Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современный уровень предсказуемости пространственных перемещений магистрального газопровода в сложных грунтовых условиях 12
1.1. Актуальность проблемы исследования с позиции опыта эксплуатирующих газотранспортных организаций 12
1.2. Обзор основных исследований в области создания надежных трубопроводных систем 20
1.3. Анализ и перспективы развития нормативной базы по оценке пространственных перемещений подземного газопровода 27
Выводы по главе 1 37
Глава 2. Методика мониторинга пространственного положения магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях 38
2.1. Цели и задачи системы мониторинга пространственного положения магистрального газопровода 38
2.2. Технические особенности системы мониторинга пространственного положения протяженного объекта 45
2.3. Критерии оценки эффективности способов мониторинга пространственного положения магистрального газопровода 49
2.4. Сглаживание данных результатов измерений при мониторинге пространственного положения магистрального газопровода 56
2.5. Роль мониторинга пространственного положения газопровода в оценке комплексного показателя его технического состояния 60
Выводы по главе 2 з
Глава 3. Разработка методики обработки продуцируемых данных мониторинга пространственного положения подземного магистрального газопровода 63
3.1. Разработка методики привязки координат точек к фактическому пространственному положению верхней образующей трубопровода 63
3.2. Разработка методики оценки НДС стенки трубопровода по линии кривой, описывающей его фактическое пространственное положение 69
3.3. Разработка методики сравнительного анализа пространственных положений трубопровода в различные периоды его мониторинга 78
3.4. Апробация методики обработки продуцируемых данных 86
Выводы по главе 3 90
Глава 4. Апробация основных положений методики мониторинга пространственного положения газопровода 91
4.1. Постановка и реализация промышленного эксперимента по наблюдению за пространственным положением подземного магистрального газопровода 91
4.2. Анализ изменений пространственного положения наблюдаемых участков трубопровода 102
4.3. Волнообразный эффект изменения относительных пространственных перемещений действующего газопровода 117
4.4. Анализ напряженного состояния стенки трубопровода 125
Выводы по главе 4 132
Общие выводы 133
Список литературы
- Анализ и перспективы развития нормативной базы по оценке пространственных перемещений подземного газопровода
- Технические особенности системы мониторинга пространственного положения протяженного объекта
- Разработка методики оценки НДС стенки трубопровода по линии кривой, описывающей его фактическое пространственное положение
- Анализ изменений пространственного положения наблюдаемых участков трубопровода
Введение к работе
Актуальность работы. В сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири задача повышения надежности линейной части газотранспортной системы в основном обусловлена непредсказуемостью будущего эксплуатационного положения трубопровода. В условиях мерзлых, сезоннопро-мерзающих, слабых, водонасыщенных и заболоченных грунтов прогнозирование перемещений магистрального газопровода и обеспечение его устойчивости стандартными проектными решениями затруднено недостаточной изученностью сложных процессов силового и теплового взаимодействий между элементами геотехнической системы «трубопровод-грунт».
По мере развития нормативных документов математические модели для оценки устойчивости трубопроводов постоянно усложняются, однако достоверная оценка их отклонений от проектного положения практически невозможна. Известные за последние десять лет примеры из практики эксплуатации (МГ «Бованенково-Ухта», МГ «Заполярное-Н.Уренгой») свидетельствуют о преждевременном выходе на капитальный ремонт линейной части магистрального газопровода именно по причине низкого качества проектных решений и прогнозных оценок без учета сложных геологических процессов.
Современный прорыв в области вычислительной техники и программного обеспечения дает все необходимые инструменты для решения подобных задач. Использование вычислительной техники не только ускоряет расчеты и повышает их точность, но и существенно изменяет способы их решения. Если раньше существовала тенденция к упрощению расчетных схем для сокращения объема вычислений и получения аналитических решений, то сегодня открывается возможность смены приоритетов в область разработки схем и математических моделей, более полно учитывающих реальные процессы в сложных инженерно-геологических условиях. Однако начальные данные, требующиеся для новых расчетных схем и учета негативных геологических процессов, оказывающих влияние на техническую систему, в большинстве своем просто неизвестны и требуют новых изысканий.
В настоящее время необходимо проводить масштабные натурные исследования с выявлением эмпирических зависимостей, характеризующих протекающие процессы в сложных геотехнических системах, сложность которых связана с большой их протяженностью, кривизной линий трасс в поперечном направлении и в плане. Современные требования к безопасной эксплуатации газопроводов заставляют внедрять в процесс эксплуатации технические системы мониторинга различных событий. Имеющиеся системы позволяют вести контроль напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода, отслеживать несанкционированный доступ к линейной части и подвижки грунтовых масс, но ни одна из них не наделена исследовательской функцией. Поэтому разработка новой исследовательской системы мониторинга, продуцирующей данные о перемещениях трубопроводов, дающую меру перемещений протяженного трубопровода и позволяющую выявлять закономерности процесса силовых взаимодействий с геологической средой, является актуальной задачей.
Цель работы - на основе теоретических и натурных исследований процесса пространственных перемещений протяженного подземного магистрального газопровода разработать инженерную методику, позволяющую аналитически описывать и сравнивать его пространственное положение в различные периоды мониторинга.
Основные задачи исследования:
-
Разработать методику мониторинга пространственного положения магистрального газопровода.
-
Разработать методику обработки данных, продуцируемых системой мониторинга пространственного положения магистрального газопровода, включающую последовательные действия:
восстановление линии верхней образующей трубопровода с помощью аналитического описания его фактического пространственного положения.
оценка напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода с учетом изгибных напряжений;
сравнительный анализ пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга.
-
Провести натурный эксперимент по наблюдению за пространственным положением подземного магистрального газопровода, эксплуатируемого в сложных инженерно-геологических условиях.
-
Выполнить анализ экспериментальных данных по предложенной методике обработки данных и выявить закономерности относительных изменений пространственного положения трубопровода.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые разработана методика мониторинга пространственного положения подземного магистрального газопровода в сложных инженерно-геологических условиях.
-
Впервые предложен вариант описания пространственного положения верхней образующей трубопровода в виде сглаживающего сплайна и получены выражения для практического определения его неизвестных коэффициентов.
-
Впервые разработана методика сравнительного анализа пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга и получены выражения для практического определения изменений относительных поперечных, покоординатных и продольных перемещений.
-
Выявлен волнообразный эффект изменения относительных поперечных и покоординатных перемещений и линейный характер изменения относительных продольных перемещений действующего магистрального газопровода.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволили разработать инструмент для эффективного контроля пространственного положения подземного магистрального газопровода и накопления натурных данных для исследования его перемещений в сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири.
Практические результаты работы сводятся к следующему: 1. Разработана методика мониторинга пространственного положения трубопровода, позволяющая определять величины его продольных и попереч-
ных перемещений при сложном профиле трассы любой протяженности.
-
Разработан программный комплекс, позволяющий оценивать полное напряженное состояние стенки магистрального газопровода при его деформировании в пространстве в процессе эксплуатации.
-
Результаты исследования внедрены в систему эксплуатации магистрального газопровода «Уренгой-Сургут-Челябинск».
Методологические основы и достоверность исследований. В диссертации использованы классические положения строительной механики, теории упругости, механики грунтов, вариационного исчисления, математического и регрессионного анализа. Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается сходимостью с данными исследований других авторов и результатами сопоставления данных теоретических и экспериментальных исследований.
Автор защищает совокупность научных положений, на базе которых разработана методика мониторинга пространственного положения протяженного подземного магистрального газопровода, включающую в себя:
-
Методику привязки координат точек, продуцируемых системой мониторинга, к фактическому пространственному положению верхней образующей подземного трубопровода.
-
Методику сравнительного анализа пространственных кривых, соответствующих положению исследуемого участка магистрального трубопровода, в различные периоды мониторинга.
-
Выявленные закономерности процесса пространственных перемещений подземного магистрального газопровода:
волнообразный эффект изменения относительных поперечных и покоординатных перемещений;
линейный характер изменения относительных продольных перемещений действующего магистрального газопровода.
Личный вклад автора заключается в формулировании основной идеи, цели и задач исследования; формировании методического подхода и получении зависимостей; постановке, организации и планировании исследования; выборе характерных участков наблюдений исследуемого подземного магистрального газопровода «Уренгой-Сургут-Челябинск»; обработке экспериментальных данных, анализе и обобщении всех материалов исследования.
Апробация работы. Основные результаты и научные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2010 г.; на международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа», г. Уфа, 2011 г.; на всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2011 г.; на международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах», г. Оренбург, 2011 г.; на всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы трубо-
проводного транспорта Западной Сибири», г. Тюмень, 2013 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 научных трудах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Рассматриваемая область исследования, связанная с разработкой методики мониторинга подземных газопроводов в сложных геологических условиях, соответствует паспорту специальности 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», а именно: по п. 1 «Напряженное состояние и взаимодействие с окружающей средой трубопроводов, резервуаров и оборудования при различных условиях эксплуатации с целью разработки научных основ и методов прочностного, гидравлического и теплового расчетов нефтегазопроводов и газонефтехранилищ» и п. 7 «Исследования в области ресурса трубопроводных конструкций, в том числе прогнозируемого при проектировании и остаточного при их эксплуатации».
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографического списка литературы, включает 16 таблиц, 60 рисунков. Библиографический список включает 130 наименований, в том числе 7 иностранных.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору, Заслуженному деятелю науки и техники РФ Кушниру С.Я. и к.ф.-м.н. Герберу А.Д. за полезные советы и помощь. Автор благодарит соавторов совместных работ и коллег за плодотворное сотрудничество и внимание к работе.
Анализ и перспективы развития нормативной базы по оценке пространственных перемещений подземного газопровода
Опыт эксплуатации подземных магистральных газопроводов большого диаметра в России насчитывает уже более 40 лет. За этот период в области обеспечения и повышения надежности газопроводных систем инженерами и учеными успешно решено множество теоретических и практических задач. На основе масштабных исследований к концу 80-х годов XX века сформирована классическая нормативная база [53-57]. Однако, несмотря на определенные достижения в направлениях проектирования и разработки эффективных конструкторских решений существуют участки газопроводов, на которых ежегодно наблюдаются негативные для их безопасной эксплуатации процессы [96-98]. Для территорий Западной Сибири к таким процессам относятся неконтролируемые пространственные перемещения газопроводов, проложенных в слабонесущем грунте. Особенностью этой проблемы эксплуатации является то, что ее решение находится вне пределов действующих нормативных документов.
Классическая нормативная база по проектированию магистральных трубопроводов и узлов основана на принципах школы проектирования СССР второй половины XX века. Это разработка методов проектирования ответственных сооружений исходя из опыта конструирования и строительства с использованием идеи коэффициентов запаса в зависимости от назначения и условий эксплуатации объекта, а также унификация и упрощение расчетных схем для прикладных проектных расчетов под любые грунтовые условия. Применение такого подхода для территорий с широким распространением специфичных грунтов, которые оказывают решающее влияние на выбор проектных решений, строительство и эксплуатацию не всегда эффективно [58-60]. В настоящее время по всем направлениям строительной деятельности развивается тенденция разработки научных норм, правил и методов проектирования для отдельных регионов со своими специфичными грунтовыми условиями и геологическими процессами. Все чаще рассматриваются вопросы, связанные с проектированием и строительством объектов отдельно для грунтовых условий северных территорий или, к примеру, для территорий с характерным распространением карстовых процессов. Стоит отметить, что в зарубежном опыте строительства начиная с первых исследований в области механики грунтов в 30-х годах XX века, такой подход деления территорий по специфике условий и особых методов проектирования для них успешно развивается и применяется, являясь одним из основных положений классической геотехники [88].
Что касается направления трубопроводного транспорта газа, то весь накопленный за несколько десятков лет опыт его использования сегодня достаточен для заявления о том, что эксплуатация подземных магистральных газопроводов в грунтах простой и средней категории сложности существенно отличается от их эксплуатации в сложных грунтовых условиях. К сложным грунтовым условиям относятся многолетнемерзлые, просадочные, набухающие, органо-минералогические и органические грунты в сочетании с широким распространением инженерно-геологических процессов, отрицательно влияющих на условия строительства и эксплуатации. В основном для подземных газопроводов Западной Сибири к таким процессам относятся сезонные подтопления территорий с последующей эрозией грунтового основания, боковых стенок траншеи и обвалования трубы с характерно низкой защемляющей способностью грунтами подземных механических конструкций.
Предсказуемость пространственных перемещений газопровода в подобных динамических условиях является сложнейшей геотехнической задачей. С одной стороны она связана с проблемой определения точных параметров грунтовой среды в любой период времени, а с другой - с введением этих параметров в подходящие для практики физико-математические расчетные модели в системе «трубопровод-грунт». Особенностью этой системы является то, что современный маги 14 стральный газопровод большого диаметра это достаточно протяженный объект, который на своем пути пересекает разнообразное сочетание грунтовых условий и подвергается воздействию многочисленных геологических процессов.
Недостаточная изученность указанных факторов и упрощенное модельное представление сложных процессов взаимодействия в системе «трубопровод-грунт» на этапе проектирования в сложных условиях привело на этапе эксплуатации к непредсказуемому поведению некоторых характерных участков газопроводов. Типичными примерами таких участков являются всплытия и выпучивания участков газопровода из грунта (рис. 1.1 и 1.2).
Оголение участков газопровода с искривлением его оси в плане (магистральный газопровод УСЧ 608 и 613 км) Проблема неконтролируемых пространственных перемещений участков подземного магистрального газопровода не является новой. Уже несколько десятилетий с момента выделения ее в отдельную категорию за ней ведутся наблюдения, проводятся исследования, разрабатываются расчетные схемы, испытываются технологии и конструкции закрепления трубопровода. Однако большая часть этих усилий направлена в основном на закрепление газопровода против всплытия, где в продольном направлении газопровод задается неподвижным объектом. Опыт эксплуатации же показывает, что газопровод способен перемещаться продольно в достаточно широких пределах. При этом нарушаются принятые граничные условия в расчетных схемах при использовании таких способов закрепления, как например, анкеры или седловидные пригрузы. И действительно, при появлении продольных перемещений подобные средства закрепления становятся не эффективными и даже могут привести к повреждению изоляции или стать концентратором напряжений в стенке трубы.
Технические особенности системы мониторинга пространственного положения протяженного объекта
Задача комплексной системы мониторинга - отслеживание пространственных перемещений линейной части магистрального газопровода в процессе его эксплуатации при помощи ведения непрерывной статистики о пространственном положении линейной части и создание системы регулярной отчетности. Для решения поставленной задачи необходимо учесть технические особенности объекта мониторинга - магистрального газопровода: - объект мониторинга представляет собой протяженную конструкцию сложной искривленной формы, рассматриваемую в расчетных схемах в виде стержневой или обол очечной системы длиной от 1 до 100 км и диаметром от 0,7 ДО 1,4 м; - объект мониторинга расположен подземно в сезонно-изменяющихся геологических условиях на глубине от 0,5 до 1,5 м в предварительно устроенной TpaHUiet и обвалован грунтом засыпки; - объект мониторинга, как правило, проложен в коридоре, параллельно с действующими нитками магистральных газопроводов и нефтепроводов; - объект мониторинга находится под эксплуатационной нагрузкой от внутреннего давления и температуры перекачиваемого продукта и внешними воздействиями геологической среды; - объект мониторинга на обводненных и заторфованных участках трассы закреплен средствами балластировки и устройствами закрепления его в грунте с шагом от 1,0 до 3,0 м.
Конструктивные особенности линейной части и начальное пространственное положение профиля магистрального газопровода обуславливают три сложных параметра, выбор которых формирует особенность методики мониторинга его пространственного положения: Шаг расстановки маркеров (под маркером понимается точка на верхней образующей трубопровода с определенными пространственными координатами, на данном этапе технология получения этих координат не обсуждается).
Вне зависимости от указанных параметров принципиальная схема системы мониторинга должна состоять из трех основных блоков (рис. 2.2). Технологический блок отвечает за технологию сбора и передачи данных. Аналитический блок является инструментом обработки и анализа данных в виде методики, включающей в себя три последовательных этапа: 1) восстановление линии верхней образующей трубопровода; 2) оценка напряженного состояния стенки трубопровода с учетом изгибных напряжений; 3) сравнительный анализ пространственного положения трубопровода в различные периоды мониторинга.
В практический блок входят операции по представлению (оформлению) результатов обработки данных и оценке технического состояния объекта мониторинга.
Этап. Восстановление линии верхней образующей газопроводаII Этап. Оценка НДС стенки газопровода с учетом изгибных напряженийIII Этап. Сравнительный анализ положения МГ в различные периоды мониторинга
Принципиальная схема системы мониторинга Поставленные в работе задачи связаны с разработкой аналитического блока системы мониторинга пространственного положения протяженного магистрального газопровода, являющегося постоянным для выбранного объекта исследования и не зависящего от технологии сбора данных.
Рассмотрим основные способы мониторинга: ручной - путем геодезического позиционирования и автоматизированный - с применением специальных устройств, непосредственно установленных на трубопровод, объединенных в общую информационную сеть.
Существующее в настоящее время оборудование не позволяет наблюдать перемещения подземных объектов с высокой точностью без закрепления на них специальных датчиков — марок. Наиболее доступной зоной для установки специализированных датчиков или геодезических марок, позволяющих измерять пространственное положение трубопровода, является его верхняя образующая, ближайшая к дневной поверхности. Измерение точек верхней образующей трубопровода должно осуществляться в системе координат, не привязанной к объекту мониторинга. Поэтому наиболее простой вариант - это выбор системы координат, привязанной к государственной геодезической сети (Балтийская система высот БСВ и плановая система координат СК42).
При ручном способе мониторинга пространственных перемещений марок, установленных на участках наблюдений, необходимо иметь опорные точки, которые не перемещаются и относительно которых ведется съемка. Поэтому необходимо устройство реперов, объединенных в геодезическую сеть.
В настоящее время наиболее эффективным методом создания геодезической сети, включая и геодезические сети сгущения, является метод спутниковых определений GPS/GNSS . Наряду с высокоэффективными спутниковыми технологиями используют и традиционные методы угловых измерений.
Последовательность действий при мониторинге пространственного положения газопровода ручным способом включает в себя операции:
1. Назначается период измерений согласно плану мониторинга и определяются сроки работ в зависимости от условий на площадках наблюдений. 2. Геодезическая группа осуществляет измерения пространственного положения участков магистрального в течении рабочей смены. По дополнительным указаниям или при необходимости проводится повторная съемка положения через некоторый промежуток времени.
3. Геодезическая группа производит пересчет полученных координат высотных марок в принятую систему координат и высот.
4. Научная группа формирует базу данных мониторинга участков для ее дальнейшего изучения и анализа.
В процессе мониторинга производится фотофиксация окружающей обстановки на участках наблюдений, производится отбор проб грунтов с дальнейшим определением физических характеристик. Ведется мониторинг эксплуатационных параметров транспорта газа на выходе компрессорной станции и на участках по соответствующим контрольным пунктам температуры.
Принципы создания эффективной системы автоматизированного мониторинга пространственного положения тесно связаны с использованием современных технологий сбора, обработки и передачи данных. Одной из самых передовых является технология беспроводного сбора и передачи данных. Беспроводные технологии передачи уменьшают операционные расходы и обеспечивают персоналу, занятому в системе мониторинга, дополнительный комфорт по сравнению с ручными технологиями сбора данных.
Благодаря возможности совместного использования различных устройств и датчиков, эксплуатирующая организация подбирает техническое решение, оптимально отвечающее поставленным задачам. Совмещение датчиков различных типов, высокоточных электронных тахеометров, передовых спутниковых систем и геотехнических сенсоров предлагает надежное и полностью настраиваемое решение. При этом в автоматизированную систему мониторинга имеется возможность интегрирования геотехнических датчиков для увеличения контролируемости процесса пространственных деформаций и для целей научных исследований.
Разработка методики оценки НДС стенки трубопровода по линии кривой, описывающей его фактическое пространственное положение
По имеющимся значениям координат точек трубы, требуется получить аналитическое выражение, позволяющее найти координаты точек, находящихся между известными измеренными точками трубопровода.
Для наблюдения за конкретной точкой верхней образующей трубопровода устанавливается взаимно однозначное соответствие между значением параметра s, определяющего положение физически одной и той же точки на трубе, в разных сериях измерений.
Для начальной и конечной точки наблюдаемого участка трубы это соответствие определено: s=0 и s=l. Для остальных точек трубы имеется отображение на единичный отрезок и предполагается, что формоизменение участков трубы, в том числе удлинение, приблизительно одинаково для всех ее элементов. В обратном случае необходимо построить отображение первоначального распределения параметра s (базовое измерение) на s1, полученного для 1-й серии измерений той же трубы. То есть, конкретное значение координат, например, для второй точки, в базовом измерении s2 должно соответствовать конкретному значению параметра для той же точки, в последующем измерении J2- При наличии существенных изменений, связанных с различным характером растяжения наблюдаемых участков трубопровода, необходимо построить отображение sJ (s) .
Предполагая, что s- fs0) для измерений каждой точки известно, то появляется возможность сравнения изменения одинаковых участков МГ при переходе от одного измерения к другому.
В итоге, для изучения характера изменений в двух измерениях требуется: 1. Получить аналитические зависимости для каждой из координат функции радиус-вектора, описывающего положение верхней образующей в зависимости от нормированного значения параметра. Этот подход предполагает построение сглаживающего кубического сплайна для каждой измеренной координаты пространственного положения трубопровода (методика п.3.1). 2. Получить отображения нормированного значения параметра, описывающего положение точки на кривой для каждого измерения по отношению к некоторому исходному, базовому измерению. Каждой физической точке трубы будут соответствовать свои значения параметра, входящего в аналитическое описание кривой. Появится возможность получить аналитическое описание характера изменения положения трубы в зависимости от времени наблюдения.
Вопрос об отображении параметра описания кривой (базовое измерение) по отношению к изменению аналогичного параметра для другой кривой (следующее измерение) разрешен следующим образом. Для базового измерения имеется набор значений параметра для точек, связанных с sk ]. Для следующего измерения для тех же физически точек, имеется другой набор значений { Л sJk - f(sk), где f(sk) определяется на основе анализа экспериментальных данных по мониторингу пространственного положения трубопровода.
Предполагая, что аналитическое описание положения верхней образующей трубы известно, то появляется возможность анализа не только изменений значений отдельных координат, связанных с пространственным положением трубопровода, но и получение зависимостей для продольного и поперечного перемещений.
Знание зависимостей продольного и поперечного смещения позволяет оценить усилия, связанные как с продольным смещением трубопровода (если трубопровод переместился, то действующая результирующая внешняя сила преодолела силу сопротивления перемещению), так и поперечным (слагаемое kw - вариант пространственного коэффициента постели).
Поскольку протяженный участок моделируется в виде балки на упругом основании, то уравнение, описывающее пространственное положение имеет вид:
(EJ [w- p(l)]) + Nd2[w /(!)] + k[w- l)] = p(l), (3.36) где EI - изгибная жесткость; ср{1) - функция, описывающая начальное положение трубопровода; N - продольная сила, действующая в стенке трубы; к(1) — коэффициент постели в модели Винклера; р(1) - погонная нагрузка, действующая на трубу.
Уравнение (3.23) содержит много неизвестных и его прямое решение затруднительно. Поэтому выбран вариант анализа данных измерения с аналогичными данными для базового измерения.
Предполагая, что функция отождествления физически одинаковых точек трубы sJk=f(sk) известна, то сравнение пространственного положения МГ предполагает: 1. Выбор измерения, принятого за базовый. За базовое измерение, как правило, принимаются результаты первого измерения. 2. Анализ изменения абсолютных удлинений измерения по сравнению с базовым измерением. 3. Анализ относительных удлинений измерения по сравнению с базовым измерением. 4. Анализ характера координатных изменений для измерения по сравнению с базовым измерением. 5. Анализ продольных и поперечных перемещений точек верхней образующей трубы при измерении по сравнению с базовым измерением.
Поставленная задача предполагает проведение оценки изменений величин продольного и поперечного смещения трубопровода по отношению к некоторому базовому измерению. Для определения продольного смещения участка трубопровода выделяется некоторый участок трубы. Для базового измерения As0 =sk+l -sk. Истинное положение точек в пространстве задается зависимостью: r0{l) = 70(s0) = (x(Sy0mm + x j(s% + y0 ,Z(s%max + z06a3). (3.37) Единичные вектора касательной и перпендикуляра в заданной точке кривой известны и равны производным радиус-вектора: г0(1) - выражение для радиус-вектора верхней образующей для базового эксперимента; гД/) - выражение для радиус-вектора верхней образующей для г -го эксперимента; А0, А, - физически одна и та же точка газопровода: АйАі -r l)- r0(l).
Анализ изменений пространственного положения наблюдаемых участков трубопровода
Анализ покоординатного смещения трубопровода от измерения к измерению выявил сложный характер его перемещения в пространстве. На рисунках 4.24-4.26 приведены зависимости относительных изменений координат х, у, z точек трубопровода в зависимости от параметра /, входящего в описание радиус вектора верхней образующей трубы для I участка. На рисунках 4.26 -4.28 - приведен характер изменения координат х, у, z точек трубопровода в зависимости от параметра / для II участка.
Для каждой координаты приведены зависимости покоординатного смещения х, (/) - х6аз (/), у,. (/) - у (/), 2,. (/) - z6a3 (/) для трех первых измерений относительно базового. Выявлено, что изменение координаты по оси х представляет собой волнообразные отклонения, наложенные на монотонное поведение величины отклонения этой координаты. Для двух других переменных, в отличие от первой, характер поведения отклонения ближе к искаженной периодической зависимости. Анализ рисунков показывает, что положение максимумов отклонений в зависимости от расстояния практически не изменяется, в то время как их интенсивность меняется от измерения к измерению. Длина интервала перехода от одного варианта монотонного поведения к другому практически неизменна и составляет 700 м для I и для II участков.
Другой набор данных связан с анализом величин поперечного смещения. Методика его определения была описана ранее. На рисунках 4.30, 4.31 для I участка и рисунках 4.32-4.33 приведен характер поперечного смещения трубопровода относительно базового положения проведенных экспериментов.
Анализ характера изменения поперечного смещения для I участка показал, что амплитуда смещения участка трубы в направлении перпендикулярном касательной для заданной точки не зависит от изменения температуры наружного воздуха. Амплитуда максимального отклонения для первого пика не зависит от состояния перекачиваемого газа (температура, давление) и зависит от пространственного профиля траншеи. Минимум изменений амплитуды связан с расстояниями между 1,3 км и 1,8 км. В этом месте расположена точка, имеющая минимальную высотную отметку.
Характер изменения относительного смещения для всех координат и поперечного смещения в целом для I участка представляет собой длинноволновые периодические изменения по отношению к базовому положению трубопровода. В целом положение трубопровода в пространстве определяется профилем траншеи.
Следует отметить, что волнообразный характер отклонения трубопровода от базового положения, сохраняется при любых условиях эксплуатации, а его длина полуволны равна примерно Л = 700 м. Аналогичное поведение наблюдается и для II участка, однако, в силу малого количества марок, полученные данные имеют больший разброс.
При использовании зависимости, полученной в своих исследованиях Айн биндером для полуволны выпучивания, а именно: Л = ж 4 , при Л = 700, по лучен рузультат в виде достаточно малого значения коэффициента нормального сопротивления грунта су0. Это означает, что МГ практически не взаимодействует с основанием. Качественное объяснение сложившейся ситуации можно связать с тем, что МГ в этом месте находится в обводненной траншее практически круглый год. В этом случае коэффициент нормального сопротивления грунта су0 действительно принимает близкие к нулю значения.
Более детальный анализ поведения трубопровода можно провести при анализе изменений по каждой координате. Причем, существенными будут изменения высотного положения, то есть смещения в вертикальном направлении в этом случае обусловлены либо сопротивлением грунта обратной засыпки, либо наличием пригрузов.
Сложный характер поведения каждой из координат в зависимости от расстояния, описанный выше, можно представить в виде суперпозиции линейного монотонного изменения и волнообразного (периодического) изменения как высотного положения, положения на плоскости, так и поперечного смещения. Все данные получены как разность смещений, найденные для данного измерения пространственного положения по отношению к аналогичным пространственным из 123 мерениям в базовом состоянии. Как правило, за базовое состояние принимаются результаты пространственного положения для первого наблюдения.
На примере анализа изменения высотного положения, то есть z(V) координаты верхней образующей, выявлено, что изменения обусловлены характером взаимодействия трубопровода с грунтовым основанием.
В качестве модели заложено, что трубопровод имеет конечную жесткость EJ. Стенка трубопровода находится под действием продольной силы N, обусловленной эффектами кольцевых, изгибных и температурных напряжений. Кроме того, на стенку трубопровода действует погонная нагрузка q. Уравнение равновесия прямолинейного упруго сжатого стержня, расположенного в упругой среде с коэффициентом постели kz:
