Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных технологий и нормативных требований к сооружению магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах 8
1.1 Анализ параметров сейсмических воздействий 8
1.2 Учет сейсмического районирования территории России при проектировании трубопроводов 16
1.3 Факторы, влияющие на определение уровня сейсмичности 31
1.4 Обзор перспектив создания трубопроводных систем в сейсмически опасных зонах 36
1.5 Анализ современной практики и нормативного обеспечения строительства в сейсмически опасных зонах 41
1.5.1 Опыт строительства в сейсмически опасных зонах 41
1.5.2 Анализ требований нормативных документов к строительству в сейсмически опасных зонах 44
Глава 2. Определение видов сейсмических воздействий на магистральные трубопроводы 48
2.1 Основные положения по учету сейсмических воздействий 48
2.2 Исследование воздействия сейсмических волн, направленных вдоль оси трубопровода 53
2.3 Исследование воздействия сейсмических волн, направленных по нормали к продольной оси трубопровода 57
2.4 Пересечение трубопроводом тектонических разломов 59
Глава 3. Моделирование взаимодействия системы подземный трубопровод - сейсмическое воздействие грунта для различных схем прокладки магистральных трубопроводов
3.1 Выбор расчетной модели для оценки несущей способности конструкций трубопровода 66
3.2 Расчетные модели устойчивости трубопровода при сейсмическом 66 воздействии осёвой'силы растяжения (сжатия)
3.3 Расчетные модели устойчивости при воздействии сейсмических 74 волн, направленных по нормали к продольной оси трубопровода
3.4 Расчетные модели устойчивости трубопровода при пересечении 80 тектонических разломов
Глава 4. Сравнение эффективности вариантов технических решений для повышения устойчивости трубопровода в сейсмически опасных зонах 95
4.1 Анализ технических подходов к обеспечению сейсмобезопасности 95
4.2 Варианты технических решений для повышения устойчивости трубопроводов 98
4.2.1 Установка компенсаторов сейсмических воздействий 98
4.2.2 Усиление жесткости трубы 103
4.2.3 Увеличение степеней перемещения трубопровода 104
4.2.4 Применение пластичных материалов 118
4.3 Выбор технического решения, обеспечивающего сейсмическую
устойчивость трубопровода 122
Заключение 128
Список литературы
- Учет сейсмического районирования территории России при проектировании трубопроводов
- Обзор перспектив создания трубопроводных систем в сейсмически опасных зонах
- Исследование воздействия сейсмических волн, направленных вдоль оси трубопровода
- Варианты технических решений для повышения устойчивости трубопроводов
Введение к работе
В диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук рассмотрена тема прокладки трубопроводов в сейсмически опасных зонах, т.к. в настоящее время в России одними из стратегически приоритетных и перспективных направлений являются регионы, для которых особенно характерно наличие зон с сейсмичностью более 8 баллов.
В работе выполнен анализ современных технологий и нормативных требований к сооружению магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах, определены недостатки существующих подходов к обеспечению надежности трубопроводного транспорта и сформулированы основные задачи оценки несущей способности конструкций подземных магистральных трубопроводов.
Исследовано влияние сейсмических нагрузок на трубопроводы и определены виды сейсмических воздействий, что позволило определить параметры моделирования при оценке несущей способности конструкций трубопроводов по предельным состояниям.
Решена задача определения напряженно-деформированного состояния стального трубопровода при сейсмическом воздействии для различных условий прокладки.
Проведено сравнение эффективности вариантов технических решений для повышения устойчивости трубопроводов в сейсмически опасных зонах. Цель проектирования трубопроводов в этих условиях заключается в выработке таких конструктивных решений, которые позволят противостоять нагрузкам при землетрясении, будучи при этом безопасными и экономически целесообразными.
Текст диссертации изложен на 138 страницах, содержит 76 рисунков, 12 таблиц и 79 литературных источников.
Современный этап развития нефтегазового комплекса страны связан с вовлечением в разработку значительных запасов углеводородов в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке и формированием новых систем трубопроводного транспорта.
В Российской Федерации около 20% территорий подвержено воздействию землетрясений интенсивностью более 7 баллов, более 5% территорий - 8-9 баллов. К ним относят Северный Кавказ, Прибайкалье, Якутию, Сахалин, Камчатку и Курильские острова. Перспективные регионы по запасам углеводородов и развитию трубопроводного транспорта расположены в сейсмически опасных зонах.
При сейсмических подвижках земной коры возможны сильные горизонтальные и вертикальные деформации грунтов, что может стать причиной аварий на подземных трубопроводах. Так, в результате землетрясения в мае 1995 года на севере о-ва Сахалин в районе г. Нефтегорска произошло значительное количество разрывов принадлежащего компании «Сахалинморнефтегаз» магистрального нефтепровода, идущего с Сахалина на материк. Трансаляскинский трубопровод, был спроектирован так, чтобы выдержать землетрясение силой до 8,5 баллов. Сейсмический толчок во время землетрясения в ноябре 2002 года на Аляске (США) в районе разлома Денали сдвинул трубу горизонтально на 2 с лишним метра и вертикально на 75 см. Подобные сейсмические катастрофы случаются редко, однако при определённых условиях землетрясения провоцируют активизацию оползневых и селевых процессов, что приводит к дополнительным нагрузкам на трубопроводы.
Магистральные трубопроводы относятся к сооружениям высшей категории капитальности, расчетная балльность которых принимается на один балл выше балльности, определенной в результате сейсмического микрорайонирования. Поэтому для каждого участка пересечения тектонических разломов и сейсмически опасных зон должен разрабатываться индивидуальный проект строительства магистральных трубопроводов.
Тематика диссертационной работы соответствует задачам концепции реализации Федеральной целевой программы «Сейсмобезопасность территории России» (2002-2010 годы) и является актуальной для дальнейшего развития сейсмобезопасных систем трубопроводного транспорта в перспективных регионах освоения углеводородных ресурсов Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Целью диссертационной работы является разработка методики оценки несущей способности конструкций подземных магистральных трубопроводов на основе моделирования сейсмических воздействий для обоснования и оптимизации проектов вновь создаваемых и реконструируемых трубопроводных систем в сейсмически опасных зонах.
достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Анализ современных технологий и нормативных требований к сооружению магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах.
2. Определение видов сейсмических воздействий при оценке несущей способности тонкостенных оболочек трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах.
3. Моделирование взаимодействия подземного трубопровода и колебаний грунта при землетрясении для различных технологических схем прокладки магистральных трубопроводов.
4. Сравнение эффективности вариантов технических решений для повышения сейсмостойкости трубопроводов в сейсмически опасных зонах.
Разработана математическая модель и методика расчета характера деформирования стальной тонкостенной оболочки подземных трубопроводов с учетом контактного взаимодействия с грунтовым основанием при сейсмических воздействиях. При этом сейсмическое воздействие представлено как совокупность волн сжатия, растяжения и сдвига, передающихся трубопроводу при землетрясении.
Разработанная методика оценки несущей способности конструкций магистральных трубопроводов позволяет оценить эффективность технических решений трубопроводов в сейсмически опасных зонах.
Использование результатов научного исследования дало возможность выявить слабые места в существующих конструкциях трубопроводов, определить способы их усиления, обосновать выбор адекватных условиям прокладки конструктивных решений и тем самым определить необходимые методы инженерной защиты трубопроводов в сейсмически опасных зонах. Сейсмобезопасность конструктивных решений магистральных трубопроводов позволяет предупредить катастрофические последствия землетрясений, связанные с нарушениями в энергетическом и сырьевом снабжении обширных районов страны, возникновении больших очагов пожаров и взрывов, прекращению водоснабжения, экологическим и другим катастрофам.
Учет сейсмического районирования территории России при проектировании трубопроводов
Землетрясения по своим разрушительным последствиям, числу жертв и деструктивному воздействию на среду обитания человека занимают одно из первых мест среди других природных катастроф. Они обусловлены продолжающейся сотни миллионов лет глобальной эволюцией литосферы нашей планеты. На территории Северной Евразии все геодинамические и сейсмические процессы тесно связаны со взаимодействием восьми крупных литосферных плит - Евразийской, Африканской, Аравийской, Индостанской, Китайской, Тихоокеанской, Охотоморской и Северо-Американской.
Предотвратить землетрясения невозможно, однако их разрушительные последствия и количество человеческих жертв могут быть уменьшены путем создания достоверных карт сейсмического районирования, применения адекватных норм сейсмостойкого строительства и проведения в сейсмоактивных районах долгосрочной политики, основанной на повышении уровня осведомленности населения и федеральных органов об угрозе землетрясений и умении противостоять подземной стихии.
Сейсмическое районирование заключается в том, что сейсмически опасные районы разделяют на зоны с одинаковым сейсмическим воздействием. Оно является актуальным для всех без исключения регионов России, где даже на относительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место, и возможны в будущем, достаточно сильные и разрушительные землетрясения. Свыше четверти территории Российской Федерации подвержено сейсмическим воздействиям, требующим проведения антисейсмических мероприятий. Значительную площадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8-9-ти и 9-10-балльные зоны. К ним относятся Дальний Восток и весь юг Сибири. В европейской части страны таким регионом является Северный Кавказ.
Ощутимые и 6-7-балльные землетрясения свойственны Среднему Уралу и Приуралью, Поволжью, Кольскому полуострову и сопредельной с ним территории. Техногенная сейсмотектоническая активизация характерна для нефтедобывающих районов Татарстана и Башкортостана. Угроза землетрясений с каждым годом растет по мере освоения сейсмоактивных территорий и строительства в их пределах особо ответственных сооружений.
Исследования в области сейсмического районирования базируются на детальном и комплексном изучении глубинной структуры земной коры и всей литосферы, современной геодинамики, региональной сейсмичности, сейсмотектоники и инженерной сейсмологии. Они включают в себя идентификацию сейсмоактивных структур, определение параметров их сейсмического режима и затухания генерируемого ими сейсмического эффекта с расстоянием, а в итоге - вероятностный расчет и картирование сейсмической опасности на земной поверхности. В зависимости, от задач, степени детальности и масштаба исследований сейсмическое районирование может быть общим (ОСР, масштаб 1:5 млн. - 1:2,5 млн.), детальным (ДСР, масштаб 1:500 тыс. - 1:100 тыс.) и микросейсмическим (СМР, масштаб 1:50 тыс. и крупнее). Однако первостепенным и опорным для всех последующих построений является ОСР, основанное на региональных и межрегиональных сейсмологических и геолого-геофизических исследованиях, способствующих выявлению планетарных сейсмогеодинамических взаимодействий литосферных плит и блоков земной коры сейсмоактивных регионов.
Первая в Европе и мире официальная нормативная карта общего (обзорного) сейсмического районирования всей территории бывшего СССР была опубликована в 1937 году Г.П. Горшковым, положившим начало регулярному их составлению в качестве основы, регламентирующей проектирование и строительство в сейсмоактивных районах страны. В конце 40-х годов исследования И.Е. Губина, а впоследствии Г.А. Гамбурцева, СВ. Медведева, Ю.В. Ризниченко, И.Л. Нерсесова и других ученых, привели к смене существовавшей до того времени парадигмы «сейсмического актуализма» («там, где было, там и будет») и заложили основы сейсмогенетического двухстадийного метода оценки сейсмической опасности с элементами прогноза. В соответствии с этой концепцией на первой стадии выделяются реальные и потенциальные очаговые зоны, на второй - рассчитываются ожидаемые сотрясения на земной поверхности.
В последние годы идеи вероятностно-детерминированного прогнозирования опасных сейсмических и других геологических процессов начали все активнее внедряться в сейсмологию и в практику строительства в нашей стране. С учетом этих достижений и результатов собственных исследований было принято решение создать не одну карту с различными индексами, как это было сделано составителями карты ОСР-78, а комплект нормативных карт Общего сейсмического районирования (ОСР-97) территории Российской Федерации, предназначенных для строительных объектов разных категорий ответственности и сроков службы и отражающих равномерную для конкретного уровня риска расчетную интенсивность сотрясений.
Оценка сейсмической опасности и сейсмическое районирование осуществляется для всей Северной Евразии, охватывающей территории России, Украины, Беларуси, Молдовы, республик Закавказья, Средней Азии и Казахстана. Вся территория Северной Евразии разделена на несколько крупных регионов взамен многочисленным и мелким административным подразделениям, традиционно на протяжении десятилетий использовавшихся при изучении сейсмичности и сейсмическом районировании территории бывшего СССР.
Обзор перспектив создания трубопроводных систем в сейсмически опасных зонах
Суммарные извлекаемые запасы этих двух месторождений составляют порядка 150 млн. тонн (свыше 1 млрд. баррелей) нефти и 500 млрд. м3 (18 трлн. куб, футов) газа.
Реализация первого этапа проекта началась в 1996 году. Старт второму этапу проекта «Сахалин-2» был дан в 2003 году.
Изучение проекта «Сахалин-2» показывает, что остров находится на стыке евроазиатской и североамериканской тектонических плит и считается зоной высокой сейсмичности и большой потенциальной опасности землетрясений, где отмечается высокая активность процессов в земной коре. В последние годы на острове Сахалин отмечались несколько значительных сейсмических явлений.
Нефтегорское землетрясение, которое произошло в районе Сахалина, ранее считавшемся зоной умеренной сейсмичности, привело к образованию разлома длиной 46 км со средним показателем провала в 3,9 м. До трагедии сейсмичность этого района оценивалась в 7 баллов, сила же случившегося землетрясения составила 9-10 баллов.
Подземные участки трассы трубопровода «Сахалин-2» 55 раз пересекают 22 установленных специалистами активных разлома (наличие подвижек поверхности земли в течение последних 10000 лет) и 33 разлома, которые предполагаются неактивными.
Трасса трубопровода пройдет по районам, где помимо прямого сейсмического воздействия отмечается тенденция к внезапным крупным смещениям грунта, которые могут быть спровоцированы землетрясениями. Это - оползни, сели, обрушения грунта. [39]
То же самое касается и трубопровода по проекту «Сахалин-1» с единственной разницей, что он будет проложен по достаточно безлюдным и не включенным в экономический оборот местностям, и авария здесь не затронет интересов стольких островитян, как по «Сахалину-2».
Что касается транспортировки российской нефти, то наиболее протяженные линии в настоящее время строятся или планируются в регионах Каспийского, Балтийского и Северного морей, Восточной Сибири.
Нефтепроводная система «Восточная Сибирь - Тихий океан (ВСТО)» предназначена для транспортировки нефти на российский Дальний Восток и на рынки Азиатско-Тихоокеанского региона (рис. 1.17).
Система будет технологически соединена с существующими магистральными трубопроводами ОАО «АК «Транснефть» и позволит создать единую сеть, обеспечивающую оперативное распределение потоков нефти по территории России в западном и восточном направлениях.
Планируемая пропускная способность ВСТО - 80 млн. тонн нефти в год. Протяженность трассы свыше 4 770 километров, конечным пунктом которой будет новый специализированный морской нефтяной порт в бухте Козьмино в Приморском крае. Первая очередь строительства Тайшет -Сковородино (2757 км) начата в апреле 2006 года, вторая очередь - в 2008 году.
Трасса магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан» прокладывается по сложным геологическим, гидрологическим и сейсмическим районам. Многолетнемерзлые породы присутствуют на участках более половины протяженности объекта. По трассе имеются участки с курумами, с погребенными льдами, карстами, оползнями, селевыми потоками.
Рельеф в районе строительства разнообразный. Около 78% трассы прокладывается по гористому рельефу с высотными отметками от 500 до 2000 м.
По всей трассе выявлено более 100 разломов земной коры. Трасса нефтепровода (около 54%) проходит в сейсмоопасной зоне: на большей части протяженности интенсивность землетрясений составляет 8-9 баллов.
Наиболее сейсмоопасные для трассы ВСТО зоны расположены в западной части. Они связаны со структурами хребтов Прибайкалья, Станового нагорья и Станового хребта. Так, участок трубопроводной системы ВСТО в пределах Байкало-Станового геоструктурного региона характеризуется современной тектонической активностью, высоким уровнем сейсмичности, в том числе сильными землетрясениями. [47, 56, 66]
Трасса ВСТО характеризуется следующими значениями сейсмической активности: - участок км 0 - км 902 - 5-8,5 баллов; - участок км 903 - км 1182 - 8,5-9,5 баллов; - участок км 1183 - км 2300 - 7-10 баллов.
Известно, что 20% территорий Российской Федерации подвержено воздействию землетрясений интенсивностью более 7 баллов, более 5% территорий - 8-9 баллов. К ним относят Северный Кавказ, Прибайкалье, Якутию, Сахалин, Камчатку и Курильские острова. Так что перспективные регионы по запасам углеводородов и развитию трубопроводного транспорта расположены в сейсмически опасных зонах.
Исследование воздействия сейсмических волн, направленных вдоль оси трубопровода
Одним из наиболее сложных инженерно-геологических условий является наличие тектонических разломов. Для трубопроводов, в особенности при подземной прокладке, наличие разломов является важным фактором, поскольку трубопроводы, пересекающие зоны разломов, могут подвергаться продольным деформациям и изгибам, что впоследствии может привести к образованию разрывов на поверхности трубы (рис. 2.3).
Термин «активный разлом» предполагает существование заключения геолога о том, что рассматриваемый разлом является действующим и что рано или поздно по нему произойдет смещение. Обычно разлом считается действующим, если можно показать, что поверхностные смещения грунта происходили в голоценовую эпоху, т.е. в течение последних 10000 лет.
Значения периода повторяемости смещений при пересечении разломов составляют: -200 лет для смещений, интенсивность которых достигает предела прочности; -1000 лет для смещений, интенсивность которых достигает предела текучести.
Разломы, приводящие к разрывам поверхности, являются серьезным источником опасности для трубопроводов, поскольку трубопроводы, пересекающие зоны разломов, должны выдерживать продольные деформации и деформации изгиба, связанные со смещениями поверхности грунта. С целью смягчения опасностей, связанных с пересечениями разломов, проводятся геологические исследования по выявлению активных (голоценовых) разломов, пересекающих трассу трубопровода, и определению типов и амплитуд разрывных дислокаций. Расчетные дислокации для таких событий затем используются при анализе нагрузок и деформаций.
Проектирование перехода через зону разлома основано на использовании способности сварных стальных трубопроводов к деформации в неупругой области с тем, чтобы они могли деформироваться в соответствии с движением грунта. По возможности трубопровод будет ориентироваться при пересечении зоны разлома так, чтобы он подвергался растягивающим напряжениям, поскольку предельные состояния по несущей способности при сжатии (местный изгиб или потеря продольной устойчивости) обычно наступают при напряжениях значительно меньших, чем уровни растягивающих напряжений, приводящие к разрыву. Если невозможно избежать сжимающих напряжений, то трубопровод будет ориентироваться так, чтобы свести к минимуму напряжение сжатия.
Активные разломы, пересекающие трассу магистрального трубопровода, выявляются и классифицируются по следующим признакам: -расположение разлома (например, расположение по данным топографических карт масштаба 1:10000, ширина зоны пересечения и/или точность картирования линии разлома, ширина зоны нарушений грунта вдоль линии разлома, число зон перекоса почвы); -расчетные смещения по разлому за год; -расчетные дислокации на основании данных полевых рекогносцировочных исследований и эмпирического анализа по методу Уэллса-Копперсмита (1994); -трехмерные векторы смещений; -расчетный интервал повторяемости типичных для разлома событий.
Расчетные величины смещений, определенные методом Уэллса-Копперсмита, представляют собой результирующие смещения по разлому в вертикальной плоскости. По методу Уэллса-Копперсмита не рассчитываются результирующие смещения по разлому в трехмерном пространстве, поэтому этот метод не является достаточным для прямого использования при вычислении расчетных дислокаций.
Универсальной методики для исследования пересечений трубопроводами разломов не существует вследствие неопределенности параметров, управляющих поведением грунта, влияния нагрузок и т.п. Однако наиболее распространенными первичными движениями по разломам являются сдвиги, взбросы и сбросы, а также одновременное совместное воздействие этих движений (рис. 2.4).
Длина переходной зоны представляет собой длину переходного участка между неподвижной и подвижной стороной разлома: -для разломов со сдвиговыми движениями зона деформации грунта составляет примерно 2 м; -для сбросов и взбросов основная зона поверхностных деформаций обычно составляет 5-15 м. Максимальная осевая нагрузка грунта qu для полностью заглубленного трубопровода может быть выражена, как: \ fl + K о_ J tan S" (2.3) qu =тг DCCC + K DHу 2 где: D — внешний диаметр трубопровода, м; с - связность грунта или сопротивление сдвигу, кН/м3 (0 для совершенно сыпучих песков); Н— глубина до оси трубопровода, м; у — удельный вес погруженного грунта, кН/м ; Ко - коэффициент давления в состоянии покоя ( KQ = 1 - sin 2 ); а - коэффициент адгезии; д - угол трения в точке соприкосновения для трубопровода и грунта; Ф — внутренний угол трения грунта.
Поперечные горизонтальные смещения зависят от кривой сжимаемости и толщины рыхлого грунта, размещенного вокруг трубопровода.
В то время как осевые и горизонтальные смещения характеризуются симметричным отношением (одно и то же отношение сила/смещение независимо от направления движения), то вертикальная компонента является несимметричной. Фактически, при движении, направленном вниз, трубопровод действует как ленточный фундамент, тогда как при движении вверх трубопровод пытается прорвать грунт. Следовательно, сила ограничения, связанная с прорывом вверх будет значительно меньше, чем смятие, действующее вниз.
Варианты технических решений для повышения устойчивости трубопроводов
При проектировании трубопровода в сейсмически опасных зонах или в грунтах, резко отличающимися свойствами рекомендуется предусматривать компенсацию продольных деформаций.
Компенсация деформаций осуществляется на открытых наклонных или горизонтальных компенсационных участках, сооружаемых в местах поворота трассы в плане.
Для компенсации продольных деформаций трубопроводов применяются трапецеидальные компенсаторы с конструктивными элементами, обеспечивающими восприятие распора от внутреннего давления.
Все компенсаторы должны обеспечивать пропуск необходимых по условиям строительства и эксплуатации очистных, разделительных и диагностических устройств.
В качестве компенсационных участков также могут использоваться повороты трубопровода с допускаемыми радиусами кривизны. При этом повороты трубопровода выполняются надземно на опорах и рассчитываются на компенсацию продольных деформаций. Если участок проектируется в виде одного угла поворота, то в этом месте не допускается устраивать поворот трубопровода в вертикальной плоскости.
При углах поворота трассы от 45 и более для компенсации деформаций может использоваться угол поворота трассы без изменения его конфигурации. При этом крайние продольно-подвижные опоры, в зависимости от длины примыкающих к углу прямолинейных участков, устанавливаются на расстоянии одного, двух или трех пролетов от угла, а между ними устраиваются свободно-подвижные опоры.
При прокладке систем трубопроводов с различными типами компенсаторов расположение оси вылета компенсаторов предусматриваются выше оси трубопровода.
Конструкция хомутов обеспечивает плотное облегание тела трубы и равномерное постоянное натяжение по всему периметру трубопровода в процессе всего срока его эксплуатации. Высота от уровня земли до низа трубы принимается не менее 0,5 м и не более 4,5 м.
В конструкцию компенсатора входят четыре 45-градусных отвода радиусом 5Дн заводского изготовления. Величина пролета составляет 24 м. Максимальное расстояние между опорами, при котором не возникает ветровой резонанс, составляет 24 м. При таком расстоянии между опорами максимально допустимая просадка опоры составляет 9 см (рис. 4.1, 4.2).
С целью снижения нагрузки на трубопроводы в результате землетрясений для строительства трубопроводов в ЗСР зачастую используются трубы с увеличенной толщиной стенок.
Однако исследования показывают, что если трубопровод выполнен из стали, обладающей более высоким пределом прочности, но более низкими пластическими свойствами, то при одной и той же величине сейсмической волны более пластичный трубопровод менее подвержен деформации. Отсюда делается вывод о целесообразности применения высокопластичных сталей для трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах.
С использованием метода конечных элементов проведен анализ распределения продольных и кольцевых напряжений при сейсмическом воздействии, направленном вдоль и по нормали к продольной оси, а также при пересечении трубопроводом тектонического разлома для метода, предусматривающего усиление жесткости трубопровода. Для данного способа компенсации сейсмических воздействий характерно распределение напряжений в трубопроводе, представленное на рис. 4.4.
Рисунок 4.4 Распределение суммарных продольных и кольцевых напряжений при различных видах сейсмического воздействия
Проведенные расчеты методом конечных элементов позволили определить единичные внутренние напряжения в сечении трубопровода, возникающие в сейсмически опасных зонах, и сформировать полную картину распределения напряжений в трубопроводе.
В результате анализа распределения напряжений получены следующие значения: - напряжения, вызванные действием осевой силы растяжения (сжатия): апр 423 МПа; - напряжения, вызванные сейсмической волной, направленной по нормали к продольной оси трубопровода: тверт 597 МПа; - напряжения, возникающие при изгибе стальной оболочки в области тектонического разлома: аи 451 МПа.
В ряде работ для повышения сейсмостойкости подземных трубопроводов рекомендуется формировать саму траншею, особенно на наиболее опасных участках, таким образом, чтобы обеспечить возможность смещения трубопровода без его значительных деформаций и разрушений в случае землетрясений.
Расчеты показывают, что трубопроводы диаметром 1220 мм с толщиной стенки порядка 11,5 мм при подземной прокладке при толщине слоя засыпки до 90 см могут выдержать смещение грунта по линии разлома до 3 м, если будет обеспечено смещение трубопровода с малым сопротивлением по обе стороны сброса на участках около 50 м.
Траншея трубопровода в опасных сейсмических зонах и в местах переходов через тектонические разломы отличается от стандартной траншеи по форме, размеру и материалу засыпки. Благодаря этому обеспечивается движение трубопровода в траншее, что предотвращает его повреждение во время землетрясения.
Для обоснования технических решений подземной прокладки трубопровода на участках с высокой сейсмичностью необходимо учитывать следующие особые сейсмические воздействия:
1. Продольные сейсмические волны:
- сейсмическое ускорение, определяемое по данным сейсмического районирования и микрорайонирования;
- преобладающий период сейсмических колебаний грунтового массива, определяемый при изысканиях;
- скорость распространения продольной сейсмической волны вдоль продольной оси трубопровода в грунтовом массиве и коэффициент защемления трубопровода в грунте;
2. Активные тектонические разломы.
Таким образом, для подземных участков трубопровода, находящихся в районах сейсмичностью более 8 баллов принимаются следующие условия: - поперечное сечение траншеи устраивается с пологими откосами 1:1,5, засыпка производится крупнозернистым песком (СНиП 2.05.06-85 ); - заглубление трубопровода принимается минимально-допустимым; - участки трубопровода в пределах предлагаемых конструктивных решений принимаются не менее I категории; - предлагаемое конструктивное решение осуществляется в сейсмически опасных зонах и на прилегающих участках протяженностью 70 м по обе стороны от границ участка (рис. 4.5).
Похожие диссертации на Разработка методики оценки несущей способности подземных магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах
