплуатации достигают в ряде случаев величин, превышающих нормативные значения. Параметры укладки трубопровода при сооружении упругоискривленных участков должны быть определены расчетом на прочность по полученным в данной главе формулам. Кроме того, упругоискривленный участок подземного трубопровода необходимо проверить по формуле (7) на общую устойчивость в продольном направлении.

Четвертая глава посвящена разработке методов проектирования сложных участков подземных трубопроводов.

(7)

Исследования и анализ напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов на сложных участках, изложенные в предыдущих главах, показали, что напряжения и прогиб в ряде случаев значительны и превышают нормативные значения. Причем наибольшие напряжения и прогиб возникают при одинаковых условиях сооружения и эксплуатации в случаях больших значений угла поворота, выполнения угла поворота с использованием крутоизогнутых отводов. В связи с этим нами предложены методы проектирования, направленные на уменьшение значений угла поворота и использование гнутых отводов с большим радиусом кривизны. Нами рассмотрены также случаи деления одного поворота на несколько отдельных поворотов с прямой вставкой между ними. Решением задачи по расчету напряжений и перемещений трубопровода определены параметры а, V, а>, характеризующие напряженно-деформированное состояние трубопровода в зависимости от конструкции угла поворота. Получены так же аналитические зависимости между начальным продольным усилием, исходными данными, напряжением и прогибом трубопровода. На основе полученных зависимостей выполнены расчеты. Расчеты показали, что максимальные продольные напряжения возникают в сечении сопряжения и в середине прямой вставки. Изменения длины прямой вставки приводят к изменениям напряжений, и имеется оптимальная длина прямой вставки, при которой напряжения минимальны. На рис. 3 в качестве примера представлен характер изменений напряжений при увеличении длины прямой вставки в трубопроводе диаметром 720 мм с толщиной стенки 10 мм для температурного перепада 40 °С при £ =1 и ср = 6°. На рис. 3: Я —радиус кривизны отвода; ст„1 и Ст] - напряжения изгиба и суммарные напряжения от действия усилия N и изгибающего момента в середине прямой вставки; су,й и а^ - напряжения изгиба и суммарные напряжения в сечении сопряжения прямой и кривой вставок; в — длина прямой вставки.

Выполненные нами расчеты показали, что продольные напряжения в сечении сопряжения прямой и кривой вставок ст^ больше, чем напряжения в середине прямой вставки Ст[

- К= 0---К = 25м

1 - а! 2 - ст2 3 - <т„1 4 - ан2

Рис. 3. Изменения напряжений при увеличении длины прямой вставки

Анализ показал, что уменьшение сопротивления грунта перемещениям трубопровода и радиуса кривизны отвода, увеличение температурного перепада и угла поворота трубопровода приводят к увеличению значений оптимальной длины прямой вставки.

Полученные в результате исследований аналитические зависимости и анализ характера изменений напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов на сложных участках позволили разработать методики расчета на прочность в продольном направлении и выбора оптимального по уровню напряжений конструктивного решения сложного участка подземного трубопровода.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании анализа условий сооружения и эксплуатации сложных участков подземных трубопроводов показана необходимость усовершенствова-

ния методов их проектирования. Выявлено, что прокладка трубопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями приводит к возникновению высоких напряжений при их эксплуатации. В связи с этим определена необходимость исследований напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, проложенных на сложных участках и разработки мероприятий по снижению напряжений.

2. На основании исследования напряженно-деформированного состояния сложных участков подземных трубопроводов получены условия деформирования в грунте трубопроводов при их эксплуатации. Получены основные критериальные соотношения для оценки напряжений и деформаций трубопровода.

3. Получены аналитические зависимости напряжений и перемещений трубопровода от параметров условий сооружения, эксплуатации и конструктивных решений трубопровода.

Установлено, что параметры прокладки трубопроводов на сложных участках в ряде случаев не обеспечивают нормативные требования по уровню продольных напряжений.

