Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ причин деформаций и развитие методов контроля деформированного состояния надземных трубопроводов в криолитозоне 10
1.1. Обзор литературных источников по вопросам нестабильности трубопроводов в криолитозоне и организации контроля деформационных процессов 10
1.2. Обзор литературных источников по вопросу методов расчета систем надземных трубопроводов 26
ГЛАВА 2. Разработка методов определения допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния надземных трубопроводов 34
2.1. Выбор и обоснование геометрических параметров деформированного состояния надземных трубопроводов 35
2.2. Определение допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния надземных трубопроводов 43
2.3. Учет эффекта концентрации напряжений для тройниковых соединений 56
ГЛАВА 3. Экспресс-оценка деформированного состояния надземных трубопроводов 63
3.1. Обобщенное описание деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов 63
3.2. Критерии оценки деформированного состояния и технического состояния трубопроводов 66
3.3. Планирование объемов планово-предупредительных работ с использованием результатов экспресс-оценки деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов 68
ГЛАВА 4. Численное моделирование состояния наиболее деформированных трубопроводов 73
4.1. Построение расчетных моделей надземных трубопроводов 73
4.2. Сбор исходной информации для построения расчетной модели 76
4.3. Метод определения начального геометрического несовершенства физического прототипа модели 77
ГЛАВА 5. Разработка рекомендаций по проведению ремонтно-восстановительных работ на трубопроводах и обоснование необходимости выполнения стабилизационных мероприятий 80
5.1. Определение основных силовых опор 80
5.2. Методика составления технологических карт проведения работ по выравниванию деформированных разветвленных трубопроводов 82
5.3. Мероприятия по стабилизации оснований, фундаментов и опорных конструкций 85
Общие выводы 99
Список использованных источников
- Обзор литературных источников по вопросу методов расчета систем надземных трубопроводов
- Определение допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния надземных трубопроводов
- Критерии оценки деформированного состояния и технического состояния трубопроводов
- Сбор исходной информации для построения расчетной модели
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время в России увеличение объемов добычи природного газа связано с освоением новых месторождений на севере Западной Сибири, в том числе на полуострове Ямал. Для этой территории характерно сплошное и массивно-островное распространение многолетнемерзлых пород, что предъявляет особые требования к проектированию, строительству и эксплуатации объектов добычи, подготовки и транспортировки природного газа.
Опыт многолетней эксплуатации уникальных газодобывающих комплексов Медвежьего, Уренгойского, Ямбургского и других выявил проблему широкомасштабного развития деформаций инженерных сооружений. Интенсивным деформациям подвержены надземные трубопроводы обвязок дожимных компрессорных станций, внутриплощадочных сетей, обвязок устьев газовых скважин и т.п. С увеличением времени эксплуатации отмечается увеличение количества деформированных участков и рост величин деформаций трубопроводов. Большое количество проявленных и потенциальных зон нестабильности оснований и фундаментов обусловливает физическую невозможность единовременного приведения в проектное положение всех деформированных трубопроводов, а также выполнения в полном объеме механической и температурной стабилизации оснований.
В таких условиях газодобывающим предприятиям в целях обеспечения надежности эксплуатации деформированных трубопроводных систем необходимо выстраивать очередность и планировать объем планово-предупредительных, ремонтно-восстановительных работ и стабилизационных мероприятий, исходя из степени опасности деформационных проявлений и реальных возможностей организации. Эти задачи могут быть решены путем разработки методики контроля деформированного состояния газопромысловых надземных трубопроводов, позволяющей выполнять обобщенную оценку деформированного состояния, прогнозировать техническое состояние и рекомендовать комплекс мероприятий, обеспечивающих надежность эксплуатации. Поэтому разработка методики контроля деформированного состояния надземных трубопроводов в криолитозоне является актуальной задачей как для действующих, так и для строящихся газопромысловых объектов.
Целью диссертационной работы является разработка методики контроля деформированного состояния газопромысловых надземных трубопроводов, сооружаемых и эксплуатируемых в условиях криолитозоны.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:
разработка способа обобщенного описания деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов по данным геометрического нивелирования;
разработка методов определения допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния трубопроводов;
создание методики экспресс-оценки деформированного состояния разветвленных надземных трубопроводов;
систематизирование существующих методов конструкционного моделирования разветвленных трубопроводов;
разработка методологического подхода к реверс-инжинирингу физических прототипов конструкций разветвленных надземных трубопроводов, дающего возможность создавать математические модели, наилучшим образом отражающие процессы деформирования и силового воздействия на оборудование;
разработка и расчетно-экспериментальное обоснование метода планирования этапов и объемов ремонтных работ с целью снижения уровня опасных деформаций трубопроводов.
Научная новизна работы.
