Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Грунты как определяющий фактор пространственного положения трубопроводов в условиях пучинистых грунтов
1.1. Влияние грунтового фактора на пространственное положение трубопровода
1.2. Анализ грунтовых условий прокладки магистральных трубопроводов в условиях Западной Сибири
1.3. Анализ аварийности и отказов магистральных трубопроводов в условиях Западной Сибири
Выводы по разделу 1 34
Раздел 2. Изученность морозной пучинистости грунтов
2.1. Факторы, условия и критерии оценки морозного пучения грунтов
2.2. Основные закономерности морозного пучения дисперсных грунтов
2.3. Натурные наблюдения за изменением высотного положения трубопровода при воздействии морозного пучения грунтов..
Выводы по разделу 2 65
Раздел 3. Исследования влияния теплового режима и давления на пространственное положение конденсатопровода
3.1. Общие положения 66
3.2. Теплообмен подземного трубопровода с окружающим грунтом в отсутствие фазовых переходов
3.3. Тепловое влияние одиночного подземного трубопровода на сезонные процессы промерзания-оттаивания грунтов
3.4. Применение метода конечных элементов при расчетах температуры транспортируемого продукта по длине трубопро-вода и температурного поля грунта при его сезонном промерзании (оттаивании)
3.5. Результаты численных расчетов тепловых режимов конден-сатопровода и газопровода
Выводы по разделу 3 96
Раздел 4. Методика геодезических наблюдений за пространственным положением конденсатопровода и разработка методики их расшифровки
4.1. Геодезические наблюдения 97
4.1.1. Общие положения 97
4.1.2. Общая характеристика МК «Уренгой-Сургут» 97
4.1.3. Инженерно-геологические и грунтовые условия трасы конденсатопровода
4.1.4. Методика проведения работ 104
4.2. Разработка методики расшифровки результатов геодезических наблюдений с помощью регуляризирующих методов
4.3. Расчет продольных и поперечных перемещений конденсатопровода с учетом его пространственного положения
4.3.1. Продольное перемещение конденсатопровода 120
4.3.2. Поперечные перемещения конденсатопровода 132
Выводы по разделу 4 136
Общие выводы по работе 137
Литература 138
- Анализ грунтовых условий прокладки магистральных трубопроводов в условиях Западной Сибири
- Основные закономерности морозного пучения дисперсных грунтов
- Применение метода конечных элементов при расчетах температуры транспортируемого продукта по длине трубопро-вода и температурного поля грунта при его сезонном промерзании (оттаивании)
- Инженерно-геологические и грунтовые условия трасы конденсатопровода
Анализ грунтовых условий прокладки магистральных трубопроводов в условиях Западной Сибири
Самая обширная в России Тюменская область площадью около 1,5млн. км2 большей частью расположена в Западно-Сибирской низменности. Климат региона резко континентальный с суровой продолжительной зимой и теплым летом. Суточное колебание температур достигает 25С и более.
Инженерно-геологические условия Тюменской области характеризуются широким распространением минеральных грунтов трех основных генетических типов: аллювиальных, озерно-аллювиальных, озерно-болотных. Аллювиальные отложения, как правило, представлены суглинками толщиной от 2 до 7 метров, озерно-аллювиальные - песками, суглинками - глинами толщиной 8-15 до 40-50, а иногда до 80 метров. Озерно-болотные отложения представлены преимущественно торфами и заторфованными грунтами, суглинками, глинами, реже супесями и песками толщиной 4-6 метров.
Состав и физико-механические характеристики минеральных грунтов Тюменской области приведены в таблице 1.1.
Анализ табличных данных и кривых зернового состава свидетельствует о том, что суглинки и глины характеризуются высоким содержанием глинистых и пылеватых частиц, значительной влажностью и большой деформируемостью. При этом глинистые грунты имеют, как правило, текучую и текучепластичную консистенцию.
В соответствии с действующими нормами [55] для прямолинейных и упруго-изогнутых участков трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений трубопровода, просадок и пучения грунта максимальные суммарные продольные напряжения от нормативных нагрузок и воздействий — внутреннего давления, температурного перепада и упругого изгиба а определяется по формуле:
В этом выражении грунтовый фактор учтен величиной радиуса упругого изгиба. Используя выражение (1.2), связывающее радиус изгиба трубопровода, толщину стенки и температурный перепад, определяют радиус оси изгиба:
Так как критерием технического состояния трубопроводов являются эквивалентные напряжения, именно они позволяют оценить степень влияния грунтового фактора на устойчивость трубопровода, так как обязательно учитывают характер взаимодействия (т.е. силовое взаимодействие) трубопроводов с грунтом, т.е. все дополнительные нагрузки на трубопровод.
На рисунке 1.2 приведены графики изменения максимальных продольных и эквивалентных напряжений в зависимости от радиуса изгиба R участка трубопровода.
График изменения максимальных продольных (а) и эквивалентных (б) напряжения в зависимости от радиуса изгиба участка трубопровода
Резкое возрастание кривизны графиков при R р свидетельствует о существенном влиянии радиуса изгиба на НДС в стенке трубопровода в этой об-ласти. Таким образом, при значении R р в стенках трубопровода появляются значительные дополнительные продольные напряжения, изменяется НДС стенки трубопровода, что существенно влияет на эксплутационную надежность линейной части.
Однако зависимость аэкв от радиуса упругого изгиба не позволяет оценить степень влияния грунтового фактора на НДС стенки трубопровода, так как сам радиус упругого изгиба напрямую не связан с характеристиками грунта и не столько последними, сколько профилем трассы трубопровода.
Наиболее наглядно степень влияния грунтов на формирование НДС стенки трубопровода можно проследить при эксплуатации подземного трубопровода в условиях морозного пучения грунтов. Для этой цели в работе принята расчетная силовая схема взаимодействия трубопровода с промерзающим грунтом, представленная на рисунке 1.3.
При этом учитывается принципиальное отличие в соотношении нормальных и касательных сил морозного пучения. Для трубопроводов, в отличие от фундаментов зданий и сооружений, определяющими являются нормальные силы морозного пучения.
При воздействии нормальных сил морозного пучения на подземный трубопровод следует отметить два момента: — воздействие носит периодический характер вследствие сезонности про цесса; - появление дополнительных осевых напряжений проявляется только при неравномерном характере пучения грунтов по трассе трубопровода.
Последнее может наблюдаться в следующих случаях залегания грунтов: 1. непучинистый грунт - пучинистый грунт или в обратной последовательности;
Таким образом, воздействие нормальных сил морозного пучения может иметь заметный характер на границах грунтов с различными физико-механическими характеристиками. Равномерное поднятие грунта, вызванное морозным пучением, не меняет напряженно-деформированного состояние стенки трубопровода на этом участке.
Из предложенной расчетной схемы силового взаимодействия (рис. 1.3) следует, что возникающие силы отпора грунта 1 приложены к верхней части трубопровода и определяются физико-механическими свойствами грунта обратной засыпки в мерзлом состоянии. При незначительных перемещениях W1 трубопровода в грунте 1 зависимость линейной интенсивности сил отпора qx от величины Wx носит линейный характер (упругий отпор).
В качестве примера выполнен расчет прочности реального участка подземного конденсатопровода в условиях морозного пучения грунтов. При этом использовались следующие данные:
Основные закономерности морозного пучения дисперсных грунтов
По данным многолетних наблюдений Тюменской и Томской метеостанций среднегодовая температура воздуха колеблется от 4,2С до -0,2С на севере области и от 0,8С до 0,6С - на юге. Максимальная положительная температура воздуха (июль) достигает 30-3 5С, а отрицательная -55С. Таким образом, годовая амплитуда колебаний температур достигает 90С. Продолжительность безморозного периода составляет всего 105 дней.
Продолжительная и холодная зима в сочетании с коротким летом являются причиной значительной глубины сезонного промерзания грунтов. Так, на неприкрытых снегом площадках глубина промерзания грунтов достигает более 3 метров, а торфов и заторфованных грунтов - до 0,6 метров.
Данные результатов химических анализов свидетельствуют, что грунтовые воды региона выщелачивающей и общекислотной агрессией для материалов труб не обладают.
Молекулярные отношения Si02:K203 (для суглинков - 6,6) позволяют сделать вывод, что основной составляющий минерал глинистых грунтов — монтмориллонит.
Анализ инженерно-геологических условий Тюменской области позволяет сделать вывод о том, что они отличаются значительной сложностью с точки зрения использования их в качестве оснований сооружений. К особенностям, прежде всего, следует отнести: неоднородность литологического состава пород. Минеральные грунты повсеместно непостоянны по толщине, имеют сложный характер переслаивания с выклиниванием и заменой одного слоя грунта другим; обводненность территории. Из-за равнинного (бессточного) рельефа и значительного превышения величины годовых осадков над величиной их испарения для региона характерен высокий уровень грунтовых вод (от 0,5 до 1,8 метров - в минеральных грунтах и от 0,0 до 0,3 метра в торфах); низкая несущая способность грунтов. По всем критериям оценки они относятся к категории "слабых". Расчетное сопротивление минеральных грун 27 тов в 50% случаев не превышает ОДМПа, а торфов и заторфованных грунтов -0,05МПа; высокая деформируемость. Минеральные грунты имеют низкие значения модуля деформации. Так, для суглинков он составляет всего 4,0-6,0 МПа, а для торфов — 0,05-0,15 МПа. Поэтому примерно в 70% случаев такие грунты не могут быть использованы в качестве естественных оснований; пылеватость грунтов. Достаточно сказать, что содержание пылеватой фракции в них крупностью от 0,05 до 0,005 мм колеблется от 30 до 60%. Пылеватость обуславливает склонность грунтов к морозному пучению. Практически все минеральные грунты Тюменской области в соответствии с действующими нормами относятся к пучинистым. Об этом свидетельствует карта Тюменской области (рис. 1.1), на которой обозначены границы мелкого и глубокого сезонного промерзания грунтов, а также граница вечномерзлых грунтов. Значительное морозное пучение обусловлено также высоким уровнем подземных вод, продолжительным зимним периодом и резким колебанием отрицательных температур. Величина подъема грунта при пучении достигает до 20% толщины промерзающего слоя грунта, а силы пучения минеральных грунтов достигают 0,2 МПа и более; суровый климат с продолжительной холодной зимой. Это является причиной значительной глубины промерзания грунтов. Нормативная глубина промерзания грунтов на юге области составляет 1,5-1,7 м, а на севере - до 3-х метров и более. Средняя глубина промерзания торфа составляет 0,6 метров.
Перечисленные особенности использования грунтов Тюменской области в качестве оснований неизбежно влекут за собой трудности технологического характера при выполнении геотехнических работ по прокладке и эксплуатации трубопроводов и значительное их удорожание.
Осенью температура падает также быстро, как и растет весной. Переход средней суточной температуры к отрицательным значениям происходит в начале октября. Вскоре же устанавливается и снежный покров.
Трасса конденсатопровода расположена в пределах Ненецкой возвышен 28 ности, Пурской низменности и северных склонов Сибирских увалов, являющихся частью территории Западно-Сибирской равнины.
Для поверхности этого района характерен чрезвычайно слабый дренаж и сильная заболоченность. Почти все междуречные пространства поверхности надпойменных террас и поймы испещрены озерными впадинами, проточными и бессточными, обычно овальной формы, термокарстового, суффозионного и иного происхождения. Хорошо дренированные участки приурочены, главным образом, к отдельным возвышенностям и придолинным полосам междуречных равнин.
По трассе конденсатопровода развиты отложения четвертичного возраста, площадное распространение имеют аллювиальные и озерно-аллювиальные отложения, слагающие надпойменные террасы и поймы рек. Большое распространение имеют болотные отложения — торфяник, располагающиеся как на террасах, так и на междуречьях.
Коренные породы залегают на больших глубинах, мощность четвертичных отложений измеряется десятками и сотнями метров. Цитологические разности представлены торфом мало или плохо разложившимся, мелкими песками с редким включением гравия и гальки, реже песками средней крупности и крупными супесями и суглинками от полутвердых и текучепластичных, преимущественно тугопластичных.
Вся территория от Уренгоя до Вынгапура попадает в зону распространения многолетнемерзлых грунтов. Характер мерзлоты, в основном, островной, чаще всего она приурочена к распространению торфяников. Температура грунтов на глубине нулевых годовых амплитуд колеблется в пределах от нуля до минус двух градусов. Анализ выполнен по статистическим данным и результатам дефектоскопии. При этом использованы материалы кафедры механики грунтов и оснований объектов нефтяной и газовой промышленности ТГНГУ по газопроводам.
Вопросам эксплуатационной надежности и безопасности работы газопроводов руководители подразделений и всех технических служб ООО «Газпром трансгаз Сургут» уделяют постоянное внимание. Это выражается в высоких требованиях к материалам самих трубопроводов, их изоляционных материалов, создании и функционировании системы всех видов защит и т.д. Однако, несмотря на это, аварии и отказы на газопроводах имеют место и в настоящее время.
Применение метода конечных элементов при расчетах температуры транспортируемого продукта по длине трубопро-вода и температурного поля грунта при его сезонном промерзании (оттаивании)
Наибольшее изменение высотного положения трубопровода отмечено индикатором №7 в конце февраля 2000 г. В этот период времени на участке между седьмым и восьмым индикаторами было произведено контрольное вскрытие трубопровода и обнаружен под ним мерзлый льдистый грунт толщиной =80 см.
На основе проведенных исследований были сделаны следующие выводы: 1. Начало заметного изменения высотного положения конденсатопрово-да совпадает с моментом понижения температуры конденсата до отрицательных значений; 2. Максимальное изменение высотного положения трубопровода наблюдается на участке расположения индикаторов №7 и №8. Это может быть интерпретировано как появление достаточно малого участка пучения (бугра пучения) в указанном месте. Поскольку имеется сопротивление перемещению трубопровода вследствие его изгибной жесткости, то зона заметного изменения высотного положения трубопровода (=35 м) должна превышать размер зоны интенсивного пучения, а сам характер пучения носит стесненный характер. Если предположить, что толщина промерзшего слоя грунта под трубопроводом везде примерно одинаковая и равна hM =80 см, то для максимума пучения, достигаемого через 150-170 дней, соответствующие значения относительного пучения fm в стесненных условиях равны индикатор №5 индикатор №6 индикатор №7 индикатор №8 индикатор №9 Таким образом, в зоне расположения индикаторов №№5-9 грунт может быть охарактеризован как сильно- или чрезмернопучинистый.
При определении физико-механических характеристик образцов грунта было, выяснено, что опытный полигон сложен суглинком с плотно стью р = 1,89-10 кг/м3, влажностью (на конец августа 1999 г.) W=0,32, углом внутреннего трения р=22 и сцеплением С=28кПа.
Полученные данные по полигону позволили разработать как модель теплового взаимодействия трубопровода с промерзающими грунтами, так и соответствующую модель силового взаимодействия. Модель силового взаимодействия трубопровода с промерзающим грунтом справедлива для следующих расчетных схем: а) слабопучинистый грунт - сильно- или чрезмернопучинистый грунт (взаи модействие, наблюдавшееся на полигоне); б) непучинистый грунт — пучинистый грунт с различным значением относи тельного пучения f (взаимодействие, рассмотренное в 4 главе). Вариант а) сводится к варианту б), если относительное пучение слабопучи-нистого грунта принять за начало отсчета и привязать относительное пучение грунта с интенсивным пучением к этой точке.
1. Несмотря на то, что за 200 лет российскими и зарубежными специалистами изучены факторы и условия морозного пучения и установлены критерии оценки морозного пучения грунтов, проблема взаимодействия подземных трубопроводов с пучинистыми грунтами не решена и требует более глубокого изучения.
2. Сложность проблемы определения НДС стенки подземного трубопровода осложнится тем, что мы не знаем реального пространственного положения трубопровода и его изменений по отношению к проектному.
Как отмечалось ранее, при оценке работоспособности линейной части трубопроводов по критерию конструктивной надежности пользуются формулой (1.1), по которой определяют эквивалентные напряжения в стенке трубопровода, где грунтовый фактор учтен величиной радиуса изгиба.
К факторам, усложняющим изучение проблемы взаимодействия трубопроводов с промерзающим грунтом, следует отнести исключительно сложные инженерно-геологические условия Тюменского региона.
В соответствии с действующими нормами (п.8.27 СНиП 2.05.06-85) для прямолинейных и упруго-изогнутых участков трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений трубопровода, просадок и пучения грунта максимальные суммарные продольные напряжения от нормативных нагрузок и воздействий — внутреннего давления, температурного перепада и упругого изгиба (j"np определяется по формуле (1.2).
Из предложенной расчетной схемы силового взаимодействия (3.2) следует, что возникающие силы отпора грунта 1 приложены к верхней части трубопровода и определяются физико-механическими свойствами грунта обратной засыпки в мерзлом состоянии. При незначительных перемещениях Wx трубопровода в грунте 1 зависимость линейной интенсивности сил отпора qx от величины Wx носит линейный характер (упругий отпор) и выглядит следующим образом:
Коэффициент пропорциональности С{ в уравнении (3.1) может быть най 67 ден из формулы Буссинека-Шлейхера, справедливой при вдавливании штампа в упругое полупространство: что не носит принципи альный характер. По мере увеличения Wx (и соответственно qx) взаимодействие трубопровода с грунтом 1 теряет упругий характер и становится пластическим. В качестве предельного напряжения, при котором пропадает упругий режим, принято предельно-длительное сопротивление сжатию мерзлого грунта
Как известно, сопротивление мерзлых грунтов сжатию (7 . Однако исследования Н.К. Пекарской указали на условность понятия временного сопротивления. Тем не менее, если даже принять величину а за предельное напряжение, то характерное время протекания тепловых процессов, равное Ат = 0,25 месяца, равняется примерно времени релаксации напряженного состояния грунта от напряжения JC , что позволяет принять последнее за расчетную характеристику. Таким образом, взаимодействие трубопровода с мерзлым грунтом 1 является диаграммой Прандтля (рис. 3.1):
Инженерно-геологические и грунтовые условия трасы конденсатопровода
Температура перекачиваемого продукта на участке 0-104 км. изменяется от -1 С в холодный период года (с ноября по май) до +5 С в теплый период года (июнь - октябрь). Это является следствием отсутствия теплоизоляции конденсатопровода и значительной глубиной сезонного промерзания-оттаивания.
Минимальному значению (-1С) соответствует температура конденсата в мае, что связано с наибольшей глубиной промерзания грунта в конце холодного периода.
Следует отметить, что непостоянный режим работы конденсатопровода на данном участке, то есть попеременное включение в работу I и II ниток, так же приводит к промерзанию или протаиванию ореола грунта вокруг трубы, что отрицательно сказывается на НДС трубопровода и может привести к нарушению его проектного положения.
Основные теплофизические характеристики перекачиваемого продукта сведены в таблицу:
Инженерно-геологические и грунтовые условия трассы кон-денсатопровода Геологическое строение. Рассматриваемая территория распространена в пределах IV геоморфологического уровня, которому соответствует озерно-аллювиальная равнина.
В геологическом строении трассы конденсатопровода принимают участие озерно-аллювиальные отложения (ZaIII2"3), представленные песчано-глинистым разрезом на участке трассы 0-15 км и преимущественно песчаным разрезом на участке трассы 0-15 км и преимущественно песчаным разрезом на участке трассы 16-30 км. Озерно-аллювиальные отложения на значительной части трассы перекрыты современными озерно-болотными отложениями (ЬГУ) которые представлены торфами и заторфованными суглинками. Вскрытая мощность торфа составила 0,1-0,5 м, мощность заторфованного суглинка составила 0,3 м.
Гидрогеологические условия. В пределах изученных глубин (10-11м) по трассе конденсатопровода выделяется два вида подземных вод: воды сезонного слоя и воды несквозных надмерзлотных таликов.
Воды сезонноталого слоя распространены в пределах участка трассы 16-30 км и частично на участке 0-16 км. Водоупором для этого водоносного 101 горизонта является кровля вечномерзлых пород. Водовмещающими породами являются торф и песок мелкий.
Воды несквозных надмерзлотных таликов развиты в пределах участка трассы 0-16 км. Погруженная кровля вечномерзлых пород является для них водоупором. Водовмещающими породами являются пески мелкие и средней крупности.
Специфические грунты.
Участки установки высотных марок на конденсатопровод характеризуются распространением вечномерзлых грунтов сливающегося и несливаю-щегося типа.
В пределах участка трассы 0-15 км выделяется участок с погружением кровли вечномерзлых грунтов до глубины 8,0-8,8 м и участок сливающейся мерзлоты. Участок трассы 16-30 км характеризуется сплошным распространением вечномерзлых
Вечномерзлые грунты отличаются пестрым литологическим составом и сложным характером переслаивания: вечномерзлые глины имеют слоистую криотекстуру; вечномерзлые суглинки имеют массивную и слоистую криотекстуру; -вечномерзлые пески характеризуются массивной криотекстурой. Грунты слоя сезонного оттаивания представлены торфами и песками мелкими и средней крупности. Максимальная глубина сезонного промерзания достигает 2,5 м. Талые грунты распространенны в местах заложения высотных марок по участку трассы 0-15км и представлены песками мелкими и средней крупности, насыщенными водой.
Общие сведения о свойствах ИГЭ составляющих трассу конденсато-провода на участке 0-км представлены на рисунке 4.2. и сведены в таблицу 4.3.
Среди современных геокрилогических процессов, развитых в районе работ ведущая роль принадлежит процессам сезонного пучения, заболачивания, термокарста.
Нарушение естественных мерзлотных условий поверхности (уничтожение почвенно-растительного слоя при производстве работ) приводит к увеличению мощности слоя сезонного промерзания-оттаивания и, как следствие к увеличению интенсивности морозного пучения.
Методика проведения работ Распространенной причиной некорректного положения магистрального трубопровода является потеря продольной устойчивости.
Предметом большей части исследований, например [2,6,7], и нормативных документов [55,58] является факторы сохранения проектного положения трубопровода. Авторы отмечают, что хотя при проектировании исходят из недопустимости возникновения изгибов трубопровода, из-за отличия эксплуатационных факторов от расчетных на практике происходит нарушение проектного положения трубопровода, иногда сопровождающееся их выходом на дневную поверхность с образованием арочного выброса. Анализ напряженного состояния таких участков газопроводов необходим для оценки их надежности, сроков и способов ремонта.
В настоящее время практически пригодным методом контроля НДС является контроль по косвенному показателю - значениям прогиба оси трубопровода, полученных с помощью нивелирования.
На рассматриваемом участке МК «Уренгой-Сургут» были выбраны два отрезка: 6,5 - 9 км и 23 - 25 км. Статистика распределения отказов по длине трубопровода за весь срок его эксплуатации показывает, что наибольшее число отказов, связанных с изменением проектного положения, приходится именно на эти участки. Это связанно со сложными грунтовыми условиями участков.
Для наблюдения за изменением высотного и планового положения трубопровода в течение года были установлены 22 высотные марки (по 11 на каждый участок). Высотная марка крепится к телу трубы посредством металлических хомутов закрепляемых шпильками. Конструкция высотной марки представлена на рисунке 4.3.
Крепление высотных марок осуществлялась непосредственно после разработки траншеи и оголения тела трубы. Затем траншея засыпалась извлеченным грунтом. Время проведения работ — январь 2005 года.
Установка производилась согласно по схеме (рис. 4.4.-4.6.), согласно которой контрольные точки размещались на расстоянии 0,04 — 1,2 км друг от друга (в пределах участка) Точное место установки высотной по длине трубопровода определялось привязкой к узлам линейных задвижек, имеющим точные плановые отметки, при помощи электронной полной станции ТС-600Е.
Похожие диссертации на Методика оценки пространственного положения трубопровода в условиях пучинистых грунтов
