Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ опыта строительства и эксплуатации трубопроводных систем и технческих сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов 10
1.1. Обзор требований законодательной и нормативной документации Российской Федерации, предъявляемых к строительству и эксплуатации сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов 11
1.2. Обзор литературных источников по проблемам эксплуатации трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах
2. Разработка методики контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного в области распространения многолетнемерзлых грунтов 46
3. Требования к исходным данным. Определение параметров оценки уровня значимости напряжений 63
4. Разработка методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного на ММГ 73
Общие выводы 99
Список литературы 100
- Обзор требований законодательной и нормативной документации Российской Федерации, предъявляемых к строительству и эксплуатации сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов
- Обзор литературных источников по проблемам эксплуатации трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах
- Требования к исходным данным. Определение параметров оценки уровня значимости напряжений
- Разработка методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного на ММГ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На протяжении длительного исторического периода основой стабильного экономического развития России является нефтяная отрасль. Эффективный экспортный и внутригосударственный товарооборот нефти обеспечивают магистральные нефтепроводы (МН) (до 95% добываемой нефти), общая протяженность которых, в 2011 году превысила 71 тыс. км. Значение развития нефтетранспортной отрасли для внутренних и зарубежных потребителей нефти отмечено в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года». С целью регулирования вопросов, связанных с эксплуатацией трубопроводной системы на заседании Президиума Правительства Российской Федерации 1 июля 2010 г. было принято решение о внесении в Государственную Думу законопроекта «Технический регламент о безопасности магистральных трубопроводов для транспортировки жидких и газообразных углеводородов». Законопроект подчеркивает необходимость проведения опережающих научных исследований при строительстве в сложных геологических условиях, необходимость проведения измерительного контроля деформаций линейной части магистрального трубопровода с целью обеспечения безопасной эксплуатации. В соответствии с федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» МН относятся к I классу опасности как «объекты чрезвычайно высокой опасности». Таким образом, обеспечение надежного процесса транспорта является важной задачей отраслевой и государственной политики.
Активное строительство трубопроводной транспортной системы ведется в северных и восточных регионах страны. Распространение многолетнемерзлых грунтов (ММГ) на участках строительства новых объектов потребовало необычного для отрасли технического решения -прокладки протяженных участков надземных трубопроводов: «Ванкор-Пурпе», «Заполярье-Пурпе». Сезонное движение мерзлых грунтов предъявляет особые требования к осуществлению контроля напряженно-деформированного состояния нефтепровода в период эксплуатации. В настоящее время научные труды, посвященные строительству и эксплуатации надземных МН касаются, как правило, относительно коротких участков - переходов через природные препятствия.
Таким образом, решение вопросов надежной эксплуатации протяженных надземных магистральных нефтепроводов, проложенных в области распространения ММГ, является актуальной научной задачей с позиций государственной политики, развития научного знания, практической значимости для создаваемых технических систем.
Цель диссертационного исследования: разработка методики контроля напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах для
принятия управленческих решений, обеспечивающих повышение надежности эксплуатации.
Объектом исследования является линейная часть магистрального надземного нефтепровода, во взаимодействии с многолетнемерзлым грунтом основания.
Предмет исследования: изменение напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, в результате перемещения опор, обусловленного воздействием многолетнемерзлого грунта основания.
Основные задачи исследования
Разработать методику оценки уровня значимости напряжения материала деформированного участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода.
Разработать методику расчета параметров напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода на основе данных о геометрическом положении его элементов.
Разработать методику контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного на многолетнемерзлых грунтах.
Методологические основы
В диссертации корректно использованы классические положения теории упругости, сопротивления материалов и строительной механики, метод граничных элементов.
Научная новизна работы
Разработана методика оценки значимости уровня напряжения материала деформированного участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода на основе параметров динамики роста напряжения металла трубы (D,%) и относительного напряжения металла на текущий момент (Nn,%).
Разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода методом граничных элементов в балочной модели по данным о геометрическом положении его составных частей.