В работе впервые расчетным путем определены индивидуальные критерии оценки геометрических параметров деформации участков разветвленных трубопроводов. Разработан способ описания деформированного состояния трубопроводов с помощью обобщенного безразмерного коэффициента. Обоснована методика экспресс-оценки деформированного состояния газопромысловых надземных разветвленных трубопроводов.
Разработан метод построения математической модели, позволяющий учитывать в расчетах начальное искривление разветвленных трубопроводов.
Впервые выполнено обоснование метода составления технологических карт, отражающих последовательность этапов и объемы проведения работ по разгрузке и выравниванию деформированных трубопроводов.
Разработана специальная конструкция опоры с быстроразъемным смещаемым креплением опорной балки для компенсации нарастающих подвижек свайных опор. Предложена методика расчета характеристик упругих регулируемых опор для использования на трубопроводах среднего диаметра.
Защищаемые положения.
1. Методика экспресс-оценки деформированного состояния разветвленных
надземных трубопроводов с использованием обобщенного безразмерного
коэффициента.
2. Методика моделирования конструкции разветвленных надземных
трубопроводов, обеспечивающая учет начального искривления, позволяющая
объективно проводить оценку напряженно-деформированного состояния
трубопроводов и прогнозировать изменение силового воздействия на
оборудование.
3. Метод планирования этапов и объемов ремонтных работ, позволяющих
разгрузить опасно деформированные трубопроводы и привести конструкции к
проектному положению или положению на момент завершения монтажа.
Практическая значимость работы.
Результаты работы внедрены в практику геотехнического мониторинга газопромысловых объектов ООО «Газпром добыча Надым». Методика контроля деформированного состояния надземных трубопроводов используется в ходе планирования и реализации ремонтно-восстановительных работ
газопромысловых трубопроводов, включая технологические трубопроводы обвязок ДКС.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на Пятой и Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов по проблемам газовой промышленности России (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003, 2007); совещании «Результаты проведения диагностического обслуживания оборудования и трубопроводов КС, ДКС, СОГ, КС ПХГ в 2006 г., задачи на 2007 г.» (ДОАО «Оргэнергогаз»); XIII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири - 2004» (ООО «ТюменНИИгипрогаз»); Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири - 2007» (Тюменский государственный нефтегазовый университет); научно-практических конференциях ООО «Тюментрансгаз» (2003), ФГУП ПНИИИС (2006).
Публикации. Результаты исследований автора по теме диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 1 - в издании, входящем в "Перечень ..." ВАК Минобрнауки РФ; получен один патент.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 86 наименований, 2 приложений. Она изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 12 таблиц.
Обзор литературных источников по вопросу методов расчета систем надземных трубопроводов
Вопросам нестабильности трубопроводов, как инженерных сооружений в сложных инженерно-геокриологических условиях, посвящено большое количество специальной литературы [1-3, 8, 9, 11, 24, 29, 30, 32, 37, 50, 52-54, 62, 74, 77, 82, 83].
По материалам, опубликованным в открытой печати, известен широкий круг авторов, область научных и практических интересов которых связана с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области проектирования, сооружения и эксплуатации надземных трубопроводов, в том числе в сложных инженерно-геологических условиях. Среди них известные отечественные ученые: АзметовХ.А., Айнбиндер А.Б., Бабин Л.А., Березин В.Л., Березняков А.И., Бородавкин П.П., Булгаков А.В., Гольдштейн А.С., ГумеровА.Г., Дубина М.М. Казакевич М.И, Камерштейн А.Г., Кантемиров И.Ф., Киреенко В.И., Папаценко Х.И., Перун И.В., Петров И.П., Спиридонов В.В., Тартаковский Г.А., Харионовский В.В., Ясин Э.М., зарубежные: Корнелл С, Майер Л., Пагсли А., Робинсон А., Вест X. и др.
В работах [29, 30, 32, 50, 62] Березнякова А.И., Дубины М.М., Жильцова Ю.М., Осокина А.Б., Попова А.П. и др. было установлено, что на газопромысловых объектах ошибочные проектные решения, некачественное строительство и нарушение условий эксплуатации в большинстве случаев вызывают изменение геокриологических условий в грунтах оснований. Неблагоприятное изменение геокриологических условий приводит к изменению принципа использования грунтов, сопровождающемуся развитием ореолов оттаивания, увеличением глубины сезонного промерзания-оттаивания многолетнемерзлых пород, а также промерзанием изначально талых пород. Кроме того, воздействия техногенного характера приводят к изменению гидрогеологических условий грунтов. Это проявляется в обводнении и подтоплении производственных площадок. Следствием обозначенных выше неблагоприятных изменений является общая потеря устойчивости систем конструкция-фундамент-основание.
В процессе теплового взаимодействия элементов системы конструкция-фундамент-основание наиболее критичным является тепловое воздействие конструкции или сооружения на грунтовое основание, как на опорную часть всей системы. Оно складывается из прямого и косвенного воздействия.
Прямое тепловое воздействие осуществляется посредством кондуктивной и конвективной теплопередачи от более теплых элементов конструкции к грунтам основания. Примером этому служит греющее воздействие неизолированного теплого подземного газопровода [62]; аппаратов воздушного охлаждения газа, работающих в режиме рециркуляции; отапливаемых цехов или цехов с горячим технологическим оборудованием с полами по грунту и т.п.
Косвенное тепловое воздействие проявляется в результате изменений естественных природно-геологических условий, вызванных в ходе строительства и эксплуатации сооружений. Здесь имеют место отепляющее воздействие снежного покрова в результате повышения снегонакопления и снегозадержания; изменение условий теплопередачи дневной поверхности в результате удаления растительного покрова; промораживающий эффект вентилируемого подполья.
Изменение геокриологических условий грунтов оснований влечет за собой механический эффект, проявляющийся в просадках, многолетнем и сезонном криогенном пучении грунтов, осадках и выпучивании фундаментов. Изменение геометрического положения фундаментов приводит к деформациям надфундаментных конструкций сооружений и трубопроводов [32].
Указанные выше процессы в разной степени проявляются на всех действующих газопромысловых объектах месторождений севера Западной Сибири, в том числе предприятия ООО «Газпром добыча Надым». На месторождениях «Юбилейное», «Ямсовейское» деформации надземных трубопроводов проявляются в меньшей степени, а на месторождении «Медвежье» — в большей степени и в наиболее яркой форме. Это объясняется тем, что когда начиналось широкомасштабное освоение месторождения «Медвежье», опыта проектирования и строительства инженерных сооружений в таких условиях было крайне мало, недостаточно проработанной была нормативная база проектирования, поэтому построенные инженерные объекты можно рассматривать как широкомасштабный строительный эксперимент. Уже с 5- 8-го годов эксплуатации объектов начали регистрироваться значительные деформации оснований и фундаментов инженерных сооружений.
В работе [74] сделан анализ результатов режимного геометрического нивелирования фундаментов, проводящегося на месторождении «Медвежье» регулярно, начиная с 1988-89 гг. и по настоящее время. Результаты свидетельствуют о том, что около 20% наблюдаемых свай испытывают деформации, различные по характеру и величине. Около 12% наблюдаемых свай подвержено деформациям, превышающим принятые для соответствующих сооружений допустимые значения, что приводит к необходимости остановки промыслов, проведения внеплановых и досрочных работ по капитальному ремонту и реконструкции. По оценке авторов наиболее распространенным типом деформаций фундаментов является выпучивание, вызванное воздействием касательных сил морозного пучения, возникающих в слое сезонного промерзания-оттаивания. Величина сезонного перемещения свай составляет от первых миллиметров до 100-150 мм. Очень характерным является нарастающее выпучивание фундаментов вследствие невозвращения свай после зимнего цикла пучения в исходное положение (так называемое остаточное пучение). Накапливающиеся из года в год деформации за период эксплуатации достигают 200-300 мм, в отдельных случаях - до 1м. Существуют также случаи многолетнего пучения фундаментов и сооружений вследствие новообразования мерзлоты в основаниях зданий и сооружений.
Другим характерным типом деформаций является осадка сооружений, вызванная в большинстве случаев осадкой грунтов оснований при оттаивании. Осадке подвержены как фундаменты, попадающие в пределы ореолов оттаивания, формирующихся, как правило, вокруг подземных трубопроводов, либо скважин, так и сами трубопроводы, например, межпромысловые коллекторы, построенные наземным способом на участках распространения льдистых мерзлых пород без специальных решений по их теплоизоляции. В последнем случае отмечаются значительные изгибы трубопроводов как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Величины осадки фундаментов и сооружений, зарегистрированные на месторождении «Медвежье», как и величины пучения, изменяются в широком диапазоне - от первых сантиметров до десятков сантиметров.
Еще одной причиной осадки фундаментов части сооружений является низкая несущая способность пластично-мерзлых грунтов и в некоторых случаях — талых грунтов при воздействии на них динамических нагрузок от вибрационного воздействия оборудования.
В большинстве случаев деформации зданий, сооружений и трубопроводов являются неравномерными по их протяженности и даже разнонаправленными на различных участках в пределах одной конструкционной системы, что является особенно неблагоприятным фактором.
Выполненные натурные исследования продемонстрировали, что вследствие развития деформаций, многочисленных ремонтов, в конструкции фундаментов ряда объектов внесены существенные непроектные изменения. Многие опоры, вследствие несвоевременного устранения последствий деформаций, не воспринимают полезную нагрузку, либо напротив -передают избыточные силовые воздействия на строительные конструкции и трубопроводы.
Общий список объектов, на которых имеют место деформации фундаментов и конструкций, включает технологическое оборудование на территории установок комплексной подготовки газа (УКПГ) и дожимных компрессорных станций (ДКС); здания цехов; внутрицеховые и наружные трубопроводные сети и обвязки технологического оборудования; эстакады внутриплощадочных газопроводов и коммуникаций; трубопроводные обвязки крановых узлов газопроводов большого диаметра; шлейфы, межпромысловые коллекторы, газопроводы подключения, магистральные газопроводы на участках переходов через естественные преграды; манифольды, факельные линии, газосборные коллекторы трубопроводных обвязок устьев газовых скважин и т.п.
В ходе производственной деятельности автором данной работы был сделан вывод о том, что фундаменты и конструкции многих наблюдаемых объектов находятся в деформированном состоянии (рис. 1) уже на момент начала режимных наблюдений [17]. Во многих случаях сверхнормативное деформирование приводит к накоплению пластических деформаций в отдельных конструкционных деталях. Наличие пластических деформаций особенно четко проявляется во время плановых работ по выравниванию трубопроводных обвязок, когда после подрезки свай участки обвязок не возвращаются в исходное положение [16].
Определение допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния надземных трубопроводов
При выборе параметров, описывающих деформированное состояние надземных трубопроводов, следует учитывать особенности конструкции разветвленных систем надземных трубопроводов и характер нагрузок, действующих на них в процессе эксплуатации.
С целью конкретизации предмета рассматриваемого вопроса приведем краткую характеристику конструктивных особенностей надземных трубопроводов в криолитозоне.
Для эксплуатируемых и вновь сооружаемых надземных трубопроводов на севере Западной Сибири характерной особенностью является использование свайных фундаментов. Преобладающими являются сваи трубного сортамента из низкоуглеродистых сталей. Диапазон типовых условных диаметров свайных труб 200-400 мм. Конструктивно фундаменты выполнены в виде отдельно стоящих опорных свай или в виде кустов свай, обвязанных металлическим ростверком. Используются в основном буроопускной, бурозабивной способы погружения свай и погружение в оттаянные скважины.
На участках распространения многолетнемерзлых пород принято использование грунтов оснований по 1-му принципу, предусматривающему сохранение их в мерзлом состоянии на весь период эксплуатации. На участках распространения преимущественно талых пород с маломощными линзами мерзлоты с невысокой льдистостью за счет включений и кровлей мерзлых пород, заглубленной на 5-7 и более метров, принято использование грунтов оснований по П-му принципу, допускающему частичное или полное их оттаивание.
Имеют место следующие типы надземных газопромысловых трубопроводов, опирающихся на свайные фундаменты: - внутрицеховые и наружные трубопроводные сети и обвязки технологического оборудования; - внутришющадочные газопроводы на эстакадах; - трубопроводные обвязки крановых узлов газопроводов большого диаметра; - шлейфы, межпромысловые коллекторы, газопроводы подключения, магистральные газопроводы на участках переходов через естественные преграды; - манифольды, факельные линии, газосборные коллекторы трубопроводных обвязок устьев газовых скважин.
На газосборных коллекторах обвязок устьев газовых скважин встречается подземный способ прокладки с устройством заглубленного свайного фундамента.
Таким образом, на севере Западной Сибири надземные трубопроводы представлены широким спектром видов конструктивного исполнения.
Разветвленные системы надземных трубопроводов представляют собой сложные пространственные стальные конструкции, расположенные на опорах над поверхностью грунта, состоящие из прямолинейных труб различного диаметра и соединительных деталей, собранных воедино и соединенных между собой (рис. 4). Основным видом соединения является сварка. Фланцевое соединение используется при стыковке труб с различным газопромысловым оборудованием. Условные диаметры разветвленных систем газопромысловых трубопроводов в основном лежат в диапазоне от 100 мм до 1000 мм. Большие диаметры Ду 1200 мм и Ду 1400 мм относятся к магистральным трубопроводам.
Пример разветвленной системы газопромысловых надземных трубопроводов (трубопроводы технологической обвязки газоперекачивающих агрегатов)
Основными соединительными деталями трубопроводов являются отводы, тройники, переходники и днища. Подбор толщин стенок деталей надземных трубопроводов выполняется на основании прочностных расчетов на действие внутреннего давления транспортируемого продукта [4].
На прямолинейных участках трубопроводов возможна установка запорной арматуры, обратных клапанов и других видов оборудования, оказывающих на трубопроводы весовое воздействие. Напряжения от действия полного веса трубопровода обычно составляют 3-5% от предела текучести металла трубы [4].
Как правило, конструкции разветвленных систем надземных трубопроводов имеют несколько строительных плоскостей, расположенных на разном высотном уровне. Опоры могут быть различного конструктивного исполнения и могут иметь различное назначение: одно- двустороннее ограничение вертикальных перемещений; обеспечение только продольных перемещений, ограничение поступательных перемещений, «мертвое» закрепление и другие [52-54, 77]. В общем случае конструкции опор различают по степени свободы линейных перемещений.
В зависимости от вида подвижных элементов [11], обеспечивающих возможность перемещений трубы, опорные части могут быть: 1) скользящими, в том числе со скольжением стали по стали и с применением антифрикционных материалов; 2) Катковыми, т.е. с элементами круглого сечения, перекатывающимися между двумя контактирующими поверхностями; 3) роликовыми, т.е. с круглыми элементами, которые устанавливаются с возможностью поворота и перекатываются по одной контактирующей поверхности; 4) комбинированные, конструкции, которых включают два или несколько указанных выше типов подвижных элементов.
Дополнительно опоры могут характеризоваться наличием регулирующих и подпружинивающих элементов, которые регулируют положение в небольшом диапазоне высот.
Граничные условия трубопроводов- определяются особенностями примыкания к технологическому оборудованию, участками защемления при переходе в подземное исполнение и «мертвыми» закреплениями на опорах.
Согласно установленным нормам надземные трубопроводы-проектируются с учетом компенсации удлинений от изменения температуры стенок труб и воздействия внутреннего давления [64, 72, 73]. На практике это требование почти всегда соблюдается, что обеспечивает незначительное силовое воздействие на трубопроводы со стороны узлов защемления, технологического оборудования и вызывает невысокие напряжения в металле стенок трубопроводов.
Проведение натурных измерений и расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций подтверждает, что изменение температурных напряжений оказывает небольшое влияние на общее напряженно-деформированное состояние трубопроводов [39, 41]. Вклад температурных напряжений не превышает 5% от предела текучести металла трубопроводов.
Газопромысловые системы трубопроводов характеризуются наличием источников возбуждения переменных воздействий, приводящих к интенсивным вибрациям [39]. Основными источниками вибрации трубопроводов являются: 1) турбулентное течение газа по трубам, вызывающее низкочастотные вибрации на собственных частотах газопроводов; 2) высокочастотные пульсации давления газа на частотах, кратных лопаточной частоте центробежного нагнетателя; 3) вибрации на корпусе центробежного нагнетателя, проявляющиеся на характерных частотах оборудования.
По данным ИТЦ «Оргтехдиагностика» [39] существенные напряжения в трубопроводах вызывают главным образом низкочастотные вибрации на частотах до 100 Гц. Величина динамических максимумов напряжений может достигать 10% от предела текучести металла трубопроводов.
Как было отмечено в п. 1.1., системы надземных трубопроводов чувствительны к перемещениям какой-либо из опор. Исследования показали, что кинематическое воздействие на трубопроводы, оказываемое со стороны опорных конструкций в результате вертикальных подвижек фундаментов, вызывает в трубе напряжения, сравнимые по величине с кольцевыми напряжениями от внутреннего давления [38]. При этом интенсивность напряженно-деформированного состояния металла трубопроводов может достигать пластической зоны.
Критерии оценки деформированного состояния и технического состояния трубопроводов
Техническое состояние трубопроводов будем оценивать как ограниченно работоспособное (прил. 2) в случае Q IN \.
Техническое состояние трубопроводов будем оценивать как аварийно-опасное (прил. 2) в случае 1 IN 2.
Общая оценка технического состояния устанавливается по наихудшей оценке состояния отдельных трубопроводов.
Развитие приведенного в этом пункте подхода в дальнейшем позволит выявить статистические закономерности допустимых состояний для однотипных систем надземных трубопроводов.
Планирование объемов планово-предупредительных работ с использованием результатов экспресс-оценки деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов Рассмотрим методический подход к планированию объемов планово-предупредительных работ (ППР) на примере технологических трубопроводов обвязки ДКС газовых промыслов месторождения «Медвежье».
Общая оценка деформированного состояния технологических трубопроводов обвязки ДКС выполнена с использованием разработанной автором методики расчета обобщенного коэффициента деформированного состояния ТПО ГПА и АВО газа [20].
С помощью обобщенного коэффициента деформированное состояние трубопроводной обвязки каждого объекта характеризуется одним числом. Коэффициент принимает нулевое значение в случае отсутствия участков с недопустимыми параметрами деформации. В противном случае коэффициент всегда отличен от нуля. Четырехлетняя практика применения обобщенного коэффициента показала, что для типов конструктивного исполнения трубопроводных обвязок ДКС месторождения «Медвежье» критическим значением коэффициента является величина 1,0. Достижение или превышение этого порогового значения свидетельствует об опасном уровне деформирования трубопроводов. В этом случае, например, могут появиться проблемы с центровкой нагнетателей.
