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")

ол

1 & ОЕВ 1998

На правах рукописи

КОРОТЕЕВ ПЕТР СЕМЕНОВИЧ

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

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов , баз и -оанилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степЬни

кандидата технических наукс ^

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

Защита состоится "/5" <ре6рпая 1998 г. в 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 " 5 " д^вд^ф 199&\

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Диссертационного Совета

—/ -

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 аварии могут сопровождаться значительным экономическим и экологическим ущербом , а также человеческими жертвами.

Неблагоприятное развитие геокриологических процессов вследствие техногенного влияния объектов газовой промышленности на тепловой режим многолетнемерзлых пород , а также отсутствие опыта проектирования и строительства в сложных климатических и мерзлотных условиях Крайнего Севера привело к возникновению на месторождении "Медвежье" деформаций фундаментов трубопроводов технологических обвязок. За 25-летний период эксплуатации месторождения деформации фундаментов приобрели значительные масштабы , как по амплитудам , так и по числу проявлений ; зафиксированы на всех дожимных компрессорных станциях и имеют многолетний тренд и разнонаправленный характер. Это обусловило в свою очередь появление в трубопроводах технологических обвязок значительных напряжений, соизмеримых в ряде случаев с пределом текучести материалов трубопроводов.

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

кой обвязки компрессорных станций.Оценка степени опасности возникая щих при этом динамических напряжений, в настоящее время осуществляем ся только косвенным путем, на основе сравнения показателей внбраци трубопроводов с нормативными величинами, но существующие нормы в* брации не учитывают влияние величины статических напряжений, одновр! менно действующих в трубопроводах , на коэффициент запаса усталостно прочности.

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

Целью диссертационной работы является обеспечение надежности л безопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций путем разработки комплекса мероприятий на основе расчетно-экспериментальных методик определения статических и динамических напряжений в трубопроводах.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Провести анализ всех основных силовых факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние трубопроводов технологической обвязки дожимных компрессорных станций месторождения "Медвежье".

2.Разработать расчетно-экспериментальную методику определения статических напряжений в трубопроводах технологической обвязки ДКС на основе геодезических измерений положения оси трубопровода.

3.Разработать расчетно-экспериментальную методику определения динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки ДКС на основе расчета динамической формы упругой линии трубопровода на собст-

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

4. Провести на основе разработанных расчетно-зксперимеитальных 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 ira 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 трубопроводов.

4. Впервые получены, обобщены и проанализированы данные о напряженно-деформированном состоянии трубопроводов технологических обвязок 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 из-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 на собственных и вынужденных частотах колебаний , построенной путем непосредственного измерения вибрации трубопроводов.

4. Результаты работ по определению напряженно-деформированного состоянии трубопроводов технологических обвязок компрессорных станций, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера и мероприятия по 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-

положенных в районах Крайнего Севера (надземные коммуникации) предприятия "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. Фесенко, Л.С. 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, Л.А. Бабина,

B.Л. 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 и горизонтальной плоскостях представляет собой сложную систему с очень высокой степенью статической неопределимости.

Наличие внешних динамических нагрузок на трубопровод и наличие источников появления переменных сил в самих трубопроводных системах приводит к тому, что осуществление рабочих процессов неизбежно связано с появлением вибраций трубопроводов, которая снижает надежность трубопроводов и технологического оборудования. Это обстоятельство приводит к необходимости контроля вибрации и повышает требования к достоверности расчетов трубопроводов на прочность при вибрационных нагрузках.

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

неопределенным и.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 используемым(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 представляется 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) месторовдения "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-

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

2. Циклические напряжения ( или малоцикловые, то есть число циклов на-гружения 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 соогвст-ствии 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

юшо описывается кубическим сплайном. Но, при аппроксимации >угой оси трубопровода по дискретным геодезическим замерам, по-шноети выполнения этих замеров могут привести к достаточно боль-м погрешностям при определении вторых производных и, соответствен-напряжений в трубопроводах. Поэтому, для исключения ошибок изгний при проведении геодезической съемки положения оси трубопро-;а необходимо проведение процедуры сглаживания данных измерений.

Порядок расчета нормальных статических изгибных напряжений слезший:

1о результатам геодезической съемки (нивелировки) верха трубопровода [агом 1 м определяется деформация трубопроводов технологической об-ки компрессорных станций.

