Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание и анализ методик расчета конструктивных показателей обеспечения устойчивости участков магистральных газопроводов на обводненных грунтах 10
1.1. Основные подходы нормирования конструктивных показателей для формирования устойчивости магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях
1.2. Критерии и алгоритмы оценки устойчивости участков магистральных газопроводов в сложных инженерно- геологических условиях 26 33
1.3. Методическая иерархическая структура исследования принципов использования балластирующих устройств на участках магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях
1.4. Выводы по главе 1
Глава 2. Разработка методик расчета конструктивных показателей для создания условий работоспособности участков магистральных газопроводов в обводненной местности 35
2.1. Функционально-аналитическое представление механических характеристик грунтов с использованием вероятностных показателей 35
2.2. Расчет конструктивных показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в обводненной местности с использованием диаграмм нагрузка - перемещение 53
2.3. Разработка принципов сохранения работоспособности участков магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях 57
2.4. Выводы по главе 2 60
Глава 3. Исследование показателей продольной устойчивости участков магистральных газопроводов в сложных инженерно- геологических условиях 66
3.1. Моделирование участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях с учетом упругости грунта основания
3.2. Алгоритм расчета показателей сохранения устойчивости участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях с функционально-аналитическим описанием механических свойств грунта
3.3. Анализ показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях
3.4. Выводы по главе 3
Глава 4. Формирование автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств в условиях строительства и ремонта магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях 88
4.1. Оценка характеристик применения балластирующих устройств в сложных инженерно-геологических условиях 88
4.2. Структура автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств в сложных инженерно-геологических условиях 97
4.3. Условия практической реализации автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств при строительстве и ремонте магистральных газопроводов 113
4.4. Выводы по главе 4 123
Общие выводы по диссертационной работе 126
Литература
- Методическая иерархическая структура исследования принципов использования балластирующих устройств на участках магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях
- Расчет конструктивных показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в обводненной местности с использованием диаграмм нагрузка - перемещение
- Анализ показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях
- Структура автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств в сложных инженерно-геологических условиях
Методическая иерархическая структура исследования принципов использования балластирующих устройств на участках магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях
В алгебраических соотношениях используются следующие коэффициенты и характеристики: g = 9,81 м/с] - ускорение свободного падения; л; = 3,14; pw [кг/м ] - плотность жидкости с растворенными солями; D0i [м] - наружный диаметр магистрального газопровода (учитывается слой изоляционного покрытия); Еум = 2,06x10 [Н/м ] - модуль Юнга для трубной стали; J = 7T-(D0 -2-5) -5/8 [м ] - момент инерции поперечного сечения металла трубы; 3 [рад] -поворот оси магистрального газопровода в горизонтальной плоскости; реь = Еум"Оо/(2-аь) [м] - радиус упругого изгиба оси магистрального газопровода в горизонтальной плоскости из условия прочности (минимальный); pst [кг/м ] -плотность стали; D0 [м] - наружный диаметр магистрального газопровода; Di = D0 - 2-5 [м] - внутренний диаметр магистрального газопровода; 5 [м] - толщина стенки магистрального газопровода; yw = 1,10x10 ч- 1,15x10 [Н/м ] - удельный вес жидкости с растворенными солями; pg [кг/м ] - плотность транспортируемого продукта (газ); Pg [Н/м ] - давление транспортируемого продукта; Tg [K] - температура транспортируемого продукта; Zg - коэффициент сжимаемости транспортируемого продукта (газа) [24]; Рс - давление транспортируемого продукта (критическое); Тс - температура транспортируемого продукта (критическая); ро - плотность транспортируемого продукта при То = 293,16 K (t = 20 оС) и атмосферном давлении Ро = 0,101325 МПа; Zo - коэффициент сжимаемости природного газа при температуре То и давлении Ро.
Основным продуктом, который транспортируется по магистральным газопроводам, является метан, для которого критическое давление равно Рс = 4,649 МПа, критическая температура равна Тс = 219,97 K, коэффициент сжимаемости природного газа при температуре То и давлении Ро —» Zo = 0,997, а плотность метана при температуре То = 293,16 K (20 оС) и атмосферном давлении Ро = 0,101325 МПа равна ро = 0,717 кг/м , а плотность метана при Tg = 298,16 K и Pg = 5,6 МПа с учетом Zg = 0,859 будет равна pg = 45,222 кг/м . Соответственно, в случае, если транспортируемый продукт нефть, вычисления по соотношению (1.11) дают /рг при pg= 760 кг/м -т- 850 кг/м .
Обратим внимание на следующее обстоятельство. Удельное расчетное усилие Фир [Н/м] с коэффициентом надежности устойчивости положения трубопровода на проектных отметках (Nw) и без учета нагрузок от грунта засыпки, которое направлено вертикально вверх, определено нами для участков магистральных трубопроводов в обводненной местности. Остается под вопросом определение усилия Фир [Н/м] для участков магистральных трубопроводов прокладываемых в других инженерно-геологических условиях (заболоченная местность, вечномерзлый грунт и т.д.), где величина коэффициента надежности устойчивости положения трубопровода на проектных отметках (Nw) не регламентирована строительными нормами и правилами.
Моделирование участка магистрального газопровода на обводненных грунтах должно осуществляться с учетом усилий, направленных вертикально вниз Odown [Н/м] [25-27].
Расчетные усилия, направленные вертикально вниз Odown (случайная величина), включают в себя силу, которая создается балластирующим трубопровод устройством Fbd. Случайная природа усилия, направленного вертикально вниз Obd, обуславливает необходимость использования эмпирического коэффициента условий работы балластирующего устройства (М 1) и эмпирического коэффициента надежности балластирующего устройства (К 1). Указанные принципы моделирования позволяют записать соотношение для расчета несущей способности одного балластирующего устройства с учетом М 1иК 1в виде Фьа = (M/K)-Fbd (1-15)
Анализ результатов многолетней эксплуатации магистральных газопроводов в обводненной местности показал возможные технологические решения (методы и средства) по Тем не менее, на современном этапе функционирования газотранспортной системы требуется поиск новых методов проектирования конструктивных схем магистральных газопроводов, которые бы обеспечивали устойчивость линейной части в обводненной местности при минимальных затратах на ресурсы, а также высокое качество и надежность выполнения.
Анализ положений нормативно-технических документов, которые устанавливают принципы расчета технологических показателей закрепления магистральных газопроводов, позволяет констатировать широкое использование методов, которые можно определить как детерминированные с эмпирическими коэффициентами, обоснование которых полностью или частично отсутствуют, что обуславливает неполное соответствие реальным условиям эксплуатации магистральных газопровод в сложных инженерно-геологических условиях.
Таким образом, формулировку основных задач исследования обуславливает определенное несоответствие отраженных в нормативных документах методов проектирования технологических характеристик закрепления магистральных газопроводов на проектных отметках и специфического напряженного состояния участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях. На основе научного анализа существующих методик проектирования показателей закрепления магистральных газопроводов на проектных отметках, существующих типов балластирующих устройств и материалов определены пути совершенствования методов расчета поперечной и продольной устойчивости магистральных газопроводов. Методическая иерархическая структура исследования приведена на рис. 1.11.
Методическая иерархическая структура исследования включает в себя формулировку цели работы (модуль 1) и опытно-промышленное внедрение результатов исследования (модуль 9 и модуль 10) в строительном производстве. Модуль 2 —» определение напряженного состояния и взаимодействия с окружающей средой магистральных газопроводов при различных условиях эксплуатации с целью разработки научных основ и методов прочностного расчета нефтегазопроводов и модуль 3 —» разработка и совершенствование методов проектирования нефтегазопроводов с целью усовершенствования технологических процессов с учетом требований промышленной экологии обуславливают необходимость использования методов теории прочности, вероятностно-статистического и экспертно-логического анализа, а также информационных технологий, т.е. является методологической основой исследования (модуль 6).
Кроме того, содержание модуля 2 и модуля 3 способствует описанию и анализу методик расчета конструктивных показателей обеспечения устойчивости участков магистральных газопроводов на обводненных грунтах (модуль 4), что позволило обосновать задачи исследования (модуль 5) и цель работы - разработка методов и средств расчета поперечной и продольной устойчивости магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях с использованием современных информационных технологий, что должно существенно повысить эксплуатационную надежность магистральных газопроводов. Научно-техническая гипотеза совершенствования методов расчета поперечной и продольной устойчивости магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях предполагает использований современных информационных технологий для практической реализации автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств при строительстве и ремонте магистральных газопроводов, что должно существенно повысить эксплуатационную надежность магистральных газопроводов, Модуль 1 -г реализация процессов достижения цели - расчет поперечной и продольной устойчивости магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях.
