Разработка методов расчета технологических параметров при укладке глубоководных трубопроводов Мельник, Леонид Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблеми. В условиях постоянного роста потребления нефти и газа и истощения их материковых запасов все большее значение приобретает добыча этих минеральных ресурсов на шельфе.

Одной из важнейших предпосылок успешного освоения морских нефтегазовых месторождений является создание сети подводных магистральных трубопроводов, укладка которых на дно осуществляется преимущественно с помощь» трубоукладочных барж либо способом свободного погружения. За последние десятилетия в мировой практике, в основном, благодаря интенсивным промышленным разработкам месторождений нефти и газа в Северном море и Мексиканском заливе, накоплен дов'ольно большой опыт строительства глубоководных трубопроводов, который нашел отражение в трудах Бихена Л., Брауна Р.Дж., Ведренна Дж.П., Ленгера Дж., Локрид-жа Дяс.К., Свитайски Б., Сьедермы Г.У., Эллса Дж.У. и др..

Технологическими аспеїстами этой проблемы много занимались и советские ученые, в том числе Березин В.Л., БородаЕкин П.П., Искендеров И. А., Камышев М.А., Капустин К.Я., КашунинК.А., Левин СИ., Лобанов В.А., Шадрин О.Б. и др.. Решению частных вопросов посвящены также работы Боровикова П.А., Галлиули-наЗ.Т., Горелыиева А. А., Грудницкого Г.В., Иваника И.В., Кима Б.И., Кузилова Л.А., Палферова И.А., Ратнера А.Г. и др..

Сооружение морского трубопровода - сложный и дорогостоящий процесс. В.связи с этим исключительное значение приобретает теоретическое обоснование экономичной и безаварийной укладки подводных трубопроводов по различным технологическим схемам. Исследованием напряженно-деформированного состояния укладываемых на дно моря трубопроводов занимались Абдул-лаевГ.Т., Атаров Н.М., Бородавкин П.П., Гайдук В.Ф., Гель-ферВ.Я., Герштейн М.С., Головин Ю. А., Гулгазди А. С., Гусейнов Н.М., Ермоленко А. И., Камышев М.А., КрупкинБ.Н., Мех-тиев Г.А., Назирова Д.Р., Ольшевский К.У., Ручкин В.П., Сторо-жев Н.Ф., Шадрин О.Б. и др., а также Ангрилли Ф., Бергамас-чиС, Вьянчи С, Бейзу А.К., - Бэкс И., Датта Т.К., Диксон Д.А., КоккиноЕрахос К., Мэллередк X., Нитри Р.Ф., Ованк Б., Педсрсен П.Т., Планкетт Р., Ратлкдж Д.Р., Рзм-

мент Дж.П., Фернандес М.Л., Цибель Г.Х. и др..

Анализ этих работ показал, что существует множество различных моделей и методов расчета укладываемых трубопроводов. Каждая из этих моделей базируется на определенных допущениях, в той или иной мере искажающих реальную картину распределения напряжений в провисающей части трубопровода. Кроме того, практическое применение многих методов решения сопряжено со значительными математическими трудностями, что заставляет прибегать к упрощению физической модели. Это, в частности, проявляется при расчете плетей с понтонами, укладываемых свободным погружением. "Размазывание" понтонов (представление их в виде распределенной нагрузки) приводит к ошибке в определении местных изгибающих моментов и напряжений. Большие искажения в характер усилий и напряжений в наклонной части трубопровода вносит сведение воздействия водной среды на трубу только лишь к ере Архимеда (без учета горизонтальной составляющей равнодействующей гидростатитического давления).

. Эти и другие малоизученные и нерешенные вопросы определили круг задач, которые потребовали своего разрешения. Дель работы;

создать достоверные математические модели изгиба подводных трубопроводов при укладке с трубоукладочной баржи и свободным погружением, как заливом воды, так и отстропкой понтонов.

разработать эффективные алгоритмы и программы расчета напряженного состояния подводных трубопроводов, укладываемых указанными выше способами.

исследовать влияние различных технологических параметров на процесс укладки, дать рекомендации по проведению трубо-укладочных работ в безопасном режиме.

Методика исследований основана на сведении нелинейной краевой задачи с неизвестной границей, описывающей изгиб подводного 'трубопровода при укладке, к задаче Коши с последующим ее решением многошаговыми конечно-разностными методами прогноза и коррекции.

"Научная новизна. На основании законов и соотношений теории упругости и математического анализа созданы ноЕие матема-

тические модели изгиба подводных трубопроводов, укладываемых с баржи либо свободным погружением, более точно учитывающие внешние нагрузки и граничные условия.

Разработаны методы расчета напряженно-деформированного состояния подводных трубопроводов при укладке различными способами, сводящиеся к итерационной процедуре совместного решения дифференциальных уравнений изгиба провисающей части и определения неизвестных граничных условий на верхнем ее конце.

Проведен систематический анализ елияния различных технологических параметров на процесс укладки, позволяющий выявить ряд ноеых закономерностей, которые могут быть положены в основу рекомендаций при проектировании и сооружении подводных трубопроводов.

Практическая ценность работы. Разработанные методы расчета напряженного состояния подводных трубопроводов реализованы на персональном компьютере типа ІШ PC. Созданный пакет программ позволяет автоматизировать процесс расчета, обосновать рациональный выбор параметров укладки, повысить эффективность эксплуатации трубоукладочных комплексов с обеспечением надежности и безопасности проведения работ.

Основные положения диссертации включены в нормативные документы: "Рекомендации по проектированию и строительству морских подводных нефтегазопроводов. Р 412-81" и "Руководство по технологии укладки-и заглубления трубопроводов через водохранилища и крупные реки. Р 537-84".

Практическое применение. Настоящие методики расчета были использованы для обоснования проектных решений по укладке глубоководных трубопроводов на шельфах Каспийского и Черного морей, а также внедрены при строительстве магистрального нефтепровода от месторождения "Лебедь" на шельфе Черного моря, выполнявшегося в рамках контракта с румынской организацией "Ром-петрол". Экономический эффект от внедрения составил 603.2 тыс. рублей (1985 г.). Методика и программа расчета морского трубопровода при укладке плетями последовательной отстропкой понтонов вошли в состав документации ноу-хау, проданной Румынии.

. Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы было доложено и обсуждено на следующих конференциях и се-

минарах:

1. Конференция "Теоретические и экспериментальные исследования молодых ученых-океанологов - XIX ъезду ВЛКСМ", Севастополь, май 1982 г.;

2. VIII Всесоюзная конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, Ужгород, май 1983 г.;

3. II Научно-техническая конференция "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа", Астрахань, сентябрь 1984 г.;

4. III Республиканская научно-техническая конференция по прикладной гидромеханике, Киев, октябрь 1984 г.;

5. IX Всесоюзная конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, Саратов,июнь 1985 г.;

6. IV Научно-техническая конференция "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа", Горький, декабрь 1986 г.;

7. VI Республиканская конференция "Нелинейные задачи математической физики", Донецк, сентябрь 198? г.;

8. IV Республиканская научно-техническая конференция по прикладной гидромеханике, Киев, ноябрь 1987 г.;

9. XI Всесоюзная конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, Волгоград, октябрь 1989 г.;

10. VI Научно-техническая конференцій "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа", Горький, декабрь. 1989 г.;

11. Научный семинар отдела динамики упругих систем Института гидромеханики Академии наук Украины, Киев, январь 1992 г.;

12. Научный семинар секции Ученого совета ВНИИСТа, Москва, февраль 1992 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка, 15 таблиц, библиография включает 112 источников.