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

эуппа: -геометрические расстояния между точками; участки трубопрово-¡, для которых определяются статические напряжения; параметры соб-енно трубопровода (диаметр ¡модуль упругости) ; эуппа: -результаты геодезической съемки верха трубопровода- у,(г). Строятся дискретные формы упругой линии трубопроводов для каждого зранного участка :

: т-порядковый номер измерительной точки; Ьт - расстояние ш-ой из-»ительной точки от начала участка; у;(/т) -перемещение оси трубопро-,а в ш-ой измерительной точке .

^ля дальнейшей обработки упругой линии трубопровода проводится ерполяция значений с шагом 0,01 м. Процедура выполняется при помо-

9 з

сплайна (полииома)З-го порядка- У = ад -г + а2-г" + аз ъ ; раничными условиями : У т( 7„ )= Уго+1 ( гп ); У;п(гп) = У,'п+|(/п) ;

ем вычисляются значения У1 (г), при ¡= Ь/ Д=0,1.....п ,где Ь - расстояние

I измерительной точки от начала участка , м ; А - 0,01 м .

массив

при Ь = Ь при Ь Ь

т

ш

(Zn) = Yй,+l(z„).

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; ( т.)} по следующему правилу:

п

{Aq(z)} =

2-Уо(2)~Уп (z) ,при 0<q<

2 Ч Z

, ч 11 ^ 3'П

у n(z) ,при -<q<—-

q-- 2 2

3 п

2yn(z)-Y5 (z) ,при ~ <q<2-n

' ' 2

где : n= L/ Л , L- общая длина участка, на котором построены форма упругой линии.

б)На расширенном массиве {Aq(z)} проводится пространственная фильтрация. Для реализации пространственной фильтрации массив {Aq(z)} переводится в частотную область (пространственных частот) с помощью дискретного преобразования Фурье ( на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье):

2n-l -j-2-nrq/

Br=2Aq-e /2n.

q=0

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 фазочасготную характеристику. Модуль массива {Сг} имеет вид:

X

Сг =

при 0<г<

2-Л

/ ^ \2 (-+ ту

2-Л

при

2-А

<г <п

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

л

и делается обратное преобразование Фурье массива { Вг}:

А 2п-1 Л j■2■7t•r•q/

Ач(г) = £ Вг-е г=0

Массив {Ач (г )}- является сглаженной формой упругой линии трубопровода, в которой длины волн меньше X =1м ослабляются в соответствии с АЧХ пространственного ФВЧ( 12 дБ на октаву).

А

6. Для расчета статических изгибных напряжений на массиве { Ач ( / ) } вычисляются первая и вторая производные и затем , в соответствии с дифференциальным уравнением упругой линии стержня, определяются нормальные изгибные напряжения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведена разработанная автором 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 трубопроводов, а так же порядок подготовки и проведения необходимых измерений и результаты расчетов динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки ДКС№7 месторождения "Медвежье".

В качестве расчетной модели для определения динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций принимается плоскопространственная стержневая рама с распределенными массами, подверженная многоцикловой стационарной нагрузке. Колебания трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций являются вынужденными , в области низких частот вибрация трубопроводов происходит на их собственных частотах. Определение динамических напряжений проводится на основе построения динамических форм упругой линии трубопроводов на собственных и вынужденных частотах колебаний с последующим расчетом амплитуды динамических напряжений. Динамическая форма упругой линии строится на основе экспериментальных форм

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

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

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 (спектральных плотностей) вибрации трубопроводов. З.Опредеяение частот собственных и вынужденных колебаний: Обвязка компрессорной станции разбивается на прямолинейные участки для которых будут строится формы изгибных колебаний (отдельно для вертикальных и горизонтальных направлений). Спектры всех точек, расположенных на этом участке , суммируются. На суммарном спектре отмечаются все спектральные линии, которые имеют превышение над сплошной частью спектра больше 6 дБ. Центральные ^ частоты максимумов усредненной спектральной плотности и определяются как частоты изгибных колебаний трубопровода. 4. Построение дискретных форм колебаний:

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

а) Определяется участок,на котором строится дискретная форма колебаний.

б) Определяется собственная частота 1'с , по которой строится форма колебаний .

в)Строится массив:

22 • 8т(13+г) г=-2

О

0.5

, при I = Ьга / А , при 1 ф Ьт / А

где: т - порядковый помер измерительной точки; Ьт - расстояние гп-ой измерительной точки от начала участка, м ; 8т(Ь) -значение спектральной плотности в га-ой измерительной точке на отсчете Ц= й/ АР; А =0,01м . г)Умножаем массив { Р, (1 "с) } на коэффициенты:

1/ ( 2я 1с)- в случае ,если были замерены параметры виброскорости; 1/ (2я Л;)2 - в случае ,если были замерены параметры виброускорения.

5.Для дальнейшей обработки динамических форм колебаний проводится интерполяция значений с шагом 0,1 м.

Процедура выполняется при помощи сплайна (полинома)З-го порядка-Ъ= ао + а1 х + аг х2 + аз х3 с граничными условиями : Ъ ш( хп )= Zш+l ( хп); Тт (х„) = г',„+| (Хп ) ; Г'т (Хп) = г"т+1 (хп). Затем вычисляются значения ^ ( Ъ ), при Ы А=0,1.....п.

6.Для исключения влияния ошибок, вызванных погрешностью измерений, нестационарностью вибраций и граничными эффектами проводится сглаживание динамической формы упругой линии:

а)Для компенсации граничных эффектов проводится расширение исходного массива данных { р! ( Гс) } по следующему правилу:

2-

Ро(и-Ри_а(Гс) , при 0<Ч<п/2

Рп^с) 4 2

, при п/2<я<Зп/2 , , при Зп / 2 < я < 2п

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

б) Для реализации пространственной фильтрации массив {(2ч(Гс)} переводится в частотную область(пространственных частот) с помощью дискретного преобразования Фурье ( на основе алгоритма БПФ):

2п~1

Кг = ЕР,

ч=о

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

X

г|'

1 , при 0 < г < •

2 • Л

, ,, X .2 X

1 / (-+ г) , при -< г < п

2-А 2-Д

Затем массивы { Рг} и { Яг} перемножаются : { } = { Рг Яг}

и делается обратное преобразование Фурье массива { Яг}:

А 2п-1 А

4 г=0

Массив {С>ч(Гс)}-является сглаженной формой динамической упругой линии, в которой длины волн менее А.=1м ослабляются в соответствии с АЧХ пространственного ФБЧ ( 12 дБ на октаву). Л

7.Расчег динамических напряжений:на массиве(С^с)} вычисляются первая и вторая производные и затем , в соответствии с дифференциальным уравнением упругой линии стержня, определяются напряжения. На вновь полученном массиве {X Ч(П;)} производится операция преобразования по правилу : Л

К ( Гс) = Еч-пл( Гс ) , где п/2< ц < Зп/2. Полученный массив является сглаженной оценкой динамических напряжений на частоте действующие на рассматриваемом участке трубопровода.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ автором проведен анализ результатов определения статического и динамического напряженно-деформированного состояния трубопроводов технологической обвязки ДКС месторождения "Медвежье" и причин , вызывающих деформации свайных фундаментов, а также разработаны мероприятия , направленные на обеспечение надежности и безопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки.

В результате проведенных в соответствии с разработанными расчет-но-экспериментальными методиками работ на трубопроводах обвязки по всем ДКС месторождения "Медвежье" были определены "опасные сечения" (сечения, запасы прочности в которых ниже допускаемых величин или близки к ним) по статическим и динамическим напряжениям.На всех обвязках 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 с трубопроводом (в процессе проведения работ таких опор было выявлено до 40 % от их общего количества), приводит к ослаблению динамической жесткости и демпфирующей способности системы "трубопровод-опора", что в свою очередь вызывает интенсивные низкочастотные балочные колебания трубопроводов.Уровень динамических напряжений в трубопроводах не превышает 35 МПа и сам по себе не является опасным, но в сочетании со статическими напряжениями в ряде отдельных случаев (при совпадении сечений с максимумом динамических напряжений с участками трубопровода, имеющих достаточно высокий уровень статических напряжений) могут приводить к снижению запасов усталостной прочности ниже допустимых пределов.

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

На ДКС №7 из одного из расчетных "опасных сечениий" были вырезаны 4 образца по образующим в вертикальной и горизонтальной плоскостях трубопровода. Проведенные лабораторные исследования подтвердили наличие следов пластической деформации материала трубопровода в одном из образцов, который находился именно в вертикальной плоскости в зоне растяжения трубопровода, что является подтверждением достоверности проведенных расчетов.

В результате проведенных работ установлено,что наиболее существенным фактором, определяющим надежность и безопасность эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций месторождения "Медвежье" являются подвижки свайных фундаментов. Незначительные в начальный период эксплуатации (менее 5-10 мм) , они начинают увеличиваться через 3-5 лет , достигая 150 мм за один цикл. Фундаментные основания технологической обвязки подвержены разнонаправленным деформациям (сезонное пучение, многолетнее пучение, многолетняя осадка). Причины наблюдаемых деформаций:

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

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

3.Низкое качество строительных работ (недостаточная глубина погружения свай: в ряде случаев 5-7 метров, вместо положенных по проекту 11-13 м).

На основании проведенного анализа можно определить три направления работ по обеспечению надежности и безопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций:

1.Тепловая стабилизация грунтов свайных фундаментов: -строительство теплоизоляционных экранов на поверхности грунта; -вынос на поверхность подземного всасывающего коллектора и строительство 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 практически не имеет никаких инструментов для борьбы с подвижками свайных фундаментов. Имеющиеся на некоторых компрессорных станциях регулируемые клиновые опоры имеют очень малый диапазон регулировки и 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 обвязок,включающий в себя проведение следующих мероприятий:

- оценка напряженно-деформированного состояния трубопроводов; -определение "опасных сечений" трубопроводов;

-проведение в "опасных сечениях" дефектоскопии методами неразрушаю-щего контроля с составлением заключения о техническом состоянии.

- прогнозирование остаточного ресурса действующих трубопроводов на основании данных по свойствам материалов трубопроводов (кривые усталостной прочности , данные по изменению свойств сталей в процессе эксплуатации трубопровода).

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

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1.В результате проведенных исследований 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 напряжения от весовых нагрузок трубопроводов, запорной арматуры и подземного коллектора и реакций опор. Напряжения могут достигать значительных величин, соизмеримых с пределом текучести материала трубопровода, и характерны для всех компрессорных станций, расположенных в районах Крайнего Севера в зоне сплошного и массивноостровного распространения многоле-тнемерзлых пород.

2. Разработаны расчетно-экспериментальные методики определения статических и динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций, в соответствии с которыми проведен комплекс работ на всех дожимных компрессорных станциях месторождения "Медвежье" по определению участков трубопроводов, имеющих низкие запасы прочности. Установлено, что "опасные сечения" расположены, в основном, на входных трубопроводах обвязок газоперекачивающих агрегатов и на технологических перемычках между входными и выходными трубопроводами, что объясняется нагрузкой со стороны подземного входного коллектора и интенсивными деформациями свайных фундаментов в ореоле оттаивания многолетнемерзлых пород вокруг подземного коллектора.

3.Усгановлено,что около 70 % наблюдаемых свайных фундаментов испытывают деформации, различные по характеру и величине. Незначительные величины перемещений свайных фундаментов в начальный период эксплуатации (менее 5-10 мм) начинают увеличиваться через 5-6 лет и становятся опасными через 7-8 лет, достигая величины 150-200 мм за один 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 безопасности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций, включающие в себя проведение работ по механической компенсации подвижек свайных фундаментов на основе использования упруго-регулируемых опор, обеспечивающих регулировку высоты, компенсацию перемещений свайных фундаментов в период между регулировками и контроль фактической нагрузки на опоры.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

t. Коротеев П.С., Власов C.B. Техническая диагностика трубопроводов технологической обвязки компрессорных стаиций//В кн.Повышение эффективности освоения газовых месторождений Крайнего Севера/ под ред. проф. Вяхирева -М.: Наука, 1997г.-.с.344-354.

2.Коротесв П.С. Основные факторы, определяющие напряженно-деформи-рованпое состояние трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций//Научн.-техн.сб.,Сер."Транспорт и подземное хранение газа",-М.:ИРЦ Газпром, 1997г.-№ 4-C.30-34 .

3.Коротеев П.С. Методика определения статических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных сташдш//Научн.-техн. сб., Сер."Транспорт и подземное хранение газа".-М.:ИРЦ Газпром, 1997г.-№4-с.43-47.

4.Коротеев П.С.Расчетно-экспериментальная методика определения динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций//Научн.-техн. сб.,Сер."Транспорт и подземное хранение газа",- М.:ИРЦ Газпром, 1997г.-№5-с.27-33.

5. Коротеев П.С. Мероприятия по обеспечению надежности эксплуатации трубопроводов технологической обвязки компрессорных станций месторождения "Медвежье'7/Научн.-техн. сб.,Сер."Транспорт и подземное хранение газа.-М.:ИРЦ Газпром,1997г.-№5-c.33-36.

б.Оценка статических и динамических напряжений в трубопроводах технологической обвязки компрессорных станций// В.В. Ремизов , JT.C. Чугунов,

: 24

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.Чугупов, 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.

Соискатель ... '//lw/iCГ4' I П.С.Коротеев

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

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