4. На основе полученных аналитических зависимостей и установленных закономерностей изменений напряжений и перемещений трубопровода разработаны методы снижения напряжений и перемещений трубопровода до нормативного уровня.

5. На основе проведенных исследований зависимости продольных напряжений и прогиба трубопровода от конструктивных решений разработаны усовершенствованные методы расчета на прочность и проектирования сложных участков подземных трубопроводов, обеспечивающих оптимальные конструктивные решения и существенное снижение напряжений в трубопроводе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Малюшин H.A., Степанов И.О., Трошков H.A. Роль диагностики в обеспечении надежности транспорта нефти.// Сб. тр. Сиб. Энергетического института СО РАН "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики». - Иркутск, 1996.-С.31-32.

2. Малюшин H.A., Рацен С.С., Трошков H.A. Обеспечение высокой надежности трубопроводного транспорта нефти Западно-Сибирского региона на современном этапе.//Тезисы докладов международной научной конференции "Природопользование в районах со сложной экологической ситуацией", 18-19 марта 1999. - Тюмень, ТюмГУ,- С.35-39.

3. Малюшин H.A., Трошков H.A., Шантарин В.Д., Рацен С.С., Миняйло И.В. Повышение эксплуатационной надежности подводных переходов нефтепроводов Западно-Сибирского регионаУ/Тезисы докладов международной научно-практической конференции "Окружающая среда". - Тюмень, 30-31 мая 2000.-С.18-21.

4. Мороз A.A., Трошков H.A., Пушников Г.М. К оценке изменения технического состояния линейной части нефтепроводов по результатам диагностических инспекций. //Материалы международной конференции "Энергосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России".- Тюмень, 18-19 сентября 2001. - С.196-201.

5. Трошков H.A. Система предупреждения отказов и продления срока эксплуатации нефтепроводов Западной Сибири.//Материалы международного семинара "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли". - Тюмень, 27-29 марта 2002. - С.179-181.

6. Трошков H.A., Пушников Г.М. Надежность газопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах.//Сб. тр. Сиб.энегретического института СО РАН "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики" 22-26 сентября 2002. - Туапсе. - С.42.

7. Трошков H.A., Малюшин H.A. Проектирование подземных трубопроводов на криволинейных участках трассы. Известия ВУЗов. «Нефть и газ». - Тюмень: Тюм ГНГУ, № 3, 2004 г. - С.70-74.

8. Трошков H.A. Расчет продольных напряжений в подземных трубопроводах на пересеченном рельефе местности. Известия ВУЗов, «Нефть и газ». — Тюмень: Тюм ГНГУ, № 4,2004 г.- С. 44-46.

9. Трошков H.A. Разработка методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы // Нефтегазовое дело. — 2006. http: // www. ogbus.ru/ authors/ Trochkov/ Trochkov 1. pdf-5c.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 25.10.2006 г. Бумага писчая. Заказ № 52. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУЛ «ИПТЭР», 450005, г. Уфа, проспект Октября, 144/3

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Трошков, Николай Алимпиевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И НАПРЯЖЕННО- 7 ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА СЛОЖНЫХ УЧАСТКАХ ТРАССЫ

1.1 Анализ конструктивных решений прокладки подземных трубопро- 7 водов на криволинейных участках

1.2 Анализ нагрузок и воздействий, влияющих на напряженно- 10 деформированное состояние подземных трубопроводов

1.3 Анализ методов расчета криволинейных участков подземных трубо- 15 проводов

Выводы по главе

2 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО 19 СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА СЛОЖНЫХ УЧАСТКАХ

2.1 Напряжения и перемещения трубопровода на участках с выпуклыми 20 кривыми, выполненными сварными и крутоизогнутыми отводами

2.1.1 Определение поперечных перемещений и напряжений изгиба при 20 действии продольных сжимающих усилий

2.1.2 Расчет углов поворота трубопроводов в области малых поперечных 29 перемещений

2.1.3 Анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода при 35 его больших перемещениях

2.2 Анализ влияния радиуса кривизны отводов на напряжения и пере- 47 мещения трубопроводов

2.3 Исследование зависимости перемещений трубопровода от темпера- 54 турного перепада

Выводы по главе

3 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО 71 СОСТОЯНИЯ УПРУГОИСКРИВЛЕННЫХ УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДОВ

3.1 Напряжения и перемещения упругоискривленных участков трубо- 71 проводов

3.2 Анализ зависимости перемещений упругоискривленного участка 79 трубопровода от продольного усилия

3.3 Анализ влияния конструктивных параметров упругоискривленного 86 трубопровода на перемещения и напряжения

Выводы по главе

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ 94 ТРУБОПРОВОДОВ НА СЛОЖНЫХ УЧАСТКАХ ТРАССЫ

4.1 Расчет составных углов поворота трубопровода

4.2 Анализ зависимости перемещений составных углов поворота трубо- 108 проводов от температурного перепада

4.3 Исследование и разработка оптимальной конструкции углов поворо- 112 та трубопровода

4.4 Методика расчета на прочность в продольном направлении подзем- 119 ного трубопровода и на углах поворота

Выводы по главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы"

Сооружение магистральных трубопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями обусловливает необходимость совершенствования методов их проектирования и принятия соответствующих конструктивных решений.

Прокладка трубопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями приводят к существенным изменениям условий их работы и необходимости принятия неординарных мер по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов. Научной основой этих мер явились исследования известных научных школ и специалистов ОАО «АК «Транснефть», РГУНТ им. И.М. Губкина, УГНТУ, ТГНГУ, ГУП «ИПТЭР», ОАО «Гипротрубопровод», ОАО «Институт «Нефтегазпроект», ОАО «ВНИИСТ» и др.

Исследованиями В.Л.Березина, А.Г. Гумерова, П.П. Бородавкина, В.В. Новоселова, Г.Г. Васильева, О.М. Иванцова, Э.М. Ясина, Л.И. Быкова, Х.А. Азметова и других ученых созданы методы проектирования магистральных трубопроводов, учитывающие условия их прокладки и эксплуатации. Использование в практике проектирования и строительства достижений науки и техники позволяет обеспечивать высокую надежность и безопасность современных магистральных трубопроводов. Вместе с тем анализ напряженно-деформированного состояния действующих трубопроводов и необходимость дальнейшего повышения их надежности и безопасности требуют проведения исследований и совершенствования методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы с целью выбора оптимальных конструктивных решений [58].

К сложным участкам в данной работе отнесены криволинейные участки подземных трубопроводов, сооруженные при отрицательной температуре воздуха и засыпанные грунтами с низкой несущей способностью.

Прокладка трубопроводов при отрицательных температурах и в грунтах с низкой несущей способностью приводят к возникновению тяжелых условий при их эксплуатации. Трубопроводы под действием продольных сжимающих усилий существенно изменяют свое первоначальное положение, что приводит к появлению в стенках труб чрезмерных напряжений и вследствие этого - иногда к разрушению.

Обеспечение устойчивости проектного положения и прочности линейной части магистральных трубопроводов является весьма важным для трубопроводов, прокладываемых в районах Западной Сибири и Севера, где суровые климатические условия и бездорожье делают техническое обслуживание и ремонт трубопровода сложной и дорогостоящей операцией. В густонаселенных районах повреждение линейной части трубопровода может иметь тяжелые аварийные последствия. Это особенно важно при проектировании и сооружении магистрального нефтепровода Восточная Сибирь - Тихий Океан (ВСТО), где рельеф трассы сильно изменчив. Перепады геодезических отметок превышают 1500 м.

Таким образом, с учетом все возрастающей роли фактора надежности и безопасности потребность в методах проектирования подземных трубопроводов при действии высоких сжимающих усилий становится особенно актуальной.

Цель работы - совершенствование методов расчета на прочность и проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы с учетом выбора оптимальных конструктивных решений.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

• анализ конструктивных решений и методов расчета на прочность и устойчивость подземных трубопроводов;

• оценка напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, проложенных в сложных условиях;

• разработка методов снижения напряжений и перемещений подземного трубопровода;

• разработка методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы, обеспечивающих снижение напряжений и перемещений трубопровода.

В работе используются надежные и широко апробированные методы и принципы теории упругости и строительной механики. Полученные аналитические зависимости между напряженно-деформированным состоянием трубопровода и конструктивными решениями его прокладки, разработанные методы снижения напряжений и перемещений трубопровода, методы проектирования криволинейных участков трубопроводов базируются на современных достижениях в области проектирования и технической эксплуатации трубопроводов, многолетнем производственном опыте, подтверждающие обоснованность предложенных зависимостей и методов.

При решении поставленных задач автором получены научно обоснованные, имеющие новизну и практическую ценность результаты.

Разработан метод оценки напряженно-деформированного состояния криволинейных участков подземных трубопроводов, основанный на учете свойств грунта и параметров конструктивных решений и установлены закономерности изменения напряжений и перемещений трубопровода от эксплуатационных нагрузок и воздействий и конструктивных решений.

Разработаны методы снижения напряжений изгиба и перемещений трубопровода, выбора параметров конструктивных решений в зависимости от нагрузок и воздействии, геометрических характеристик трубопровода.

Разработаны методы проектирования криволинейных участков трубопроводов, обеспечивающие оптимальные по уровню напряжений конструктивные решения.

Разработанные автором методы проектирования подземных трубопроводов позволяют решать важную народнохозяйственную проблему - поддерживать надежность и безопасность трубопроводов на нормативном уровне.

На защиту выносятся совершенствованные методы проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Трошков, Николай Алимпиевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании анализа условий сооружения и эксплуатации сложных участков подземных трубопроводов доказана необходимость совершенствования методов их проектирования. Выявлено, что прокладка трубопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями приводит к возникновению высоких напряжений при их эксплуатации. В связи с этим определена необходимость исследований напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, проложенных на сложных участках и разработка мероприятий по снижению напряжений.

2. На основании исследования напряженно-деформированного состояния сложных участков подземных трубопроводов установлены условия деформирования в грунте трубопроводов при их эксплуатации. Получены основные критериальные соотношения для оценки напряжений и деформаций трубопровода.

3. Получены аналитические зависимости напряжений и перемещений трубопровода от параметров условий сооружения, эксплуатации и конструктивных решений трубопровода.

Установлено, что параметры прокладки трубопроводов на сложных участках в ряде случаев не обеспечивают нормативные требования по уровню продольных напряжений.

4. На основе полученных аналитических зависимостей и установленных закономерностей изменений напряжений и перемещений трубопровода разработаны методы снижения напряжений и перемещений трубопровода до нормативного уровня.

5. На основе проведенных исследований зависимости продольных напряжений и прогиба трубопровода от конструктивных решений разработаны усовершенствованные методы расчета на прочность и проектирования сложных участков подземных трубопроводов, обеспечивающих оптимальные конструктивные решения и существенное снижение напряжений в трубопроводе.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Трошков, Николай Алимпиевич, Уфа

1. Азметов Х.А., Березин В.Л., Бородавкин П.П., Ясин Э.М. Надежность "горячих" нефтепроводов./ Обзорная информация. М.: ВНИИОЭНГ, 1975. -83с.

2. Азметов Х.А. Экспериментальные исследования прочности и устойчивости поворотов в вертикальной плоскости подземных трубопроводов./ Сб. научн. тр."Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов". Уфа: ВНИИС-ПТнефть, 1976. -№ 14. - С. 168-172.

3. Азметов Х.А., Богорад В.М. Исследование устойчивости подземного трубопровода в условиях сложной трассы./ Сб. научн. тр. "Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов". Уфа: ВНИИСПТнефть, 1976. - №14. -С. 157-162.

4. Азметов Х.А. Некоторые меры повышения ресурса подземных трубопроводов./ Проблемы механики сплошных сред в системах добычи и транспорта нефти и газа: по материалам Конгресса нефтепромышленников России. -Уфа, 1998. С.34-38.

5. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1991. - 287с.

6. Аксельрад Э.Л., Ильин В.П. Расчет трубопроводов. Л.: Машиностроение, 1972.-240с.

7. Анучкин М.П. Прочность сварных магистральных трубопроводов. М: Гос-топтехиздат, 1963.- 196с.

8. Беккер А.Я., Шапошников Э.А., Виноградов Б.А. Непрерывное гнутье труб диаметром 1220 мм.// Строительство трубопроводов. М., 1969. - №3. -34с.

9. Березин В.Л., Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. М.: Недра, 1973. - 200с.

10. Березин В.Л., Ясин Э.М., Постников В.В., Жигулев Г.П. Надежность магистральных нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1971. - 80с.

11. Быков JI.И., Григоренко П.Н. Экспериментальное исследование степени защемления подземных трубопроводов./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М.: ВНИИОЭНГ, 1970. - № 3. - С. 16-18.

12. Быков Л.И., Григоренко П.Н. Исследование степени защемления подземных трубопроводов грунтом в натурных условиях./НТС "Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных газонефтепроводов и нефтебаз". Уфа, 1974. -вып. 15. - С.120-127.

13. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы. М.: Недра, 1973. - 304с.

14. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1977. - 407с.

15. Бородавкин П.П., Таран В.Д. Трубопроводы в сложных условиях. М.: Недра, 1968. - 304с.

16. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. М.: Недра, 1976.-224с.

17. Бородавкин П.П., Быков Л.И. Экспериментальное определение расчетных характеристик грунта при продольных перемещениях трубопроводов./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М.: ВНИИОЭНГ, 1967.-№ 12.-С.7-12.

18. Бородавкин П.П., Шадрин О.Б. Определение продольного перемещения подземного трубопровода.// Строительство трубопроводов. М., 1965. - № 5.-С.11-13.

19. Бородавкин П.П., Березин В.Л., Быков Л.И., Григоренко П.Н. Вопросы проектирования и эксплуатации подземных нефте- и продуктопроводов. -М.: ВНИИОЭНГ, 1972.

20. Выбор труб для магистральных нефтепроводов при строительстве и капитальном ремонте. СП 34-101-98: Утв. АК "Транснефть" 13.01.98 / Рыбаков А.А., Семенов С.Е., Билецкий С.М. и др. М., 1998. - 66с.

21. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. М: Наука, 1967. -984с.

22. Вязунов Е.В., Зиборов А.Н. Система продуктопроводов "Колониал" (США). М.: ВНИИОЭНГ, 1970. - 53с.

23. Гайдамак В.В., Березин B.JL, Бородавкин П.П., Ясин Э.М. Надежность нефтепроводов, прокладываемых в неоднородных грунтах. М.: ВНИИОЭНГ, 1975.-88с.

24. Гальперин А.И. Машины и оборудования для гнутья труб. М.: Машиностроение, 1967. - 179с.

25. Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С., Ямалеев К.М. Старение труб нефтепроводов. М.: Недра, 1995. - 222с.

26. Гумеров К.М., Гумеров А.Г., Гумеров Р.С. и др. Оценка технического состояния элементов магистральных нефтепроводов./ Сб. научн.тр. "Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов". -Уфа: ИПТЭР, 1996. С. 10-22.

27. Гумеров А.Г., Азметов Х.А., Гумеров Р.С., Векштейн М.Г. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1998.-272с.

28. Гумеров А.Г., Ямалеев К.М., Гумеров Р.С., Азметов Х.А. Дефектность труб нефтепроводов и методы их ремонта. М.: Недра, 1998. - 240с.

29. Демченко В.Г. Явления местной потери устойчивости магистральных трубопроводов.// Строительство трубопроводов. М., 1975. - № 10. - С. 16-18.

30. Дубинский В.Г., Елисеев М.Я. Больше внимания сверхмощным нефтяным трубопроводным магистралям./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М,: ВНИИОЭНГ, 1969. - № 7. - С.8-10.

31. Иванцов О.М. Предложения по повышению продольной устойчивости магистральных трубопроводов.// Строительство трубопроводов. М., 1983. -№ 9. - С.27-29.

32. Иванцов О.М. Надежность и безопасность магистральных трубопроводов России.// Трубопроводный транспорт нефти. М., 1997. - № 10. - С.26-31.

33. Иванцов О.М., Харитонов В.И. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1989. - 166с.

34. Камерштейн А.Г., Скоморовский Я.З. Расчет защемления трубопровода в грунте.// Строительство трубопроводов. М., 1965. - № 4. - С.8-10.

35. Клейн Г.К. Расчет труб, уложенных в землю. М.: Госстройиздат, 1957. -195с.

36. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. М.: Стройиздат, 1969. -240с.

37. Клементьев А.Ф. Устойчивость магистральных трубопроводов в сложных условиях. М.: Недра, 1985. - 112с.

38. Кортунов В.А., Моргулис JI.A., Габелая Р.Д. Технология сварочно-монтажных работ на трассе Ухта-Торжок.// Строительство трубопроводов. -М., 1969. № 8. - С.23-24.

39. Кортунов В.А., Фишман Л.Я., Ледянкин М.Б., Беленький А.Я. Зависимость объема разрабатываемого грунта от жесткости трубопроводов. //Строительство трубопроводов. М., 1969 - № 1. - С. 18-19.

40. Крикун В.Я. Новое оборудование для гнутья тонкостенных труб больших диаметров. М.: Издание ЦНТИ ВНИИСТа, 1974. - 59с.

41. Кудасевич М.С., Шпотаковский М.М. К расчету магистральных нефтепроводов с учетом выделения тепла при установившемся режиме перекачки./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М.: ВНИИОЭНГ, 1974.-№ 1.-С.З-5.

42. Мазур И.И., Иванцов О.М., Молдованов О.И. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов. М.: Недра, 1990. - 264с.

43. Малюшин Н.А., Степанов И.О., Трошков Н.А. Роль диагностики в обеспечении надежности транспорта нефти.// Сб. тр. Сиб. Энергетического института СО РАН «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики, Иркутск», 1996.-С.31-32.

44. Поляков Г.Н., Яковлев Е.И., Пиотровский А.С., Яковлев А.Е. Эксплуатация и реконструкция трубопроводных магистралей. М.: Машиностроение, 1992.-256с.

45. Правила безопасности при эксплуатации магистральных нефтепроводов. -М.: Недра, 1989.- 112с.

46. Прево Р. Расчет на прочность трубопроводов, заложенных в грунт. М.: Стройиздат, 1964. - 123с.

47. Трошков Н.А., Пушников Г.М. Надежность газопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах.//Сб. тр. Сиб.энегретического института СО РАН "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики" 22-26 сентября 2002, Туапсе,-С.42.

48. Рекомендации по методике расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов в условиях Средней Азии (Шатлык-Центр). Р-82-71. М.: Издание ОНТИ ВНИИСТа, 1971. - 47с.

49. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. М.: Стройиздат, 1997. -59с.

50. Соколов С.М., Лукошкова Н.К. Экспериментальное исследование продольных перемещений подземных трубопроводов в торфе./ "Проблемы нефти и газа Тюмени". Тюмень, 1973. -вып. 19. - С.5-7.

51. Спиридонов В.В., Айнбиндер А.Б. Причины выпучивания участков газопроводов, проложенных в Средней Азии.// Строительство трубопроводов. -М., 1970.-№2. -С.14-15.

52. Спиридонов В.В., Свердлов М.Ф. Учет изменения температуры газа при выборе конструктивных решений прокладки магистральных трубопроводов./ Сб.тр. М.: ВНИИСТ, вып.25. - М, 1971.-вып.25.-С263-278.

53. Таран В.Д. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1964. -544с.

54. Тимербаев Н.Ш. Исследование местной потери устойчивости магистральных нефтегазопроводов большого диаметра при осевом сжатии и изгибе. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа, ВНИСПТнефть, 1975.

55. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966.-635с.

56. Трошков Н.А. 30 лет в проектном деле. Строительный вестник Тюменской обл.№3,2000,-С.24-25.

57. Трошков Н.А. Система предупреждения отказов и продления срока эксплуатации нефтепроводов Западной Сибири.//Материалы международного семинара "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли", Тюмень, 27-29 марта 2002,-С.179-181.

58. Трошков Н.А., Малюшин Н.А. Проектирование подземных трубопроводов на криволинейных участках трассы. Известия ВУЗов. «Нефть и газ». Тюмень: Тюм ГНГУ, № 3,2004 г. - С.70-74.

59. Трошков Н.А. Расчет продольных напряжений в подземных трубопроводах на пересеченном рельефе местности. Известия ВУЗов, «Нефть и газ». -Тюмень: Тюм ГНГУ, № 4,2004 г.- С. 44-46.

60. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф. Транспортирование вязких нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам. М.: Недра, 1973. - 89с.

61. Филоненко-Бородич М.М., Изюмов С.М., Олисов Б.А. и др. Курс сопротивления материалов. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, часть II, 1956. - 540с.

62. Флорин В.А. Основы механики грунтов. JI.: Госстройиздат, 1960. - т. I. -357с.

63. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Л.: Госстройиздат, 1961. - т.И. -543с.

64. Чирсков В.Г. Проблемы круглогодичного строительства трубопроводов в болотистой местности.// Строительство трубопроводов. М., 1976. - №1. -С.10-13.

65. Шихманов Я.М. Обеспечить отличное качество работ на трассе Бухара-Урал.// Строительство трубопроводов. М., 1962. - № 6. - С.3-4.

66. Яблонский B.C., Новоселов В.Ф., Галеев В.Б., Закиров Г.З. Проектирование, эксплуатация и ремонт нефтепродуктопроводов. М.: Недра, 1965. - 410с.

67. Ямалеев К.М. Старение металла труб в процессе эксплуатации нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1990.- 64с.

68. Ясин Э.М., Березин B.JL, Ращепкин К.Е. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1972. - 184с.

69. Ясин Э.М., Черникин В.И. Устойчивость подземных трубопроводов. М.: Недра, 1968. - 120с.

70. Hofer Peter, Strommer Edmund. Spannungen unterinneren und ausseren Tem-peratureinwirhugen. "G.W.F." Gas Erdgas". 1972,113, № 5, P. 242-247.

71. Elter Glaus. Zur Bewertung Von Spannungen in Rohrleitungen infolge war-meansdehnung des Systems. "T.V.", 1974,15, № 1, P. 25-28.

72. Krincker D. Erfahrungen uber Verlegung und Betrieb Von Fernheizleitungen. "Rohre-Rohrleitungsbau-Rohrleitungstransport", 1975. 14, № 6, P. 320-324.

73. Lierly jack. Shorted casings: causes and cures // Pipe Line Ind. 1987. V.66. -№ 6. P.23-30.

74. Byrd, Tallamy, Mc Donald and Lewis To Develop Criferia for Encasement of Pipelines Through Highway Roadbeds // Tr. News. 1987. № 129. P.33-34.