Разработка методики расчета и прогноза критических параметров аркообразования магистрального газопровода
На правах рукописи
МИХАЛЕНКО ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗА КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АРКООБРАЗОВАНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень - 2007
Диссертационная работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Федерального агентства по образованию Российской Федерации
| Научный руководитель: | Иванов Вадим Андреевич, доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, Заведующий кафедрой «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» Тюменского государственного нефтегазового университета |
| Официальные оппоненты: | |
| Кушнир Семен Яковлевич, доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, Заведующий кафедрой «Механика грунтов» Тюменского государственного нефтегазового университета | |
| Симонов Виктор Владимирович, кандидат технических наук, Начальник Богандинского линейно-производственного управления ООО «Сургутгазпром» | |
| Ведущая организация: | ОАО «Тюменский проектный и научно-исследовательский институт нефтяной и газовой промышленности им. В.И. Муравленко», г.Тюмень. |
Защита диссертации состоится 9 ноября 2007г. в 1600час. на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г.Тюмень, ул.Мельникайте, 72.
Автореферат разослан «5» октября 2007г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Кузьмин С.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Основной причиной отказов и аварий в системе магистральных газопроводов (МГ) является изменение пространственного положения трубопроводов относительно проектного. Именно эти отклонения создают напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода и являются причиной роста напряжений, а уровень напряжений стенки МГ определяет техническое состояние и остаточный ресурс трубопровода.
Недопустимой деформацией МГ являются арки (выпученные участки) различных типов. Анализ причин возникновения и условий аркообразования свидетельствует о том, что наиболее часто арки образуются и развиваются в условиях слабых водонасыщенных грунтов. Одной из причин развития арок является действие реологических свойств грунта на участки газопроводов, прилегающих к ней.
Решение проблемы образования и развития арок особенно актуально для Тюменского нефтегазового региона, где до 65% площади занимают обводненные территории и болота со слабонесущими грунтами. По результатам натурных обследований в 2004 году на первой нитке МГ «Уренгой - Сургут - Челябинск» выявлено 486 участков с выходом на дневную поверхность общей протяженностью 815км.
Актуальностью диссертационной работы является исследование механизма образования арок, с учетом реологических свойства грунта и прогноз критических параметров рассматриваемого процесса.
Цель работы. Изучить механизм образования арок в системе МГ с учетом реологических свойств грунтов и разработать методику прогноза критических параметров аркообразования, определяющую порядок проведения и виды ремонтных работ на дефектных участках МГ.
Основные задачи исследования. Основными задачами, поставленными и решенными в работе, являются:
1. Выполнить натурные исследования МГ с целью установления закономерности изменения прогибов потенциально опасных участков.
2. Разработать методику расчета продольных сил и перемещений для системы «труба-грунт».
3. Разработать методику прогноза критических параметров аркообразования, учитывающую реологические свойства грунтов и время эксплуатации МГ.
Научная новизна диссертации:
1. Изучен механизм развития арок, имеющих начальный прогиб с учетом реологических свойства грунтов.
2. Установлены аналитические зависимости параметров зон упруго-пластических и пластических деформаций грунта по контакту системы «труба-грунт» от нагрузок с учетом реологических свойства грунтов.
3. Разработана методика прогноза критических параметров аркообразования, учитывающая продольные перемещения МГ в зоне упруго-пластической деформации грунтов.
Практическая ценность. Результаты исследований диссертационной работы могут быть использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации МГ. Полученные результаты исследований были включены в реализацию комплексной программы «Ликвидации всплывших и оголенных участков магистральных газопроводов, эксплуатируемых в границах ООО «Сургутгазпром» на 2006-2009 гг».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: региональных научно-практических конференциях «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (г.Тюмень, 2005, 2007гг.); международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г.Тюмень, 2005г.); международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (г.Тюмень, 2007г.); на VI научно-технической конференции молодежи ОАО «АК «Транснефть» (г.Тюмень, 2005 г).
Публикация работы. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка литературы и 6 приложений. Содержание работы изложено на 200 страницах, в том числе 55 рисунков и 10 таблиц. Список литературы, включает 95 наименований.
Содержание работы:
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели, задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность.
В первом разделе дана краткая характеристика системы газоснабжения Российской Федерации. Проанализированы условия работы МГ Западной Сибири, действующие на них нагрузки, приведены данные о закономерности возникновения и роста выпученных участков газопроводов.
Значительная часть МГ большого диаметра проходит по территориям с неблагоприятными инженерно-геологическими характеристиками грунтов и сложными природно-климатическими условиями строительства и эксплуатации. В ряде случаев при прокладке и балластировке МГ применялись упрощенные технические решения, не учитывающие изменение свойства грунтов в процессе эксплуатации. Данные факторы во многом предопределили специфику и масштабы негативных деградационных процессов, с которыми связана эксплуатация современной газотранспортной системы (рис. 1).
Анализ причин возникновения аварий на МГ показал, что большая и часть обусловлена стресс-коррозией и увеличением НДС стенки трубы, нарушением условий и режимов эксплуатации и строительно-монтажными дефектами. До 27% аварий происходит на участках МГ с отклонением от проектного положения (выпученный, всплывший участок и т.д.).
Рис. 1. Причины возникновения аварий
на магистральных газопроводах
1 – наружная коррозия (5%); 2 – стресс-коррозия и увеличение НДС (37%); 3 - внутренняя коррозия и эрозия (3%); 4 – повреждения при эксплуатации (8%); 5 – нарушение условий и режимов эксплуатации (9%); 6 – строительные дефекты (26%); 7 – заводские дефекты труб(2%); 8 – стихийные бедствия (3%); 9 – дефекты оборудования
на магистральных газопроводах (7%).
Во время эксплуатации количество отказов, связанных с действием продольных напряжений (27%), в 2 раза превышает количество отказов, возникших в результате действия кольцевых напряжений (13%).
Установлено, что одним из факторов, приводящих к разрушению МГ, являются продольные напряжения в металле трубы. Выявлено, что до 20% разрушений произошло на участках МГ, имеющих продольно-поперечный изгиб. Он обуславливается браком, допущенным при строительно-монтажных работах, а также отсутствием учета реологических свойства грунтов.
В этом аспекте особенно опасным является продольно-поперечный изгиб МГ и, как частный случай, выпученные участки, в которых продольные напряжения превышают расчетные.
Во втором разделе рассмотрены продольные перемещения МГ в торфе с учетом реологических свойства грунтов.
Анализ работ ряда авторов показывает, что перемещения МГ при длительном воздействии нагрузки оказываются выше, чем при воздействии мгновенных нагрузок. Это происходит вследствие проявления реологических свойства грунта, выражающихся в явлении ползучести. В главе рассматривается три модели ползучести: затухающая, незатухающая и пластичная связь трубопровода с грунтом.
Большой вклад в изучение проблем продольных перемещений подземных трубопроводов внесли Айнбиндер А.Б., Березин В.Л., Бородавкин П.П., Быков Л.И., Горковенко А.И., Иванцов О.М., Морозов В.Н., Соколов С.М., Стояков В.Н., Хайруллин Ф.Г, Харионовский В.В., Хигер М.Ш. и многие другие.
Были исследованы затухающая и незатухающая ползучести при продольных перемещениях коротких труб в различных грунтах засыпки: в глинистых - Уфимский нефтяной институт; в торфяных (наиболее опасных) - Тюменский индустриальный институт. На основе анализа известных кривых ползучести была установлена средняя скорость ползучих незатухающих и пластических перемещений для торфа – 1,3 см/мес.
В зависимости от вида деформации грунта по контакту «труба-грунт» выделяют несколько зон: мгновенные; ползучие затухающие; ползучие незатухающие, ограниченные пределом упругого растяжения металла трубы и пластические в грунте. Каждому из указанных видов деформации соответствует определенное значение касательных напряжений по контакту «труба-грунт», которое определяется экспериментально для каждого вида грунта. Для решения задач, поставленных в данной работе, использовались значения и коэффициента постели грунта kи, полученные С.М. Соколовым для торфа. Задача определения продольных перемещений МГ в грунте засыпки может быть решена путем определения продольных сил и перемещений на всех имеющихся участках взаимодействия системы «труба-грунт». Разработана методика расчета продольных сил в МГ и определения параметров зон упруго-пластических и пластических деформаций грунта по контакту «труба-грунт».
Реологические свойства грунта при длительной работе системы «труба—грунт» вносят существенную поправку в распределение перемещений и продольных усилий по длине трубопровода. Явление ползучести необходимо учитывать на всех этапах строительства и эксплуатации МГ. В противном случае может иметь место неточная, а в ряде случаев - ошибочная оценка надежности и безопасности работы МГ в течение длительного времени.
В третьем разделе представлены результаты полевых обследований, проведенных на потенциально опасных участках МГ, имеющих отклонения от проектного положения. Представлена методика проведения полевых опытов, в которой шаг измерений принят 10м при числе замеров не менее 10. Результаты обследований МГ позволили установить, что наиболее распространенным видом отклонения от проектного положения являются всплытия МГ и их выпучивание (аркообразование) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Общая длина таких участков в Западной Сибири достигает 15% от общей длины трасс МГ больших диаметров. Например, приведены графики прогиба участка МГ «Уренгой-Сургут-Челябинск» на 1023 км, имеющего изгиб в горизонтальной плоскости (рис. 2). По результатам сравнения положения осей трубопровода по данным за 2005, 2006гг был выявлен прирост стрелы прогиба около 90 см.
Участки МГ, на которых выполнялись натурные обследования, расположены так, что охватывают все грунтовые условия, встречающиеся в Западной Сибири. Как показали натурные обследования, на фоне общего роста стрелы прогиба МГ наблюдаются его сезонные колебания: уменьшение в зимний период и увеличение – в летний, причем процесс аркообразования и развития таких участков продолжается. Наблюдались случаи прогиба выпученного участка до 8м при длине 250м.
Рис. 2. Графики прогибов участка МГ УСЧ 1 КС-7 1023 км
(по ГИС 1020 км)
1 – прогиб оси на 07.2005г.; 2 - прогиб оси на 07.2006г.
Причиной значительного увеличения прогибов выпученного МГ служит наличие разности N между начальной сжимающей силой N0 на прилегающих к изогнутому прямолинейных участках трубопровода и силой N на изогнутом участке. Влияние величины N приводит к продольным перемещениям прилегающих прямолинейных участков, которые «собираются» на изогнутом участке. Основной составляющей продольных перемещений являются медленные постоянные перемещения ползучести, определяемые реологическими свойствами грунта, что и ведет к постепенному росту прогибов.
В четвертом разделе представлена методика определения параметров зон упруго-пластических l1 и пластических lпл деформаций грунта системы «труба-грунт», а также методика прогноза критических геометрических параметров выпученных участков, учитывающая реологические свойства грунтов и время эксплуатации МГ (рис. 3).
За основу расчета участка lпл взято условие совместности продольных перемещений для выпученного участка газопровода с учетом ползучести грунта, полученное Стояковым В.М. и Тимербулатовым Г.Н.:
 | (1) |
где P01 – продольная сила, приложенная к границе участка l1; ЕF – жесткость поперечного сечения трубы на растяжение; kи – коэффициент постели грунта; f – стрела прогиба выпученного участка.
Предложено ввести в уравнение (1) фактор времени и динамической вязкости грунта.
Для определения продольного перемещения конца участка lпл только за счет ползучести может быть использована формула:
 | (2) |
где t – время, прошедшее с момента перехода выпученного участка из одной зоны (l1) в другую (lпл); – коэффициент динамической вязкости грунта, устанавливаемый экспериментально; lпл – длина участка пластической связи системы «труба-грунт».
Принимая во внимание, что скорость ползучих перемещений на участке lпл является постоянной, запишем левую часть уравнения (1) в виде:
 | (3) |
где V – скорость ползучих перемещений равная 1,3см/мес.;
Тогда уравнение (2) с учетом формулы (3) примет вид:
 | (4) |
Получим формулу для определения динамической вязкости грунта :
 | (5) |
Предлагаемая методика расчета реализована в разработанной программе «Расчет участка lпл».
Примем во внимание, что по формулам (2) и (3) рассчитывались перемещения на участке lпл. Для расчета удлинения выпученного участка u необходимо в этих формулах учесть составляющую продольных перемещений на участке l1, методика расчета которой изложена ниже:
 | (6) |
 | (7) |
Зная значения динамической вязкости грунта () и скорости пластических перемещений торфяного грунта (V), запишем систему уравнений для определения параметров, влияющих на рост выпученного участка МГ:
 | (8) |
 |
Получим решение с использованием зависимости продольных перемещений от времени эксплуатации МГ при текущем техническом состоянии:
 | (9) |
Тогда решение с использованием зависимости продольных перемещений от времени и динамической вязкости грунта засыпки примет вид:
 | (10) |
Таким образом, впервые разработана методика расчета параметров выпученного участка, учитывающая фактор времени. Задавая требуемое значение времени t, можно прогнозировать увеличение или уменьшение продольных сил в МГ, т.е. изменение длины участка lпл.
Алгоритм расчета реализован в программе «Расчет участка lпл».
Программа позволяет просчитывать изменения параметров N, N0, N, lпл, u, f во времени для любых заданных участков трубопроводов и характеристик грунта, а, следовательно, планировать ремонт выпученных участков с наибольшей эффективностью.
Далее опишем разработанный расчет перемещений, касательных напряжений и продольных сил на участке l1 с учетом ползучести грунта засыпки.
Все рассматриваемые далее участки указаны на рисунке 3. На участке x1 перемещения - мгновенные и рассчитываются по методике П.П. Бородавкина:
 | (11) |
где - параметр, характеризующий жесткость системы «труба-грунт»; х - рассматриваемая зона участка l1.
На участке x2 имеют место ползучие затухающие перемещения, они без учета мгновенной составляющей будут равны:
 | (12) |
На участке l1 имеют место перемещения, ограниченные пределом упругого растяжения металла трубы, они без учета мгновенной и ползучей незатухающей составляющей определяются как:
 | (13) |
После преобразования (13) имеем:
 | (14) |
Общее продольное перемещение участка l1 будет равно сумме всех вычисленных перемещений:
 | (15) |
Разработанные методики расчета участков упруго-пластического (l1) и пластического (lпл) взаимодействия системы «труба-грунт» позволяют определить продольные силы, перемещения на каждом из них, а, следовательно, прогнозировать рост выпученного участка. Определены пороговые значения продольных сил, при которых происходит изменение характера взаимодействия системы «труба-грунт». Разработана методика определения стрел прогиба, позволяющая оценить характер взаимодействия системы «труба-грунт» и опасность данного участка МГ по геометрическим параметрам выпученного участка.
Алгоритм расчета реализован в программе «Расчет участка l1». С помощью предложенной методики расчета можно определить продольные перемещения в любой точке участка l1.
Разработанный автором график порога появления пластических деформаций в системе «труба-грунт» позволяет установить наличие существования участка l1, или обоих участков - l1 и lпл (при пластических деформациях грунта). График приведен на рисунке 4.
Рис. 4. Порог появления зоны пластической деформации грунта
засыпки (на контакте «труба-грунт») в зависимости от параметров
выпученного участка МГ
С использованием приведенного графика и разработанных расчетных программ для отдельно взятого участка МГ и грунта можно дать прогнозную оценку состояния выпученного участка, а, следовательно, составить оптимальный график вывода МГ в капитальный ремонт.
Основные выводы по работе:
1. Изучен механизм взаимодействия МГ со слабонесущим грунтом, в области аркообразования.
2. Получены аналитические зависимости изменения параметров упруго-пластических и пластических зон деформации системы «труба-грунт» от нагрузки, которые послужили основой разработанной методики прогноза.
3. На основе полученных аналитических зависимостей и результатов натурных исследований автора разработана методика определения параметров зоны упруго-пластических деформаций по контакту системы «труба-грунт» от нагрузок с учетом реологических свойства грунтов.
4. Результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать во времени критические параметры развивающихся арок и определять сроки и виды ремонтов магистральных газопроводов на аркоопасных участках трассы.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Михаленко Е.С. Продольные силы как причина нарушения проектного положения газопровода на болотах. / В.А. Иванов. // Сборник научных трудов «Мегапаскаль» – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С.48 – 49.
2. Михаленко Е.С. Обзор методов ремонта нарушений проектного положения магистрального газопровода. / В.А. Иванов. // Сборник научных трудов «Мегапаскаль» – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С.51 – 54.
3. Михаленко Е.С. Влияние методов строительства на прочность охлаждаемого газопровода. / В.А. Иванов, А.Ю. Годлевский. // Сборник научных трудов «Мегапаскаль» – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С.28 – 29.
4. Михаленко Е.С. Проблема сохранения проектного положения подземного газопровода в условиях Западной Сибири. / В.А. Иванов, С.В Кузьмин. // Материалы региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С.106 – 110.
5. Михаленко Е.С. Определение величины продольного перемещения магистрального газопровода с учетом мгновенных и ползучих перемещений. / В.А. Иванов. // Международная научно-техническая конференция «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли». – Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – С. 130 – 134.
6. Михаленко Е.С. Прогнозирование роста выпученного участка магистрального газопровода с учетом реологических свойств грунта. / В.А. Иванов. // Журнал «Известия вузов. Нефть и газ»., 2007. №1. – С.48 – 51.
Подписано к печати Бум. писч. №1
Заказ № Уч. – изд. л.
Формат 60 84 1/16 Усл. печ. л.
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.
__________________________________________________________________________________
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625039, Тюмень, ул.Киевская, 52
