Автореферат: Разработка методов повышения устойчивости северных газопроводов

Для всех труб при испытаниях получено неравенство к_д > к_проект даже без учета коэффициента .

Давление разрушения составляло 8,012,0 МПа. Давление достижения состояния текучести труб - 9,011 МПа. Резервы несущей способности дефектных труб оказались достаточными для продолжения эксплуатации участков газопроводов после восстановления их устойчивости. Таким образом, результаты испытаний труб позволяют распространить область применения безвырезных технологий ремонта на ремонтируемые участки газопроводов со сроком эксплуатации вплоть до 30 лет.

Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) участка МГ в непроектном положении является неотъемлемой частью комплекса диагностических работ по определению технического состояния участка и последующего технического решения по восстановлению его устойчивости.

Самый распространенный вид потери устойчивости подземных газопроводов в обводненных и заболоченных грунтах - всплытие участков на длине 150300 м в вертикальной плоскости по причине необеспеченной балластировки. Для определения оптимального количества грунта-балласта, обеспечивающего устойчивость участков, необходимо определить его сопротивление перемещениям трубопровода.

Наиболее достоверные данные по грунтам, определяющие поведение участка при всплытии, получаются из анализа взаимодействия его с окружающим обводненным грунтом. С использованием апробированных методов анализа и введением определенных корректировок имеется возможность интегрально оценить свойства обводненного грунтового основания, в данном случае сопротивление засыпки подъему участка трубопровода. Для этого применяется уравнение энергетического баланса. Очертание симметричной кривой всплывшего участка задается синусоидой:

, ( 6 )

где f - максимальный прогиб, n - показатель степени.

Для несимметричных кривых используется сглаживание данных геодезического нивелирования полиномом шестой степени:

y= a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵+ a₆x⁶ , ( 7 )

в котором коэффициенты a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆ и свободный член a₀ определяют по стандартной методике. Для кривой любого очертания уравнение энергетического баланса применительно к пластической модели грунта имеет вид:

, ( 8 )

где - корректирующие коэффициенты относительно синусоиды ( 6 ) при n = 2, для которой к_и = к_q = =к_N =1,0; EJ - изгибная жесткость; q_N - сопротивление грунта; N₀ - эквивалентное продольное усилие сжатия.

Из уравнения ( 8 ) получаем зависимость сопротивления грунта:

( 9 )

Анализ 18 всплывших участков на газопроводах ООО «Севергазпром» показал, что половина их описывается синусоидой ( 6 ). Все участки работают за пределами устойчивости, когда N₀ / N_кр >1, при N_кр = 4² EJ/l² - критическое Эйлерово усилие (рис.5).

Нагрузка q_N изменяется в широких пределах - минус 6001300 Н/м. Знак минус указывает на то, что грунтовая среда создает выталкивающую силу.

Сопоставим распределенные нагрузки при всплытии газопроводов разных диаметров (табл. 2).

Рис. 5 - Графики распределения отношения усилий N₀/N_кр и нагрузки q_N по номерам всплывших участков

Таблица 2 - Распределенные нагрузки при всплытии газопроводов разных диаметров

Максимальное усилие сопротивления грунта q_Nmax, которое преодолевает осевая сила N_о, меньше общего сопротивления грунта q_гр в

713 раз, т.е. практически на порядок. Из этого следует, что главной причиной всплытия трубопровода является выталкивающая сила воды, особенно на начальной его стадии. С другой стороны, достаточно высоким оказывается сопротивление засыпки подъему трубы (q_гр = 6,311,2 кН/м). Возможно, в обводненной засыпке выталкивающая сила реализуется не в полной мере, соответственно, снижается сопротивление грунта q_гр, а разность q_гр- q_пл = q_N сохраняется. В этом случае для удержания всплывшего участка трубопровода в устойчивом положении возможно снизить объемы балластирующих средств. Нормативные документы независимо от типа болота предписывают закладывать утяжеляющие пригрузы, которые по весовой нагрузке во взвешенном состоянии (в воде) на 2530% перекрывают плавучесть трубы, что существенно увеличивает стоимость балластировки, особенно если не учитывать балластирующую способность заторфованной засыпки.

Практика обследования всплывших участков показывает, что верхняя образующая арки возвышается над поверхностью грунта не более, чем на 0,80,9 D_н для газопроводов диаметром 10201420 мм. Основная причина этого - вес части арки над поверхностью грунта. В этом случае энергетический баланс имеет вид:

А_N =Э_и +Э_q + Э_а, ( 10 )

где Э_а - энергия подъема надземной части арки. Для получения выражения сопротивления грунта с учетом энергии Э_а необходимо выразить площадь проекции F_а надземной части арки на вертикальную плоскость:

, ( 11 )

где f - стрела изгиба всей арки; f - стрела изгиба надземной части арки; l - длина арки.

Для упрощения интегрирования выражение ( 11 ) аппроксимируется степенной функцией , тогда вес G_a надземной части арки равен:

, ( 12 )

где - относительный прогиб; g - ускорение свободного падения; с_ст - плотность стали; - толщина стенки трубы.

Интегрируя функцию F_а и учитывая G_a по формуле ( 12 ), получим энергию подъема арки:

( 13 )

Уравнение энергетического баланса можно выразить в единицах силы:

, ( 14 )

где Q_а= 0,677gс_стl² ; В_гр=2l² /².

Определим q_N из уравнения ( 14 ):

( 15 )

Выражение ( 15 ) связывает сопротивление среды с действующими усилиями и вертикальными перемещениями арки.

На примере всплывшего участка газопровода сечением D_н=1220
12,5 мм получены кривые зависимости q_N от f для двух областей развития прогибов 0 f h и f > h, где h - глубина заложения газопровода. Первая область характеризует подъем трубы до выхода на поверхность земли, вторая - дальнейший подъем, когда верхняя образующая арки возвышается над дневной поверхностью (рис. 6).

Пятая глава посвящена разработке и расчетно-экспериментальной апробации новых методов и устройств, повышающих устойчивость северных газопроводов. Описана суть новых технических решений, защищенных патентами на изобретения. Формулы изобретений основаны на использовании энергетического подхода, а также на решениях теорий оболочек и строительной механики.

Рис. 6 - Зависимость сопротивления грунта q_N от величины подъема всплывшего участка f , f для разных значений силы N₀ = 5 МН (1), 7 МН (2), 9 МН (3)

Получено решение по корректировке очертания оси для плавающих участков в горизонтальной плоскости с целью снижения напряжений изгиба, при этом параметры скорректированного положения определяются из условия равенства приращений длины кривой за счет изменения ее геометрии и изменения параметров газа при ремонте - давления и температуры по зависимости:

, ( 16 )

где f₁, f₂ - максимальная стрела изгиба оси до корректировки положения и после, м; l₁ - длина участка до корректировки; l₂ - то же после корректировки, м.

Величина l₂ определяется путем решения кубического уравнения с использованием формулы ( 16 ), а затем определяется f₂:

, , ( 17 )

где _пр= t+0,2_кц/Е - продольная деформация стенок трубы газопровода; _и=D_н/(2_2доп) - продольная деформация стенки трубы в месте максимальной стрелы изгиба участка; _2доп - минимально допустимый радиус изгиба участка газопровода при возобновлении эксплуатации, м.

Получены также зависимости для корректировки оси участка, когда металл работает в упруго-пластической стадии деформирования, например, в вершине кривой изгиба (рис. 7).

Параметры скорректированной оси газопровода имеют вид:

, , ( 18 )

где к_сн=(_ост+_доп)/_пол- коэффициент снижения деформаций.

Результаты расчета использованы в процессе создания изобретения по патенту РФ №2180718, касающегося приведения плавающего участка в устойчивое положение со снижением деформаций изгиба.

Перейдем к участкам пересечения малых водных преград. Размыв и оголение газопроводов на подземных переходах через малые водные преграды - ручьи, речки, водотоки - одно из самых частых проявлений нарушения технического состояния газопроводов в процессе его эксплуатации. Одним из эффективных методов восстановления устойчивого положения переходов через малые водные преграды (МВП) является заглубление (подсадка) существующего газопровода в новое расчетное положение без вырезки труб и разрезки участка подсадки. На метод подсадки получены патенты РФ № 2196269, №2285186. Разработаны расчетная методика подсадки, технология работ по заглублению участка газопровода и методы его балластировки с учетом высоких горизонтов воды. Расчетная методика может быть использована также для случаев, когда осуществляется вырезка дефектных катушек.

К определяемым параметрам подсадки относятся: начальное положение участка по профилю, форма кривой заглубления участка, длина участка подсадки, возникающие усилия и напряжения при подсадке и возобновлении эксплуатации газопровода.

Исходной базой данных для расчета параметров подсадки является профиль существующего положения газопровода, размеры его сечения, физико-механические свойства грунтов на границах участка подсадки, нагрузки и воздействия на газопровод. Разрешающее уравнение энергетического баланса усилий метода подсадки связывает погонный вес трубопровода и длину участка подсадки:

, ( 19 )

где C_X0 - коэффициент постели грунта при сдвиге трубы, Н/м³; _сл - накопленная деформация в процессе эксплуатации трубопровода; _t=t - температурная деформация.

Формулу (19) можно упростить с учетом запаса длины разрабатываемой траншеи в виде:

, (20)

где f₀ - стрела профиля газопровода до подсадки; f₁ - то же после подсадки.

Длина подсадки определяется графоаналитическим методом. Строятся два профиля - расчетный и реальный по данным геодезического нивелирования. Точка пересечения кривых дает решение.

Разработан новый метод прокладки газопровода в глубоком болоте с неравномерной мощностью торфа. Метод базируется на явлении осадки водонасыщенного торфа при воздействии на его поверхность распределенной нагрузки, создаваемой насыпью. При прокладке трубопровода в насыпи на глубоком неосушенном болоте II - III типа, наблюдается осадка насыпи и выдавливание торфа. Известна зависимость высоты насыпи от глубины болота при постоянной осадке насыпи:

, (21)

где S_ст - стабилизированная (конечная) осадка насыпи, м; _н - объемный вес грунта насыпи, Н/м³; h - высота насыпи, м; _т - объемный вес торфа, Н/м³; _нп - объемный вес подводной части насыпи, Н/м³; Н - глубина болота, м.

Зависимость (21) отражает суть предлагаемого метода. Задавая наперед величину S_ст в виде константы и зная весовые характеристики грунтов, можно варьировать высотой h в зависимости от глубины болота H. Неизменность осадки S_ст для болот с горизонтальной поверхностью сводит к минимуму изгибающие моменты в теле трубопровода, что повышает его эксплуатационную надежность. Кроме того, в новом методе насыпь армируется синтетическим ковровым материалом, формирующим из минеральной части насыпи искусственное основание вокруг трубопровода, повышающее его продольную устойчивость в торфяном слое при эксплуатации. По данному методу получен патент РФ №2227857.