Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса по проектированию и строительству трубопроводов на болотах 6
1.1. Анализ научно-технических исследований и нормативной литературы 6
1.2. Методы расчета трубопроводов на болотах 18
1.3. Постановка задач исследования 24
ГЛАВА 2. Разработка методики расчета осадки нефтепроводов на переходах через болота 29
2.1. Анализ расположения трубы относительно слоя торфа 29
2.2. Выбор расчетной схемы основания и метода расчета трубопровода 33
2.3. Выбор расчетной схемы трубопровода на переходе через болото 41
2.4. Влияние насыпи на осадку наземного нефтепровода 46
2.5. Расчет осадки насыпи для наземного трубопровода 56
2.6. Расчет осадки подземных и наземных в насыпи нефтепроводов с учетом ограниченной мощности слоя торфа под трубой 59
ГЛАВА 3. Разработка способов прокладки нефтепроводов на болотах по критерию их напряженно- деформированного состояния с учетом неравномерной осадки трубы 67
3.1. Особенности поведения нефтепроводов на болотах 67
3.2. Разработка новых способы прокладки нефтепроводов на болотах и их техническое обоснование 68
3.3. Методика расчета нефтепроводов на болотах с учетом неравномерной осадки трубы 76
3.4. Пример реализации методики расчета напряженно-деформированного состояния нефтепроводов с учетом осадки трубы при эксплуатации 81
ГЛАВА 4. Опытно-промышленная проверка нового способа прокладки нефтепроводов на болотах 84
4.1. Экспериментальные исследования на опытно-промышленном участке нефтепровода Уса-Ухта 84
4.2. Исследование осадки трубы и состояния насыпи при эксплуатации нефтепровода 91
4.3. Определение напряженно-деформированного состояния нефтепровода с учетом неравномерной осадки трубы и насыпи НО
4.4. Технико-экономическая эффективность нового способа прокладки нефтепровода наземно в насыпи 121
ГЛАВА 5. Разработка основных положений по проекти рованию нефтепроводов, прокладываемых на болотах в насыпи и в слое торфа 125
5.1. Сравнительный анализ результатов исследования с положениями по проектированию нефтепроводов 125
5.2. Предложения по использованию разработанных положений в нормативно-технических документах 131
Общие выводы 134
Список литературы
- Анализ научно-технических исследований и нормативной литературы
- Анализ расположения трубы относительно слоя торфа
- Особенности поведения нефтепроводов на болотах
- Экспериментальные исследования на опытно-промышленном участке нефтепровода Уса-Ухта
Введение к работе
В России основной объем нефти добывается на северных месторождениях Западной Сибири, Ямало - Ненецкого автономного округа, Республики Коми, обширные территории которых заболочены. Магистральные нефтепроводы, поставляя нефть в центральные районы страны и на экспорт, пересекают болота различной протяженности и мощности торфа. Проектирование, строительство и капитальный ремонт магистральных нефтепроводов в условиях болот в северной климатической зоне представляют повышенную сложность по причине специфических особенностей органических грунтов.
Согласно нормативным документам, магистральные трубопроводы на болотах прокладывают, как правило, подземно. Однако методология расчета подземных магистральных трубопроводов на болотах на прочность, дефор-мативность и общую устойчивость в продольном направлении с учетом неравномерной осадки трубы в торфе пока не получила широкого применения в проектных институтах. По этой причине подземные магистральные нефтепроводы на болотах прокладываются без необходимого расчетного обоснования.
Строительные нормы и правила России разрешают прокладку трубопроводов на болотах наземно в насыпи, как исключение при соответствующем технико-экономическом обосновании. Тем не менее надежность и безопасность подземного и наземного нефтепроводов на одном и том же переходе через болоте в безлюдной местности являются практически одинаковыми, а экономические показатели строительства последнего значительно выше. Способы прокладки и расчеты наземных в насыпи трубопроводов на болотах также требуют своего развития и совершенствования.
Предметом настоящего исследования являются магистральные нефтепроводы на болотах, прокладываемые в северной климатической зоне и эксплуатируемые, в основном, ОАО "Северные магистральные нефтепроводы" ОАО "АК "Транснефть".
Вышеизложенное обуславливает актуальность темы диссертационной работы, целью которой является разработка рациональных способов прокладки и методов расчета магистральных нефтепроводов на болотах с учетом неравномерной осадки трубы.
Для достижения поставленной цели необходимо было выбрать и обосновать расчетные схемы основания и трубопровода, определить методы расчета осадки нефтепроводов на болотах, прокладываемых в насыпи или в слое торфа, разработать новые способы прокладки трубопроводов, обеспечивающие снижение напряженного состояния нефтепровода от эксплуатационных нагрузок и воздействий при неравномерной осадке трубы, а также проверить на опытно-промышленном участке результаты аналитических исследований и новые способы прокладки на предмет их надежности и эффективности при строительстве нефтепроводов на болотах.
На основе обобщения проведенных исследований разработаны основные положения по проектированию магистральных нефтепроводов на болотах для включения их в новые нормативные документы.
Практическая ценность работы заключается в том, что она выполнялась исходя из конкретных потребностей отрасли, и направлена на повышение качества проектных и строительных работ. Основные результаты работы были внедрены в ОАО "Северные магистральные нефтепроводы" ОАО "АК "Транснефть" на пяти переходах магистральных нефтепроводов через болота. В результате применения при сооружении нефтепроводов нового способа прокладки трубопроводов была повышена технико-экономическая эффективность реконструкции и капитального ремонта МН "Уса-Ухта" и "Ухта-Ярославль" в условиях болот. Результаты исследований в виде основных положений по прокладке и расчетам трубопроводов на болотах приняты Координационным советом межгосударственной научно-технической программы "Высоконадежный трубопроводный транспорт" для применения при подготовке новых нормативных документов.
Анализ научно-технических исследований и нормативной литературы
Первые работы по отдельным вопросам строительства трубопроводов на болотах относятся к самому началу 60-х годов [12, 23, 105 и др.], т.е. к периоду бурного развития трубопроводной системы б.СССР. В это время начаты интенсивные исследования рациональных и эффективных систем прокладки трубопроводов в районах обширной заболоченности на Севере и в Западной Сибири.
В результате исследований за сравнительно короткий период была подготовлена монография А.К. Дерцакяна и Б.Д. Макурова [27], которую следует считать одной из самых крупных и содержательных и по настоящее время. В работе впервые были приведены в систематизированном виде основные и необходимые сведения для строительства МТ на болотах. Даны классификация болот применительно к трубопроводному строительству, сведения по инженерным изысканиям на болотах, методы и технология строительства в зависимости от глубины и протяженности болот. Рассмотрены все три способа прокладки трубы: подземный, наземная укладка в насыпи и надземная прокладка на опорах. Предложены, в соответствии с уровнем расчета МТ в тот период, формулы для расчета прочности трубопроводов для всех трех способов прокладки. Приведена специальная глава по эксплуатации переходов через болота с учетом особенностей болот и воздействия внешних факторов. Впервые выполнено технико-экономическое сравнение вариантов и методов укладки трубопроводов. Сделаны следующие выводы, не потерявшие актуальность до наших дней: - наземная укладка экономичней подземной. Экономия возрастает с увеличением диаметра трубопровода; - строительство переходов через болота в зимний период обходится на 20-30% дешевле, чем в летний; - наиболее дешевым видом сооружения подземных трубопроводов является сплав.
Многие последующие исследователи в той или иной мере опирались на разработки и опыт авторов [27], развивая их положения к новым условиям своего времени.
Все основное из монографии [27] в последующем было включено в справочник [109], в раздел 5.11 по переходам МТ через болота. Справочник [109] долгие годы был и остается настольной книгой проектировщиков, в котором раздел по болотам является лучшим среди аналогичных источников и до настоящего времени.
Классификация болот и способы прокладки МТ на заболоченных участках рассмотрены в еще одной книге А.К. Дерцакяна [28], написанной совместно с Н.П. Васильевым. По классификации болот следует отметить также работы Л.М. Демидюк с соавторами [26], СМ. Соколова [102], В.Л. Трофимова [118] и др. Что касается СНиП [97], то классификация болот в них принята по характеру передвижения по ним строительной техники, а не по особенности взаимодействия трубопровода с торфом разной степени разложения.
В течение 1970-1985 гг. крупные исследования по определению характера поведения подземных и наземных трубопроводов на болотах проведены в Тюмени, в Тюменском индустриальном институте (ТюмИИ) и Гипро-тюменнефтегазе.
В ТюмИИ в первую очередь следует выделить многочисленные работы М.Ш. Хигера, в т.ч. с соавторстве с Ф.Г. Хайруллиным, Н.В. Николаевым и др. В статьях М.Ш. Хигера представлены результаты аналитических исследований как по математическому описанию процесса взаимодействия трубы с торфом, так и расчету трубопровода в торфе как балки в слабой среде. К первым следует отнести такие работы, как анализ ядер ползучести при про дольных перемещения трубы в торфе [125], определение параметров деформируемости торфа под цилиндрическим штампом [124], исследование деформационных моделей торфяного основания [127], о перемещениях в торфе трубчатых штампов от статической нагрузки [129] и т.д. Среди вторых выделим работы по разработке методики расчета продольных перемещений трубопроводов на болотах [122], изгибу трубопровода на линейно-упругом торфяном основании [123], определению фактического сопротивления торфа поперечным перемещениям трубопровода [126] и др. В результате совместной работы с М.Ш. Хигером и под его руководством, Н.В. Николаевым была подготовлена и защищена диссертация по исследованию продольно-поперечного изгиба подземного трубопровода, проложенного в торфяном основании [69],
Основное содержание и полученные результаты по работам сотрудников Тюменского индустриального института за 1973-80 гг. по проблемам подземных трубопроводов в торфе нашли отражение в обзоре П.П. Бородав-кина, М.Ш. Хигера и Н.В. Николаева [14]. В обзоре сделан очень важный для практики вывод, что учет нелинейности деформационных свойств торфа имеет большое значение при определении НДС трубопровода. Так, применение линейной модели торфа вместо нелинейной вносит относительную погрешность по перемещениям трубы до 160%, а по изгибающим моментам -до 30%.
Анализ расположения трубы относительно слоя торфа
При переходе нефтепровода через болото возможны три варианта расположения трубы относительно торфяного основания.
При подземной прокладке нефтепровод в общем случае располагается в слое торфа (рис.2.1, а). Положение трубы на минеральном дне болота в работе не рассматривается, т.к. в этом случае труба при перемещении вниз с торфом не взаимодействует.
При наземной прокладке в обваловке (насыпи) из местного торфяного грунта нарушенной структуры или привозного минерального грунта, нефтепровод может пересекать болото либо с изменением способа прокладки с помощью вертикальных углов поворота (рис. 2.1. б), либо без изменения способа прокладки при подходе к болоту (рис. 2.1, в). На практике, как правило, применяют варианты по рис. 2.1, а, б, т.к. за пределами болота в минеральных грунтах трубопроводы рекомендуется прокладывать подземно [96].
Толщина слоя торфа hc на болоте всегда имеет ограниченную величину, которая может изменяться, однако, в широком диапазоне: от 0.5 до 10... 12 м. Абсолютное большинство болот на севере имеет мощность торфа в среднем от 1.5 до 4...5 м. Глубокие болота с h 5 м встречаются редко. При любом способе прокладки слой торфа под трубой следует соизмерять с диаметром трубы (рис. 2.2, 2.3), т.к. сжимаемая зона грунта (сжимаемый слой) будет находиться полностью в торфе. Дно болота в данном случае следует принимать в качестве несжимаемого основания, которое простирается вниз до бесконечности (полупространство).
При расчете прогибов (осадки) нефтепровода на болоте его следует принимать в качестве балки с заданной жесткостью на изгиб. Применительно к трубопроводам термины "осадка" и "прогиб" следует считать синонимами, т.к. к трубопроводам более общепринятым является термин "осадка", а к балкам - термин "прогиб".
Из механики грунтов известно [70], что определенные расчетом прогибы балки в решающей мере зависят от: - принятой расчетной схемы основания; - принятой расчетной схемы балки; - нагрузки от балки на основание, а также от длины балки, жесткости ее на изгиб, характеристик основания и т.д. Анализ перечисленных факторов приводится в следующих разделах.
Назначение расчетной схемы основания и расчетной схемы балки с учетом их взаимовлияния и взаимозависимости составляет суть метода расчета балок на упругом основании. В основе различных методов расчета лежат различные гипотезы, которые связывают величину реакции основания на балку с его осадкой или прогибом балки.
Несомненно без дополнительных пояснений, что для трубопровода справедливы следующие основные положения: - трубопровод следует принимать в качестве балки трубчатого сечения; - трубопровод по своей физической сути является бесконечно длинной балкой; - трубопровод взаимодействует с основанием в условиях пространственной задачи теории упругости; - трубопровод передает на основание распределенную погонную нагрузку по всей своей длине. Относительно последнего положения следует отметить, что на некоторых участках трубопровода возможны другие дополнительные виды на-гружения. Например, сосредоточенными силами при балластировке трубы утяжелителями, закреплении на проектных отметках анкерами и т.д.
В настоящее время расчет балок выполняют, как правило, по двум расчетным схемам (моделям) основания: - по модели Фусса-Винклера; - по модели линейно-деформируемого полупространства. Для первой модели основным и единственным параметром основания является коэффициент постели Ks, для второй - модуль деформации Е0 и коэффициент Пуассона v0 . Расчет балок с учетом нелинейных свойств грунта находится в стадии разработки и пока не получил широкого практического применения. Отметим, что модель основания в виде линейно-деформируемого полупространства является общепринятой в России и положена в основу СНиП 2.02.01-83 "Основания зданий и сооружений".
На начальном этапе развития теории расчета балок наиболее широко использовали модель основания Фусса-Винклера. Согласно данной модели, к балке со стороны основания приложена сплошная распределенная нагрузка, интенсивность которой пропорциональна прогибам балки. Расчету балок по модели Фусса-Винклера посвятили свои работы Б.Г.Коренев, П.Л.Пастернак, В.В.Кречмер, А.Н.Крылов, Л.А.Галин, С.Н.Клепиков, Л.Н.Репников, Н.К.Снитко, А.А.Уманский и др.
Особенности поведения нефтепроводов на болотах
Как известно, подземные и наземные в насыпи трубопроводы следует проверять на прочность, деформативность и общую устойчивость в продольном направлении и против всплытия [96]. Нефтепроводы на болотах требуют такой проверки в значительно большей мере, чем в обычных минеральных грунтах. Причина в низких деформационных и прочностных характеристиках торфа, что не способствует "защемлению" трубы в грунте. В результате нефтепровод на болоте не испытывает большого сопротивления основания в продольно-поперечных направлениях и может деформироваться (перемещаться) на значительные величины.
Методология расчета нефтегазопроводов, нормируемая СНиП [96], является единой для всех грунтов. Отличие в поведении нефтепроводов на болотах заключается в том, что труба под действием собственной массы и продукта совершает дополнительные вертикальные вниз перемещения, которые практически исключены в минеральных грунтах. Эти дополнительные перемещения вызывают развитие в трубе дополнительных напряжений, не обусловленных основными нагрузками и воздействиями, т.е. давлением и температурным перепадом.
Напряжения, возникающие в трубопроводе, в т.ч. с учетом осадки трубы на болоте, согласно СНиП [96] следует определять в соответствии с правилами строительной механики. Поскольку конкретных рекомендаций по расчету напряжений с учетом осадки трубы в [96] и других действующих нормативных документах не имеется, одной из задач настоящей работы яв ляется восполнить этот пробел и развить положения норм расчета [96] к нефтепроводам на болотах с учетом их осадки.
Как следует из теории расчета балок на упругом основании при действии на балку равномерно распределенной нагрузки, прогиб условно бесконечной балки в средней ее части является величиной постоянной, а концевые участки имеют переменный прогиб с различной кривизной (см. п.2.3). На рис. 3.1,а в качестве примера показан полный прогиб прямолинейного трубопровода 820x10 мм на переходе через болото длиной 80 м, который рассмотрен в том же п.2.3.
Из рис. 3.1,а можно сделать следующий вывод. Если трубопровод пересекает болото прямолинейно в профиле, то в результате осадки трубы под действием собственной массы и продукта наиболее напряженными являются сечения А и Б. Напряжения изгиба аизг в сечениях А и Б обусловлены тем, что в этих сечениях развиваются наибольшие изгибающие моменты М„х. И чем больше осадка S (прогиб у) трубы в центральной части болота, тем больше величина М и, соответственно сг . На рис. 3.1,а в качестве примера приведена эпюра изг лля все того же трубопровода 820x10 мм [128]. При q = 7.34 кН/м величина Л/ в сечениях А и Б при у „ = 106 мм составила Мтг =617 кН-м. Если определить дополнительные напряжения а До известной формуле
В рассмотренном примере длина болота составляет всего 80 м. В реальных условиях на севере длина переходов через болота может достигать многих сотен метров, и даже километров. В широком диапазоне может изменяться также и модуль деформации торфа EQ. Таким образом, величина прогибов прямолинейных нефтепроводов на болотах и моменты Мизг в сечениях
А и Б могут быть много больше, чем в рассмотренном примере. Соответственно будут больше и дополнительные напряжения уизг по (3.1).
Согласно [96], трубопроводы на переходах через болота можно прокладывать как подземно , так и по поверхности болота в теле насыпи (как исключение, см. п.6.21 [96]). Рассмотрим более детально особенности строительства наземных в насыпи нефтепроводов, поскольку подземные прокладываются на болотах обычным порядком, как в водонасыщенных минеральных грунтах.
Важным моментом является ситуация, которая определяется специфическими условиями строительства трубопроводов на болотах в условиях севера. Верх болота представляет из себя кочковатую поверхность с наличием, как правило, открытой воды между кочками, высота которых достигает 30-40 см. Нефтепроводы через болота прокладывают в зимнее время, когда возможен проезд тяжелой строительной техники по замерзшему торфу. Зимой вода замерзает, пространство между кочками заполняется снегом, который уплотняется как во времени сам по себе, так и строительной техникой. После очистки поверхности болота от снега (сугробов), труба фактически укладывается на подготовленное основание, состоящее из кочковатого торфа, льда и снега. Это приводит к тому, что, во-первых, весной труба неминуемо получит неравномерную осадку за счет растаивания снега и льда. И, во-вторых, величина этой осадки практически не поддается точному прогнозу, т.к. строение торфяной залежи по длине болота вдоль трубопровода весьма разнородное. Альтернативным вариантом были бы подробные изыскания на болоте, т.е. скважины через 10-15 м, как это необходимо делать и делают в жилищном строительстве [95].
Однако для трубопроводного строительства столь детальные изыскания трассы не производят. Таким образом, неравномерная осадка нефтепроводов на болотах, обусловленная региональными условиями строительства и строением болот, всегда будет иметь место, а ее суммарная величина от всех побудительных причин не может быть достаточно точно определена.
Нормативно-справочная литература [27, 51, 109 и др.] предусматривает устройство под трубу специальной выстилки из кустарника, редколесья или бревен как средства для равномерной осадки насыпи и трубы при оттаивании болота. Однако, как следует из теории расчета балок и гибких полос в условиях плоской задачи (см. главы 2, 4), прогибы балки и полосы и без того являются равномерными, за исключением коротких концевых участков. Поэтому с точки зрения характера деформирования конструкции в специальной подготовке основания (см., например рис. 5.16 [109]), которая требует дополнительных материальных и финансовых затрат, нет необходимости. В то же время наличие выстилки, как показывают практика и опыт строительства, не препятствует неравномерной осадке нефтепровода вдоль его перехода через болото. Поэтому самым простым, дешевым и эффективным вариантом, как будет показано ниже, является укладка трубы прямо на промороженную и очищенную от снега поверхность болота.
Экспериментальные исследования на опытно-промышленном участке нефтепровода Уса-Ухта
На техническом совете ОАО "Северные магистральные нефтепроводы" 13 января 1998 г. было принято решение при строительстве второй нитки магистрального нефтепровода Уса-Ухта диаметром 720x11 мм реализовать новый способ прокладки трубопроводов на болотах. На 360 км трассы от Усинска на переходе через болото длиной 1300 м по первоначальному проекту института "Гипротрубопровод" предусматривалась подземная прокладка с балластировкой трубы утяжелителями УБКм. По заданию ОАО "СМН" предприятие "НИПИнефтегазстройдиагностика" под руководством и при участии автора перепроектировало подземную прокладку на наземную в насыпи по способу [107] (рис. 4.1).
При проектировании, строительстве и эксплуатации данного участка необходимо было решить следующие задачи:
1. Запроектировать выход трубопровода на поверхность болота и переход вновь под поверхность грунта упругим изгибом трубы с учетом его напряженно-деформированного состояния при эксплуатации, а также реального характера взаимодействия трубы с торфяным основанием.
2. Определить точный профиль трубопровода после его строительства и укладки на промороженную поверхность болота до засыпки.
3. Систематически фиксировать прогибы трубопровода после завершения строительства и пуска в эксплуатацию.
4. Определить мощность грунта (насыпи) над верхом трубы и ее геометрические размеры после завершения строительства.
5. Проводить регулярные наблюдения за изменением параметров насыпи при эксплуатации от водной и ветровой эрозии, осадки, размывов и т.д.
6. Устроить водопропускное сооружение через насыпь и наблюдать за эффективностью его работы.
7. Постоянно определять изменение напряженно-деформированного состояния трубопровода от эксплуатационных нагрузок и воздействий с учетом осадки трубы.
В соответствии с рельефом и отметками местности, а также глубиной торфа и отметками дна болота, переход трубопровода из подземного способа в наземный запроектировали упругим изгибом трубы по двум вертикальным углам 140 и 1 с радиусами соответственно /?01 =1700 м и р02 =2900 м (рис. 4.1). Переход из наземного в подземный вариант в конце болота предусмотрен также упругим изгибом трубы по радиусу р03 = рм =3380 м и двум равным вертикальным углам 033\ В плане под насыпью трубопровод запроектировали проложить между точками 7-22 упругим изгибом трубы по радиусу рог=5000 м с начальной стрелкой прогиба в районе точек 14-15 f0 = 14 м. Проектные поперечное сечение насыпи, полоса для движения экскаватора при засыпке трубопровода и место забора грунта (торфа) для засыпки приведены на рис. 4.2.
По классификации [97], болото на переходе относится к II типу. Кочковатое, поверхность относительно ровная, с плавным повышением отметок на юг (на длине 1034 м высотная отметка возросла на 3.82 м, уклон поверхности i=0.0037). Уровень воды совпадает с поверхностью, местами имеется открытая вода. Однако ручьев и других водотоков как вдоль, так и поперек планируемого перехода трубопровода не оказалось. Тем не менее, из-за уклона местности было отмечено общее медленное движение поверхностных вод в пределах болота практически перпендикулярно трассе. Растительность в виде кустарника и мелких деревьев была срезана бульдозером при производстве работ зимой.
Строительство перехода выполнили в феврале 1998 г. Сваренную в нить и заизолированную трубу уложили прямо на очищенную поверхность болота. До засыпки на трубе масляной краской нанесли 28 марок, по 7 марок на каждой вертикальной кривой поворота и 14 марок через 50 м по всей длине перехода (рис. 4.1). До засыпки трубопровода в этих 28 точках определили с помощью нивелира исходные высотные отметки трубопровода в Балтийской системе высот (БСВ) относительно репера, установленного на болоте специально с целью нивелировки трубы при строительстве и эксплуатации.
Засыпку трубы с образованием насыпи выполнили торфом нарушенной структуры с помощью экскаватора по предписанной технологии [109] с образованием вдоль трубопровода канавы-резерва (рис. 4.5). Как видно на рис. 4.5, в основание насыпи частично попал снег, часть насыпи выполнили из мерзлого торфа верхнего слоя болота. Подобная технология устройства насыпи на севере зимой является типичной, избежать попадания в тело насыпи снега, льда и мерзлого грунта практически не удается. Таким образом, при проектировании насыпи следует учитывать ее дополнительную усадку за счет растепления снега, льда и мерзлоты в ее теле.
После засыпки трубопровода над всеми ранее отмеченными на трубе марками установили в насыпи специальные вертикальные деревянные короба, в отверстия которых входит геодезическая рейка. Для установки коробов отрывали часть насыпи до верхней образующей трубы, устанавливали короб вертикально строго над маркой и повторно засыпали насыпь в этом месте (рис. 4.6).
