Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Современные методы расчёта устойчивости подземных трубопроводов, эксплуатируемых в сложных условиях
1.1. Расчетные модели силового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом и особенности процесса аркообразования .
1.2. Классификация нагрузок и их воздействий на подземный магистральный газопровод 18
1.3. Анализ аварийных ситуаций на магистральных газопроводах, связанных с формированием арки или арочного выброса выброса 20
Выводы по разделу 1 31
Раздел 2. Расчетные модели силового взаимодействия талого грунта с действующим подземным газопроводом 33
2.1. Физико-механические характеристики талых грунтов 33
2.2. Сопротивление талого грунта продольным перемещениям подземного трубопровода 35
2.3. Касательное сопротивление грунта продольным перемещени ям трубопровода с учетом вибронагружения его стенки 41
2.4. Сопротивление талого грунта поперечным перемещениям элементарного участка трубопровода 46
Выводы по разделу 2 48
Раздел 3. Определение продольных перемещений подземного трубо провода в область аркообразования 49
3.1. Аппроксимация зависимостей сопротивления грунта продольным и поперечным перемещением трубы 49
3.2. Определение продольной силы и продольных перемещений подземного трубопровода при пуске его в эксплуатацию
3.3. Определение продольных перемещений подземного газопровода в область аркообразования без учёта переменного обводнения примыкающего участка
3.4. Расчёт продольных перемещений с учётом переменного обводнения примыкающего участка
Выводы по разделу 3
Раздел 4. Определение конфигурации арки и уровня напряжённо-деформированного состояния стенки газопровода на участке аркообразования
4.1. Условия образования арки на потенциально опасном участке трассы газопровода
4.2. Определение геометрии арки без учёта изгиба трубопровода на примыкающем участке
4.3. Определение упругой линии газопровода с учётом продольных и поперечных перемещений на примыкающем участке
4.4. Расчёт напряжённо-деформированного состояния стенки газопровода на всей длине аркообразования
Выводы по разделу 4
Общие выводы по работе
Литература
- Расчетные модели силового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом и особенности процесса аркообразования
- Сопротивление талого грунта продольным перемещениям подземного трубопровода
- Аппроксимация зависимостей сопротивления грунта продольным и поперечным перемещением трубы
- Условия образования арки на потенциально опасном участке трассы газопровода
Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную надёжность подземных магистральных газопроводов (МГ)> является их силовое взаимодействие с окружающими грунтами Сложные инженерно-геологические и эксплуатационные условия Сибирского региона существенно влияют на пространственное положение МГ. Важнейшей причиной, влияющей на отклонение МГ от проектного положения, является влажность грунта, резко возрастающая в период весенних паводковых явлений. Увеличение влажности на потенциально опасных участках трассы сопровождается уменьшением сопротивления фунта продольным и поперечным перемещением трубы, что приводит к появлению арок различного пространственного положения. Комплексное рассмотрение влияние резкого увеличения влажности на процесс аркообразования МГ является сложной и актуальной задачей.
Цель диссертационной работы. Исследовать причины возникновения и дальнейшего развития вертикальных арок под влиянием резкого изменения объемной влажности грунта обратной засыпки в период паводковых явлений
Основные задачи исследований:
получить зависимости сопротивления грунта продольным и перемещением трубы с учетом переменной влажности грунта на примыкающих к центральной части арки участках;
разработать модель силового взаимодействия трубопровода с окружающим грунтом для определения продольного перемещения и продольной силы в стенке МГ на примыкающем участке;
разработать и обосновать физико-математическую модель для изучения продольно-поперечного изгиба газопровода на примыкающем и центральном участках арки,
- определить конечное значение продольной силы в стенке на центральном
участке арки,
- исследовать особенности напряженно-деформированного состояния (НДС)
стенки газопровода на полной длине аркообразования
Научная новизна выполненных исследований состоит в том, что впервые
- получены зависимости сопротивления грунта обратной засыпки продоль
ным и поперечным перемещениям трубы с учетом переменной объемной
влажности грунта на примыкающем участке;
на основе предложенных видов распределения влажности получены выражения для продольного перемещения и продольной силы на примыкающем участке,
получена система уравнений продольно-поперечного изгиба с учётом переменной продольной силы на примыкающем участке и переменной распределённой поперечной нагрузки на всём участке аркообразования;
- на основе сравнения изменения длины газопровода, рассчитанного гео
метрическим методом и методом деформаций, разработан способ определе
ния конечного значения продольной силы в центральной части арки,
- рассчитано НДС стенки газопровода на всей длине арки с учетом пере
менной влажности на примыкающем участке.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведённых исследований позволяют прогнозировать отклонение газопровода от проектного положения с учетом климатических и инженерно-геологических условий трассы в период паводковых явлений. Разработанная математическая модель процесса аркообразования позволяет рассчитывать НДС стенки трубы на участке трассы с аркой, что может быть положено в основу проведения дальнейших ремонтно-восстановительных работ
Достоверность полученных результатов обусловлена корректным применением методов механики грунтов, строительной механики, математического и регрессионного анализа, сопоставлением с известными теоретическими и
экспериментальными исследованиями других авторов и использованием данных проведенного мониторинга На защиту выносятся'
-
полученные зависимости силового взаимодействия подземного газопровода с грунтом, имеющим переменную объемную влажность;
-
разработанная механическая модель для определения продольного перемещения и продольной силы на примыкающем участке;
-
математическая модель и расчетная схема для определения продольно-поперечного изгиба газопровода на полной длине аркообразования,
4 способ определения конечного значения продольной силы;
5. особенности формирования НДС стенки газопровода с учетом переменной влажности грунта на примыкающем участке
Апробация работы.
Основные результаты и научные положения диссертационной работы были доложены на: 5-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии-нефтегазовому региону» (Тюмень, 2006 г); 6-я региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии-нефтегазовому региону» (Тюмень, 2006 г.), всероссийской научно-практической конференции «Нефть и газ в Западной Сибири» (Тюмень, 2006 г), научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (Тюмень, 2007 г ); региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (Тюмень, 2007 г.). Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов по работе и списка использованной литературы, включающего 127 наименований. Диссертация изложена на 119 страницах, содержит 45 рисунков, 15 таблиц
Расчетные модели силового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом и особенности процесса аркообразования
Устойчивость положения подземного трубопровода зависит от степени его прилегания к дну траншеи, изгибной жесткости трубы, механических свойств грунта, способов монтажа и т. д.. В процессе эксплуатации к воздействиям от указанных факторов добавляются дополнительные усилия от веса трубопровода и веса грунтовой засыпки, температуры и давления перекачиваемого продукта, от возможных просадок и выпучиваний трубопровода на участках, сложенных слабыми и мёрзлыми грунтами.
Трудности, возникающие при принятии инженерных решений, вызванных геотехнической проблемой, имеют объективные причины.
1. Значительные по протяженности участки строительства МГ располагаются в сложных инженерно-геологических условиях. В первую очередь, это болота различной категории, заболоченные и обводненные территории, участки, сложенные рыхлыми песками, суглинками и глинами текучей и текуче-пластичной консистенции. Сжатые сроки проведения инженерно-геологических изысканий и их большой объём не позволяют иметь достоверные характеристики грунтов по всей трассе.
2. Силовое и тепловое взаимодействие подземного газопровода с окружающими грунтами описывается идеализированными расчётными схемами, которые не в полной мере учитывают возможное изменение основных характеристик грунтов. Одной из важнейших характеристик является влажность грунта, прогноз изменения которой во времени и по трассе газопровода является практически невозможным, а её количественное определение для отобранных образцов грунта может резко отличаться в случае естественных условий залегания грунтов. 3. Наблюдающиеся отказы линейной части трубопроводов в виде оголения газопроводов на обводненных участках, выхода из строя анкерных систем, выпучивания газопроводов при пересечении болот, изгиба трубопроводов в составе вантовых и других переходов, приводят к необходимости более достоверной оценки НДС стенки трубы с последующей разработкой рациональных способов ремонтно-восстановительных работ.
Определение НДС стенки трубопровода, находящегося в непроектном положении, связано с расчётов дополнительных механических напряжений (обычно продольных) по результатам замера пространственных перемещений. Такая задача относится к некорректно поставленным и требует регуляризации, которая может быть выполнена различными способами при условии адекватности расчётной схемы, чего не всегда удаётся добиться на практике.
Имеется также целый ряд других геотехнических задач в области трубопроводного строительства, необходимость решения которых диктуется практикой эксплуатации трубопроводных систем.
Таким образом, прогноз развития и трансформации непроектных положений МГ требует применения расчетных моделей, обоснованных аналитически и подтвержденных экспериментальными исследованиями.
Первые публикации, касающиеся проблемы повышения устойчивости северных газопроводов в процессе эксплуатации, относятся к 1960-1970 годам; последние 30 лет наблюдается повышенный интерес к изучению проблемы, вызванный резким увеличением добычи газа и его транспортировкой по МГ. Исследованию продольной устойчивости подземного трубопровода посвящены работы А.Б.Айнбиндера [1-4], Л.А.Бабина, И.П.Петрова [71], П.П.Бородавкина [11-15], Л.И.Быкова [19], П.Н.Григоренко, Э.М.Ясина [119-121], В.И.Герникина, В.В.Рудометкина, В.В.Харионовского [107, 108], Л.А.Димова [36], А.И.Горковенко [31, 33, 34], В.А. Березина [8] и др.
В указанных работах подземный трубопровод рассматривается как балка трубчатого сечения, взаимодействующая с окружающим грунтом и нагруженная продольной силой. Силовой характер взаимодействия определяется различными аналитическими и феноменологическими моделями грунтов с дополнительным учётом их реологических свойств. Связь между сопротивлением грунта и соответствующим пространственным перемещением подземного трубопровода может быть линейной (в том числе и винклеровской), пластичной, жёстко пластичной, а также нелинейной.
Расчетная модель, предложенная В.А.Флориным, исходит из того, что касательное сопротивление грунта прямо пропорционально продольному перемещению трубы. Однако проведенные рядом авторов исследования показали, что эта модель хорошо работает только для малых перемещений [1].
В случае значительных продольных перемещений связь между сопротивлением грунта и перемещением трубы становится нелинейной.
Под руководством А.Б.Айнбиндера выполнены экспериментальные исследования [1] по установлению расчетной модели грунта и ее количественных параметров. Анализ полученных результатов позволил установить, что на диаграмме «касательное сопротивление грунта — продольное перемещение трубы» можно выделить три характерных участка.
На первом участке связь между сопротивлением и перемещением почти линейная (упругий линейный режим), что соответствует первой фазе уплотнения грунта (по Н.М. Герсеванову и Н.А. Цытовичу), когда грунт приобретает свойства упругого тела.
На втором участке (упруго-пластический режим) пропорциональность между сопротивлением и перемещением нарушается, что соответствует второй фазе, для которой доля упругих деформаций уменьшается и происходит нарастание остаточных деформаций (что подтверждается гистерезисными явлениями).
Третий участок соответствует работе грунта в стадии предельного равновесия, для которой сопротивление грунта не зависит от перемещения (жёстко-пластический режим). Величина предельного сопротивления может быть вычислена через пассивное давление грунта [10] или определена по результатам натурных испытаний [1].
Сопротивление грунта обратной засыпки продольным или поперечным перемещениям трубы изучалось А.Б.Айнбиндером [1, 5], П.П.Бородавкиным [11, 15, 16], Л.И.Быковым [18, 19], В.Н.Морозовым [68], И.П.Петровым [71], В.И.Герникиным, Л.А. Димовым [36], А.Ф. Клементьевым [52] и др.
Закономерности силового воздействия грунта на трубопровод могут быть положены в основу расчетных схем различного вида.
Указанные схемы разрабатывались А.Б.Айнбиндером [1-5], П.П.Бородавкиным [11, 13-15], В.В.Харионовским [103-108], И.Н.Кургановой [56-59], М.Ш.Хигером [109], Н.В.Николаевым [109], Л.А.Димовым [36], Е.Е.Тартаковским [90], Г.К.Клейном [51], А.Ф.Клементьевым [52], А.Д.Дорогиным [37], Э.М.Ясиным [119], Г.Н.Тимербулатовым [94], P.M. Зари-повым [40-44], С.В.Виноградовым [28, 29], В.Н.Морозовым [68], И.П.Петровым [71], К.Е.Ращепкиным [78], С.С.Фесенко [101] и др.
Сопротивление талого грунта продольным перемещениям подземного трубопровода
Перейдем к конкретному рассмотрению расчетных моделей взаимодействия грунтов с подземным трубопроводом. На первом этапе будет изучено взаи модействие грунта с участком трубопровода, имеющего единичную длину /0=1м; в дальнейшем этот участок будет называться элементарным. На втором этапе исследований рассмотренные дифференциальные зависимости такого взаимодействия будут интегрированы в уравнение продольного перемещения трубопровода или в уравнение его упругой линии при поперечных перемещениях.
Одной из первых расчетных моделей при продольных перемещениях трубы является линейная модель В.А.Флорина, исходящая из того, что касательное сопротивление грунта прямо пропорционально продольным перемещениям трубы. Однако, как показали проведенные различными авторами исследования, эта модель хорошо работает только при малых перемещениях. Жестко-пластическая модель грунта, в которой сопротивление грунта принимается постоянным, может использоваться при решении задач, где рассматриваются большие перемещения [1].
Таким образом, для описания зависимости сопротивления грунта от продольного перемещения трубы должна использоваться нелинейная модель, которая бы при малых перемещениях переходила в линейный закон, а при больших - соответствовала жесткопластическому касательному отпору грунта.
Достаточно адекватной в этом смысле является нелинейная модель, определяемая диаграммой Прандтля (рис. 2.1).
На участке 1 диаграммы между абсолютным значением касательного сопротивления грунта т (Па) и продольным перемещением трубы и (м) существует прямопропорциональная зависимость (линейная или упругая модель) [1]: T{U) = CouU и ипр (2Л) где сои - обобщенный коэффициент касательного сопротивления грунта, Н/м ; и - предельное перемещение трубы, при котором сохраняется линейная зависимость между тим. Отметим следующие обстоятельства: — если рассматривается само значение т, а не его модуль, то правая часть равенства (2.1) записывается со знаком «—» по аналогии с законом Гука; — размерность коэффициента сои совпадает с размерностью коэффициента постели грунта к , поэтому в дальнейшем вместо сш будет использоваться величина ки, называемая коэффициентом постели грунта при сдвиге. На основании проведенных и обработанных экспериментов систематизированы данные для рекомендуемых значений коэффициента постели грунта при сдвиге (табл.2.1) [1, 10].
Важнейшим параметром, характеризующим диаграмму «сопротивление грунта - продольное перемещение трубы», является предельное сопротивление грунта сдвигу тпр (участок 2 диаграммы). На этом участке касательное сопротивление грунта при и и остается постоянным и равным т .
Предельное сопротивление т зависит от радиальных составляющих давления грунта по поверхности трубы и его удельного сцепления. Так как эти величины зависят от положения участка контакта на поверхности трубы, то приведенные в таблице 2.1 величины ки соответствуют усредненным (по периметру трубы) значениям.
Как показали проведенные эксперименты [1], предельное сопротивление грунта т нелинейно зависит от высоты засыпки hQ над трубой. На основании анализа натурных испытаний для определения абсолютного значения тпр может быть рекомендована формула [1]:
Аналитическое выражение для погонной касательной силы, действующей на элементарный участок трубы (погонное продольное сопротивление грунта) и соответствующей диаграмме Прандтля, выглядит следующим образом: (при известных значениях ки и q величина и = qnp І ки). В том случае, если необходимо описание продольных перемещений трубопровода от времени, могут быть использованы следующие реологические уравнения [32]: q{u\u) = 7cDHkuu + kDii—, 0 и ипр; (2.8) q(u;u) = 7гЭитпр + kDM , u„P " (2.9) где kD - безразмерный коэффициент, зависящий от наружного диаметра трубы; /л - динамический коэффициент вязкости талых грунтов. Определение нестационарных продольных перемещений с использованием уравнений (2.8) и (2.9) является существенно более сложным, поскольку требует применения уравнений в частных производных.
Динамическая вязкость талых глинистых грунтов, входящая в реологические уравнения (2.8) и (2.9), зависит от температуры грунта и его влажности, причем последняя играет решающую роль (табл. 2.2).
В холодный период года влажность талого грунта, окружающего "тёплый" трубопровод, является относительно низкой вследствие миграции влаги к фронту промерзания. Это означает, что если на трассе существует участок, на котором возможны продольные перемещения трубопровода, то протекание этого процесса в холодный период будет существенно более медленным, чем в теплый период года.
Аппроксимация зависимостей сопротивления грунта продольным и поперечным перемещением трубы
Как уже отмечалось в разделе 1, сохранение проектного положения подземного газопровода является значимой проблемой, связанной с эксплуатационной надёжностью трубопроводов.
Особенно сложно добиться устойчивости проектного положения магистральных газопроводов большого диаметра, при эксплуатации которых в стенке трубы возникают значительные сжимающие продольные усилия, обусловленные значительным массовым расходом G, газа и достаточно высокой (до +30С) его температурой Ґ на входе газопровода [103].
После окончания строительных работ засыпка траншеи осуществляется с помощью некондиционных грунтов, полученных при её разработке.
В условиях Западной и Восточной Сибири грунт обратной засыпки изначально имеет низкие прочностные характеристики, которые ещё более ухудшаются вследствие увеличения влажности грунта с наступлением теплого периода года.
Существенное изменение гидрогеологических условий эксплуатации подземного газопровода возникает при интенсивных весенних паводковых явлениях, сопровождающихся многочисленными случаями размыва обваловки на участках трассы и полным обводнением траншеи с последующим вымыванием из неё грунта обратной засыпки.
В результате полной или частичной потери сопротивления грунта поперечным перемещениям трубы и с учётом продольной сжимающей силы в стенке газопровода происходит потеря его первоначальной прямолинейной формы, реализуемая в виде арки (арочного выброса). Для определения формы (конфигурации) арки необходимо иметь удобные аналитические зависимости сопротивления грунта от перемещений трубы. Недостатками кусочно-линейных зависимостей, изображённых на рис. 2.1 и 2.7, являются их идеализированность и различие аналитических выражений для двух частей диаграммы, что заставляет разбивать трубопровод на отдельные участки, решать на них задачи нахождения продольных или поперечных перемещений трубы и "сшивать" полученные решения на контактах участков.
В работе предлагается аппроксимировать полученные экспериментально зависимости сопротивлений грунта от перемещений трубы (рис. 3.1-3.3) [1]) едиными формулами, лишенными указанных недостатков: Определение подгоночных параметров qQw и w0 в зависимости (3.2) можно провести двумя способами.
В первом из них используется две асимптотики зависимости сопротивления qw при малых значениях w tc: wQ
Считая wnp sc Н (что подтверждается экспериментальными исследованиями), wQ sc Н (выполнение этого сильного неравенства будет показано на конкретных расчётах) и используя соотношение (2.17), из (3.6) и (3.7) получаем
Для второго способа используется соотношение (3.6) и предположение, что максимальное значение qw, равное q0 , достигается при w = wnp.
Дифференцируя qw по w, получаем уравнение для определения подгоночного параметра wQ:
Нахождение корня трансцендентного уравнения (3.9) иллюстрируется зависимостями, изображёнными на рис. 3.4.
Искомое значение w0 является абсциссой точки пересечения графиков g1(w0) = exp(-wf!p/w0) и g2(w0) = w0/H (ЗЛО)
Дополнительное исследование показывает, что всегда имеются две точки пересечения графиков: точка 1 имеет абсциссу w01, точка 2 - абсциссу wQ2. Величина wQ2 близка к Н, поэтому в соответствии с результатами экспериментов в качестве w0 берётся меньшее значение w0), сравнимое по порядку величиной Определение значения подгоночного параметра w0
Определим подгоночные параметры обеих зависимостей для суглинка с показателем текучести IL = 0,6 при следующих значениях характеристик грунта, взятых из [1, 89] и таблицы 2.1:
Вычисленные по формулам (2.5), (2.7), (2.15) - (2.17) значения силовых характеристик грунта при наружном диаметре DH - 1420мм и глубине заложения трубы Н = 1,51м равняются:
q" = ІЗІкНУм - предельное значение продольного сопротивления;
q = 45,9кН/м - предельное значение поперечного сопротивления;
Условия образования арки на потенциально опасном участке трассы газопровода
На основании анализа проведённых вычислений установлено следующее.
1. Учёт переменной влажности грунта на примыкающем участке приводит к большим напряжениям при малых значениях La ик меньшим напряжениям при достаточно больших значениях La.
2. . Начиная с некоторого значения La (в расчётах получено La = 100м) значения экстремальных напряжений Дсг2 стабилизируется на определённом уровне, при этом различие для функций влажности fn(z\) и Уіз(2і) является незначительным (около 6%).
3. При малых значениях La 25м экстремальные напряжения Аа2 на примыкающем и центральном участках практически одинаковы, при La 100м
4. Максимальное эквивалентное напряжение для стабилизированных значений Асг2 на примыкающих участках достигает 80% от предела текучести стали, что соответствует опасному уровню НДС стенки (таблица 1.3).
Выявленные особенности НДС арки должны учитываться при проведении ремонтно—восстановительных работ. Также должен осуществляться особый контроль за процессом формирования коротких арок на начальном этапе их образования в период паводковых явлений.
Выводы по разделу 4
1. Рассмотрена общая потеря устойчивости подземного газопровода на потенциально опасном (размытом) участке трассы и показано, что значительная стрела прогиба не может быть достигнута с учётом реальных значений продольной сжимающей силы и начального искривления газопровода.
2. Получена точная зависимость результирующей вертикальной нагрузки на центральной части арки и произведена её аппроксимация в виде, удобном для дальнейших вычислений.
3. Рассмотрено уравнение продольно-поперечного изгиба газопровода для центральной части арки и получены графические зависимости формы арки от длины центрального участка. Показано, что при достижении аркой определённой длины в ней появляется горизонтальный участок (плато).
4. На примере изгиба арки в её центральной части разработан алгоритм, позволяющий на основе сравнения изменения длины арки определить конечное значение продольной силы.
5. С учётом переменной объёмной влажности грунта на примыкающем участке получена система уравнений, описывающая продольно-поперечный изгиб газопровода по всей длине аркообразования. С помощью разработанной компьютерной программы получены графические зависимости для формы арки с найденным значением продольной силы.
6. Получены зависимости изгибных напряжений в стенке трубы на примыкающем и центральном участках трубы; по энергетической теории прочности определены максимальные эквивалентные напряжения и соответствующие координаты опасных сечений.
Основные выводы по работе
1. На основе предложенной зависимости сопротивления грунта обратной засыпки продольным перемещением трубы определены продольное перемещение и продольная сила на примыкающем участке с учётом его переменной объёмной влажности.
2. Получено выражение для поперечного сопротивления грунта на примыкающем участке и рассчитана интенсивность поперечной распределённой нагрузки, действующей на газопровод на примыкающем и центральном участках арки.
3. На основе уравнений продольно-поперечного изгиба рассчитано изменение высотного положения газопровода на примыкающем и центральном участках арки.
4. Путём сравнения абсолютного удлинения газопровода, найденного геометрическим методом и методом деформаций, определено конечное значение продольной силы в стенке на центральном участке арки.
5. С помощью найденных уравнений упругой линии газопровода рассчитано НДС его стенки на длине арки и выявлено качественное и количественное влияние объёмной влажности грунта на особенности формирования НДС.
Похожие диссертации на Изменение высотного положения газопровода при переменной обводнённости грунта в траншее