В работе предложены алгоритмы расчета показателей сохранения устойчивости участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях с функционально-аналитическим описанием механических свойств грунта (модуль 7), а полученные результаты (модуль 8) реализованы путем опытно-промышленного внедрения (модуль 9 и модуль 10).
Представлен анализ методик расчета конструктивных показателей обеспечения устойчивости участков магистральных газопроводов на обводненных грунтах, сформулированы цель и задачи исследований.
Научные основы мониторинга технологических характеристик сооружения и ремонта магистральных газопроводов описаны в исследованиях Березина В.Л., Бородавкина П.П., Бабина Л.А., Быкова Л.И. и других ученых, которые обосновали методы и средства закрепления подземных магистральных газопроводов на проектных отметках путем использования различных типов балластирующих устройств.
Объемы и стоимость работ по балластировке магистральных газопроводов в последние годы значительно возросли. При эксплуатации магистральных газопроводов в сложных условиях Западной Сибири осуществляются комплексные организационно-технические мероприятия по восстановлению устойчивости линейной части. При этом основными причинами потери устойчивого положения магистральных газопроводов являются следующие: низкое качество производства работ; несоответствие количества балластирующих устройств; несоответствие шага установки балластирующих устройств; несоблюдение глубины установки анкерных устройств; несоответствие реальных физико-механических свойств грунтов расчетным; ошибки при проектировании; некорректное определение области применения балластирующих устройств; применение грунтов засыпки на размываемых участках и склонах; применение анкерных устройств на глубоких болотах; применение седловидных балластирующих устройств на малых водных преградах; ошибки при инженерно-геологических изысканиях.
Тем не менее, на современном этапе функционирования газотранспортной системы требуется поиск новых методов проектирования конструктивных схем магистральных газопроводов, которые бы обеспечивали устойчивость линейной части в обводненной местности при минимальных затратах на ресурсы, а также высокое качество и надежность выполнения. Анализ положений нормативно-технических документов, которые устанавливают принципы расчета технологических показателей закрепления магистральных газопроводов на проектных отметках позволяет сделать вывод о том, что предлагаемые методики не учитывают реальное состояние участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях.
Формулировку основных задач исследования обуславливает определенное несоответствие отраженных в нормативных документах методов проектирования технологических характеристик закрепления магистральных газопроводов на проектных отметках и специфического напряженного состояния участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях. На основе научного анализа существующих методик проектирования показателей закрепления магистральных газопроводов на проектных отметках, существующих типов балластирующих устройств и материалов определены пути совершенствования методов расчета поперечной и продольной устойчивости магистральных газопроводов. Приведена методическая иерархическая структура исследования.
эффективному закреплению участков газопроводов на проектных отметках [28-30]: использование кольцевых балластирующих устройств; использование балластирующих устройств охватывающего типа; использование балластирующих устройств, опирающихся на трубу; использование балластирующих устройств с грунтом; использование балластирующих устройств контейнерного типа; использование балластирующих устройств из геотекстильного синтетического материала в сочетании с грунтом; использование в качестве балластирующих устройств грунта засыпки; использование анкерных балластирующих устройств. При этом, закрепление участка магистрального газопровода в обводненной местности может осуществляться как отдельными балластирующими устройствами, так и путем сплошного обетонирования.
Остановимся на обсуждении эмпирических коэффициентов, которые предлагаются к использованию в расчетах устойчивости участков магистральных газопроводов в обводненной местности и количественная величина которых приведена в нормативно-технических документах.
Итак, широкое распространение использования анкерных балластирующих устройств обуславливает расчет несущей способности одного устройства Фап [Н] с учетом количества анкеров в одном балластирующем устройстве Z, конструктивной характеристики Dan (диаметр лопасти анкера), эмпирического коэффициента Mgr (зависит от типа грунта основания), эмпирического коэффициента Мап (условия работы балластирующего устройства), эмпирического коэффициента надежности балластирующего устройства Кап и несущей способности балластирующего устройства Fan по формулам
Расчет конструктивных показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в обводненной местности с использованием диаграмм нагрузка - перемещение
Таким образом, величина шага балластирующих устройств ALan на участке магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях зависит от доверительной вероятности аср и может быть получена с учетом показателей предыдущей задачи: Фир = 11736 Н/м - требуемое расчетное усилие балластирующего устройства; JJ, = N - 1 = 4; Tj(acp = 0,85) = 1,19; Tj(acp = 0,90) = 1,53; rj(acp = 0,95) = 2,13; Kgr.aCp=0,85(Fa„) = 1,020; Kgr.aCp=0,90(Fa„) = 1,026; Kgr.acp=0,95(Fan) = 1,036; Z = 2 - количества анкеров в одном балластирующем устройстве; Мап = 0,7 - условия работы балластирующего устройства. Результаты расчетов по формулам (2.23) - (2.30): ALan(acp = 0,85) = 4,69 м; ALan(acp = 0,90) = 4,66 м; ALan(acp = 0,95) = 4,62 м.
Методология реализации расчетов с определенной величиной доверительной вероятности позволяет учитывать случайность в варьировании показателей и компенсировать эту случайность эмпирическими коэффициентами надежности.
Здесь следует отметить, что такой подход вполне справедлив для вполне определенной функции распределения рассматриваемого показателя, в частности, функции распределения Гаусса. Так, распределение Стьюдента будет стремиться к нормальному распределению при N —» оо, что свидетельствует об объективной взаимосвязи количества определений и коэффициента надежности. Другой подход более трудоемкий, но реализация такого подхода с использованием современных информационных технологий вполне реальна, это определение функции распределения случайного показателя и использование этой функции распределения во всех расчетах с заданной вероятностью в неравенствах анализа надежности. Эта величина вероятности и будет задавать степень надежности конструкции, т.е. снижение или увеличение этой вероятности будет означать уменьшение или рост надежности конструкции.
Кроме того, можно воспользоваться функционально-аналитическим представлением поведения балластирующего устройства (анкера) в грунте при действующих на него выдергивающих нагрузок. Для получения экспериментальных данных производилось внедрение винтового анкерного устройства (Dan = 0,4 м - диаметр лопасти анкера) в грунт машиной для заглубления анкеров ВАГ-101. Измерения нагрузок осуществлялось с использованием прогибомера. Внедрение винтового анкерного устройства производилось до глубины 2,4 -т- 2,5 м, что составляет 6Dan. Перемещение балластирующего устройства измерялось прогибомерами с точностью до 0,1 мм, установленными на реперных опорах. Основные принципы экспериментальных исследований поведения балластирующего устройства (анкера) в грунте (ygr = 27000 Н/м ; ф = 22 град; Cgr = 18000 Н/м ; є = 0,55) заложены в положениях нормативно-технического документа [66]. Полученные данные обеспечили возможность построения корреляционного поля экспериментальных величин нагрузки (/) и перемещения (Z) при испытании балластирующих устройств (рис. 2.2, где 1 — № 1 - номер эксперимента, 2 — № 2, 3 — № 3, 4 —» № 4 и 5 — № 5).
Методология построения регрессионных зависимостей по экспериментальным данным включает в себя [67]: выбор функциональной зависимости; оценку параметров функциональной зависимости; проверку гипотезы о функциональной зависимости.
Для определения нелинейности взаимосвязи нагрузка - перемещение [68] проводились экспериментальные испытания балластирующих устройств на выдергивающую нагрузку, т.е. строилось корреляционное поле экспериментальных величин нагрузки (/) и перемещения (Z).
Корреляционное поле экспериментальных величин нагрузки (/) и перемещения (Z) при испытании балластирующих устройств
Выпишем алгебраические соотношения, которые позволят количественно учесть поведение кривой / - Z на диаграмме "нагрузка - перемещение" с учетом достижения кривой максимума в точке ZN, где d//dZ = 0:
Соотношения (2.35) - (2.37) представляют собой алгебраические уравнения, решение которых позволяет найти А [Н], В [м] и Н с учетом Ki = А/В, Zmax, /max. Путем равенства величин указанных характеристик для экспериментальных и теоретических точек получим:
Предположим, что существуют другие многопараметрические зависимости, удовлетворяющие заданным ограничениям и наилучшим образом приближающие экспериментальную зависимость "нагрузка - перемещение". Будем искать полиномиальное приближение как решение оптимизационной задачи построения аппроксимирующего уравнения [71, 72]. Есть основания предполагать, что это будет полином с четной старшей степенью выше 2. Возьмем в качестве модели следующий полином (обозначая Zrei = Z/Zo):
Оценку коэффициентов модели можно выполнить с помощью метода наименьших квадратов [73, 74, 75]. В соответствии с алгоритмом метода необходимо найти решение системы уравнений, дающее минимум суммы квадратов отклонений расчетных значений зависимой величины от значений, полученных экспериментальным путем. Для этого сначала было получено выражение для зависимости суммы квадратов отклонений RSS от параметров аппроксимирующего полинома:
При этом можно вычислить еще один показатель, так называемый коэффициент детерминации R или коэффициент корреляции r(Ye, Yc) = cov(Ye, Yc)/[D(Ye)D(Yc)] , где Ye - экспериментальные величины, Yc - теоретические величины, D(Ye) и D(YC) - дисперсия величин Ye и Yc, cov(Ye, Yc) - ковариация величин Ye и Yc, который равен квадратному корню коэффициента детерминации, поэтому может применяться для оценки значимости регрессионных моделей. Отмечается, что чем ближе коэффициент корреляции r(Ye, Yc) к единице, тем большая корреляция наблюдается между величинами Ye и Yc. В рассматриваемом случае r(Ye, Yc) = 0,99, что свидетельствует о хорошем соответствии модели экспериментальным данным.
Анализ показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях
Выполнено исследование показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях на основе моделирования участка с учетом упругости грунта основания. Разработан алгоритм расчета показателей сохранения устойчивости участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях с функционально-аналитическим описанием механических свойств грунта и выполнен анализ показателей устойчивости.
Расчетная схема участка магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях с учетом упругости грунта основания представляет собой три отрезка бесконечного стержня: -оо X 0 - участок первый Yi(X); 0 X L - участок второй Уг(Х) - участок магистрального газопровода в заболоченной или обводненной местности (L - протяженность участка); L X оо - участок третий Уз(Х). Грунт на Yi(X) и Уз(Х) имеет упругие свойства, а состояние грунта на Уг(Х) - пластическое. В соответствии с методом перемещений представим функцию прогиба в виде: Y(X) = Yi(X) = -оо X 0; Y(X) = Уг(Х) = 0 X L; Y(X) = Уз(Х) = L X оо.
Согласно гипотезе Фусса - Винклера, реакция упругого основания в каждой точке пропорциональна прогибу балки Р = - к-Y, где Y - просадка основания, к - коэффициент постели. Принимая гипотезу Фусса - Винклера, моделируем участки Yi(X) и Ys(X) балками в упругой среде. Участок Y2QQ моделируется балкой в условиях поперечного изгиба, которая находится под воздействием нагрузки (выталкивающей) R, которая равномерно распределена по длине L, и сил (сосредоточенных) РІ (і = 1, 2, ..., N) - силы реакций связей в точках расположения балластирующих устройств.
Итак, нам надо найти перемещение (і-ая связь) 5ц от единичной силы (j-ая связь). Для участка Y2(X) приложенную в точке Xj нагрузку запишем в виде сосредоточенной единичной силы. Таким образом, рассматриваем задачу с равномерно распределенной нагрузкой R = 1, решение которой - величина прогибов во всех точках бесконечного стержня, а уравнения изогнутой оси на участках Yi(X), Y2QQ и Y (X) с учетом модуля упругости (Е) и момента инерции (J), а также условия граничные и сопряжения будут иметь вид: EJ d4Yi(X)/dX4 + AYi(X) = 0 = -00 X 0; E-J d4Y2(X)/dX4 = РІ-5(Х - Xj) + R = 0 X L; E-J d4Y3(X)/dX4 + AYs(X) = 0 = L X oo; Yi(-oo) = Yi (-oo) = 0; Уз(оо) = Y3 () = 0; Yi(0) = Уг(0) ; Yi (0) = Уг (0) ; Yi"(0) = Y2"(0) ; Yi" (0) = Y2 "(0)5 Y2(L) = Ys( L) ; Y2f(L) = Y (h) ; Y2"(L) = Y3"(L) ; Y2 "(L) = Y3 "(L).
Поиск решений дифференциальных уравнений (Yi(X), Y2(X), Ys(X)} с условиями граничными и сопряжения основан на методах численного интегрирования указанных дифференциальных уравнений.
Обозначая перемещение в точках ХІ через 5ц (краевая задача с единичной силой) и 5iR (краевая задача с единичной распределенной нагрузкой), получаем для прогибов Zi, Z2, ... , ZN под действием Pi, Р2, ... , PN и распределенной нагрузки R систему уравнений: Zi = бц-Рі + 5І2- Здесь 5ik - перемещение в краевой задаче с единичной силой вместо силы Рк - сила реакции балластирующих устройств, а SIR - перемещение в краевой задаче с единичной распределенной нагрузкой R = 1.
Анализ показателей устойчивости участков магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях выполняется по результатам полученного решения, т.е. по представлению нагрузки R и перемещения Z в виде диаграммы состояний участка длины L в обводненной местности с балластирующими устройствами. В рассматриваемом случае участок магистрального газопровода в обводненной местности Y2(0 X L ) представляет собой стержень с неподвижными жесткими опорами по концам с балластирующими устройствами (N = 1 и N = 2): D0 = 1,42 м; 5 = 0,0165 м; Е-J = 3,75х106 кН-м2; L = 100 м; /0 = 300 кН и Zo= 0,15 м.
Приведено графическое представление состояния участка магистрального газопровода в обводненной местности с балластирующими устройствами: 1 -грунт по концам обводненного участка находится в упругом состоянии (Vopt_i); 2 - обводненный участок жестко закреплен по концам (Vopt_2). Из результатов расчетов следует, что в случае Vopt_i величина предельной нагрузки на 15% меньше, чем в случае Vopt_2, в тоже время предельное перемещение больше.
Рассматривая Vopt_2 с вариациями шага установки балластирующих устройств ALbd (1 - Хі = 0,33-L, Х2 = 0,66-L; 2 - Хі = 0,4-L, X2 = 0,6-L; 3 - Xi = 0,42-L, X2 = 0,58-L; 4 - Xi = 0,45-L, X2 = 0,55-L), получаем взаимосвязь ALbd и величины предельно допустимой поперечной нагрузки R( ). Видно, что уменьшение величины ALbd с ALbd = Х2 - Xi = 25 м до ALbd = 10 м способствует росту предельно допустимой поперечной нагрузки R( ) на 13%.
Представлены результаты расчетов, которые соответствуют случаю равномерной установки балластирующих устройств (N = 20 и ALbd = 5 м). При численном моделировании можно изменять величину к (коэффициент постели) и при к —» оо рассматривать Vopt_2. При сохранении грунтом упругих свойств, предельно допустимая поперечная нагрузка R( ) уменьшается на 25%, а вот предельное перемещение увеличивается на 20%.
При численном моделировании можно изменять величину к (коэффициент постели) и при к —» со рассматривать Vopt_2. При сохранении грунтом упругих свойств, предельно допустимая поперечная нагрузка R( ) уменьшается на 25%, а вот предельное перемещение увеличивается на 20%. Следует отметить, что модель Vopt_i имеет большую свободу в перемещениях, в то время R( ) меньше для модели, где упругость грунта сохраняется. Такая модель адекватно отражает процесс изменения пространственного положения участка магистрального газопровода в обводненной местности. Модель Vopt_i лучше, чем модель ст ержня с жестким закреплением Vopt_2.
Структура автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств в сложных инженерно-геологических условиях
Материалы рекомендаций для данного участка МГ, закрепляемого в заданном пространственном положении, содержат организационно технологическую схему балластировки, границы строительного участка, подробное описание конструктивных решений и методик балластировки с указанием численных значений параметров, специфичных для каждого участка, кроме того, приводятся показатели требуемого ресурсного обеспечения работ (необходимое строительное оборудование, машина, строительные конструкции, изделия, детали, материалы), требуемый кадровый состав, описание мероприятий по обеспечению промышленной безопасности работ.
Исходные и результирующие данные, включенные в состав информационного объекта системы проектирования, также используются в системе для формирования технико-экономического обоснования с расчетом технико-экономических показателей выбранного организационно технологического решения.
Таким образом, разработана и обоснована структура автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств в условиях строительства и ремонта магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях, сформированная на основе комплекса информационных моделей, алгоритмов и основанных на них прикладных программных модулей, осуществляющая мониторинг состояния закрепления участков магистральных газопроводов в обводненной местности, прогнозирование состояния участков магистральных газопроводов в обводненной местности, анализ ситуации и формирование целей принятия проектно-организационных решений.
Система осуществляет обнаружение и идентификацию проблемы стабильности участка МГ и прогнозирование характера развития состояния объекта, проектирование методов управления состоянием объекта и надежностью участков магистральных газопроводов, совершенствование последовательности строительных и ремонтных технологических операций, разработку и оптимизация технологических схем операций применения балластирующих устройств, формирование рекомендаций по выполнению основных строительных и ремонтных процессов. В результате выполнения указанных процессов в системе становится возможным подготовить и обосновать наилучшее решение технологической задачи с учетом оценки последствий реализации выбранного решения. Кроме того, система применяется на этапе выполнения строительных и ремонтных работ для проверки эффективности принятых технологических и управленческих решений.
Пакет прикладных программ "Балластировка" обеспечивает реализацию системного комплексного подхода к решению задач проектирования процессов закрепления участков магистральных газопроводов в заданном проектом пространственном положении в сложных инженерно-геологических условия, поскольку наравне с использованием расчетно-аналитических процедур предполагает интенсивное применение неформализованных экспертных знаний и опыта проектирования. Реализация в ППП "Балластировка" методик и алгоритмов, предложенных в диссертационной работе, позволяет повысить эффективность проектирования производства строительных и ремонтных работ, обеспечить возможности управления надежностью участков магистральных газопроводов и прогнозирования ресурсных потоков в ходе выполнения работ, что в конечном итоге снижает продолжительность работ по строительству и ремонту линейной части магистральных газопроводов, начиная от планирования работ и заканчивая сдачей объекта в эксплуатацию с заданным качеством и высокими показателями эксплуатационной надежности.
На начальном этапе практической реализации автоматизированной системы проектирования применения балластирующих устройств при строительстве и ремонте магистральных газопроводов следует разработать и реализовать методику проведения стендовых испытаний устройств балластирующих грунтозаполняемых (УБГЗ).
Устройства балластирующие грунтозаполняемые (УБГЗ) по ТУ 4834-007-58183933-2007 предназначены для закрепления участков магистральных газопроводов на проектных отметках, в том числе и теплоизолированных, при сооружении и ремонте линейной части в сложных инженерно-геологических условиях обводненной и заболоченной местности, а также мерзлых грунтах. Требования к изготовлению, сборке, установке и эксплуатации УБГЗ изложены в ТУ 4834-007-58183933-2007, в техническом паспорте, руководстве по эксплуатации и технологических картах.
Проведение стендовых испытаний УБГЗ включает в себя проверку: - поведения балластирующего устройства в условиях, имитирующих реальные динамические процессы, происходящие в условиях эксплуатации участков магистральных газопроводов в сложных инженерно-геологических условиях; - несущей способности балластирующего устройства при максимальных статических нагрузках, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации; - заявленного балластирующего объема устройства; - отсутствия разрушающего воздействия испытываемой конструкции на балластируемую трубу (например, повреждение изоляционного покрытия).
Следует отметить, что УБГЗ является крупногабаритным объектом, поэтому проведение проверки соответствия устанавливаемых требований климатическим условиям применения в соответствии с [122] изделия в целом не предусматривается. При этом, материалы применяемые для изготовления составных частей балластирующего устройства УБГЗ должны соответствовать климатическим условиям УХЛ 1 (УХЛ 1 - категория климатического исполнения), т.е. макроклиматическим районам с умеренным и холодным климатом [122].
Балластирующее устройство УБГЗ в стандартной комплектации следует испытывать при статических и динамических нагрузках. Статические нагрузки предназначены для фиксации несущей способности конструкции, а динамические нагрузки - для изучения поведения конструкции и элементов устройства при перемещении участка магистрального газопровода в трех направлениях, соответствующих трем степеням свободы.
Проведение стендовых испытаний УБГЗ следует производить на полигоне, который должен быть расположен в доступном месте, с подъездными путями для грузового транспорта, оборудован помещениями и укрытиями для оформления результатов испытаний. Полигон оснащается подъемно-транспортными средствами грузоподъемностью не менее 196,133 кН (20 тс), экскаватором или иными аналогичными средствами для засыпки балластом испытываемых устройств, средствами измерения геометрических параметров элементов устройств и балластируемой трубы до и после испытаний [123]. Размеры проверяют с помощью металлической рулетки длиной 5 м [124] с погрешностью измерений ±5 мм. Время сборки устройства и продолжительность циклического нагружения измеряется с помощью секундомера [125]. Испытания проводятся в естественных условиях полигона без искусственного моделирования климатических условий. В качестве стенда используется труба соответствующего диаметра, уложенная горизонтально.
