К 55-летию Тюменского государственного нефтегазового университета (стр. 16 )

Сведения об авторах

, Нефтегазвзрывпромстрой, Республика Башкортостан, Уфа, e-mail: *****@***ru

, Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, e-mail: *****@***ru.

Chichuguin V. A., OJSC «Trust Neftegasvzryvpromstroy», Republic of Bashkorstan, Ufa, e-mail: *****@***ru

Noskov S. V. Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen, e-mail: *****@***ru.

__________________________________________________________________________________________

УДК 622.692

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ

ГАЗОПРОВОДОВ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ГРАНИЧНЫХ ЗОН

ANALYSIS OF GAS PIPELINE SPATIAL DISPLACEMENTS WITH ASSESSMENT

OF BOUNDARY ZONES

, ,

S. Ya. Kushnir, M. Yu. Karnaukhov, S. A. Pulnikov, Yu. S. Sysoev

Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень,

трансгаз Сургут», г. Сургут

Ключевые слова: магистральный газопровод, пространственные перемещения,

температурное расширение

Key words: trunk gas pipeline, spatial displacements, thermal expansion

Подземные магистральные газопроводы, прокладываемые в инженерно-геологических условиях Западной Сибири, подвержены значительным пространственным перемещениям и находятся в сложном силовом взаимодействии с окружающими их грунтами.

По данным трансгаз Сургут» [1], эксплуатирующего магистральный газопровод Уренгой-Сургут-Челябинск, значительная протяженность трубопровода (10%) имеет участки с непроектным положением в виде их оголения, всплытия, образования арочных выбросов. В большинстве случаев вывода участков трубопровода на капитальный ремонт приходится сталкиваться именно с непроектным положением.

В настоящее время не существует достоверных силовых схем взаимодействия подземного газопровода со слабыми грунтами, которые бы гарантировали устойчивость трубопровода в проектном положении на весь срок его эксплуатации.

Актуальность проблемы обусловлена: значительным количеством, разнообразием и суммарной протяженностью таких участков; высокой стоимостью и технологической сложностью производства работ по восстановлению проектного положения участков аркообразования; отсутствием эффективных методов прогнозирования пространственных перемещений.

Анализ нормативной документации, регламентирующей способы восстановления проектного положения подземных трубопроводов, а также планов производства работ по ремонту участков аркообразований за гг. показал, что решение о границах восстанавливаемого участка основывается на результатах геодезических изысканий, которые устанавливают фактические геометрические параметры оголенных участков. Как правило, границы ремонтно-восстановительных работ совпадают с границами непроектного положения. Опыт эксплуатации свидетельствует о несовершенстве существующих подходов. Большинство восстановленных участков бывших аркообразований продолжают трансформироваться, что сопровождается увеличением изгибных напряжений в стенке трубы и приводит к потере общей и местной устойчивости.

На основе экспериментальных данных, полученных в процессе обработки более семидесяти существующих участков в непроектном положении, авторами сделана попытка определить их граничные зоны. В исследовании рассматривались аркообразования с одной полуволной, как самые распространенные, протяженностью от 50 до 250 м и со стрелой прогиба до 5 м от проектных отметок.

Для определения более точных геометрических параметров линия изгиба каждой арки описана колоколообразными функциями, предложенными авторами, которые более точно передают геометрию аркообразования по сравнению с использовавшейся в более ранних работах [2–5] синусоидальной функцией. С помощью предложенных функций произведена обработка данных геометрии арок и получена графическая зависимость между параметрами оголенного участка (отношение стрелы прогиба к длине оголенного участка) и удлинения газопровода при температурном расширении металла трубы.

Компенсация возникающих продольных усилий в газопроводе при аркообразовании в результате удлинения происходит не только на участке изменения высотного положения, но и на участке, к нему прилегающему. Для определения полной длины трубопровода, участвующей в процессе аркообразования и граничных зон, требуется методика, позволяющая учитывать грунтовые условия, эксплуатационный режим и климатические условия.

Для этого с помощью синусоидальной функции [6–10]:

, (1)

где — длина оголенного участка; — стрела прогиба.

А также с помощью предложенных авторами двух вариантов колоколообразных кривых, стремящихся на бесконечности к нулю:

и , (2)

где , производится аппроксимация линии изгиба трубопровода.

Степень k позволяет регулировать остроту максимального значения, величина x0 — центрирует кривую, величина a нормирует исходные данные, f отвечает за величину максимума.

Синусоидальная функция (1) является более простой в использовании, но и c самой высокой степенью погрешности среди рассматриваемых. Удобство заключается в том, что коэффициенты, входящие в функцию, являются постоянными для любой конфигурации арки и для расчета удлинения ΔL достаточно знать только стрелу прогиба f и длину оголенного участка L.

Предложенные колоколообразные функции (2) достаточно точно описывают линию изгиба трубопровода при аркообразовании, особенно «загнутые» примыкающие к нему участки. Пример аппроксимации линии изгиба с помощью функций (2) приведен на рис. 1.

Для определения удлинения ΔL необходимо в каждом отдельном случае вычислять необходимые коэффициенты, входящие в функцию, поэтому для решения поставленной задачи разработана компьютерная программа, с помощью которой произведены необходимые вычисления на основе данных по существующим аркам.

Алгоритм программы по выявлению наилучшего значения набора параметров для данного набора экспериментальных точек основан на выявлении наименьшего значения квадрата модуля отклонения, рассчитанного по предложенным авторами зависимостям (2), из эксперимента на основе перебора значений x0, a, k, f в некотором интервале значений.

а) б)

Рис. 1. Пример аппроксимация линии изгиба трубопровода по известным

координатам его геометрии с использованием колоколообразных функций:

(а) ; (б).

Результаты проведенной работы представлены в виде графических зависимостей между отношением стрелы прогиба к длине арки f/L от удлинения всего рассматриваемого участка ΔL. Зависимость, полученная с помощью обработки данных по синусоидальной функции, представлена на рис. 2. График зависимости f/L от ΔL (см. рис. 1) основан на данных существующих аркобразований и может быть использован для определения удлинения трубопровода по уравнению синусоидальной функции, основываясь только на известном значении стрелы прогиба и длины оголенного участка.

Рис. 2. График зависимости отношения стрелы прогиба к длине арки от удлинения трубопровода с помощью синусоидальной функции

Данный вид зависимости имеет заранее известную погрешность в виде неспособности функции синуса точно описать точки примыкания линии изгиба к прямолинейным участкам. Концы линии изгиба не «загнуты» вверх и не стремятся к прямой линии.

Результат обработки удлинения арки ΔL в зависимости от выбранной относительной переменной f/L для функции представлен на рис. 3; для — на рис. 4.

а) б)

Рис. 3. Зависимость показателя степени ΔL от величины f/L функции :

а) полином имеет вторую степень; б) полином имеет третью степень

а) б)

Рис. 4. Зависимость показателя степени ΔL от величины f/L функции :

а) полином имеет вторую степень; б) полином имеет третью степень

Предложенный авторами подход (см. рис. 3, 4) позволяет более точно описать характер пространственного положения арки и исходный экспериментальный материал.
Для определения удлинения достаточно знать значения f, L и по их безразмерной
комбинации, рассчитать удлинение. Предлагаемая авторами методика определения граничных зон участка аркообразования подземного газопровода по известным начальным геометрическим и эксплуатационным данным отражена на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость удлинения участка трубопровода от его длины с учетом

эксплуатационных параметров и грунтового фактора:

1— при Δt=5, 2 — при Δt=10, 3 — при Δt=15, 4 — при Δt=20,5 — при Δt=25

График зависимости (см. рис. 5) позволяет определить граничные зоны пространственных перемещений газопровода по найденному значению удлинения вследствие температурного расширения металла трубы. При этом учитывается вид грунта, в котором находится исследуемый участок и эксплуатационные характеристики газопровода в рассматриваемый период его эксплуатации.

Список литературы

1. , Кушнир трубопроводы в районах глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов. – СПб: Недра, 2010. – 174 с.

2. , , Пульников стрелы прогиба арочного выброса по длине подземного газопровода. //Известия вузов. Нефть и газ. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2008г, №4 – С.101-104.

3. , Березин магистральных трубопроводов. – М., Недра, 1977. – С.106-117.

4. Айбиндер магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Справочное пособие. – М., Недра,1991. – С.190–208.

5. Бородавкин магистральных трубопроводов. – М., Недра, 1984. – 245 с.

6. Эксплуатация магистральных газопроводов: Учебное пособие./Под общей редакцией . – Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2002. – 528с.

7. , , Пульников арочных выбросов подземных магистральных газопроводов при переменной обводненности грунтов. – СПб: , 20с.

8. , Горковенко формирования арочного выброса подземного трубопровода в период паводковых явлений // Механизм формирования. – 2008. - №8. – С. 72-75.

9. Горковенко положение вертикальной арки, находящейся под воздействием гидростатических сил выталкивания // Известия вузов. «Нефть и газ». – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006г, № 2 – С.55-58.

10. Горковенко роста арок с одной или двумя полуволнами // Известия вузов. Нефть и газ. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006г. - №3. – С. 67-71

Сведения об авторах

, д. т. н., профессор кафедры «Транспортные и технологические системы», Тюменский государственный нефтегазовый университет, , e-mail: [e-mail]

, начальник ЛПУ трансгаз Сургут», г. Сургут,

, к. т. н., доцент кафедры «Транспортные и технологические системы», Тюменский государственный нефтегазовый университет, , e-mail: [e-mail]

, заведующий лабораторией МГ, Кафедра «Транспортные и технологические системы», Тюменский государственный нефтегазовый университет, ,
e-mail: [e-mail]

Kushnir S. Ya., Doctor of Technical Sciences, professor of the chair «Transport and engineering systems», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (34, e-mail: *****@***r

Karnaukhov M. Yu., Head of LPU «Gasprom transgas Surgut, Ltd.», Surgut, phone: (34,

Pulnikov S. A., Candidate of Technical Sciences, associate professor of the chair «Transport and engineering systems» , Tyumen State Oil and Gas University, phone: 34, e-mail: *****@***ru

Sysoev Yu. S., Head of Laboratory MG, the chair «Transport and engineering systems», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (34, e-mail: *****@***ru

_________________________________________________________________________________________

УДК 620.193:621.642.3

РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТНОГО КОЛЬЦА РЕЗЕРВУАРА С ДЕФЕКТАМИ

CALCULATION OF THE STEEL RESERVOIR FOUNDATION RING WITH DEFECTS

, ,

P. F. Silnitsky, M. A. Tarasenko, A. A. Тarasenko

Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень,

Ключевые слова: РВС, фундаментное кольцо, дефект, модель

Key words: RVS, foundation ring, defect, model

При сооружении новых резервуарных парков, а так же при ремонте или реконструкции длительно эксплуатируемых резервуаров возникает потребность в расчете прочности фундаментного кольца. Задача существенно усложняется при наличии многочисленных дефектов металлоконструкций и самого фундамента. В существующих норамтивно-технических документах решение задачи в подобной постановке не приводится, однако, без подтверждающих расчетов положительное решение Главгосэкспертизы на проект не выдается. Совершенно очевидно, что расчеты для каждого резервуара будут оригинальными, с уникальным сочетанием возмущений напряженно-деформированного состояния (НДС), вызванным различными дефектами конструкции. После корректного составления расчетной схемы задача сводится к определению эквивалентного сечения армирующих стержней фундаментного кольца. Предлагается решение задачи численными методами с использованием программного комплекса «Structure CAD».

В случае выявления дефектов, на этапе диагностирования необходима оценка их влияния на напряженно-деформированное состояние резервуара. Одна из методик оценки уровня НДС резервуаров приводится в [1].

Обоснование возможности дальнейшей эксплуатации фундаментов предусматривает проверку деформаций основания и оценку прочности конструкций фундамента. Проверка деформаций основания осуществляется по данным инженерно-геологических изысканий, учитывая геологическое строение грунтового массива, вовлеченного в работу. Результатом оценки деформаций основания является определение абсолютной осадки и кренов фундамента, а также величины глубины сжимаемой толщи. В этом случае расчёт выполняется в соответствии с [2,3]. Проверочный расчёт на прочность конструкции фундамента выполняется с учётом результатов его обследования, где определены тип, расположение и диаметр рабочей арматуры, класс бетона и существующие дефекты. Методики расчёта прочности фундамента, представленные в [4, 5, 6], применимы только в случае осесимметричного нагружения, в отсутствие дефектов фундамента, однако, требования Главгосэкспертизы предусматривают в расчёте учёт всех дефектов и особенностей конструкции фундамента, что накладывает ограничения на применение данных методик. Реализация указанных выше требований может осуществляться с применением конечно-элементных моделей, позволяющих учитывать все конструктивные особенности и дефекты фундамента [7].

Для решения поставленной задачи авторами разработана конечно-элементная модель фундаментного кольца РВС(П, ПК)-20000, реализованная в системе прочностного анализа и проектирования конструкций «Structure CAD». Программный комплекс сертифицирован на соответствие действующим на территории РФ нормативно-техническим документам. Построение модели начинается с введения геометрических характеристик фундамента и элементов резервуара, после чего задаются типы конечных элементов.

Таким образом, методом триангуляции геометрическая модель преобразуется в конечно-элементную (рис. 1).

Рис. 1. Конечно-элементная модель РВС-20000

Для расчёта необходимо задать следующие входные данные: характеристики грунтового массива, используемого в качестве основания резервуара; прочностные характеристики бетона фундамента; тип, диаметр и расположение армирующих элементов железобетонного кольца; максимально возможные для данного резервуара эксплуатационные нагрузки на фундамент.

Идеальная модель (см. рис. 1) создается для проверки адекватности расчетной схемы, составленной в соответствии c эксплуатационными нагрузками (рис. 2).

Результаты сравниваются с аналитическими решениями, выполненными в соответствии с действующими нормативными документами [2,3]. При погрешности между аналитическим и численным результатом в 7% решение продолжается, в противном случае сгущают сетку конечных элементов.

Рис. 2. Схема приложения эксплуатационных нагрузок к фундаментному кольцу:

1— центральная часть днища; 2 — листы окрайки днища; 3 — листы стенки;

4 — фундаментное кольцо; 5 — арматурные стержни; 6 — проектное положение металлоконструкций; P∑ — суммарная нагрузка от весов стационарного покрытия и оборудования, снегового покрова, и собственного веса стенки резервуара; Pc,q — гидростатическое давление столба жидкости на стенку и днище соответственно, с учётом веса понтона или плавающей крыши

Предложенный подход апробирован на эксплуатирующемся РВСП-20000, находящемся на одной из ЛПДС в Среднем Приобье. Расчёт аналитическими методами осложнялся наличием ряда дефектов фундаментного кольца, выявленных в ходе обследования фундамента. Среди них можно выделить: отслоение защитного слоя бетона, коррозионное повреждение и нарушение целостности стержней арматуры, зазоры между окрайкой днища и фундаментом. Указанные дефекты учтены в конечно-элементной модели фундаментного кольца резервуара, смоделировано нагружение резервуара водой, в результате расчета определены требуемые значения эквивалентного сечения армирующих
элементов.

Результаты проверочного расчета требуемого сопротивления грунта основания и прочности железобетонного фундамента резервуара с дефектами геометрической формы и коррозионными повреждениями бетона и армирующих элементов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Расчетные показатели требуемого сопротивления грунта основания,

МПа (поз. а) и эквивалентного сечения армирующих стержней фундаментного кольца, см2/м2: б – нижняя продольная арматура; в – верхняя продольная арматура;

г – нижняя поперечная арматура; д – верхняя поперечная арматура

Проверка условия прочности заключается в сравнении расчётного и фактического значений сечения арматуры в конструкции по предельным состояниям первой и второй групп: если при заданных характеристиках бетона расчётное значение площади армирующих элементов фундамента на 1 м2 площади сечения фундамента (см. рис. 3, поз.
б–Д, 0,09-6,05 см2/м2) меньше или равно фактическому (8,4 см2/м2), то прочность фундамента обеспечена. Если фактическое армирование фундамента меньше расчётного, то прочность фундамента при заданном уровне эксплуатационных нагрузок не обеспечивается, эксплуатация такого фундамента запрещается.

По такому же принципу оценивается возможность эксплуатации фундамента по расчетному сопротивлению грунта на уровне подошвы фундамента: в ходе моделирования загружения фундамента максимально возможными эксплуатационными нагрузками определяется требуемое значение расчетного сопротивления грунта (см. рис. 3, поз. а), равное в данном случае 12,38 МПа, которое не должно превышать значение, определенное в ходе полевых испытаний грунтов, равное в рассматриваемом случае 25,0 МПа. В противном случае эксплуатация фундамента с заданным уровнем эксплуатационных нагрузок запрещается.

Представленный подход предусматривает возможность учета в созданной модели обнаруженных при обследовании фундамента дефектов, а также изменения эксплуатационных нагрузок, в том числе и подбор их безопасного уровня для фундамента данного резервуара. Расчёт по предложенному алгоритму позволяет определить требуемые значения эквивалентного сечения продольной и поперечной арматуры в бетоне, оценить прочностные свойства железобетонного кольца и определить требуемое значение расчётного сопротивления грунта на уровне подошвы фундамента.

Данный подход может применяться не только в разработке проектов ремонта и реконструкции, но и при проектировании новых резервуаров с кольцевыми фундаментами, для определения необходимого армирования железобетонного кольца и оптимальных размеров фундамента в плане.