автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Исследование влияния сил морозного пучения грунтов на напряженно-деформированное состояние трубопровода

Министерство общего и профессионального образования РФ Тюменский государственный нефтегазовый университет

УДК 622.691.4. На правах рукописи

ГОРКОВЕНКО Александр Иванович

Исследование влияния сил морозного пучения грунтов на напряженно-деформированное состояние трубопровода

Специальность : 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор Кушнир С.Я.

Тюмень, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................4

Раздел 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ФУНДАМЕНТЫ........................................................9

1.1. Основные закономерности морозного пучения и критерии морозоопастности пучинистых грунтов................................9

1.2. Анализ основных факторов, влияющих на пространственное положение трубопроводов в промерзающих пучинистых грунтах........................................................................18

1.3.Существующие методы оценки напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода.........................................23

1.4. Выводы по разделу. Цель и задачи исследования...................26

Раздел 2. ХАРАКТЕРИСТИКА, АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ГРУНТОВЫХ

УСЛОВИЙ РЕГИОНА. СОСТОЯНИЕ ОТОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................29

2.1.Общая характеристика регионов и особенности грунтовых

условий трасс трубопровода.............................................29

2.2.Выявление степени влияния грунтового фактора на напряжения в стенке трубопровода.....................................37

2.3.Выводы по разделу.........................................................41

Раздел 3. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛОВОГО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРУБОПРОВОДА В ПОГРАНИЧНОЙ

ЗОНЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ............................................42

3.1 .Силовое взаимодействие трубопровода с непучинистым

грунтом.......................................................................42

3.2.Силовое взаимодействие трубопровода с пучинистым

грунтом.......................................................................46

3.3.Силовое взаимодействие (изгиб) трубопровода в пограничной

зоне для случая упругого режима работы непучинистого грунта.........................................................................50

3.4.Силовое взаимодействие трубопровода с грунтами для случая упругопластического режима работы непучинистого грунта.........................................................................54

3.5.Выводы по разделу.........................................................57

Раздел 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОГО ИЗГИБАЮЩЕГО

МОМЕНТА В СТЕНКЕ ТРУБОПРОВОДА И РАСЧЕТ ЕЕ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ.......62

4.1. Определение изгибающего момента в стенке для упругопластического режима работы непучинистого

грунта.........................................................................62

4.2.Оценка влияния ореола оттаивания грунта вокруг трубопровода

на величину изгибающего момента.....................................63

4.3.Получение удобных для инженерных расчетов формул максимального значения изгибающего момента на основе

рационального планирования эксперимента..........................74

4.4.0пределение напряженно-деформированного состояния

стенки трубопровода в активной зоне грунтов.......................77

4.5.Исследование силового взаимодействия моделей трубопровода

с мерзлыми грунтами в лабораторных условиях.....................82

4.6.Выводы по разделу.........................................................86

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..............................................88

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................89

Приложение..............................................................................101

Введение

В нефтегазовом и трубопроводном строительстве трубопроводы оцениваются как надежный и безопасный вид транспорта. В том, что он безопасный, можно согласиться лишь в случае, если надежность трубопровода обеспечена с высокой вероятностью.

В последнее время вопросы надежности трубопроводного транспорта становятся наиболее актуальными. И связано это, в первую очередь, со «старением» газотранспортной сети. Многие магистральные трубопроводы России в настоящее время имеют значительный срок эксплуатации. Так, 25% газопроводов эксплуатируются уже более 20 лет, 38% - 10-20 лет, а 5% преодолели планку нормативного срока эксплуатации - 33 года.

Такое положение обусловливает рост числа аварийных ситуаций на магистральных трубопроводах. Так, в 1993 году только в РАО "Газпром" их число составило 41 против 25 в 1992 г (рост 60%).

Среди факторов, формирующих напряженно-деформированное состояние трубопроводов, взаимодействие последних с промерзающими грунтами является наименее изученным. Объясняется это сложностью процесса, так как морозное пучение относится к тем физико-механическим процессам, в результате которых промерзающий грунт в условиях гидро- и термодинамических изменений сам приобретает напряженно-

деформированное состояние. Напряжения, возникающие в грунтах при пучении, смещают трубопроводы, изменяя их плановое и высотное положение. Такие деформации характерны для районов глубокого сезонного промерзания и распространения вечномерзлых грунтов.

Решение проблемы особенно актуально для Тюменского нефтегазового региона, где вечномерзлые грунты занимают площадь около 1 млн. км2, а доля грунтов с глубоким сезонным промерзанием составляет более 70% талых грунтов.

Существующие методы прогноза высотно-планового положения трубопровода недостаточно, по нашему мнению, учитывают процесс взаимодействия трубопровода с грунтами. Выполненные нами исследования силового взаимодействия трубопровода с грунтами [22] показали, что влиянием талых грунтов на напряженно-деформированное состояние стенки трубопровода в зоне изменения литологического разреза грунтов можно пренебречь. Иначе говоря, в указанной зоне, названной нами активной, не наблюдается значительного изменения радиуса изгиба трубопровода.

При промерзании грунтов степень влияния на высотное положение трубопровода в активной зоне резко возрастает. Это обусловлено возможным действием сил морозного пучения в активной зоне и резким изменением свойств мерзлых грунтов по сравнению с талыми.

Учет этих изменений в пучинистых грунтах при расчете напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода является сложной и актуальной задачей.

Актуальность работы

В настоящее время и в ближайшие десятилетия обеспечение эксплуатационной надежности линейной части трубопроводов будет оставаться сложной научной и инженерной проблемой. Особенно она актуальна для условий глубокого сезонного промерзания грунтов, так как принципиально меняется характер их взаимодействия с трубопроводом, значительно увеличиваются силы морозного пучения с резким изменением радиуса изгиба трубопроводов.

Диссертационная работа является частью исследований, выполненных по комплексной программе «Энергетическая стратегия России», принятой Правительством в 1994 г; по программе «Высоконадежный трубопроводный транспорт», принятой совместно Правительствами России и Украины в 1993г, а

также программе Минтопэнерго «Надежность и безопасность трубопроводного транспорта Западной Сибири», принятой в 1994 году.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в результатах исследования, полученных автором и расширяющих наши познания в проблеме взаимодействия линейных частей трубопроводов с промерзающим пучинистым грунтом.

На основе изучения механизма взаимодействия трубопровода с промерзающим пучинистым грунтом впервые разработана физико-математическая модель совместного взаимодействия трубопровода с грунтами с учетом физико-механических и реологических свойств грунтов.

Предложенная модель позволила предсказать изменения высотного положения трубопровода при морозном пучении и рассчитать максимальные значения изгибающего момента и положение опасных сечений. В работе оценено влияние ореола оттаивания грунта вокруг трубопровода на величину изгибающего момента.

Автором разработана методика определения напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода с учетом конкретных свойств грунтов вдоль трассы.

Практическая ценность

Результаты исследования, полученные автором, позволяют раскрыть положение пункта 8.25 СНиПа 2.05.06.-85 «Магистральные трубопроводы» в

части учета влияния морозного пучения грунтов на формирование напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода. Это позволяет уже на стадии проектирования включать в проекты противопучинистые мероприятия на опасных участках трассы трубопровода с их дальнейшим мониторингом.

Задача определения максимальных изгибающих моментов и соответствующих эквивалентных напряжений доведена до инженерного решения методом рационального планирования эксперимента.

Предложенная автором методика расчета напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода апробирована на участке отвода к Ханты-Мансийску газопровода «Уренгой -Челябинск» институтом «Нефтегазпроект».

На защиту выносятся

1. Физико-математическая модель взаимодействия трубопровода с промерзающим грунтом, учитывающая его физико-механические и реологические свойства.

2. Количественные оценки изгибающих моментов и положения опасных сечений в трубопроводе при воздействии сил морозного пучения.

3. Методика определения напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода с учетом конкретных свойств грунтов вдоль его трассы.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на:

♦ первой научно-практической конференции «Природные промышленные и интеллектуальные ресурсы Тюменской области», Тюмень, 12-13 ноября 1997 г,Тюмень НИИГипрогаз.

♦ всероссийской научно-технической конференции «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий», 1998г, ТюмГНГУ;

♦ конгрессе нефтегазопромышленников России 21-24 апреля 1998 г, Уфа секция «Экология, энергосбережение в нефтегазовом комплексе.»;

♦ международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г.Тюмень, 1998 г.ДюмГАСА;

♦ региональной научно-технической конференции Тюменского учебно-научного центра федеральной целевой программы « Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.»,Тюмень, 1999 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в пяти работах. Результаты научных исследований вошли в научно-технический отчет по теме «Оценка состояния грунтового основания, прогноз недопустимых деформаций и разработка мероприятий по обеспечению эксплуатационной надежности продуктопровода деэтанизированного конденсата «Уренгой-Сургут» на участке 4,9-100,4 км», 1998 г. По результатам исследования поданы две заявки на изобретение.

Экспериментальная и теоретическая части работы выполнены в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Раздел 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ТРУБОПРОВОДНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

1.1. Основные закономерности морозного пучения и критерии морозоопастности пучинистых грунтов

Морозное пучение грунтов включает в себя сложные и недостаточно изученные процессы, что объясняется большим количеством взаимодействующих факторов, изменяющихся во времени и пространстве. По данным А.Я.Тулаева, с морозным пучением грунтов и его отрицательными последствиями впервые столкнулись дорожники при строительстве и эксплуатации первых .железных дорог в Европейской части России. Строительство Забайкальской, а позднее Амурской железных дорог, показало значимость решения задач, связанных с этой проблемой.

Внешним проявлением морозного пучения является неравномерное поднятие, а при оттаивании опускание (осадка) слоя промерзшего грунта. Морозное пучение происходит вследствие кристаллизации воды в грунтах и образования ледяных включений в виде прослоек и линз. В результате этого природного явления конструкции фундаментов зданий и сооружений, трубопроводов, дорожного полотна, автомобильных дорог и других объектов получают недопустимые деформации и перемещения, что приводит к ухудшению условий эксплуатации как конструкций зданий и сооружений, так и технологического оборудования; к сокращению их сроков службы и к увеличению затрат на ремонт и исправление деформированных конструкций.

Первые работы в исследовании физической сущности процесса морозного пучения грунтов принадлежат русскому инженеру В.И.Штукенбергу. Позднее этой проблемой занимались инженеры С.Г.Войслав,

П.Н.Любимов, Н.С.Богданов и др. Работы этих инженеров заложили основные теоретические предпосылки в изучении физической сущности процессов пучения и миграции влаги в промерзающих грунтах.

В.И.Штукенберг в 1885 году впервые выдвинул физически верное объяснение причин пучения грунта за счет миграции влаги из нижележащих в верхние промерзающие слои, а также предложил математическое описание пучения грунта. Процесс миграции воды к фронту промерзания и влияние его на величину пучения впервые экспериментально подтвердил в лабораторных условиях С.Г.Войслав.

Дальнейшие исследования отечественных ученых М.И.Сумгина [99], Н.А.Цытовича [118,120], Н.И.Быкова [11], М.Н.Гольдштейна, Н.В.Орнатского [77], Б.И.Далматова [27,28], О.И.Финка, А.Е.Федосова, позднее В.О.Орлова [74,75], Н.А.Пузакова, И.А.Золоторя, В.Ф.Жукова [44], И.А.Тютюнова [104,105,106], М.Ф.Киселева [48,49,50], А.М.Пчелинцева [86], а также зарубежных С.Тебера, Д.Буюкоса, Г.Беского, Р.Рюкли и других показали, что в промерзающих грунтах перераспределение (миграция) влаги является основным процессом, обусловливающим пучение. Этому также способствовало выдвинутое в 40-е годы и экспериментально доказанная Н.А.Цытовичем [117] теория физико-химического равновесия твердой и жидкой фаз воды в мерзлых грунтах. Позднее, сформулировав основные принципы механики мерзлых грунтов, он значительно расширил представления о физической сущности процессов промерзания - оттаивания грунтов [119].

Процессы миграции и льдовыделения в промерзающем грунте формируются при наличии градиентов температуры и влажности в условиях совместного действия таких молекулярных сил, как адсорбционных, капиллярных, осмотических, кристаллизационных, сил упругости водяного пара. Это говорит о том, что механизм перераспределения влаги в промерзающем грунте очень сложен и требует дальнейшего уточнения.

Рассмотрим основные закономерности морозного пучения грунтов.

Все разновидности грунтов в строительной практике делятся на морозоопасные (пучинисгые) и неморозоопасные (непучинистые). В зависимости от таких физических показателей, как дисперсность, водонасыщение, условия промерзания, минералогический состав и другие факторы, грунты обладают различной способностью к морозному пучению. В то же время известно, что если вода в процессе замерзания не будет иметь свободного выхода из системы, то практически все грунты можно считать морозоопасными. Необходимость установления критерия пучинистости грунта обусловливается тем, что нарушение устойчивости сооружений, особенно малозагр уженных, находится в прямой зависимости от оценки морозоопасности грунтов.

Исследования процесса миграции пленочной воды в промерзающих грунтах выявили влияние дисперсности и минералогического состава глинистой фракции на морозное пучение грунтов. Это привело к разработке критериев морозоопасности грунтов.

В основу первых критериев морозоопасности грунтов была положена их дисперсность. В мелкодисперсных глинистых грунтах, обладающих большой удельной поверхностью минеральных частиц, содержится значительное количество пленочной воды, поэтому они относятся к наиболее морозоопасным. Песчаная и крупнообломочные грунты, имея в своем составе более крупные частицы, содержат минимальное количество связанной воды и являются менее морозоопасными по сравнению с глинистыми.

В результате многочисленных наблюдений и исследований Г.Беского, А.Дюкера, М.ИХольдштейна, М.И.Сумгина, А.Е.Федосова, М.Ф. Киселева [49], А.Я.Тулаева, С.Тебера и других было установлено, что минеральные частицы размером менее 0,1-0,07 мм оказывают наибольшее воздействие на пленочный механизм миграции воды. Грунты с содержанием частиц, крупнее 0,1 мм, можно отнести к практически неморозоопасным, даже с некоторым содержанием глинистых частиц в их порах.

На основании лабораторных опытов по установлению «критического размера» частиц грунта, влияющих на пучение, Г.Бесков приходит к выводу, что влияние дисперсности грунта на миграцию воды происходит через их капиллярные свойства. В качестве критерия морозоопасности он принимает высоту капиллярного поднятия Kf , относя к неморозоопасным грунты при Kf<l, при Kf= 1-2,5 м и высоком уровне грунтовых вод - к морозоопасным, а при Kf больше 3 м они во всех случаях являются морозоопасными. За