Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проблемы обеспечения надежности и безопасности подводных переходов магистральных газопроводов 6
1.1. Анализ технического состояния подводных переходов магастральных газопроводов 6
1.2. Современная концепция обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности подводных переходов 15
1 .3 Постановка задач исследований 30
Глава II. Исследование и разработка моделей оценки прочности и устойчивости подводных переходов газопроводов 39
2.1. Негативные факторы эксплуатации подводных переходов магистральных газопроводов и анализ прочностных расчетов 39
2.2. Разработка модели оценки напряженно-деформированного состояния подводных переходов в непроектном положении 50
2.3. Рекомендации по выбору предельных состояний для оценки работоспособности подводных переходов в экстремальных условиях 61
Глава III. Разработка математических моделей оценки работоспособности подводных переходов с учетом неопределенности параметров их эксплуатации
3.1. Исследование и разработка моделей использования прогнозной и статистической информации для оценки работоспособности подводных переходов 77
3.2. Методика технико-экономического анализа альтернативных вариантов восстановления подводных переходов на основе оценки их работоспособности 88
3.3. Разработка рекомендации по использованию показателей надежности при нормировании параметров подводных газопроводов на этапах их проектирования и реконструкции 97
3.4. Оценка погрешностей при аналитическом исследовании показателей надежности подводных переходов 109
Глава IV. Практические рекомендации по повышению эксплуатационной надежности и безопасности подводньек переходов на основе реализации разработанных матема тических моделей 122
4.1. Формирование и реализация структурно-функциональных элементов управления надежностью и безопасностью подводных переходов в современных условиях 122
4.2. Технологические схемы восстановления эксплуатационной надежности подводных переходов магистральных газопроводов 132
4.3. Практическая реализация проведенных исследований на примере газопровода Ямбург-Елец II через р. Волга 142
Общие выводы. 167
Литература
- Современная концепция обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности подводных переходов
- Разработка модели оценки напряженно-деформированного состояния подводных переходов в непроектном положении
- Методика технико-экономического анализа альтернативных вариантов восстановления подводных переходов на основе оценки их работоспособности
- Технологические схемы восстановления эксплуатационной надежности подводных переходов магистральных газопроводов
Современная концепция обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности подводных переходов
На магистральных газопроводах, протяженность которых составляет 148 тыс. км эксплуатируется 1620 подводных перехода или 2529 нитки общей протяженностью в русловой части 1445 км, пересекающие водные преграды: реки, водохранилища, каналы, озера и др., в том числе 253 перехода (483 нитки) пересекают судоходные реки. (рис.1.1).
По состоянию на конец 2000 года 27% ниток эксплуатируется с отступлением от действующих технических норм и правил, из них 8,5% ниток требуют проведения неотложного ремонта, в основном из-за значительных обнажений и провисов подводных газопроводов.
Возраст действующих подводных переходов различен - от полугода до 50 лет и более. Пик рождения приходится на начало восьмидесятых годов. Наибольшее количество переходов имеет возраст 10-20 лет. В то же время успешно работает старейший газопровод Саратов - Москва с 23 подводными переходами. Таких подводных переходов (старше 40 лет) немного - около 6% от общего числа. Примерно треть переходов (13%) не старше 10 лет; 41% имеют возраст от 10 до 20 лет. Таким образом, большинство (около 64% -почти две трети) подводных газопроводов достаточно молоды. В ОАО Тазпром" 20-30-летних - 22% подводных газопроводов, а перешагнувших проектный рубеж (30 лет) - примерно 18%о (рис. 1.2).