Ниже приведена динамика изменения деформированного состояния по результатам режимных геодезических измерений ТПО ДКС месторождения «Медвежье» в 2004-2006 гг.
Легко видеть, что наименее подвержены деформациям трубопроводы обвязки ГПА ДКС-3, 9. Остальные трубопроводы ежегодно испытывают деформации различной интенсивности. В 2007 г. рекомендованы к плановому выравниванию трубопроводы обвязки ГПА: в большем объеме на ДКС-4, 5, 6, 7, 8; в меньшем объеме на ДКС-1, 2, 3.
Для принятия решения о необходимости выравнивании ТПО ГПА ДКС-1,2,8 необходимы результаты режимных весенних измерений 2007 г.
Обобщенный коэффициент деформированного состояния ТПО ГПА ДКС месторождения «Медвежье» Особенно следует отметить тот факт, что значение обобщенного коэффициента отлично от нуля для всех ТПО ГПА ДКС. Это означает наличие недопустимых деформаций трубопроводов на каждом из рассмотренных объектов.
Что касается АВО газа, то «традиционно» наиболее подвержены деформациям трубопроводы ДКС-1, 6, 7, 9. В 2007 г. рекомендованы к плановому выравниванию трубопроводы обвязки АВО газа: в большем объеме на ДКС-2, 3, 4, 6, 7; в меньшем объеме на ДКС-1.
Необходимость выравнивания ТПО АВО газа на ДКС-2, 3, 4 не очевидна, однако диктуется сложным напряженно-деформированным состоянием разветвленной трубопроводной системы с примыкающими трубопроводами и строительными конструкциями.
Обобщенный коэффициент деформированного состояния ТПО АВО газа ДКС месторождения «Медвежье»
Трубопроводы обвязки ПСПГ ДКС-4, 5 характеризуются большой величиной и масштабами деформаций. Частичное выравнивание трубопроводов ПСПГ ДКС-4, 5 выполнено в 2005-2006 гг. В 2007 г. рекомендованы к плановому выравниванию ТПО ПСПГ ДКС-4, 5. Кроме того, следует в небольшом объеме провести выравнивание опор трубопроводов ПСПГ на ДКС-2.
Необходимое количество опор фундаментов ТПО, рекомендованных к выравниванию во время плановых ремонтов 2007 г., приведено в табл. 4.
Примечание: ) учитывая продолжающийся процесс сезонных подвижек фундаментов, окончательное решение о необходимости выравнивания трубопроводов может быть принято весной 2007 г.
Рассмотренная в данной главе методика проведения экспресс-оценки деформированного состояния разветвленных надземных трубопроводов, позволяет быстро выполнять общую критериальную оценку степени опасности деформаций.
Для оценки технического состояния надземных разветвленных трубопроводов на основании обобщенного коэффициента деформированного состояния автором введена классификация видов технического состояния разветвленных трубопроводов с использованием положений ГОСТ 27.002-89 [27] и РД 51-4.2-003-97 [58].
Использование результатов экспресс-оценки деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов позволяет планировать последовательность и объемы планово-предупредительных работ.
Описанный в главе методический подход алгоритмизирован и реализован в качестве расчетно-аналитического модуля в программе аналитической обработки данных режимных инструментальных измерений.
В случае высокого уровня деформаций, полученного на основании результатов экспресс-оценки, выполняется расширенный анализ с использованием математических моделей трубопроводных систем. При этом оценивается картина напряженно-деформированного состояния модели конструкции и степень силового воздействия на оборудование, что дает возможность выявить наиболее нагруженные участки трубопроводов (рис. 19). Построение расчетных моделей надземных трубопроводов
Автором разработан метод выбора и построения расчетных моделей трубопроводных систем действующих газопромысловых объектов.
Построение математических моделей трубопроводных систем действующих объектов является этапом реверс-инжиниринга, когда выполняется переход от реальной конструкции (прототипа) к ее модели. При этом свойства модели нужно выбрать и скорректировать таким образом, чтобы ее поведение повторяло поведение прототипа в реальных условиях. Деформации модели должны совпадать с деформациями прототипа.
Для построения математической модели реальной трубопроводной системы выполняется измерение ее геометрического положения в пространстве с привязкой к абсолютным геодезическим отметкам.
На основании геометрических измерений и данных толщинометрии, с использованием проектной и исполнительной документации, назначаются диаметры, толщины и геометрические характеристики деталей трубопроводов. Физико-механические характеристики материалов выбираются с использованием сертификатов на трубы и соединительные детали, приведенных в исполнительной документации. Весовые и геометрические характеристики запорной арматуры назначаются по паспортам и результатам геометрических измерений. Температура замыкания конструкции выбирается равной минимальной температуре воздуха при сварке по журналу сварных работ. Температура газа выбирается на основании реальных технологических характеристик объекта. При наличии деформаций и отклонений участков трубопроводов от проектных координат и отметок выполняется корректировка начальной формы трубопроводов с учетом механизма нагружения и особенностей работы опорных конструкций. При этом деформации модели должны повторять деформации прототипа. В случае продолжающихся деформаций наличие нескольких серий замеров геометрического положения позволяет более точно выявить начальную форму трубопроводов и понять механизм нагружения, выявить положение «косых» стыков и наличие зон пластических деформаций.
Проведение серии прочностных расчетов построенных моделей позволяет получить предельные перемещения опор и элементов трубопроводов в соответствии с критериями прочности и надежности. Кроме того, построенные модели позволяют выполнять уточненную оценку сложно деформированных трубопроводных систем при отрывах от опор, а также оценивать и прогнозировать нагрузки на технологическое оборудование (газоперекачивающие агрегаты, емкости и т.п.).
С целью получения результатов расчета, соответствующих механическому поведению физического прототипа, автором сформулированы требования, предъявляемые к программному комплексу с учетом рекомендаций методических документов [42, 60, 44].
1. Программный комплекс должен быть апробирован на достаточном количестве верификационных задач с известными аналитическими решениями в области строительной механики трубопроводов и стержневых систем.
2. Программное средство расчета должно предоставлять численные результаты расчетов статических напряжений и перемещений элементов конструкций в балочной или стержневой постановке задачи безотносительно основ численных методов. Возможна также и оболочечная постановка задачи.
3. Программное средство должно иметь возможности учитывать при расчете нагрузки типа сосредоточенных и распределенных сил, давлений, моментов, гравитационных и температурных нагрузок, а также нагрузок, заданных в виде перемещений.
4. Должна быть возможность составления расчетных схем для определения напряженно-деформированного состояния с учетом задания нагрузок, воздействий и коэффициентов надежности по нагрузке. Расчетные схемы должны адекватно отражать условия закрепления в граничных условиях, виды нагрузок, конструкции опор с трением, характеристики жесткости и линейные размеры запорно-регулирующей арматуры и т.д.
Сбор исходной информации для построения расчетной модели
Расчеты проведены применительно к конструкциям ТПО (байпасных и факельных линий) крановых узлов газопроводов подключения месторождения «Юбилейное». Актуальность и необходимость выполненных расчетов при выборе и обосновании конструктивных решений объясняется высокой интенсивностью деформационных процессов, зафиксированных на крановых узлах в ходе проведения режимных обследований в рамках геотехнического мониторинга газопромысловых объектов ООО «Газпром добыча Надым».
Иллюстрация состояния ТПО крановых узлов приведена на рис. 22. В ходе проведения ремонтно-восстановительных работ выполнена подготовка поверхностных фундаментов из дорожной плиты.
Для подбора пружин выполнен расчет потребной несущей способности опор: Nn0m?=ngF\ (61) где Fax - максимальная весовая нагрузка на опору при условии загрузки только одной опоры вследствие неравномерных деформаций грунта; ng - коэффициент надежности по нагрузке; принят равным 1,5 по табл.13 СНиП 2.05.06-85 [72].
Весовые нагрузки на опоры, а также характеристики податливости ТПО, необходимые для расчетов, определены с использованием математических моделей соответствующих типов конструктивного исполнения ТПО (см.рис. 23).
Указанные модели построены с использованием проектной и исполнительной документации на крановые узлы газопровода подключения месторождения «Юбилейне» в программном комплексе Астра-НОВА 2003. Результаты расчета приведены в табл. 6.
Состояние ТПО крановых узлов газопровода подключения месторождения «Юбилейное» до и после ремонтно-восстанови тельных работ: а) кран № 14; б) кран № 21 На основании потребной несущей способности опор N"omp (табл.6) и результатов моделирования податливости ТПО подобраны пружины для упругих опор из сортамента по ОСТ 108.764.01-80. Данный сортамент обеспечивает относительно большую величину сжатия несоставных пружин при максимальной нагрузке. Приняты три типа упругих опор (табл.7).
Для принятых типов упругих опор с использованием суперэлементных моделей рассчитаны коэффициенты компенсации при платформенных Зп и при неравномерных 80 вертикальных перемещениях грунтов оснований: ёП0 = А Ав-Ш%, (63)
Расстановка и предварительная затяжка упругих опор ТипконструктивногоисполненияТПО Номеркрановогоузла Номер опоры Тип опоры Весовая нагрузка Предварительная затяжкаАи, мм Рабочее сжатиеА,, , ММ
Анализ табл. 9 показывает, что принятые типы упругих опор способны компенсировать платформенные вертикальные перемещения грунтов оснований: от 20% на податливых конструкциях до 90% на жестких конструкциях ТПО. Это соответствует реальным условиям: жесткие конструкции допускают меньшие перемещения. При неравномерных вертикальных перемещениях упругие опоры способны компенсировать от 50% до 97% амплитуды перемещений в зависимости от локальной податливости конструкции ТПО.
С использованием суперэлементных моделей выполнена оценка первых собственных частот конструкций ТПО. Рассмотрены варианты установки жестких и упругих опор. В обоих случаях значения первых собственных частот не превышают 10 Гц. Спектр возбуждающих частот при стравливании газа на свечу существенно выше. Это обеспечивает конструктивную отстройку от резонанса. В табл. 10 приведены геометрические характеристики и потребное количество принятых типов пружин. расчетный момент сопротивления площади поперечного сечения шпильки. В результате итерационных вычислений по приведенным формулам с учетом исходных данных расчетный диаметр шпильки dn = 49 мм, расчетная площадь поперечного сечения шпильки Ар =1878 мм2.
Номинальный диаметр резьбы шпильки выбран по приложению ГОСТ 24379.0-80 на основании расчетной площади поперечного сечения шпильки dwn = 56 мм.
Эскиз шпильки приведен на рис.24. В табл.11 приведены геометрические характеристики и потребное количество шпилек.
Конструктивное решение по устройству опор для трубопроводов среднего диаметра С целью повышения удобства при эксплуатации опор надземных трубопроводов, снижения трудовых и материальных затрат в ходе проведения ремонтно-восстановительных работ при снятии опасных прогибов трубопроводов, вызванных вертикальными подвижками фундаментов, автором в составе коллектива разработана полезная модель [51]. Технический результат достигается за счет наличия быстроразъемного смещаемого крепления опорной балки (см. рис. 25-28).
Предлагаемая опора может быть выполнена простой и в усиленном варианте. Опора простая (рис. 25) состоит из вертикальной стойки (сваи) 1, на боковой поверхности которой прикреплена горизонтальная опорная балка 2, несущая трубопроводы 3. Горизонтальная опорная балка 2 выполнена из швеллера расчетного по нагрузке сечения и прикреплена к вертикальной стойке 1 хомутом-стремянкой 4 (рис. 26), состоящим из проставки 5, выполненной из сегмента полутрубы, плотно прилегающей к боковой поверхности стойки 1 и приваренного к проставке 5 гнутого U- образного стержня 6, круглого сечения, на концах 7 которого выполнена резьба. Крепление горизонтальной опорной балки 2 к стойке 1 хомутом-стремянкой 4 осуществляется по резьбе при помощи гаек 8 через шайбы 9.
Опора усиленная (рис. 27) отличается тем, что горизонтальная опорная балка 2 крепится к стойке 1 через ответную часть 10 двойным хомутом-стремянкой 11, включающим два гнутых U-образных стержня 6 (рис. 28). Ответная часть состоит из сегмента полутрубы 12 и пластины 13 с уступом 14, приваренных друг к другу через усиливающие косынки 15.
Использование опоры при строительстве и эксплуатации трубопроводов осуществляют следующим образом.
Опору ставят на фундаментах, подверженных деформациям, при симметричном и асимметричном расположении трубопроводов на опоре.
Усиленную опору ставят при больших весовых нагрузках.
При визуальной или инструментальной регистрации деформаций осевой линии трубопроводов в районе опоры подводят под трубопроводы 3 гидравлические домкраты. Отворачивают попеременно гайки 8, медленно расслабляя соединение. При этом расслабленное соединение хомута-стремянки 4, 11 не мешает вертикальным смещениям горизонтальной опорной балки 2. Работая домкратами, опускают или поднимают трубопроводы 3 на требуемую высоту. Подводят горизонтальную опорную балку 2 под нижнюю образующую трубопроводов 3 и затягивают гайки 8.
Наличие быстроразъемного смещаемого крепления горизонтальной опорной балки обеспечивает быстрое выполнение работ по выравниванию трубопроводов, при отсутствии огневых работ и необходимости в дополнительных материалах. Предлагаемая полезная модель может быть многократно использована при строительстве трубопроводов.
Таким образом, разработан методический подход определения основных силовых опор конструкции разветвленных трубопроводов. Разработан метод составления и применения технологических карт, отражающих последовательность и объемы этапов проведения работ по разгрузке и выравниванию деформированных трубопроводов.
В развитие способа механической компенсации деформаций трубопроводов, вызываемых возможными циклическими перемещениями опорных конструкций, предложена практическая методика расчета характеристик упругих регулируемых опор известной конструкции, для использования на трубопроводах среднего диаметра.
При необходимости компенсации подвижек фундаментов нециклического характера автором предложена специальная конструкция опоры для надземных трубопроводов среднего диаметра.
