автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Определение напряженно-деформированного состояния трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций, расположенных в условиях Крайнего Севера (на примере месторождения "Медвежье")

На правах рукописи

КОРОТЕЕВ ПЕТР СЕМЕНОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБВЯЗКИ СОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ , РАСПОЛОЖЕННЫХ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА ( НА ПРИМЕРЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ "МЕДВЕЖЬЕ")

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов , баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук . . .

УФА - 1997

Работа выполнена в Медвежинском газопромысловом управлении предприятия "Надымгазпром" Российского акционерного общества "Газпром"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор

ЕРМИЛОВ О.М.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: кандидат технических наук

ЧУГУНОВ Л.С.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:-доктор технических наук, профессор

ГУМЕРОВ А.Г.

-кандидат технических наук,доцент РАФИКОВ С.К.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: ТюменНИИГипрогаз

ос

Защита состоится "/5" врпля 1998 г. в '12 часов на заседании Диссертационного Совета Д063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа-62, ул. Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке УГНТУ Автореферат разослан " " ^ ^ 1990-.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Диссертационного Совета ' . . —/

доктор физико-математических наук,'' .П '

профессор / ^ _____- Р.Н.БАХТИЗИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие отечественной газовой промышленности в ближайшие 10-15 лет будет определяться эффективным освоением существующих и разработкой новых газовых месторождений в районах Крайнего Севера , которые уже сейчас обеспечивают 90 % добычи газа . Третье в мире по запасам месторождение "Медвежье" обеспечивает 10 % объема всего добываемого в России газа.

Проблема поддержания безопасной эксплуатации и надежной работоспособности существующих трубопроводов является одной из наиболее актуальных задач в газовой промышленности. Надежность эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций приобретает первоочередное значение, так как трубопроводы обвязки компрессорных станций находятся в особенно жестких условиях эксплуатации и ава-зии могут сопровождаться значительным экономическим и экологическим ущербом , а также человеческими жертвами.

Неблагоприятное развитие геокриологических процессов вследствие техногенного влияния объектов газовой промышленности на тепловой ре-ким многолетнемерзлых пород , а также отсутствие опыта проектирования 1 строительства в сложных климатических и мерзлотных условиях Край-1его Севера привело к возникновению на месторождении "Медвежье" деформаций фундаментов трубопроводов технологических обвязок. За 25-гетний период эксплуатации месторождения деформации фундаментов 1риобрели значительные масштабы , как по амплитудам , так и по числу фоявлений ; зафиксированы на всех дожимных компрессорных станциях и [меют многолетний тренд и разнонаправленный характер. Это обусловило 1 свою очередь появление в трубопроводах технологических обвязок значи-ельных напряжений, соизмеримых в ряде случаев с пределом текучести ма-ериалов трубопроводов.

Наличие внешних и внутренних источников кинематического возбуж-ения трубопроводов и появление неработающих опор приводит к возникновению интенсивных балочных колебаний трубопроводов технологичес-

кой обвязки компрессорных станций.Оценка степени опасности возника щих при этом динамических напряжений, в настоящее время осуществляв ся только косвенным путем, на основе сравнения показателей вибращ трубопроводов с нормативными величинами, но существующие нормы в брации не учитывают влияние величины статических напряжений, однов[ менно действующих в трубопроводах , на коэффициент запаса усталости! прочности.

Появившиеся в связи с этим проблемы надежности и безопасное эксплуатации трубопроводов технологической обвязки не могут быть р шены путем полной реконструкции и модернизации оборудования в сод очень больших материальных затрат. Следовательно, необходимость пр ведения комплекса диагностических работ, позволяющих своевремсш предупреждать аварийные ситуации, связанные с напряженно-деформир ванным состоянием трубопроводов, а так же прогноз и планирование р монтно-восстановительных работ на трубопроводах технологической обв зки по их реальному техническому состоянию являются актуальными как научной, так и с практической точек зрения.

Целью диссертационной работы является обеспечение надежности безопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки комг рессорных станций путем разработки комплекса мероприятий на основ расчетно-экспериментальных методик определения статических и динам* ческих напряжений в трубопроводах.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Провести анализ всех основных силовых факторов, определяющих наг ряженно-деформировааное состояние трубопроводов технологической об вязки дожимных компрессорных станций месторождения "Медвежье".

2.Разработать расчетно-экспериментальную методику определения стати ческих напряжений в трубопроводах технологической обвязки ДКС на ос нове геодезических измерений положения оси трубопровода.

3.Разработать расчетно-экспериментальную методику определения динами ческих напряжений в трубопроводах технологической обвязки ДКС на ос нове расчета динамической формы упругой линии трубопровода на собст

пенных и вынужденных частотах колебаний , построенной путем непосредственного измерения вибрации трубопроводов.

4. Провести на основе разработанных расчетно-экспериментальных методик работы по определению напряженно-деформированного состояния трубопроводов технологической обвязки ДКС месторождения "Медвежье" и разработать мероприятия по обеспечению безопасности их дальнейшей эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1. В результате проведенных работ установлено , что основным силовым фактором , определяющим напряженно-деформированное состояние трубопроводов технологической обвязки дожимных компрессорных станций месторождения "Медвежье" при наличии значительных деформаций свайных фундаментов , являются статические изгибные напряжения от весовых нагрузок трубопроводов , запорной арматуры и подземного коллектора и реакций опор.

2. Разработана оригинальная расчетно-экспериментальная методика определения статических изгибных напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций на основе геодезических измерений оси трубопровода с использованием пространственной фильтрации аппроксимирующего сплайна.

3. Впервые разработана расчетно-экспериментальная методика определения динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций на основе расчета динамической формы упругой линии трубопровода на собственных и вынужденных частотах колебаний , построенной путем непосредственного измерения вибрации грубопроводов.

4. Впервые получены, обобщены и проанализированы данные о напряженно-деформированном состоянии трубопроводов технологических об-5язок компрессорных станций,эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Основным силовым фактором , определяющим напряженно-деформированное состояние трубопроводов технологической обвязки дожимных

компрессорных станций. месторождения "Медвежье" при наличии значительных деформаций свайных фундаментов, являются статические изгиб-ные напряжения от весовых нагрузок трубопроводов, запорной арматуры и подземного коллектора и реакций опор.

2. Расчетно-экспериментальная методика определения статических ш-гибных напряжений в трубопроводах обвязки компрессорных станций на основе геодезических измерений оси трубопровода с использованием пространственной фильтрации аппроксимирующего сплайна.

3. Расчетно-экспериментальная методика определения динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций на основе расчета динамической формы упругой линии трубопровода па собственных и вынужденных частотах колебаний , построенной путем непосредственного измерения вибрации трубопроводов.

4. Результаты работ по определению напряженно-деформировашюгс состоянии трубопроводов технологических обвязок компрессорных станций, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера и мероприятия пс обеспечению их надежной и безопасной эксплуатации .

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

1. На всех дожимных компрессорных станциях месторождения "Медвежье" проведен комплекс работ, основанный на разработанных автором расчетно-экспериментальных методиках определения статических и динамических напряжений в трубопроводах, в результате которого определены "опасные сечения" трубопроводов обвязки, имеющие низкие коэффициенты запасов прочности.

2. Автором разработан ряд мероприятий по повышению надежности и безопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций , включающий в себя проведение работ по механической компенсации подвижек свайных фундаментов с использованием упруго-регулируемых опор.

3. На основе проведенных исследований разработана, утверждена в РАО "Газпром" и внедрена "Методика по проведению диагностических работ при надзоре и паспортизации технического состояния технологических трубопроводов обвязок оборудования компрессорных станций рас-

толоженных в районах Крайнего Севера (надземные коммуникации) пред-триятия "Надымгазпром".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы докладывались на II Международном конгрессе "Новые технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего" ( 02-05.06. 1997г., г.Москва). По результатам исследований опубликовано 7 научных работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Она изложена на 142 страницах машинописного текста , содержит 49 рисунков, 11 таблиц, список литературы 156 наименования и 4 приложения.

Автор выражает искреннюю признательность за сотрудничество, содействие в проведении исследований, ценные советы и предоставление материалов C.B. Власову, А.К. Гаврилову, A.A. Коршаку, Г.Е. Коробкову, О.М. Ермилову, А.Б. Осокину, А.П. Попову, С.С. Фесегосо, JI.C. Чугунову,

A.M. Шаммазову.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ приводится общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы ее цель и основные задачи исследований, приведены основные результаты.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен обзор и выполнен анализ существующих в настоящее время методов определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов.

Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, а так же методы прочностных расчетов трубопроводов на статические напряжения, приводятся в работах А.Б. Айнбиндера, JI.A. Бабина,

B.JL Березина, П.П. Бородавкина, Л.И. Быкова , Н.П. Васильева, Б.Г. Гале-ркина, Л.М. Емельянова, В.П. Ильина, А.Г. Каммерштейна, Г.К. Клейна, И.П. Петрова, К.Е Ращепкина , Э.М. Ясина и ряда других авторов.

Для решения задач оценки статического напряженно-деформированного состояния трубопроводов в последнее время используются численные методы расчета (метод конечных элементов) с применением ЭВМ, при этом в качестве расчетной схемы принимается стержень кольцевого сечения. Тру-

бопровод при этом в целом, с произвольным очертанием в вертикальной i горизонтальной плоскостях представляет собой сложную систему с очен высокой степенью статической неопределимости.

Наличие внешних динамических нагрузок на трубопровод и наличт источников появления переменных сил в самих трубопроводных система) приводит к тому, что осуществление рабочих процессов неизбежно связан*, с появлением вибраций трубопроводов, которая снижает надежное™ трубопроводов и технологического оборудования. Это обстоятельство при водит к необходимости контроля вибрации и повышает требования к достоверности расчетов трубопроводов на прочность при вибрационных на грузках.

В большинстве работ, в частности в работах А.Б. Айнбиндера, В.В, Болотина, П.П.Бородавкина, Н.А.Картвешвили, А.А.Самарина, С.А.Хачатуряна и др., посвященных расчету трубопроводов , подверженных вибрации, реальный трубопровод представляется в виде упругоизгибаемого стержня постоянного кольцевого сечения с постоянным распределением масс.

Методики расчета собственных частот и форм колебаний различных трубопроводных систем, а также влияние особенностей конфигурации трубопроводов ( наличие виброизолирующих опор, присоединенных масс, влияние формы осевой линии) и относительной скорости течения жидкости и давления изложены в работах В.И. Дворникова, И.Д.Грудева, А.И. Лурье, П.Б.Молочник, В.И. Феодосьева, А.П. Филиппова и ряда других исследователей.

Применение указанных аналитических методов для расчета статического и динамического напряженного состояния в условиях значительных деформаций свайных фундаментов и просадки входных коллекторов ограничено в связи с тем,что в реальной обстановке эксплуатации граничные условия (заделка трубопроводов в лобовых опорах, которые допускают определенные горизонтальные и вертикальные смещения трубопроводов; в нагнетателе; выходе на ABO газа и особенно в подземном коллекторе, положение которого на опорах под землей проконтролировать практически очень сложно - возможны варианты полного провисания подземного коллектора с опорой только на входные трубопроводы обвязки ГП А) являются

неопределенными.Неизвестна также реальная податливость опор трубопроводов ; динамическое воздействие потока транспортируемого газа и энергомеханического оборудования на трубопровод носят зачастую недетерминированный характер.

В диагностике трубопроводов, в основном , нашли применение тензо-метрические, магнитные и ультразвуковые методы определения напряженно-деформированного состояния. Использование экспериментальных методов в условиях эксплуатации компрессорных станций также ограничено рядом причин - необходимостью предварительного тестирования образцов сталей, аналогичных используемьтм(а в ряде случаев и одной "плавки" с используемыми) для акустических и магнитных методов; отсутствием величин напряжений до начала испытаний ("нулевого отсчета") для тензомет-рического контроля; необходимостью тщательной подготовки больших поверхностей трубопровода для проведения измерений при проведении работ в объеме компрессорной станции;

В работе приведены технические характеристики основных приборов, используемых в России для экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния.

Практически наиболее приемлемым в реальных условиях способом определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов является косвенный метод, основанный на измерении пространственного положения оси трубопровода.

Э.М. Ясин и В.В. Гайдамак в своих работах провели эксперименты на модели трубопровода по определению функции взаимной корреляции расчетных напряжений , определяемых по вторым разностям высотных отметок двух последовательных положений трубопровода и экспериментально найденным напряжениям в данном трубопроводе. Кривые, построенные по высотным отметкам трубопровода авторы рассматривали как конкретные реализации случайного стационарного Гауссова процесса. Подобные статистические методы обработки замеров прогибов трубопроводов дают вероятностные результаты и могут быть применены для однородных участков магистральных трубопроводов, а в случае сложных разветвленных сис-

тем трубопроводных обвязок компрессорных станций необходим детерминированный подход.

В работах, посвященных исследованиям изгибных напряжений трубопроводов, М.Ш. Хитер и В.М. Стояков предложили использовать методику расчета кривизны оси участков трубопроводов по результатам измерения его высотных отметок на основе использования метода регуляризации для решения некорректно поставленных задач. При этом, параметр регуляризации должен быть согласован с точностью исходных данных. В условиях эксплуатации компрессорных станций, в силу наличия множества случайных объективных и субъективных процессов, происходящих при проведении геодезических измерений на трубопроводах технологической обвязки, оценить погрешность проведения измерений предст авляется чрезвычайно затруднительным. Опыт проведения таких работ показывает, что суммарная погрешность таких факторов может многократно превышать единичную погрешность измерения.

В заключение главы сформулированы названные выше цель и задачи исследования диссертации.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ дана общая характеристика дожимных компрессорных станций (ДКС) месторождения "Медвежье", как одного из основных звеньев в процессе добычи газа и подготовки его к дальнейшей транспортировке, проведен анализ основных силовых факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние трубопроводов технологической обвязки.

Все силовые факторы можно разделить на отдельные группы в зависимости от характера нагрузки и причин, ее вызывающих. 1. Статические напряжения определяются весовыми нагрузками собственно трубопровода и присоединенными к нему запорной и регулирующей арматуры, реакцией опор, напряжениями от просадки подземного входного коллектора и напряжениями от давления транспортируемого газа.

Проведенные расчеты показали, что значения напряжений, обусловленных весовыми нагрузками и реакциями опор как правило не превышают 10 МПа, то есть пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями , возникающими от давления газа. Но в случае, когда ряд опор трубопровода не несут нагрузку (количество неработающих опор , выявленных в ходе прове-

дсния работ по паспортизации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций доходило до 40 % от общего количества), это приводит к резкому возрастаниго( в 10 и более раз) значений изгибающих моментов и соответствующих нормальных напряжений.

2. Циклические напряжения ( или малоцикловые, то есть число циклов на-гружсния конструкции которыми не превышает величины 104-105) определяются:

-напряжениями от давления газа при пусках-остановах газоперекачивающих агрегатов , возникающими в пределах трубопроводной обвязки от нагнетателя до агрегатных кранов(кранов № 1 и № 2); -напряжениями, возникающими вследствии сезонных просадок и выпучиваний свай;

-температурными напряжениями.

Циклические напряжения, возникающие вследствии вертикального "дрейфа" свай (просадка и вспучивание), характерны для компрессорных станций, расположенных в районах Крайнего Севера в зоне сплошного и массивноостровного распространения многолетнемерзлых пород. Такого вида деформации происходят с периодом один год, то есть мы имеем дело с повторными деформациями , которые могут привести к разрушению металла.

3. Динамические напряжения в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций возникают вследствии низко- и высокочастотной вибрации трубопроводов , обусловленной наличием различного рода источников динамического возбуждения.

Оновными источниками вибрации трубопроводов являются:

1. Пульсации давления газа, возбуждающие узкополосные вибрации в килогерцовом диапазоне частот на лопаточной частоте центробежного нагнетателя и кратных ей гармониках.

2. Турбулентное протекание потока газа в трубопроводах, возбуждающее вибрации в низкочастотном диапазоне. При этом возбуждаются случайные широкополосные вибрации и колебания трубопроводов на собственных частотах.

3. Вибрации на центробежных нагнетателях газа и турбоагрегатах, передающиеся на трубопроводы обвязки и проявляющиеся в виде дискретных составляющих на оборотной частоте газоперекачивающего агрегата и кратных гармониках, а так же и на других характерных частотах оборудования.

Величина максимальных динамических напряжений для трубопроводов обвязки,полученных в результате расчетов достигала 35 Мпа, то есть динамические напряжения являлись довольно значительными и с учетом величин статических напряжений в ряде случаев могут определять опасные сечения в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приводится разработанная автором расчетно-экспериментальная методика определения статических изгибных напряжений в трубопроводах технологической обвязки на основе геодезических измерений положения оси трубопровода с использованием пространственной фильтрации аппроксимирующего сплайна , порядок подготовки и проведения необходимых измерений и результаты расчета статических напряжений на ДКС№7 месторождения "Медвежье".

В качестве модели формы для расчета трубопроводов технологической обвязки принимается плоскопространственная тонкостенная стержневая рама с распределенными массами. Упругая ось трубопровода в неде-формированном состоянии прямолинейна и совпадает с линией центров тяжести поперечных сечений. Деформации трубопровода лежат в упругой области.

Напряжения от действия весовых нагрузок и реакций опор можно определить через форму упругой линии трубопроводов обвязки. В основе метода лежит допущение о том, что после монтажа трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций упругая линия располагается строго в горизонтальной плоскости. Нормальные (продольные) изгибные напряжения , действующие в трубопроводах будут определяться в соответствии с известным дифференциальным уравнением упругой линии стержня.

Исследования в теории балок, проведенные Дж.Албергом, Ю.С. Завьяловым и др. показали, что тонкая балка между двумя узлами достаточно

ю описывается кубическим сплайном. Но, при аппроксимации ой оси трубопровода по дискретным геодезическим замерам, по-юсти выполнения этих замеров могут привести к достаточно боль-тогрешностям при определении вторых производных и, соответствен-шряжепий в трубопроводах. Поэтому, для исключения ошибок из-ий при проведении геодезической съемки положения оси трубопро-)Собходимо проведение процедуры сглаживания данных измерений. Порядок расчета нормальных статических изгибных напряжений сле-ий:

результатам геодезической съемки (нивелировки) верха трубопровода ом 1 м определяется деформация трубопроводов технологической об-компрессорных станций.

ПЭВМ вводятся две группы данных, которые необходимы для гов:

та: -геометрические расстояния между точками; участки трубопровода которых определяются статические напряжения; параметры соб-ю трубопровода (диаметр,модуль упругости) ; та: -результаты геодезической съемки верха трубопровода- у;(г). юятся дискретные формы упругой линии трубопроводов для каждого (иного участка :

, .4, ГуК2т), при Ь = Ьт массив {у;(2)}И

[ 0, при

1-порядковый номер измерительной точки; Ьт - расстояние т-ой ю-■елъной точки от начала участка; у^/т) -перемещение оси трубопро-! т-ой измерительной точке .

г дальнейшей обработки упругой линии трубопровода проводится поляция значений с шагом 0,01 м. Процедура выполняется при помо-

■у -з

лайна (полинома)З-го порядка- У = а$ +а( -г + а2 -т. + аз г ; личными условиями : У ш( гп )= Ут+| ( гп ); У^(гп) = Ут+](гп) ;

вычисляются значения У! ( z), при ¡= Ь/ Д=0,1.....п ,где Ь - расстояние

шерительной точки от начала участка , м ; А = 0,01 м .

5. Для исключения ошибок измерений при нивелировке , которые могут привести к появлению погрешности при определении напряжений , проводится процедура сглаживания данных :

а)Для компенсации граничных эффектов проводится расширение исходного массива данных { у; ( г ) } по следующему правилу:

п

2-Уо(2)-Уп _<г) ,при 0<q< 2 4 I , ч П 3-п

У п(2) -при

2 2 2

2уп(г)-У5п_ч(2) ,при <ч<2-п

где : п= Ь/ Д , Ь- общая длина участка, на котором построены форма упругой линии.

б)На расширенном массиве проводится пространственная

фильтрация. Для реализации пространственной фильтрации массив (Ач(г)} переводится в частотную область (пространственных частот) с помощью дискретного преобразования Фурье ( на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье):

2п-1

Вг= £ А^-е д=0

/2а

Синтезируется фильтр высокой частоты 2-го порядка- массив{Сг}-имеющий частоту среза f ср, соответствующую длине волны X - 1м,спад АЧХ -12 дБ на октаву и линейную фазочастотную характеристику. Модуль массива {Сг} имеет вид:

к

|СГ

при 0 ¿г <

2-Д

у ^ ч2

(-+ ГГ

2-Д }

при -< г < п

2-Д

Затем массивы {Вг} и { Сг} перемножаются : { Вг} = { Вг Сг},

А

и делается обратное преобразование Фурье массива { Вс}:

л 2п-1 Л j.2■л•r•q/

Ач&)= Е Вг-е

г=0

А

Массив {А, ( г )}- является сглаженной формой упругой линии трубо-фовода, в которой длины волн меньше ^ =1м ослабляются в соответствии АЧХ просгранственного ФВЧ( 12 дБ на октаву).

л

I. Для расчета статических изгибных напряжений на массиве { Ач ( ъ)} вы-гисляются первая и вторая производные и затем , в соответствии с диффе->енциальным уравнением упругой линии стержня, определяются нормаль-[ые изгибные напряжения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведена разработанная автором расчетно-кспериментальная методика определения динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций на основе 1асчета динамической формы упругой линии трубопровода на собственных г вынужденных частотах колебаний , построенной путем непосредственно-о измерения вибрации трубопроводов, а так же порядок подготовки и гроведения необходимых измерений и результаты расчетов динамических гапряжений в трубопроводах технологической обвязки ДКС№7 месторож-[ения "Медвежье".

В качестве расчетной модели для определения динамических напряже-1ий в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций [ринимается плоскопространственная стержневая рама с распределенными тссами, подверженная многоцикловой стационарной нагрузке. Колеба-1ия трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций явля-этся вынужденными , в области низких частот вибрация трубопроводов [роисходит на их собственных частотах. Определение динамических напря-шшй проводится на основе построения динамических форм упругой лиши трубопроводов на собственных и вынужденных частотах колебаний с юследующим расчетом амплитуды динамических напряжений. Динами-еская форма упругой линии строится на основе экспериментальных форм

изгибных колебаний, построенных путем измерения вибрации трубопроводов в вертикальном и горизонтальном направлениях с шагом ~ 1м.

Динамические напряжения в трубопроводе определяются в соответствии с дифференциальным уравнением упругой линии стержня. Порядок выполнения расчета динамических напряжений следующий: 1 .Ввод исходных данных в ПЭВМ. 4

В ПЭВМ вводятся две группы данных,которые необходимы для расчетов :

1 группа:-геометрические расстояния между точками;участки трубопроводов, для которых определяются динамические напряжения; параметры собственно трубопровода (диаметр,модуль упругости);

2 группа: результаты вибрационных измерений. 2.Первичная обработка данных.

Цель предварительной обработки-получение оценок спектров (спектраль ных плотностей) вибрации трубопроводов. З.Опредеяение частот собственных и вынужденных колебаний: Обвязка компрессорной станции разбивается на прямолинейные участш для которых будут строится формы изгибных колебаний (отдельно дш вертикальных и горизонтальных направлений). Спектры всех точек, распо ложенных на этом участке , суммируются. На суммарном спектре отмеча ются все спектральные линии, которые имеют превышение над сплошно1 частью спектра больше 6 дБ. Центральные ^ частоты максимумов усред ненной спектральной плотности и определяются как частоты изгибных ко лебаний трубопровода. 4. Построение дискретных форм колебаний:

Дискретные формы колебаний строятся для каждого выбранного участк трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях для каждой и частот собственных или вынужденных колебаний.

а) Определяется участок,на котором строится дискретная форма колебанш

б) Определяется собственная частота й , по которой строится форма кол* баний .

в)Строится массив :

S2-S

m

r=-2

0

0.5

, при i = Lm / A , при L ф Lm / A

•де: m - порядковый номер измерительной точки; Lm - расстояние m-ой измерительной точки от начала участка, м ; Sm(U) -значение спектральной тлотности в m-ой измерительной точке на отсчете ls= fs/ AF; А =0,01м . )Умножаем массив { Fi ( fc) } на коэффициенты:

1/ ( 2п fc)- в случае ,если были замерены параметры виброскорости; 1/ (2я fc)2 - в случае ,если были замерены параметры виброускорения. ».Для дальнейшей обработки динамических форм колебаний проводится штерполяция значений с шагом 0,1 м.

1роцедура выполняется при помощи сплайна (полинома)З-го порядка-i= ао + ai х + а2 х2 + аз х3 с граничными условиями : Z ш( xn )= Zm+i (хп); I'm ( Xn ) = Z'rn+1 (хп ) J Z"„ (хп ) = Z"m+I (Хп ).

>атем вычисляются значения Fi (fs), при L/ А=0,1.....п.

¡.Для исключения влияния ошибок, вызванных погрешностью измерений, [естационарностью вибраций и граничными эффектами проводится сгла-кивание динамической формы упругой линии:

,)Для компенсации граничных эффектов проводится расширение исход-toro массива данных { Fi (fc) } по следующему правилу:

Qq(fc) =

2-F0(fc)-F„_q(fc) , при 0<q <п /2 F a(fc) , при n/2<q<3n/2

2-Fn(fc)-F<

при 3n / 2 < q < 2n

де: п=Ь / А , Ь-общая длина участка , на котором построены формы колебаний.

>) Для реализации пространственной фильтрации массив {(2Ч(^)} переводи-ся в частотную область(пространственных частот) с помощью дискретного реобразования Фурье ( на основе алгоритма БПФ):

я=0

Синтезируется фильтр высокой частоты 2-го порядка- массив {Рс}-имеющий частоту среза Гер,соответствующую длине волны Я=1м,спад АЧХ-12 дБ на октаву и линейную фазочастотную характеристику. Модуль массива {Рг} имеет вид:

X

!рг!=

1 , при 0 < г <

2 • Д

, . . X . 2 X

1 / (-+ г) , при -< г £ п

2-А 2-А

Затем массивы { Рг} и { Лг} перемножаются : { И* } = { Рг Яг}

и делается обратное преобразование Фурье массива { Яг }:

л 2п-1 Л г2л-гч/

г=0

Массив {СМ^)} -является сглаженной формой динамической упругой линии в которой длины волн менее А,=1м ослабляются в соответствии с АЧХ про странственного ФВЧ ( 12 дБ на октаву). Л

7.Расчет динамических напряжений:на массиве{(^(Гс)} вычисляются перва и вторая производные и затем , в соответствии с дифференциальным урав нением упругой линии стержня, определяются напряжения. На вновь пол> ченном массиве {Ъ ч(£;)} производится операция преобразования по правк лу: л

К ( Гс) = Гс ) , где п/2< ц <ЗпУ2. Полученный массив является сглаженной оценкой динамических напряж( ний на частоте действующие на рассматриваемом участке трубопровода В ПЯТОЙ ГЛАВЕ автором проведен анализ результатов определ< ния статического и динамического напряженно-деформированного состоз ния трубопроводов технологической обвязки ДКС месторождения "Меда» жье" и причин , вызывающих деформации свайных фундаментов, а так» разработаны мероприятия , направленные на обеспечение надежности безопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки.

В результате проведенных в соответствии с разработанными расчет-ио-экспери ментальными методиками работ на трубопроводах обвязки по псем ДКС месторождения "Медвежье" были определены "опасные сечения" (сечения, запасы прочности в которых ниже допускаемых величин или Злизки к ним) по статическим и динамическим напряжениям.На всех эбвязках ДКС месторождения "Медвежье" присутствуют сечения, в которых возможно наличие пластических деформаций в материале трубопровода. Появление таких напряжений вызвано деформациями свайных фундаментов трубопроводов технологической обвязки.

Появление "неработающих" опор, то есть опор, не соприкасающихся : трубопроводом (в процессе проведения работ таких опор было выявлено до 40 % от их общего количества), приводит к ослаблению динамической кесткости и демпфирующей способности системы "трубопровод-опора", гго в свою очередь вызывает интенсивные низкочастотные балочные колебания трубопроводов.Уровень динамических напряжений в трубопроводах 1е превышаег 35 МПа и сам по себе не является опасным, но в сочетании со ггатическими напряжениями в ряде отдельных случаев (при совпадении :ечений с максимумом динамических напряжений с участками трубопрово-имеющих достаточно высокий уровень статических напряжений) могут фиводить к снижению запасов усталостной прочности ниже допустимых феделов.

На всех ДКС месторождения "Медвежье" на участках трубопроводов, [меющих "опасные сечения" (на длине 0.5 метра в обе стороны) был провеян дефектоскопический УЗК-контроль.В двух сечениях были обнаружены рещины, данные участки трубопроводов были заменены.

На ДКС №7 из одного из расчетных "опасных сечениий" были выре-аны 4 образца по образующим в вертикальной и горизонтальной плоскос-ях трубопровода. Проведенные лабораторные исследования подтвердили аличие следов пластической деформации материала трубопровода в од-ом из образцов, который находился именно в вертикальной плоскости в оне растяжения трубопровода, что является подтверждением достовернос-и проведенных расчетов.

В результате проведенных работ установлено,что наиболее сущест венным фактором, определяющим надежность и безопасность эксплуага ции трубопроводов технологической обвязки компрессорных станцш месторождения "Медвежье" являются подвижки свайных фундаментов. Не значительные в начальный период эксплуатации (менее 5-10 мм) , они начи нают увеличиваться через 3-5 лет , достигая 150 мм за один цикл. Фунда ментные основания технологической обвязки подвержены разнонаправ ленным деформациям (сезонное пучение, многолетнее пучение, многолет няя осадка). Причины наблюдаемых деформаций:

1. Нарушение температурного режима многолетнемерзлых грунтов вследст вии техногенного влияния объектов газовой промышленности.

2. Ошибки при проектировании месторождения "Медвежье" (подземна; прокладка трубопроводов с положительной температурой, приводящяя i оттаиванию многолетнемерзлых пород).

3.Низкое качество строительных работ (недостаточная глубина погру жения свай: в ряде случаев 5-7 метров, вместо положенных по проекту 11-1 ■ м).

На основании проведенного анализа можно определить три направ ления работ по обеспечению надежности и безопасности эксплуатации тру бопроводов технологической обвязки компрессорных сганций:

1.Тепловая стабилизация грунтов свайных фундаментов: -строительство теплоизоляционных экранов на поверхности грунта; -вынос на поверхность, подземного всасывающего коллектора и строитель ство под него нового фундамента с глубиной заложения свай 13 - 18 м;

- монтаж в грунтах основания обвязки ГПА систем охлаждения грунта.

2.Механическая компенсация подвижек свайных оснований.

В настоящее время обслуживающий персонал компрессорных станций пра ктически не имеет никаких инструментов для борьбы с подвижками свайных фундаментов. Имеющиеся на некоторых компрессорных станциях регулируемые клиновые опоры имеют очень малый диапазон регулировки г были эффективны только на начальном этапе эксплуатации. В настоящее время они не способны компенсировать подвижки. Поэтому, практически в настоящее время единственная мера- это подрезка или наращивание свай

Необходимо отметить,что в данной ситуации является нецелесообразным путем регулирования опор выставлять обвязку, претерпевшую определенные (возможно и пластические) деформации "в плоскость", так как в этом случае велика вероятность возникновения повторно-пластических деформаций. Поэтому более оптимальным представляется "зафиксировать" конфигурацию обвязки с помощью определенных мероприятий и сохранять ее в процессе дальнейшей эксплуатации.

Для реализации "фиксации" трубопроводной обвязки автором предложена конструкция упруго-регулируемой опоры, которая должна обеспечить возможность оперативной компенсации подвижек свайного поля; контроль фактической расчетной нагрузки на опору и, соответственно, контроль расчетного напряженно-деформированного состояния трубопроводов; компенсацию перемещений опор за счет ручной регулировки.

Вследствии того, что значительным сезонным подвижкам подвержена только часть опор, то установка упругих регулируемых опор целесообразна только на эти опоры. На основании анализа данных лаборатории надежности фундаментов и оснований ДП "Надымгазпром" в работе определен перечень опор, на которых в первую очередь необходима установка таких упругих регулируемых элементов и дана глубина их ручной регулировки. 3.Мониторинг технического состояния трубопроводов технологических об-зязок,включающий в себя проведение следующих мероприятий: ■ оценка напряженно-деформированного состояния трубопроводов; •определение "опасных сечений" трубопроводов;

•проведение в "опасных сечениях" дефектоскопии методами неразрушаю-цего контроля с составлением заключения о техническом состоянии, прогнозирование остаточного ресурса действующих трубопроводов на ос-говании данных по свойствам материалов трубопроводов (кривые усталостной прочности , данные по изменению свойств сталей в процессе эксплуатации трубопровода).

проведение ремонтно-восстановительных работ на трубопроводах техно-югической обвязки по их реальному техническому состоянию.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1.В результате проведенных исследований установлено,что основны» силовым фактором, определяющим напряженно-деформированное состоя ние трубопроводов технологической обвязки дожимных компрессорны; станций месторождения "Медвежье" при наличии значительных деформа ций свайных фундаментов, являются статические напряжения от весовы: нагрузок трубопроводов, запорной арматуры и подземного коллектора i реакций опор. Напряжения могут достигать значительных величин соизмеримых с пределом текучести материала трубопровода, и характернь для всех компрессорных станций, расположенных в районах Крайней Севера в зоне сплошного и массивноостровного распространения многоле тнемерзлых пород.

2. Разработаны расчетно-экспериментальные методики определени; статических и динамических напряжений в трубопроводах технологическо! обвязки компрессорных станций, в соответствии с которыми проведе! комплекс работ на всех дожимных компрессорных станциях месторождеши "Медвежье" по определению участков трубопроводов, имеющих низки* запасы прочности. Установлено, что "опасные сечения" расположены, в ос новном, на входных трубопроводах обвязок газоперекачивающих arpera тов и на технологических перемычках между входными и выходными тру бопроводами, что объясняется нагрузкой со стороны подземного входногс коллектора и интенсивными деформациями свайных фундаментов в ореол( оттаивания многолетнемерзлых пород вокруг подземного коллектора.

3.Установлено,что около 70 % наблюдаемых свайных фундаменте! испытывают деформации, различные по характеру и величине. Незначите льные величины перемещений свайных фундаментов в начальный период эксплуатации (менее 5-10 мм) начинают увеличиваться через 5-6 лет к становятся опасными через 7-8 лет, достигая величины 150-200 мм за одиь цикл. Причинами деформаций фундаментов являются развитие неблагоприятных геокриологических процессов вследствии техногенного влияния объектов газовой промышленности, ошибки при проектировании месторождения "Медвежье" и низкое качество строительных работ и контроля за их проведением.

4.Автором разработаны мероприятия по повышению надежности и зопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки комп-ссорных станций, включающие в себя проведение работ по механическом (мпенсации подвижек свайных фундаментов на основе использования |руго-регулируемых опор, обеспечивающих регулировку высоты, компен-цию перемещений свайных фундаментов в период между регулировками контроль фактической нагрузки на опоры.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих рабо-х автора:

Коротеев П.С., Власов C.B. Техническая диагностика трубопроводов тех-

11

»логической обвязки компрессорных станций//В кн. Повышение эффекти-юсти освоения газовых месторождений Крайнего Севера/ под ред. проф. аирева -М.: Наука, 1997г.-.с.344-354.

Коротеев П.С. Основные факторы, определяющие напряженно-деформи-шанное состояние трубопроводов технологической обвязки компрессорах станций//Научн.-техн.сб.,Сер."Транспорт и подземное хранение газа".-.:ИРЦ Газпром,1997г.-№ 4-С.30-34 .

Коротеев П.С. Методика определения статических напряжений в трубо-юнодах технологической обвязки компрессорных станций//Научн.-техн. !., Сер.'Транспорт и подземное хранение газа".-М.:ИРЦ Газпром, 1997г.-■4-С.43-47.

Коротеев П.С.Расчетно-экспериментальная методика определения дина-1чсских напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрес-рных станций//Научн.-техн. сб.,Сер."Транспорт и подземное хранение за".- М.:ИРЦ Газпром, 1997г.-№5-с.27-33.

Коротеев П.С. Мероприятия по обеспечению надежности эксплуатации •убопроводов технологической обвязки компрессорных станций месторо-5ения "Медвежье"//Научн.-техн. сб.,Сер."Транспорт и подземное хра-:ние газа.-М.:ИРЦ Газпром, 1997r.-№5-c.33-36.

Оценка статических и динамических напряжений в трубопроводах техно-»гической обвязки компрессорных станций// В.В. Ремизов , J1.C. Чугунов,

О.М. Ермилов, A.M. Шаммазов, П.С. Коротеев , C.B. Власов.-Научн-техн. об-зор- М.:ИРЦ Газпром, 1997г.24с.

7.Повышение надежности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций месторождения "Медвежье"// В.В.Ремизов, О.М.Ермилов, Л.С.Чугунов, A.M. Шаммазов, П.С. Коротеев, C.B. Власов, С.С. Фесенко, А.П. Попов, А.Б. Осокин. - Научн-техн. обзор- М.:ИРЦ Газпром, 1997г., 36с.

Лицензия ЛР№ 030678 от 22.01.96 Подписано к печати 5.10.97. Формат бумаги 60 х 84 1/16 Бумага ксероксная. Печать по методу ризографии.

Тираж 100 экз. Зак.Зб. Адрес типографии: 450097,г.Уфа, ул. Заводская,8

Соискатель

П.С.Коротеев