Из числа действующих в настоящее время в системе ОАО "Газпром" подводных переходов 84,3% (т.е. подавляющее большинство) сооружены под водными преградами глубиной до 5 метров, поэтому технический надзор за ними при эксплуатации (с определением фактического положения газопровода и отклонения его от проектных отметок) может осуществлять
Срок эксплуатации подводных переходов трубопроводов ОАО "Газпром". ся относительно простыми и дешевыми техническими средствами. 99% водных-преград на пути магистральных газопроводов имеют глубину до 20 метров Подводных переходов на водных преградах глубиной свыше 30 метров (а это предел нашей дноуглубительной техники) в системе ОАО "Газпром" всего 8 шт., или 0,47%. Это 4 перехода на глубине 30-35 метров под Волгоградским водохранилищем и 4 перехода под р. Волга на глубинах 30-40 метров. Подводных переходов на глубинах от 20 до 30 метров всего 10 или 0,58 %. В сумме глубоководных переходов (глубже 20 метров) всего 18 шт., или 1,05%. Существующие подводные переходы, в основном, выполнены с использованием труб меньшего диаметра, чем основной газопровод и не приспособлены к пропуску внутритрубных дефектоскопов. В настоящее время для определения состояния подводных газопроводов, технического надзора за. строительством и ремонтно-восстановительными работами . разработаны комплексы приборных технических средств, с использованием которых выявляются дефекты и причины неисправностей различного характера. (Рис. 1.3). Основными причинами неисправного состояния подводных переходов являются: - некачественное проектирование и строительство подводных переходов (большинство из них уложены выше линии предельного размыва дна); - низкий уровень авторского и технического надзора за производством работ во время строительства; - недостаточный объем ежегодно выполняемых работ по капитальному ремонту.
Общий анализ выявленных при диагностике дефектов показал, что вследствие некачественной сварки или плохого качества труб повреждения подводных газопроводов составляют 3,3%, а повреждения подземных труб (по данным на этот период) 23,7% .Это объясняется повышенными требованиями к контролю за качеством сварочных работ и испытаниям подводных газопроводов до и после укладки их на переходах. В то же время по причине механических повреждений произошло 11,7% аварий. Но основная причина 232
ОАО "Газпром". аварий подводных газопроводов на речных переходах - разрыв труб при их вибрации под воздействием потока воды (71,7%), что происходит при недостаточном заглублении трубопроводов и деформациях русла, не учтенных при проектировании переходов. Из 60 аварий, причины которых установлены с достаточной достоверностью, в 53 случаях (88,4%) в аварийное состояние приходили газопроводы, не заглубленные в дно. Сюда следует отнести разрывы труб при их вибрации, механических повреждениях и повреждении льдом. Общие данные о причинах повреждений подводных газопроводов на переходах приведены в таблице 1.1.
Анализ используемой в настоящее время проектной документации позволил выделить следующие основные ошибки, возникающие при проведении проектных операций: на стадии выбора створа перехода недостаточно прорабатываются вопросы переформирования русла и берегов реки в створе перехода газопровода. Правильный учет переформирования русла и берегов на стадии проекти 12 рования позволяет обеспечить надежную и безаварийную работу подводных переходов в течение расчетного срока их эксплуатации. Проблема переформирования русла и берегов реки - одна из сложнейших в гидротехническом строительстве, поскольку гидродинамические воздействия и морфологические изменения дна и берегов рек зависят от многих случайных факторов. Неправильный прогноз переформирования дна и берегов приводит к тяжелым последствиям при эксплуатации газопровода - возможно оголение трубопровода, особенно это опасно в русловой части, поскольку размытый, провисший участок, как правило, начинает колебаться, а при определенных условиях возникает резонансный режим колебаний и разрушение трубопровода; на стадии изысканий не всегда выполняются требования СНиП, а это часто приводит к тому, что в период проведения земляных работ могут встретиться твердые, скальные грунты, не выявленные при изысканиях и не учтенные проектом. Для их разработки потребуется применение специальной техники и дополнительные согласования, связанные с производством взрывных работ; при производстве топографических изысканий недоработки связаны, в основном, с недостаточным количеством заложенных грунтовых реперов на переходе. Количество реперов на переходах через водные преграды регламентируется п.2.1 СНиП 11-42-80 "Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ" и п. 2.12 ВСН 010-88 и недостаточное их количество усложняет проведение контрольной нивелировки в процессе строительства перехода; на стадии геологических изысканий, проводимых в соответствии со СНиП 11-02-96 "Инженерные изыскания для строительства" наиболее распространенными недоработками являются: недостаточное количество выработок (скважин) на переходе, недостаточная их глубина. Иногда инженерные изыскания выполняются более, чем за 2 года до проектирования перехода, что происходит из-за сжатых сроков проектирования;
Разработка модели оценки напряженно-деформированного состояния подводных переходов в непроектном положении
Исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) и устойчивости магистральных газопроводов в зоне подводных переходов должны учитывать следующие специфические особенности их эксплуатации: - образование вследствие размыва грунта открытых участков подводных переходов приводит к появлению дополнительных сил от водного потока; - силы скоростного напора вызывают поперечный изгиб трубопровода и деформацию грунта у концевых участков размытой части подводного перехода; - из-за сжимающих продольных сил в трубопроводе появляется продольно-поперечный изгиб.
На практике одним из наиболее опасных случаев (80% всех аварийных ситуаций) является размыв траншеи подводного трубопровода и образование свободных участков (провисов), которые под воздействием потока воды могут быть разрушены вследствие усталости, потери устойчивости и т.п. Размыв и разрушение грунта засыпки подводного перехода увеличивают длину его открытого участка и, соответственно, увеличивается зона активного воздействия на трубопровод скоростного напора водного потока. Очевидно, что при некоторой длине открытого участка из-за ограниченности предельного сопротивления грунта может произойти "вырывание" трубопровода из грунта, т.е. разрушение подводной траншеи.
К факторам, способствующим увеличению интенсивности размыва и не учитываемым в проектах относятся [16]:
1. Вынос водным потоком мелких фр акций грунта за пределы строительного участка при разработке траншей земснарядами, при укладке разрабатываемого грунта в резервы и последующей засыпке траншей с уложенными в них дюкерами резервным фунтом. Объем вынесенного грунта мелких фракций достигает 30-40 % от объема выемки траншеи.
2. Распластанность тепа намыва резервного грунта на большой длине реки. При этом наибольшая часть объема регулируемого грунта (до 40-50 %) укладывается на длине (1-И50) глубин потока. Все это приводит к тому, что дефицит грунта для засыпки траншей может составлять 50-70 % и более от требуемого его объема. Этот дефицит восполняется строителями за счет разработки грунта из ложа реки в непосредственной близости от дюкера.
3. Разрушение на дне реки отмостки, состоящей из наиболее крупных фракций донных отложений и препятствующей интенсивному размыву русла. Естественное восстановление отмостки сопровождается переформированием состава донных отложений, в результате которого происходит вымыв и вынос потоком части грунта с диаметром частиц, меньше минимального диаметра отмостки. Период естественного восстановления отмостки - длительный, и может составлять от 2 до 5 лет. В этот период происходит наиболее интенсивное понижение отметок дна, которое в проектах не учитывается.
4. В процессе размыва русла и понижения отметок дна дюкер попадает в активный подвижный слой (нелитифицированные илы и ленточные гряды), где происходят периодические оголения (или провисы) дюкера. В результате на дюкер добавляются не предусматриваемые проектом гидродинамические нагрузки, возникают крутящий, изгибающий и опрокидывающий моменты явления абразивности.
В связи с изложенными факторами коэффициент надежности подводного перехода снижается до предельно низкой величины задолго до истечения гарантированного проектом срока эксплуатации. При несовершенстве технологии строительства и низком качестве работ аварийная ситуация на ППМГ может возникнуть в еще более ранние сроки.
С целью своевременного прогнозирования размыва а оголения магистрального трубопровода необходимо осуществлять систему наблюдений за состоянием руслового участка подводного перехода, на основе которых анализируется напряженно-деформированное состояние трубопровода, что необходимо для оценки устойчивости конструкции и принятия решений о проведении профилактических или ремонтно-восстановительных мероприятий. При этом важнейшей задачей с точки зрения эксплуатации магистральных трубопроводов, пересекающих водные преграды, является определение условий, в рамках которых подводный переход с размытым участком сохраняет устойчивость.
При проведении наблюдений на русловых участках переходов должны быть получены данные о [29]: состоянии руслового режима за весь период эксплуатации перехода (по сравнению с периодом изысканий при проектировании и завершении его строительства); изменении рельефа дна, береговых склонов по сравнению с их состоянием и положением в период проектирования и строительства перехода; состоянии сооружений защиты берегов от размыва, волновых воздействий и ледовых нагрузок; строительстве или наличии выше и ниже по течению реки новых подводных переходов и других сооружений, оказывающих влияние на гидрологические условия эксплуатации перехода;
Качественное выполнение гидрологических наблюдений должно быть обеспечено функционированием в течение всего периода эксплуатации перехода планово-высотной геодезической сети. Геодезические и русловые съемки должны вестись по одним и тем же высотным отметкам (реперам, водомерным постам). Определение (в период эксплуатации перехода) гидрологи 42 ческих характеристик водного объекта должно основываться на данных наблюдений местных гидрометеорологических станций.
Определение гидрометрических характеристик (уровень и расход воды, скорость течения, ледовый и волновой режимы) и выполнение гидрологических наблюдений за русловым режимом производится в соответствии с требованиями нормативных документов по учету русловых деформаций и определению расчетных гидрологических характеристик [80].
На основании материалов гидрологических наблюдений и русловых съемок дна на состоянии участка подводного перехода осуществляется участке подводного перехода определяются данные высотных и плановых деформаций дна и -берегов за период эксплуатации перехода и проводится оценка надежности и эффективности креплений береговых склонов. Периодичность и классификация обследований, необходимых для получения данных об экологическом согласно РД 51-2-95. Объем и виды работ по обследованию участков подводных переходов определяются по 1,2 и 3 классу обследований (табл. 2.1). Периодичность обследований указана в табл. 2.2.[63].
Методика технико-экономического анализа альтернативных вариантов восстановления подводных переходов на основе оценки их работоспособности
Поскольку на практике часто оценка надежности строительных конструкций явно или неявно основывается на выражении (3.11) целесообразно установить границы его применимости, то есть необходимо учесть, что, во-первых, оно предполагает статистическую независимость отказов различных видов, а во-вторых, оно основано на рассмотрении дискретного множества отказов п различных видов.
Вышеприведенный подход .к расчету надежности дает возможность использовать дискретную модель (модель конечного элемента) газопровода, пересекающего водную преграду, что, в свою очередь, позволяет совместить модели оценки напряженного состояния газопровода и вероятно-аналитические модели расчета его работоспособности (надежности). При этом число конечных элементов должно быть достаточно большим, чтобы число членов суммы в (3.11) не было слишком малым (и чтобы для более сложных случаев статический расчет давал достаточно хорошее приближение). Это позволит уменьшить погрешности, возникающие при использовании выражения (3.11). Первая погрешность обуславливается пренебрежением в (3.7) членом, содержащим вероятности совместного появления событий, и ведет к завышению вероятности Р. В некоторых случаях этот член может быть того же порядка, что и значение искомой вероятности Лъ если число членов велико или события /;) сильно коррелированны. С другой стороны, ограничивать рассмотрением конечного числа п видов отказа, мы недооцениваем вероятность Ра. Эта недооценка может быть значительной, если не все наиболее опасные виды отказов (т.е. такие, для которых 1) наибольшие) были учтены. Иногда эти две погрешности компенсируют одна другую и выражение (3.11) дает вполне удовлетворительные результаты.
С точки зрения численной реализации более целесообразно определять вероятность отказа, нежели вероятность безотказной работы, поскольку Po«Pp
Расчетные значения вероятности -отказа не имеет реальной статистической значимости [4], а представляют собой условные сравнительные значения. В этой связи вероятностные методы расчета надежности являются аппаратом для сравнения возможных вариантов технологических решений и, с данной точки зрения, приближенные процедуры, которые позволяют сравнивать уровни надежности, так же важны, как и те, что направлены на вычисления значения надежности.
Расчет вероятности отказа Р{) реализуется на основе выражения (3.3) с использованием понятия совместной плотности вероятности Р(-} вектора О соответствующих параметров [7]: Если перейти к символам неравенства (2.47) из раздела 2.5. и обозначить через Р (S.R) совместную плотность вероятности величин S и R (рис.3.1), то вероятность отказа определится соотношением (рис.3.2): и, следовательно, она может рассматриваться как условная вероятность отказа конструкции при действии детерминированной нагрузки S. Таким образом, последний интеграл в (3.15) имеет ясный физический смысл: это интеграл произведения вероятности Pjs)ds того, что реализовалось значение нагрузки из интервала (S,S+dS), на вероятность того, что конструкция при этом отказала.
Такая интерпретация дает возможность сделать практически полезное обобщение выражения (3.15) для случая, когда анализ надежности производится в пространстве входных параметров (нагрузок). Действительно, если можно четко разграничить параметры, определяющие условия нагружения и сопротивление им конструкции, вероятность отказа может быть выражена в форме:
Вычислять значения Ро по любым из приведенных выражений (3.12), или (3.17), как правило, не просто, особенно, учитывая малость этих значений. Кроме того, статистические данные в областях малых значений вероятностей обычно недостаточны или недостоверны. Поэтому целесообразно использовать упрощенные схемы вычислений.
Рассмотрим (рис. 3.3) функции распределения двух величин S и R, которых входят в соответствующее предельное неравенство (2.50) и в выражение (3.13), и оценим соответственно их нижнюю и верхнюю квантили порядка Р (характеристические значения) Su и Rk, определяемые выражением: p[S Sk]=p% (3.18) P[R Rk]=p0/r где: p обычно принимается равным нескольким (от 2 до 5) процентам. При первой схеме вычислений вместо определения Ро подсчитывается характеристический коэффициент надежности у (рис. 3.3) [67, 68]: Чем больше значение коэффициента у, тем меньше значение Ро, поэтому его удобнее использовать для оценки надежности.
Вторая схема вычислений Ро требует определения средних значений /и (первых моментов) и стандартных отклонений S или дисперсии S2 (вторых моментов) соответствующих случайных величин. Затем определяется индекс надежности Д который является расстоянием от центра распределения до границы области отказа, выраженным в стандартных отклонениях (рис. 34.). Как правило, чем больше значение Д тем меньше значение Рц.
Таким образом, на основе выражений (3.1-3.3) и вышеизложенной методологии оценки вероятности отказа исследуемой конструкции подводного перехода газопровода необходимо рассчитать надежность перехода, что реализуется посредством установления соответствия между вероятностями безотказной работы или отказа и выбросами выходных параметров /./ за поверхность 91. Пусть Л(0) =/ ,( )= 1, (3.20) т.е. будем считать, что в начальный момент времени система с вероятностью единица находится в одном из состояний области безотказной работы 3. Далее, пусть выбросы за поверхность 9І образуют регулярный поток событий. Обозначим Ро - вероятность того, что в интервале времени (0,1) система хотя бы раз выходит за пределы области безотказной работы, a P/(t), Р2 ft) и т.д. -вероятности того, что в течение этого времени происходит один, два и т.д. выбросов. Очевидно, что если R(l) есть вероятность безотказной работы на интервале (0,1), то:
Технологические схемы восстановления эксплуатационной надежности подводных переходов магистральных газопроводов
Процесс нормирования - это выражение современного уровня знаний в практически доступной форме для создания, в частности, строительных конструкций. Однако значительный разброс входных (нагрузки) и технологических параметров не позволял иметь единый критерий адекватности даже однородных сооружений, что предопределило необходимость введения понятия надежности. Это, в свою очередь, позволяет совершенствовать процесс нормирования за счет более полного учета исходной информации [7].
Для вычисления надежности необходимы статистические данные о входных параметрах и параметрах системы исследуемой конструкции (в данном случае подводного перехода). В то же время статистические данные не могут быть непосредственно использованы для оценки конструкции, поскольку требуется обязательный учет их изменчивости (неопределенности). Для решения этой проблемы необходимы нормативные предписания, касающиеся регламентации вышеназванных параметров, реализуемые для трубопроводов ниже описанными методами.
Относительно параметров системы предполагается, что они могут быть механическими и геометрическими. Модуль упругости, предел текучести, временное сопротивление и характеристики упрочнения обычно определяют диаграмму деформирования материала. Длина и начальные несовершенства элементов, размеры поперечных сечений и толщина стенки трубы представляют собой основные геометрические параметры.
Нормы обычно не учитывают неопределенность параметров второй группы, поскольку статические данные не могут быть непосредственно использованы. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к завышению изменчивости механических параметров сопротивления, чтобы в скрытой форме учесть неопределенность геометрических параметров. Например, коэффициент вариации предела текучести ст стали, статистически оцениваемый как 8=2%, принимается иногда равным 5%.
Когда необходимо нормировать неопределенности геометрических параметров непосредственно, как в случае максимального начального искривления при расчетах устойчивости, нормы обычно предписывают условное детерминирование.
Среди механических характеристик сравнительно малой случайной изменчивостью обладает модуль упругости, который и принимается детерминированной величиной. Таким образом, из параметров системы нормированию для длительно эксплуатируемых трубопроводов реально могут подлежать лишь неопределенности предела текучести и временного сопротивления. При этом устанавливаются коэффициенты, средние значения которых определяются по результатом механических испытаний состаренных сталей. Нормы входных параметров (нагрузок) помимо их классификации, должны содержать некоторые численные значения. Для нагрузок, не изменяющихся или почти не изменяющихся в течение срока службы конструкции, часто принимается нормальное распределение, так что среднего значения и стандартного отклонения достаточно для определения внешней постоянной нагрузки.
Длительно действующие нагрузки, такие, как установившаяся временная нагрузка обычно описываются распределением максимумов за период и соответствующим числом их независимых реализаций г = 50Л где: X - среднее число изменений нагрузки за одни год.
Пространственная изменчивость обычно учитывается эквивалентной равномерно распределенной нагрузкой (ЭРН), интенсивность которой может быть поставлена в зависимость от площади влияния рассматриваемого элемента: чем больше эта площадь, тем меньшее значение ЭРН учитывается в работе. Кратковременные нагрузки требуют, по крайней мере, задания длительности каждого возмущения для описания их временной изменчивости. Определение пространственной изменчивости нуждается в дополнительных данных. Часто случайная изменчивость во-времени и пространстве в явном виде не рассматривается и пользователь норм не выполняет вероятностных расчетов. В этом случае используются коэффициенты, отражающие изменчивость нагрузки. Например расчетное значение ветровой нагрузки определяется по формуле [СНиП 2.01.07-85]: wm=w0-k-c, (3.56) о где: w - нормативное значение ветрового давления; я- - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте; с - аэродинамический коэффициент.
При регламентации сейсмических нагрузок предполагается, что расчетный спектр реакции имеет заданную вероятность превышения в данном районе. Он может быть получен как средний из анализируемой выборки гшюс к стандартных отклонений (например, к=Х). Ординаты расчетного спектра могут быть получены умножением максимальных значений скорости, перемещения и ускорения грунта на соответствующие коэффициенты усиления, зависящие от затухания системы. Приведенные в табл. 3.1 значения этих коэффициентов используются при частотах до 8 Гц. При частотах более 33 Гц значения коэффициентов принимаются равными единице. В интервале частот от 8 до 33 Гц значения определяются линейной интерполяцией.
