Разработка методики контроля напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НАДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ
НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тюмень – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научный руководитель:        

       доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:        

доктор технических наук, профессор, Тюменский государственный нефтегазовый университет, профессор кафедры «Прикладная механика»

доктор технических наук, доцент,

Северо-Кавказский федеральный университет, профессор кафедры «Нефтегазовое дело»

Ведущая организация:        , г. Тюмень

Защита состоится 24 декабря 2013г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете г. Тюмень,
ул. Мельникайте, библиотечно-издательский комплекс, .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-издательском комплексе по адресу

(www. tsogu. ru)

Автореферат разослан 23 ноября 2013 г.

И. о. ученого секретаря диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На протяжении длительного исторического периода основой стабильного экономического развития России является нефтяная отрасль. Эффективный экспортный и внутригосударственный товарооборот нефти обеспечивают магистральные нефтепроводы (МН) (до 95% добываемой нефти), общая протяженность которых, в 2011 году превысила 71 тыс. км. Значение развития нефтетранспортной отрасли для внутренних и зарубежных потребителей нефти отмечено в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года». С целью регулирования вопросов, связанных с эксплуатацией трубопроводной системы на заседании Президиума Правительства Российской Федерации 1 июля 2010 г. было принято решение о внесении в Государственную Думу законопроекта «Технический регламент о безопасности магистральных трубопроводов для транспортировки жидких и газообразных углеводородов». Законопроект подчеркивает необходимость проведения опережающих научных исследований при строительстве в сложных геологических условиях, необходимость проведения измерительного контроля деформаций линейной части магистрального трубопровода с целью обеспечения безопасной эксплуатации. В соответствии с федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» МН относятся к I классу опасности как «объекты чрезвычайно высокой опасности». Таким образом, обеспечение надежного процесса транспорта является важной задачей отраслевой и государственной политики.

Активное строительство трубопроводной транспортной системы ведется в северных и восточных регионах страны. Распространение многолетнемерзлых грунтов (ММГ) на участках строительства новых объектов потребовало необычного для отрасли технического решения – прокладки протяженных участков надземных трубопроводов: «Ванкор-Пурпе», «Заполярье-Пурпе». Сезонное движение мерзлых грунтов предъявляет особые требования к осуществлению контроля напряженно-деформированного состояния нефтепровода в период эксплуатации. В настоящее время научные труды, посвященные строительству и эксплуатации надземных МН касаются, как правило, относительно коротких участков – переходов через природные препятствия.

Таким образом, решение вопросов надежной эксплуатации протяженных надземных магистральных нефтепроводов, проложенных в области распространения ММГ, является актуальной научной задачей с позиций государственной политики, развития научного знания, практической значимости для создаваемых технических систем.

Цель диссертационного исследования: разработка методики контроля напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах для принятия управленческих решений, обеспечивающих повышение надежности эксплуатации.

Объектом исследования является линейная часть магистрального надземного нефтепровода, во взаимодействии с многолетнемерзлым грунтом основания.

Предмет исследования: изменение напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, в результате перемещения опор, обусловленного воздействием многолетнемерзлого грунта основания.

Основные задачи исследования

Разработать методику оценки уровня значимости напряжения материала деформированного участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода.

Разработать методику расчета параметров напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода на основе данных о геометрическом положении его элементов.

Разработать методику контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного на многолетнемерзлых грунтах.

Методологические основы

В диссертации корректно использованы классические положения теории упругости, сопротивления материалов и строительной механики, метод граничных элементов.

Научная новизна работы

Разработана методика оценки значимости уровня напряжения материала деформированного участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода на основе параметров динамики роста напряжения металла трубы (D,%) и относительного напряжения металла на текущий момент (Nп,%).

Разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода методом граничных элементов в балочной модели по данным о геометрическом положении его составных частей.

Разработана методика контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, основанная на системном подходе теории геотехнического мониторинга, направленная на предупреждение деформаций, возникающих при перемещении опор, обусловленном изменением свойств мерзлого грунта.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработанная методика оценки уровня значимости напряжения материала эксплуатируемого магистрального нефтепровода дает возможность определять частоту наблюдений за развитием деформаций конкретного участка, принимать решение о необходимости ремонтных мероприятий и мероприятия по стабилизации грунтов оснований.

Разработанный алгоритм расчета НДС отдельного участка магистрального нефтепровода может быть использован для создания программного комплекса, обеспечивающего расчет балочной модели трубопровода любой протяженности. Результаты, полученные при реализации расчета, могут быть использованы при исследовании НДС наиболее нагруженных участков в моделях, учитывающих существующие дефекты.

Разработанная методика контроля позволяет систематизировать деятельность предприятия по контролю НДС надземного магистрального трубопровода, с целью обеспечения надежной эксплуатации.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается удовлетворительной согласованностью результатов расчетов с использованием предложенных в работе численных моделей с результатами расчетов частных задач по методикам, разработанным другими авторами и применяемым в СНиП.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на различных конференциях: Международной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты безопасности жизни, охраны окружающей среды, сохранения и восстановления биоразнообразия в регионах» (г. Великий Новгород, научные чтения «Белые ночи 2011» МАНЭБ 2011 г.); VII Международной научно-практической конференции «Приоритетные научные направления: от теории к практике» (г. Новосибирск, 2013); XXVI Международной научно-практической конференции «Технические науки – от теории к практике» (г. Новосибирск, 2013); II Заочной международной научно-практической конференции «Техника и технологии: роль в развитии современного общества» (г. Краснодар, 2013); XXV Международной научно-практической конференции «Инновации в науке» (г. Новосибирск, 2013); VII Молодёжной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука XXI века: новый подход» (г. Санкт-Петербург, 2013); XXV Международной научно-практической конференции «Наука и современность 2013» (г. Новосибирск, 2013); VI Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской науки» (г. Новосибирск, 2013).

Работа была представлена на Тюменском международном инновационном форуме «НефтьГазТЭК-2013», где была отмечена наградой за победу в конкурсе инновационных проектов в сфере нефтегазовой отрасли, номинация «Транспорт и хранение нефти и газа»
(г. Тюмень, 2013 г.).

Публикации. По материалам работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, содержит 170 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 26 рисунков, библиографического списка использованной литературы из 90 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

Методика оценки значимости уровня напряжения материала деформированного участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода как основа для принятия решения о необходимости ремонтных работ, стабилизации свойств грунтов оснований. Методика расчета напряженно-деформированного состояния протяженного магистрального надземного нефтепровода в виде программного комплекса, разработанного на основе метода граничных элементов. Методика контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного на многолетнемерзлых грунтах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи диссертации, показана научная новизна и практическая ценность выполненных исследований.

В первом разделе проведен анализ законодательства РФ, отраслевых нормативных документов с позиции существующих требований, предъявляемых к обеспечению безопасности эксплуатации надземных МН в области ММГ, проведению расчета на прочность. Проведен анализ научных исследований в области управления состоянием мерзлых грунтов, инженерной криологии, механики грунтов. Среди них труды , , , и др. Проведен анализ методов исследования и контроля напряженно-деформированного состояния надземных нефтепроводов в работах , , , и др. В целом, необходимо следовать последним достижениям науки, обеспечивая системность подхода, образующего единую систему геотехнического мониторинга. При этом наиболее актуальным предметом исследований является контроль НДС непосредственно трубопровода.

На основе анализа указанных исследований сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе предложена методика контроля напряженно-деформированного состояния надземного МН, проложенного на многолетнемерзлых грунтах. Для разработки методики сформулированы следующие предположения:

МН состоит из участков, отделенных неподвижными опорами, каждый из них считается независимым объектом расчета (ОР). Неподвижная опора рассматривается в качестве жесткой заделки. Учитываются силы, вызывающие продольное напряжение на соседних ОР. Деформирование участков трубопровода возможно только в результате перемещений свай основания, следствием чего станет перемещение опоры, которое вызовет аналогичное перемещение трубы. Динамика изменения напряжения металла трубы в двух последовательных периодах между наблюдениями будет сохраняться на одном уровне или уменьшаться в случае исполнения стабилизирующих воздействий на грунт, сохранения среднегодовой температуры.

Первые два предположения постулируются. Для обоснования предположения 3 приводится анализ расчетной схемы балочной модели надземного трубопровода с целью проследить зависимость максимального напряжения в трубе от вертикального перемещения одной опоры. Деформации рассматриваются в упругой зоне.

Напряжение в металле трубы надземного трубопровода при деформации в упругой области будет определяться изгибающим моментом (1). Расчет значения изгибающего момента и перемещения точки методом граничных элементов (МГЭ) определяется уравнениями (2), (3), составленными на основе работы , с использованием функции Хевисайда (4). Максимальный допустимый изгибающий момент определен по формуле (5), предложенной

,        (1)

,        (2)

,        (3)

,        (4)

,        (5)

где – изгибные напряжения; – кольцевые напряжения от внутреннего давления; , – изгибающий момент и вертикальное перемещение в точке ; –изгибающий момент в начальной точке, – абсолютный максимальный изгибающий момент; - координата точки приложения силы F; W – момент сопротивления сечения трубы; - момент инерции; – поперечная сила в начальной точке; - начальный угол прогиба; q – полная распределенная нагрузка; – расчетное сопротивление, согласно СНиП 2.05.06-85*.

На основе полученного решения сделан вывод: изменение зависит от действия силы реакции опоры прямо пропорционально при перемещении опоры.

Возможные изменения вертикальной силы F, действующей со стороны опоры на трубопровод рассмотрим на основании уравнения (6) равновесия сил, действующих на сваю в условиях морозного пучения (), и (7) несущей способности сваи (СНиП 2.02.04-88).

       (6)

где n – число слоев активного пучения; k – число слоев мерзлой толщи; – глубина i-го слоя активного пучения, м; – глубина k-го слоя мерзлой толщи, м; – средний периметр сечения фундамента по длине , м; – средний периметр сечения фундамента по длине , м; – величина сил морозного пучения i-го слоя, кПа; – величина прочности смерзания k-го слоя мерзлой толщи и фундамента, кПа; N1- вертикальная нагрузка, создаваемая трубопроводом, Н.

Увеличение динамики перемещений, маловероятно, так как резкое изменение за один сезон показателей , невозможно без теплового или механического воздействия. Параметр N1 возрастает с увеличением накопленных деформаций опоры благодаря действию сил упругости, возникающих в трубе.

,

(7)

где n – число слоев мерзлого грунта; – температурный коэффициент; – коэффициент условий работы основания; R – расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи, кПа; – расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента в пределах i-го слоя грунта, кПа; A –площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м2; – площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, а для столбчатого фундамента – площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента, м2; Nu – несущая способность основания.

Осадка опоры происходит при выполнении неравенства . При параллельном течении процессов осадки опоры и уменьшения толщи ММГ слагаемое уменьшится незначительно, так как снижение уровня кровли компенсируется погружением сваи в слои ММГ, расположенные ниже. при осадке опоры будет уменьшаться под действием сил упругости, возникающих в трубе при прогибе.

Блок-схема методики контроля НДС сформирована на основе сделанных предположений и понимании ее назначения (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Блок-схема методики контроля НДС магистрального надземного нефтепровода, проложенного в области распространения ММГ.

Блок «Анализ начальных данных» включает сбор и систематизацию сведений об объекте. Трубопровод разбивается на отдельные ОР с присвоением номера. Составляются расчетные уравнения и формируется специализированный программный комплекс.

Второй и третий блоки образуют контролирующий цикл НДС трубопроводов и грунтовых условий. Блок 2 нацелен на анализ НДС трубопровода. Проводятся геодезические исследования реальной геометрии трубопровода, расчет НДС и присвоение каждому пролету уровня значимости напряжений. Производится анализ данных, полученных в результате выполнения других видов диагностики. Формируется общая база данных дефектов и деформаций трубопровода на текущий момент времени.

Блок «Ремонтные работы и стабилизация грунтов оснований» содержит мероприятия, направленные на снижение напряжения металла труб и динамики перемещения опор.

Таким образом, предложенная в диссертационной работе методика включает техническую и геологическую часть геотехнической системы «ММГ – надземный магистральный нефтепровод», что соответствует принципам формирования системы геотехнического мониторинга. Примененный системный подход обеспечивает возможность эффективного планирования наблюдений, ремонтных операций, мер, направленных на предупреждение развития деформаций трубопровода, вызванных изменением грунтовых условий. Электронный паспорт позволяет хранить историю эксплуатации трубопровода, что на поздних этапах позволит оценить его остаточный ресурс, а также сформирует базу данных, которые могут быть использованы для других исследований.

В третьем разделе выполнено обоснование блока исходных данных для расчета НДС и методика оценки значимости деформаций.

Блок исходных данных представляет собой систематизированную совокупность данных о положении трубы в области крепления к опорной части. Магистральный надземный трубопровод рассматривается как неразрезная балка, расчетная схема которой представляет прямую линию с различными опорными условиями. При упругом изгибе участка отклонение от прямой линии учитывается в расчетах как деформация, применение специальных отводов означает использование дополнительных стержней и учета связи между ними. Опорные условия определяются типами опор. Определение отклонений на различных опорах приведено на рисунках 2-3.

Оценка уровня значимости напряжений основана на анализе двух параметров: динамика роста напряжения металла трубы (D,%) (9) и расчетное напряжение металла на момент измерений, предшествующий настоящему (Nп,%) (8). 

,        (8)

где - напряжение металла, определенное по результатам наблюдений предшествующим последним в наиболее опасном сечении пролета; – максимальное напряжение метала определенное по проекту для данного пролета, - максимально допустимое значение, рассчитанное по СНиП 2.05.06-85*.

Выражение – определяет допустимый диапазон изменений напряжения металла от проектного значения до значения регламентированного СНиП.

,        (9)

где - напряжение металла, определенное по результатам последних наблюдений в наиболее опасном сечении.

Рисунок 2. Определение перемещений на продольно-подвижных опорах в вертикальной плоскости по отметкам низа трубы.

Рисунок 3. Определение перемещений на продольно-подвижных опорах в горизонтальной плоскости по отметкам оси трубы.

Уровень значимости напряжений при максимальной динамике D может перейти за один период только на следующий по порядку уровень, т. е. должно выполняться условие . Коэффициент регламентирует допустимые границы уровней.

Частота наблюдений для низкого и среднего уровня значимости напряжений определена как рекомендованная для стандартных сооружений. Для высокого уровня частоту наблюдений можно определить как для оползневых участков прокладки трубопроводов, по методике предлагаемой в работе

Верхнюю границу низкого уровня значимости напряжений предлагается определять аналогично требованию СНиП, т. е. по коэффициентам , m, , , обеспечивающим требуемый уровень надежности (10):

,        (10)

где m – коэффициент условий работы; – коэффициент надежности по материалу; – коэффициент надежности по назначению, – коэффициент; учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб.

Верхняя граница среднего уровня значимости определиться, как среднее значение между предельно допустимым – 1 и верхней границей низкого уровня (11):

,        (11)

Таким образом, выполнено обоснование блока исходных данных, обеспечивающих возможность расчета НДС магистрального надземного трубопровода. Разработана методика оценки уровня значимости напряжений, которая позволяет обобщать информацию и принимать решение о необходимости проведения ремонта, мероприятий по стабилизации свойств грунта оснований.

В четвертом разделе предложена методика создания программ расчета НДС трубопровода в деформированном положении. Особенностью программ является возможность по введенному блоку исходных данных получить эпюры параметров НДС для ОР. Алгоритм представлен на рисунке 4. Расчетное матричное уравнение имеет вид (12):

,        (12)

где A*(L) – квадратная матрица значений ортонормированных фундаментальных функций, приведенная к диагональному виду, описывающих состояние системы при x=L и значений коэффициентов уравнений связи между граничными параметрами; X(0,L) – вектор неизвестных начальных и конечных граничных параметров; B(L) – вектор внешних нагрузок.

После составления матричного уравнения производится сортировка строк матрицы A*(L) и B(L) с целью приведения матрицы A*(L) к квазидиагональному виду и выполняется решение методом Гаусса. Результатом решения уравнения становятся значения всех граничных параметров каждого пролета.

Рисунок 4. Блок-схема алгоритма расчета параметров НДС

надземного трубопровода.

Последним этапом становится расчет интегральных уравнений состояния (13):

(13)

где E – модуль упругости; G – модуль сдвига; I – осевой момент инерции; Ip – полярный момент инерции; – угол поворота сечения; M – изгибающий момент; Mk – крутящий момент; Q – поперечная сила; u – продольное перемещение; N – продольная сила; – угол закручивания; F – реакция опоры; A – площадь сечения; б – коэффициент температурного расширения; dt – разница температур; (z – вертикальная плоскость, y – горизонтальная плоскость).

Таким образом, разработанная методика расчета магистральных нефтепроводов учитывает требования СНиП 2.05.06-85*, при реализации в виде программного комплекса, обеспечивает расчет балочной модели трубопровода любой протяженности. Результаты, полученные при реализации расчета, могут быть использованы при исследовании НДС наиболее нагруженных участков в моделях, учитывающих существующие дефекты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Разработана методика оценки уровня значимости напряжения материала деформированного участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода на основе параметров динамики роста напряжения металла трубы (D,%) и относительного действующего напряжения металла на текущий момент (Nп,%). Разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода методом граничных элементов в балочной модели по данным о геометрическом положении его составных частей. Разработана методика контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, основанная на системном подходе теории геотехнического мониторинга, направленная на предупреждение деформаций, возникающих при перемещении опор, обусловленном изменением свойств мерзлого грунта. В целом, реализация разработанных решений позволяет систематизировать деятельность предприятия по контролю НДС трубопровода, принимать управленческие решения, направленные на обеспечение надежной эксплуатации надземных магистральных нефтепроводов.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.	Повышение надежности эксплуатации надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах / , // Нефть и газ: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). - М.: Издательство "Горная книга". - 2013. - №ОВ3. - С.197-208.
2.	Применение метода граничных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов, проложенных на многолетнемерзлых грунтах / , // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2013. - №4. - С. 18-23. В других изданиях
3.	Некоторые вопросы инженерной криологии в области промышленной и экологической безопасности / , , // «Научные чтения «Белые ночи – 2011». Материалы международных научных чтений. – Великий Новгород, Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), НовГУ им. Ярослава Мудрого. - 2011. – С. 133-139.
4.	Формирование основного матричного уравнения метода граничных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода / , // Технические науки - от теории к практике: сборник статей по материалам XXVI международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд. «СибАК». - 2013. –С.129-138.
5.	Требования нормативных документов при разработке методики контроля деформаций надземных магистральных нефтепроводов в криолитозоне/ , // Приоритетные научные направления: от теории к практике: сборник статей по материалам VII международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд. «ЦРНС». - 2013. – С. 90-98.
6.	Проблемы обеспечения надежности эксплуатации сооружений в криолитозоне/ , // Инновации в науке: сборник статей по материалам XXV международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд. «СибАК». - 2013. – С. 57-65.
7.	Учет силы трения при расчете напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода / Техника и технологии: роль в развитии современного обшества: сборник статей по материалам II международной научно-практической конференции. - Краснодар: Изд. «Априори». - 2013. – С. 197-201.
8.	Ананлиз опорных условий надземного магистрального нефтепровода в криолитозоне. Наука XXI века: новый подход: сборник статей по материалам VII молодежной международной научно-практической конференции. - СПб: Изд. «Айсинг». - 2013. - С. 17-21.
9.	Систематизация процесса контроля деформаций надземного магистрального нефтепровода/ , // Наука и современность 2013: сборник статей по материалам XXV международной научно-практической конференции: в 2-х частях. Часть 2 - Новосибирск: Изд. «ЦРНС». - 2013. – С.46-52.
10.	Формирование блока исходных данных для расчета напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода / , // Достижения вузовской науки: сборник статей по материалам VI международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд. «ЦРНС». - 2013. – С. 122-127.

Подписано в печать 22.11.2013 Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ № 000

Библиотечно-издательский комплекс

федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет».

625000, Тюмень, .

Типография библиотечно-издательского комплекса.

625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.