Разработана методика контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, основанная на системном подходе теории геотехнического мониторинга, направленная на предупреждение деформаций, возникающих при перемещении опор, обусловленном изменением свойств мерзлого грунта.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработанная методика оценки уровня значимости напряжения материала эксплуатируемого магистрального нефтепровода дает возможность определять частоту наблюдений за развитием деформаций конкретного участка, принимать решение о необходимости ремонтных мероприятий и мероприятия по стабилизации грунтов оснований.
Разработанный алгоритм расчета НДС отдельного участка магистрального нефтепровода может быть использован для создания программного комплекса, обеспечивающего расчет балочной модели трубопровода любой протяженности. Результаты, полученные при реализации расчета, могут быть использованы при исследовании НДС наиболее нагруженных участков в моделях, учитывающих существующие дефекты.
Разработанная методика контроля позволяет систематизировать деятельность предприятия по контролю НДС надземного магистрального трубопровода, с целью обеспечения надежной эксплуатации.
Достоверность результатов диссертационной работы
подтверждается удовлетворительной согласованностью результатов расчетов с использованием предложенных в работе численных моделей с результатами расчетов частных задач по методикам, разработанным другими авторами и применяемым в СНиП.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на различных конференциях: Международной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты безопасности жизни, охраны окружающей среды, сохранения и восстановления биоразнообразия в регионах» (г. Великий Новгород, научные чтения «Белые ночи 2011» МАНЭБ 2011 г.); VII Международной научно-практической конференции «Приоритетные научные направления: от теории к практике» (г. Новосибирск, 2013); XXVI Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (г. Новосибирск, 2013); II Заочной международной научно-практической конференции «Техника и технологии: роль в развитии современного общества» (г. Краснодар, 2013); XXV Международной научно-практической конференции «Инновации в науке» (г. Новосибирск, 2013); VII Молодёжной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука XXI века: новый подход» (г. Санкт-Петербург, 2013); XXV Международной научно-практической конференции «Наука и современность 2013» (г. Новосибирск, 2013); VI Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской науки» (г. Новосибирск, 2013).
Работа была представлена на Тюменском международном инновационном форуме «НефтьГазТЭК-2013», где была отмечена наградой за победу в конкурсе инновационных проектов в сфере нефтегазовой отрасли, номинация «Транспорт и хранение нефти и газа» (г. Тюмень, 2013 г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, содержит 170 страниц
машинописного текста, 20 таблиц, 26 рисунков, библиографического списка использованной литературы из 90 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика оценки значимости уровня напряжения материала деформированного участка эксплуатируемого магистрального нефтепровода как основа для принятия решения о необходимости ремонтных работ, стабилизации свойств грунтов оснований.
-
Методика расчета напряженно-деформированного состояния протяженного магистрального надземного нефтепровода в виде программного комплекса, разработанного на основе метода граничных элементов.
-
Методика контроля напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного на многолетнемерзлых грунтах.
Обзор требований законодательной и нормативной документации Российской Федерации, предъявляемых к строительству и эксплуатации сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов
Развитие всех сфер промышленности основывается на постановке долгосрочных и краткосрочных целей, прогнозирования и составлении планов. Документом, обобщившим эти задачи, призванным интегрировать усилия российского государства, научного сообщества, бизнеса и общества в целом для достижения целей эффективного развития страны является «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» [88]. Рассмотрим основные его положения. Одними из главных ориентиров энергетической стратегии являются энергетическая безопасность страны и экологическая безопасность энергетики. Энергетическая безопасность, понимается как «состояние защищенности страны, ее граждан, общества, государства и экономики от угроз надежному топливо- и энергообеспечению». В документе отражен прогноз развития нефтяного комплекса. В соответствии со «стратегией» энергетический комплекс продолжит играть ключевую роль в экономике страны, однако, его доля в общем производстве будет снижаться. В период до 2030 года экспорт энергоносителей будет оставаться важнейшим фактором развития национальной экономики. Отмечена тенденция изменения географии добычи углеводородов в России, за счет нарастающего вовлечения в эксплуатацию ресурсов Восточной Сибири, Дальнего Востока, полуострова Ямал, континентального шельфа арктических морей. В результате реализации «стратегии», Россия должна стать региональным лидером в сфере обеспечения евразийской энергетической безопасности, на основе рационализации энергетических потоков на евразийском пространстве, через активное использование российской энергетической инфраструктуры, а также ее полноценной экономической и технологической интеграции с евразийской системой энергетических коммуникаций. Изменение географии добычи нефти, использование российской транспортной сети, с целью организации управления энергетическими потоками между регионами Евразии, приведет к потребности в строительстве новых магистральных нефтепроводов. В целом возрастет роль трубопроводного транспорта нефти России на международном уровне, а это означает необходимость достижения максимального уровня экологической и технологической безопасности магистральных трубопроводов.
Взаимодействия различных субъектов деятельности с целью обеспечения безопасности объектов системы транспорта нефти регулируются федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» №116-ФЗ [44]. Закон определяет правовые, экономические и социальные основы обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. ФЗ №116 вводит классификацию опасных производственных объектов, определяет основы лицензирования, государственного надзора и требования к организациям, эксплуатирующим опасный производственный объект. В соответствии с классификацией опасных производственных объектов магистральные нефтепроводы в большинстве относятся к I классу опасности по количеству опасного вещества -«опасные производственные объекты чрезвычайно высокой опасности». Установленная нижняя граница нормы по количеству транспортируемых жидких углеводородов для этого класса составляет 2000 тонн. При плотности нефти 850 кг/м3 и внутреннем диаметре 500 мм, трубопровод длиной 12 км уже попадает в данный класс и для него обязательна разработка декларации промышленной безопасности.
Для обеспечения высокого уровня надежности и безопасности технических систем, государство осуществляет регулирование и контроль создания технических систем. Регулирование процессов проектирования, строительства, эксплуатации сооружений, в том числе магистральных нефтепроводов осуществляется путем регламентации на основе государственных законов, государственных и отраслевых норм, специальных государственных программ. Важными документами при осуществлении строительства являются строительные нормы и правила, рассмотрим наиболее актуальные СНиП при прокладке надземных магистральных нефтепроводов в области ММГ.
В первую очередь обратимся к особенностям строительства фундаментов. СНиП 2.02.04-88 [76] определяет требования к проектированию фундаментов и оснований зданий и сооружений в области ММГ. В основе положений документа разделение на два принципа использования ММГ. Принцип I - использование грунта замерзшим, с сохранением его состояния в течение всего периода эксплуатации. Принцип II - использование грунта в оттаявшем или оттаивающем, в процессе эксплуатации, состоянии. Независимо от выбора принципа использования ММГ, на этапе проектирования должно быть предусмотрено проведение систематических натурных наблюдений за состоянием грунтов оснований и фундаментов, в том числе наблюдений за их температурой, как в процессе строительства, так и в период эксплуатации сооружений. Значительное внимание в [76] уделено методам сохранения грунтов в мерзлом состоянии при использовании принципа І. В частности, для опор трубопроводов, рекомендуется применение сезонно-действующих охлаждающих установок (СОУ) на этапе строительства и эксплуатации, а также применение их до начала строительных работ, для сокращения сроков строительства и увеличения надежности смерзания грунта. На практике СОУ применены на трех перечисленных выше надземных магистральных нефтепроводах (см. рисунки 1, 2).
Обзор литературных источников по проблемам эксплуатации трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах
Третьей составляющей первого блока является составление плана регулярных наблюдений участков трубопроводов, обеспечивающий распределение нагрузки на бригады специалистов и рабочих и четко определяющий промежуток времени, в течение которого данный ОР должен быть проверен. Первоначально все ОР проверяются с одной и той же периодичностью, но с течением времени в зависимости от динамики развития деформаций и уровня фактических деформаций это промежуток становится индивидуальным для каждого ОР. Периодичность наблюдений определяется по параметрам определяющим уровень значимости деформаций, представленным в разделе 3. С учетом протяженности объекта и наличии по трассе различных объектов с обслуживающим персоналом, в план можно включать бригады с объектов наиболее приближенных к конкретным ОР и тем самым снизить экономические затраты.
Второй и третий блоки в совокупности образуют контролирующий цикл НДС трубопроводов, а также грунтовых условий, и тем самым обеспечивают повышение уровня надежности трубопровода.
Блок «Проведение исследований геометрии и НДС трубопроводов» нацелен на анализ картины НДС трубопровода, которая сложилась к текущему моменту времени. Для этого проводятся геодезические исследования реальной геометрии трубопровода, результатом которых становится получение новых исходных данных. Производится расчет, результатом которого становится таблица данных параметров напряженно-деформированного состояния, которая позволяет производить графическое представление в виде эпюр. На основании анализа полученных данных производится присвоение каждому пролету ОР уровня значимости напряжений, который отражает необходимость проведения более детальных исследований, проведения мероприятий по ремонту и устанавливает частоту дальнейших наблюдений (требования к исходным данным и определению уровня значимости напряжений подробно представлены в разделе 3). Уровень значимости напряжений играет важную роль для ранжирования участков трубопровода по уровню опасности и соответственно по необходимости наблюдений эксплуати 60 рующим персоналом. После присвоения этого показателя специалисты могут ориентироваться на отработку сложившейся ситуации с наиболее опасными участками, появляется возможность разработки инструкций по принятию решений и организации деятельности персонала с участками определенного уровня значимости напряжений, что повысит оперативность принятия решений.
Кроме того, во втором блоке анализируются данные, полученные от других видов диагностики, например, от пропуска СВД. Таким образом, появляется общая картина дефектов и деформаций трубопровода на текущий момент времени, которая полностью сохраняется в электронном паспорте магистрального нефтепровода.
Блок «Ремонтные работы и стабилизация грунтов оснований» является завершающей частью методики, содержит мероприятия направленные на снижение напряжения металла труб и снижение динамики перемещения опор, путем стабилизации грунта оснований. На данном этапе работы производится планирование ремонтных работ, первой стадией которого является анализ участков с высоким уровнем значимости напряжений или с наличием на участке опасных дефектов обнаруженных другими видами диагностики. При этом определенный участок вырезается и производится формирование оболочечной или объемной расчетной модели участка в универсальной программе («ANSYS», «LS-DYNA», «MSC/NASTRAN», «ABAQUS» [64]) с нанесением дефектов. На границах модели прикладываются уже известные нагрузки, сохраненные в электронном паспорте. По результатам расчета устанавливается необходимость проведения ремонта и определяется его вид, например, замена протяженного участка, вырезка и установка катушки, установка муфты и т.д. Таким образом, формируется система данных с указанием допустимых сроков и видов проведения ремонта для каждого участка, необходимых материалов и оборудования. На основании данной системы осуществляется планирование ремонтов на следующий год и срочных ремонтов. Срочный ремонт следует включить в план этого года, осуществив его корректировку. В результате появляется возможность заранее оценить объем необходимых финансовых и трудовых затрат предприятия, разработать экономически эффективный порядок проведения ремонта, например, используя рекомендации предложенные в работах Лисина Ю.В. и др. [37,39,38] с учетом их оптимизации к текущим условиям и особенностям надземного нефтепровода.
Кроме принятия решений о проведении ремонта, необходимо осуществлять меры препятствующие последующему развитию деформаций, т.е. меры по укреплению свай или охлаждению грунта в области свай опор трубопровода, которые были подвержены интенсивным перемещениям. Так как сваи опор оснащены се-зонно-действующими охлаждающими установками на этапе строительства, то перемещение сваи означает либо ошибку при прогнозировании процессов охлаждения по длительности и интенсивности или по грунтовому составу, либо нарушение технологии строительства. Следовательно, предварительно необходимо провести дополнительные исследования в области деформируемой сваи с целью выявления истинных причин сложившейся ситуации. Одним из основных исследуемых параметров мерзлого грунта является температура, поэтому на этапе строительства целесообразно выполнить термометрические трубы рядом со сваями. Результатом исследований может быть вывод о том, что стабилизация наступит в ближайший сезон или два и дополнительные меры не требуются, либо принято решение о внедрении дополнительных мероприятий по данной свае направленных на охлаждение грунта, либо в случае нарушения технологии строительства на повышение несущей способности сваи. Подход к планированию и осуществлению работ должен быть аналогичен описанному подходу к ремонту нефтепровода по результатам анализа НДС.
На основании проведенного ранжирования участков трубопровода по уровню значимости деформаций производится корректировка плана регулярных наблюдений, что может выполняться автоматически программой одновременно с ранжированием. В этом случае потребуется последующая корректировка специалистом на основании дополнительных, не учтенных программой сведений. Далее снова происходят исследования реальной геометрии трубопровода, блоки 2 и 3 повторяются.
Таким образом, предложенная в диссертационной работе методика основана на контроле действующего напряжения металла трубопровода и динамики изменения напряжения, обусловленного перемещением опор. Методика охватывает как техническую, так и геологическую часть геотехнической системы «ММГ -надземный магистральный нефтепровод», что соответствует принципам формирования системы геотехнического мониторинга. Примененный системный подход обеспечивает возможность эффективного планирования наблюдений, ремонтных операций, мер направленных на предупреждение развития деформаций трубопровода, вызванных изменением грунтовых условий. Электронный паспорт позволяет хранить «историю» эксплуатации трубопровода, что на поздних этапах позволит более точно оценивать его остаточный ресурс, а также сформирует базу данных, которые могут быть использованы для других исследований.
Требования к исходным данным. Определение параметров оценки уровня значимости напряжений
В разработанной программе был проведен численный эксперимент [72] в котором сравнивались линии деформированного трубопровода при расширении под действием давления и температуры для условий, приведенных в таблице 19 с углом компенсатора 90 для большей наглядности полученных результатов. Полученные результаты представлены на рисунках 19-21. Учет силы трения невозможен без точного определения коэффициента трения. При различных коэффициентах трения линии деформированного трубопровода будут различаться по своей форме, особенно, в области компенсатора, где опоры допускают перемещение трубопровода в горизонтальной плоскости. Наиболее точный анализ НДС будет выполнен при использовании действительного положения трубы на свободно-подвижной опоре в качестве исходных данных. При этом сила ограничивающая перемещение по свободной опоре будет действительной силой трения действующей в момент определения деформаций.
После составления матричного уравнения производится сортировка строк матрицы A (L) и B(L), с целью приведения матрицы A (L) к квазидиагональному виду и выполняется решение методом Гаусса. Результатом решения уравнения становятся значения всех граничных параметров каждого пролета. Последним этапом становится расчет интегральных уравнений состояния (20-31), для каждого пролета отдельно, вид которых определен в [7]: N = N, где Е - модуль упругости, G - модуль сдвига, I - осевой момент инерции, 1р - полярный момент инерции, (р - угол поворота сечения относительно оси трубопровода, М - момент изгибающий, Мк - крутящий момент, Q - поперечная сила, и -продольное перемещение, N - продольная сила, 9- угол закручивания, F - реакция опоры в начале пролета, А - площадь сечения, а - коэффициент температурного расширения, dt - разница между температурой монтажа и эксплуатации трубопровода, индексы у и z указывают на плоскость в которой определяется параметр (z - вертикальная плоскость, у - горизонтальная плоскость).
Для демонстрации возможностей разработанного алгоритма приведем пример решения задачи, условия которой представлены в таблице 19.
На рисунках 22-23 приведены эпюры деформаций трубопровода. Заданные условием задачи деформации получены в пределах необходимого диапазона точности. При рассмотрении рисунка 22 заметна не свойственная черта для эпюр перемещений деформированного стержня - разрывы. Разрыв эпюры перемещений в стандартной постановке задачи означает разрыв стержня. При реализации данно 92
го алгоритма применительно к поставленной задаче, следует учитывать, что участок от отметки 64 м до 112 м является компенсатором, имеющим форму согласно рисунку 17. При составлении уравнений было определено, что горизонтальная ось OY устанавливается перпендикулярно каждому пролету отдельно. При верно составленных уравнениях связи для кинематических и силовых параметров, определяемых геометрией ОР, это позволяет точно учитывать их взаимодействие. Компенсатор состоит из 3-х пролетов соединяющихся между собой и с основным трубопроводом под углом 45, поэтому на участках стыковки происходит взаимный переход продольных перемещений (вызванных температурным расширением и действием рабочего давления) и поперечных перемещений (изгиб в горизонтальной плоскости). В связи с этим, представленную эпюру можно рассматривать в качестве линии оси трубопровода на участках от 0 до 64 м и от 112 м до 176 м. Участки 64-80 м, 80-96 м и 96-112 м следует рассматривать отдельно.
Эпюра изгибных напряжений трубопровода определенная по геометрической равнодействующей изгибных моментов при заданных деформациях на опоре 2 (отметка 32 м) и опоре W (отметка 48 м)
Эпюра вертикальных деформаций имеет классический вид. Следует отметить смещение максимальных деформаций от точек креплений опоры на отметках 32 м и 48 м в отрицательной и положительной полуплоскостях эпюры. Это объясняется взаимовлиянием деформаций двух последовательно идущих опор.
Эпюра изгибных напряжений построена на основании расчета по горизонтальному Мгор и вертикальному Мвер изгибающим моментам, учтенным в виде геометрической равнодействующей [2] по уравнению (32): M J X. (32)
Положительным качеством приведенного алгоритма расчета является возможность расчета упругого изгиба трубопровода исходя из его реального положения, поэтому применение обобщенного уравнения (33) для учета создаваемого им воздействия предварительного напряжения [87,34] не целесообразно: где а "р - максимальное продольное напряжение в стенках трубы, обусловленное изгибом трубопровода, МПа; DH - наружный диаметр трубопровода, м; р - радиус изгиба оси трубопровода, м.
Алгоритм расчета деформированного положения может быть адекватно применен к другим сложным расчетным схемам, например при прокладке трубопровода по упругоискривленной кривой, с введением соответствующих корректировок уравнений связи. В этом случае в качестве исходных данных следует использовать положение трубы на опоре. Для подтверждения достоверности расчетов, выполняемых разработанной программой, были решены частные задачи по известным формулам, предложенным в работах Айнбиндера А.Б. [2] и Петрова И.П., Спиридонова В.В [48]: максимальное расстояние между опорами (34), изгибные моменты в средней точке пролета (35) и на опоре (36), прогиб в средней точке пролета (37), изгибные напряжения (17), определенные по максимальному изгибающему моменту (5). Последовательность решения задачи: по исходным данным (диаметр, давление, вес и др.) определяется максимальная длина пролета (34), изгибающие моменты (35, 36), прогиб (37) и изгибные напряжения по максимальному моменту (17, 5). После этого в разработанную программу вносятся те же исходные данные, в качестве длины пролета принимается длина, полученная из (34). Последним этапом является сравнение полученных данных и расчет относительной погрешности вычислений. Исходные данные, а также результаты проведенных расчетов представлены в таблице 20. В таблице, звездочкой обозначены результаты, полученные в программе. Полученные результаты расчетов по программе удовлетворительно согласуются с результатами расчетов по известным методикам, что подтверждает достоверность результатов вычислений производимых программой.
Разработка методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния надземного магистрального нефтепровода, проложенного на ММГ
Настоящий раздел посвящен элементу методики контроля НДС магистрального надземного трубопровода, проложенного на ММГ: «Программный комплекса для расчета НДС трубопровода» (см. рисунок 10). Программный комплекс предполагает создание множества специализированных программ, то есть программ, каждая из которых ориентирована на расчет отдельного ОР в балочной модели. Каждая программа должна быть максимально удобной для реализации ее цели - расчета деформированного состояния ОР по введенному блоку исходных данных, так как все остальные параметры: конструктивные особенности, нагрузки, воздействия - могут быть учтены заранее. После проведения геодезических исследований реальной геометрии трубопровода, оператор вносит полученные данные, в виде отклонений по вертикальной и горизонтальной плоскостям и получает результат в виде параметров НДС всего ОР. Очевидно, что составление программ должно происходить по одним и тем же определенным шагам, для того чтобы обеспечить единообразие и сделать эксплуатацию программного комплекса эффективной. Поэтому целью настоящего раздела является разработка методики расчета параметров НДС магистрального нефтепровода проложенного на ММГ, который обеспечивает возможность разработки специализированных программ для различных ОР в единой последовательности.
Выделим факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние надземного трубопровода, используя уже приведенный анализ по рисунку 6 и дополнительные рассуждения. Расчет НДС трубопровода определяется расчетной схемой, выполняемой на основе анализа конструктивных особенностей сооружения, нагрузками и воздействиями. Нагрузки и воздействия, учет которых регламентирован в СНиП 2.05.06-85 [77] представлен в таблице 1 (см. раздел 1.1).
В проектном положении трубопровод испытывает растяжение (сжатие) под действием рабочего давления и перепада температур, результатом которого становится деформация на участке компенсатора и повышение напряжения металла труб. При устройстве компенсатора в горизонтальной плоскости, в результате прогиба труб под собственным весом и весом продукта или других деформаций появляется крутящий момент. Основные нагрузки вызваны весом трубопровода, продукта, теплоизоляции - в вертикальной плоскости и ветровая нагрузка в горизонтальной плоскости. В области распространения многолетнемерзлых грунтов возможно появление дополнительной нагрузки на трубопровод через опору, вследствие чего происходит отклонение положения трубопровода от проектного и появление деформаций. Сваи опоры погружены в мерзлую толщу и сезонно-талый слой грунта. Изменение свойств первого, в долгосрочной перспективе, и второго, при ежегодной смене сезонов, может привести к смещению сваи. В летний период при чрезмерном увеличении толщины талого слоя и снижении сцепления грунта со свайным основанием возможна осадка сваи, в зимний период под действием сил морозного пучения возможно ее перемещение вверх. Так как продольно-подвижные опоры магистральных нефтепроводов выполняют, как правило, на ростверке, устанавливаемом на двух сваях, то при неравномерном пучении или осадке свай произойдет смещение опоры не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Таким образом, для расчета напряженно-деформированного состояния магистрального нефтепровода целесообразно учитывать растяжение (сжатие), кручение, поперечный изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом независимо от времени проведения исследования положения целесообразно учитывать кратковременные нагрузки (обледенение, снеговая нагрузка и т.д.) для расчета наиболее критического положения.
Деформированное состояние трубопровода определяется изменением положения каждой опоры, поэтому для выполнения расчета весь трубопровод следует разбить на отдельные пролеты, в которых законы изменения поперечных и продольных сил, изгибающих и крутящих моментов, углов изгиба и поворота, продольных и поперечных перемещений, - то есть всех параметров определяющих расчет напряженно-деформированного состояния будут неизменными. Изменения данных законов будут происходить на границах пролетов, в местах крепления к опорам, действие которых учитываются в виде реакции опоры, как воздействия на определенное сечение трубы. Так как деформации одного участка, влияют на соседние с ним и в меньшей степени на удаленные пролеты трубопровода, то необходимо вводить уравнения связи между кинематическими (углы и перемещения) и силовыми (моменты и силы) граничными параметрами.
Для учета нагрузок, воздействий и связей использован метод граничных элементов, применение которого для расчета балочных моделей является более простым по сравнению с МКЭ за счет сокращения числа ненулевых членов матрицы, при сохранении точности результатов вычислений. Обоснование данного тезиса предложено Баженовым В.А. и др. в работе [7], что было отмечено в разделе 1.2 настоящей диссертации. Предложенная в [7] методика составления уравнений была адаптирована автором настоящей работы к задаче расчета деформированного и проектного положений надземного МН в области ММГ. Результатом проведенной работы стал алгоритм расчета [68] (см. рисунок 16), реализованный для подтверждения его работоспособности в виде программы в среде GNU Octave ориентированной на работу с матричными уравнениями. GNU Octave - это свободный интерпретирующий язык для проведения математических вычислений. По возможностям и качеству реализации интерпретатора язык Octave можно сравнивать с проприетарной программой MATLAB, причём синтаксис обоих языков очень схож [3]. Приведенные в работе результаты вычислений, получены при реализации различных алгоритмов в данной среде. Описание программы, получившейся в результате применения алгоритма для расчета ОР и результаты вычислений приведены ниже, текст программы приведен в приложении, многократно протестирован в среде GNU Octave. Программа также работоспособна в комплексе MATLAB, без корректировки кода. При этом следует отметить, что расчеты в MATLAB осуществляются значительно быстрее, а сама среда является более
Похожие диссертации на Разработка методики контроля напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах
