Введение к работе
Актуальность работы. В ближайшей перспективе основной прирост добычи нефти и газа будет получен на отдаленных месторождениях севера Западной Сибири, Республики Коми и Архангельской области. Подача энергоносителей невозможна без ускоренного развития трубопроводного транспорта. Сеть газотранспортных систем протянется с Бованенского, Харасавейского, Лаявожского и других месторождений через территории Архангельской области и Республики Коми до центра и западной границы страны. При этом магистральные трубопроводы, минуя территории распространения вечномерзлых грунтов, попадают в не менее сложные условия - зону обширных болот севера нашей страны.
Слабые торфяные основания обладают низкой "защемляющей" способностью; трубопроводы под действием внутреннего давлэния и температуры свободно перемещаются в торфяной среде часто выходя на поверхность болот, что недопустимо правилами эксплуатации и безопасности. Известно, что более половины всех аварий трубопроводов происходит на болотах и заболоченных участках. Основные причины такого положения - отсутствие качественной и достоверной информации о взаимодействии трубопровода с торфом, низкое качество инженерно-геологических изысканий, ненадежность закрепления трубопроводов. Между тем, актуальная в настоящее время тема определения сопротивления торфяного основания продольному перемещению трубопровода исследована совершенно недостаточно. Отсутствуют необходимые параметры, такие как предельное сопротивление, коэффициент касательного сопротивления, параметры трения изолированной трубы по торфу и т.д. Более того, торфяные основания обладают рядом свойств, отличных от свойств минерального грунта, а это приводит к необходимости разработки новых, специально для торфа, расчетных моделей грунта. Попытки использовать расчетные модели минеральных грунтов с подстановкой в них параметров взаи--модействия трубопроводов с торфом приводят к тому, что эти модели не "работают", а напряженно-деформированное состояние трубопровода становится не прогнозируемым.
Таким образом, задача определения научно обоснованной расчетной модели торфяного основания при продольном перемещении трубопровода весьма актуальна. Решение этой задачи позволит поставить вопросы расчета и проектирования трубопроводов на болотах на
научную основу, уменьшить количество аварий, осуществить выбор наиболее рациональной схемы прокладки трубопровода, повысить в целом его надежность.
Цель работы - разработать метод расчета сопротивления торфяного основания продольному перемещению трубопровода' (расчетную модель торфяного основания) на основе аналитических решений и экспериментального изучения взаимодействия трубопровода с торфом при приложении к нему продольного'усилия.
Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи собственного исследования:
определить на основе обобщения результатов экспериментов величину предельного сопротивления торфяного основания продроль-ному перемещению трубопровода как функции давления торфа на трубопровод и параметров трения последнего по торфу;
экспериментально определить зависимость среднего давления торфа на трубопровод в траншее от давления торфа в массиве засыпки на уровне горизонтального диаметра трубы, для чего разработать методику определения нормальной составляющей давления торфа по периметру трубы и методику обработки получаемых при этом эпюр;
экспериментально . определить параметры трения полимерной изоляции по торфу в зависимости от условий взаимодействия трубопровода с торфом: скорости приложения к трубе сдвигающей нагрузки, времени контактирования трубы с торфом и влажности торфа;
на основе теории линейно-деформируемого полупространства определить необходимые компоненты напряжений и перемещений в полупространстве от распределенной нагрузки, расположенной параллельно свободной поверхности, и определить зависимость "сопротивление (нагрузка) - перемещение" для трубы в линейной стадии деформирования торфяного основания;
экспериментально_определить нелинейную зависимость "сопротивление - перемещение" на основе проведения и обработки достаточно большого числа испытаний по перемещению труб в торфе при различном их заглублении, длины, длины, диаметра, величины при-грузки и т. д.;
разработать способ закрепления трубопровода от продольных перемещений в грунте;
- выполнить расчет напряженно-деформированного состояния
участка подземного трубопровода на болоте с использованием всех
полученных в работе результатов.
Научная новизна. В диссертационной работе:
разработана методика определения нормальной составляющей давления торфа по периметру трубы с использованием простейших приспособлений в виде обернутых в полиэтиленовую оболочку металлических пластин;
впервые доказано, что среднее давление торфа на трубопровод является функцией давления торфа в массиве засыпки на уровне горизонтального диаметра трубы, а не является равным ему, как это принимали ранее;
определены параметры трения изоляционного покрытия трубопровода по торфу в широком диапазоне условий взаимодействия трубопровода с торфом и доказано, что параметры трения не зависят от влажности торфа, времени контактирования трубы с торфом и скорости приложения к трубе сдвигающей нагрузки;
- выполнено приближенное решение задачи о распределенной
нагрузке, расположенной в полупространстве вблизи и параллельно
его поверхности; определены компоненты напряжений и перемещений;
приведена зависимость "нагрузка - перемещение", пригодная для
прогнозирования продольных перемещений трубопровода в торфяной
среде;
предложен новый способ определения модуля сдвига торфяной засыпки, причем доказано, что прекний подход к определению модуля сдвига через модуль деформации оказался неприемлимым;
разработан на уровне изобретения способ закрепления трубопровода от продольных перемещений в грунте;
впервые разработан метод расчета сопротивления торфяного основания при продольном перемещении подземного трубопровода (расчетная модель торфяного основания) для линейной и нелинейной стадий деформирования торфяной среды.
Практическая значимость работы. Использование разработанного метода расчета сопротивления торфа продольному перемещению трубопровода в практике проектирования и прокладки газонефтепроводов позволит дополнить програмное обеспечение для ЭВМ отсутствующими на сегодняшний день данными. Это, в свою очередь, позволит путем вариантного проектирования выбирать наиболее рациональные схемы прокладки трубопроводов на болотах и, как следствие, обеспечить устойчивость положения трубопровода, уменьшить
число аварий и, в целом, повысить его надежность.
Реализация работы. Разработанная расчетная модель и практические выводы по работе нашли свое отражение в НИР "Разработать модели торфяного основания при перемещениях подземного трубопровода в горизонтальном поперечном направлении для расчета подземных трубопроводов с произвольным очертанием оси в горизонтальной плоскости", 1987 г.; "Расчетная модель сопротивления грунтового основания продольному перемещенир подземного трубопровода, забалластированного утяжелителями", 1991 г.; "Рекомендации по повышению надежности трубопроводов в условиях болот", 1993 г.
Технический эффект от внедрения диссертационной работы получен на объектах:
нефтепровод "Уфа-Ярославль", при разработке "Плана ремонтных мероприятий";
газопровода "Микунь-Сыктывкар", при реконструкции 1 очереди и проектировании II очереди.
Использование разработанных "Рекомендаций по повышению надежности трубопроводов в условиях болот" при проектировании новых и реконструкции эксплуатируемых трубопроводов, проходящих по заболоченной местности, позволило оценить их реальное напряженно-деформированное состояние, выявив участки с которых "собираются" продольные перемещения, определить их величину и разработать технические решения по их компенсации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого Совета Ухтинского филиала ВНИИПКспецстройконструкция, Технического совета Производственного объединения Северных магистральных нефтепроводов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, получено одно авторское свидетельство на изобретение. Результаты исследований отражены также в 4 отчетах по НИР, выполненных в Ухтинском филиале ВНИИПКспецконструкция в 1983-91 гг.
Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и списка литературы, включающего 123 нимено-вания. Работа содержит 216 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 26 таблиц.