автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Оценка прочности нефтегазопроводов в сложных инженерно-геологических условиях

Министерство образования Российской Федерации Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

/

КУТУЗОВА ТАТЬЯНА ТИМОФЕЕ! ША

ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.15.13 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, от и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 1999

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете

Научный руководитель - Академик АТН РФ, доктор

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

Ведущее предприятие - ОАО « Сибнефтепровод »

Защита диссертации состоится 27 января 2000 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 064.07.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу : 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ

Автореферат разослан 27 декабря 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук С.Н.Челомбитко

Ом-о*ич,о ^ШЛО&Я-5-0^,0

технических наук, профессор Малюшин

Николай Александрович

профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Кушнир Семен Яковлевич доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик АНРБ Гумеров Асгат Галимьянович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Магистральные и промысловые трубопроводы Западной Сибири прокладываются и эксплуатируются в сложных ииженерно-геологических условиях, что обусловливает дополнительные нагрузки на трубопроводы, связанные со структурными изменениями свойств грунтов. Более трети территории Западной Сибири покрыты многолетнемерзлыми грунтами, более половины - грунтами с глубоким сезонным промерзанием (>2,5 м), почти треть составляют заболоченные территории и водные переходы (рис.1).

Заболоченные территории 28%

Рис.(.Характеристика инженерно-геологических условии Западной Сибири.

Анализ распределения отказов на магистральных нефтепроводах Западной Сибири показал, что число отказов линейной части в значительной мере зависит от степени заболоченности территории и количества участков перехода (перемежающихся) грунтов различной несушей способности. Построенные на основе проведенных исследований диаграммы для нефтепровода Усть-Балык - Омск наглядно отражают эту ситуацию (рис. 2).

При прокладке трубопроводов в грунтах с низкой несущей способностью -болотистых, оттаивающих многолетнемерзлых - происходят значительные перемещения трубопроводов, чаше всего с потерей продольной устойчивости и выходом их на поверхность, образованием арок и даже гофр. В результате на деформированных участках трубопроводов меняется их напряженное состояние, что вызывает необходимость корректировки расчетных схем. В этих случаях выпол-

нение прочностных расчетов, отражающих действительные условия работы тр> бопровода, является одним из основных элементов, обеспечивающих поддер жание его высоконадежной работы.

Рис.2. Распределение отказов нефтепровода Усть-Балык - Омск по трассе.

■ В связи с этим основной'задачей расчета трубопроводов на прочность яе ляется определение напряженно-деформированного состояния, обусловленног нагрузками и воздействиями, имеющими место в .различные периоды и оценк уровня этого состояния исходя из предельных.

При подземной прокладке в слабонесущих грунтах трубопровод изменяе свою геометрию в плане, а под воздействием весовых нагрузок испытывает еш и вертикальные перемещения, т.е. происходят пространственные перемещени оси трубопровода.

Исследования показали, что не учет пространственных перемещен» трубопровода приводит к завышению напряжений в 2-3 раза, а расчет по форм; лам СНиП «Магистральные трубопровода», которые не учитывают смещени трубопровода, более чем в 3 раза.

Положение трубопровода в пространстве, формирующееся под влияние внешних воздействий и являющееся его интегральным результатом, несет ш

форматно о техническом состоянии трубопровода, в том числе о его напряженно-деформированном состоянии.

Исследования, проведенные автором на Севере Тюменской области, показали, что в процессе эксплуатации трубопровода в слабонесущих грунтах возникают значительные перемещения (порядка нескольких диаметров трубы), при которых для оценки прочности становится необходимым учет геометрической нелинейности (использование деформированной расчетной схемы и нелинейных соотношений между деформациями и перемещениями трубопровода). Не менее важен для получения достоверных результатов расчета учет физическом нелипеГшости грунта (нелинейная зависимость между сопротивлением грунта и перемещениями трубы).

Проведенный анализ факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях, позволяет сделать следующие выводы: 1) действующие в настоящее время нормативные документы не позволяют оцепить напряженно-деформированное состояние трубопроводов с учетом особенностей работы их в сложных условиях; 2) извесшые методы рас чем не <и нечто I и полно/"! морс отмеченным выше особенностям работы трубопроводов при прокладке на слабонесущих грунтах, эти методы и соответствующие им комплексы программ ориентированы, в основном, на расчет плоских трубопроводов (т.е., когда сам трубопровод и нагрузки, действующие на него, находятся в одной плоскости), работающих в минеральных грунтах.

В связи с этим актуальным является исследование напряженно-деформированного состояния трубопроводов, прокладываемых в сложных инженерно-геологических условиях, что определило цель и задачи исследовании настоящей работы.

Цель работы - разработка научно-обоснованной методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях.

Основные задачи исследовании :

1. Провести анализ работы трубопроводов в сложных инженерно- • геологических условиях Западной Сибири.

2. Оценить степень влияния различных факторов на величину напряженно-деформированного состояния трубопровода в сложных условиях эксплуатации.

3. Разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода с учетом особенностей его работы в сложных инженерно-геологических условиях.

4. Создать алгоритм и вычислительную программу решения задачи на ЭВМ.

Методы решения задач

При решении поставленных задач использовались математические, итерационные методы, классические методы строительной механики и методы планирования инженерного эксперимента. Для подтверждения выводов и реализации предложенного в работе метода расчета использована полученная в условиях эксплуатации инженерно-технологическая информация.

Научная новизна

1. Впервые при решении геометрически нелинейной задачи определения напряженно-деформированного состояния трубопровода при его пространственных перемещениях учтено влияние крутящих моментов, действующих в стенках трубы.

2. Автором получено решение, позволяющее определять напряженно-деформированное состояние трубопровода в условиях, близких к потере

* его устойчивости.

3. Предложенный метод позволяет установить функциональные зависимости между эквивалентными напряжениями, действующими в стенке трубы, технологическими параметрами эксплуатации трубопровода и свойствами грунтов.

4. На основе выполненных исследований и полученных зависимостей предложена и апробирована на практике методика оценки напряженно-

деформированного состояния трубопровода в сложных инженерно-геологических условиях. Практическая ценность работы

Работа выполнена в рамках межгосударственной научно-технической программы "Высоконадежный трубопроводный транспорт", принятой совместно Правительствами России и Украины в 1993 г., а также программы Минтопэнерго «Надежность и безопасность трубопроводного транспорта Западной Сибири», принятой в 1994 году.

Результаты исследований использованы при разработке по заказу Минтопэнерго для проектных организаций «Пособия по проектированию нефтегазопро-мысловых трубопроводов в сложных инженерно-геокриологических условиях».

Разработанная методика оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода нашла применение при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводов Харампурского, Федоровского месторождений, подводного перехода нефтепровода Усть-Балык - Нижневартовск через реку Обь. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены в работах соискателя и докладывались на:

- Областной научно-технической конференции «Применение достижений научно-технического прогресса при обустройстве нефтяных месторождений», г. Тюмень, 1-3 марта 1988 г.

Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий», г. Тюмень, 22 мая 1998 г.

- Международной научно-технической конференции «Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, Тюм.ГАСА 3-4 декабря 1998 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 106 наименований, 7 страниц приложений. Она содержит 124 страницы машинописного текста, 24 рисунка, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, научная новизна и практическая ценность результатов проведенных исследований.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ нормативной документации и современных методов расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов. В разработку данной проблемы большой вклад внесли работы Айнбиндера А.Б, Антипьева В.Н., Березина JI.B., Болотина В.В., Боро-давкина П.П., Васильева Н.П., Григорьева Л.Я., Димова JI.A., Иванова В.А., Иванцова О.М., Клейна Г.К., Малюшина H.A., Мороза A.A., Николаева Н.В., Синюкова А.М., Стоякова В.М., Шадрина О.Б., Шутова В.Е., Харионовского В.В. и других авторов. В Тюменском нефтегазовом университете исследованием поведения трубопроводов в условиях пучинистых грунтов и их прочностыми расчетами занимаются Кушнир С.Я., Горковенко А.И., Чикишев В.М.

В Гипротюменнефтегазе задачи проектирования и расчета промысловых трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях решались Соколовым С.М., Скворцовым И.Д., Дорогиным А.Д., Кузнецовым С.Ф.

Математическая модель данного метода расчета разрабатывалась в Гипротюменнефтегазе под руководством и при непосредственном участии Дорогина А.Д.

В расчетах напряженно-деформированного состояния линейной части трубопроводов существует два подхода: первый основан на использовании приближенных аналитических методов расчета стержневых систем, второй - предполагает использование численных методов с применением ЭВМ.

При исследовании напряженного состояния трубопровода решение в виде конечной формулы может быть получено только для простых расчетных схем

рубопрсшода. Усложнение расчетной схемы, например, в отношении работы рунта или зависимости продольной силы от перемещений, приводит к нелиней-юму дифференциальному уравнению, решение которого, в большинстве случаев, ¡ызывает необходимость использования численных методов.

Наиболее полно факторы, отражающие реальную работу трубопровод;!, учены в методах расчета напряженно-деформированного состояния, разработан-шх во ВНИИСТе. На основе этих методов во ВНИИСТе и ЮжНИИгипрогаче зазработан комплекс программ, который ориентирован, в основном, на расчет имскнх трубопроводов (т.е. когда сам трубопровод и нагрузки, действующие на дего, находятся в одной плоскости), работающих в минеральных грунтах. Расчет грубопроводов в слабонесущих грунтах, где возможны большие перемещения, с использованием этих программ является некорректным. Это связано со следующими обстоятельствами: а) несмотря на то, что в основу метода расчета положен учет геометрической нелинейности (учет влияния продольных сил па изгибающие моменты), а также дополнительно учитывается растяжимость оси стержня, обусловленная изгибом, уравнение упругого прогиба трубопровода решается для переформированного состояния; последнее приводит' к тому, чш в случае больших перемещений не учитываются изменения положения внешних сил (включая реакции в связях), что приводит к большим погрешностям при расчете значений внутренних сил; б) в методе используется линейное дифференциальное уравнение упругого изгиба, вывод которого основан на гипотезе малых перемещений; в связи с этим, когда на любом этапе расчета продольная сила в трубопроводе может быть близка к критической, перемещения будут стремиться к бесконечности, математически это проявляется в том, что определитель системы алгебраических уравнений стремится к нулю и решение системы на 1 ГЭВМ становится неустойчивым.

Во ВНИИСТе разработан алгоритм и программа расчета пространственного трубопровода. Но, как отмечено в алгоритме, касательными напряжениями, вызванными крутящими моментами, авторы пренебрегают, поскольку считается, что их влияние невелико. Что это не так, можно увидеть на примере расчета ком-

пенсатора-упора в данной работе. Изложенный алгоритм затруднительно оценить, так как не приводится расчет конкретного участка пространственного трубопровода, тем не менее из упомянутых в алгоритме допущений ясно, что задача также решается в рамках гипотезы о малых перемещениях.

Известен разработанный в Гипротюменнефтегазе метод расчета напряженно-деформированного состояния линейной части подземного трубопровода, лежащего в одной плоскости, с учетом нелинейной связи между деформациями и перемещениями трубы, а также нелинейности деформационных свойств грунта Этот метод не позволяет производить расчет трубопровода при значительны? пространственных перемещениях, которые могут происходить в слабонесуши? грунтах.

Таким образом, для прочностного расчета трубопроводов в сложных уело виях (сильнопросадочные вечномерзлые грунты, болота III типа, слабонесущи« грунты, характерные для районов Западной Сибири) известные методы расчет; не всегда могут быть применены и возникает необходимость разработки метод; расчета при комплексном учете следующих факторов: а) пространственные пе ремещения трубопровода; б) нелинейная взаимосвязь между деформациями i перемещениями трубы; в) нелинейная зависимость между сопротивлением грун та и перемещениями трубы (упруго-пластическая модель грунта).

Во второй главе автором производится выбор расчетной схемы трубопрс вода в сложных инженерно-геологических условиях.

Результаты наблюдений за действующими трубопроводами Харампурскс го, Федоровского, Сугмутского, Лянторского и других месторождений на Север Тюменской области выявили влияние инженерно-геологических условий п трассе трубопровода на выбор расчетной схемы: а) на участках отгаивающи многолетнемерзлых фунтов, а также на участках перехода трубопроводов чер< болота III типа необходимо учитывать возможные изменения схемы взаимоде1 ствия трубопровода с грунтом при деформировании системы; б) при тсмпсрату| .перекачиваемого продукта выше 0иС ореол оттаивания и осадка грунта по длш трубопровода будут различными вследствие изменения фнзико-механичеекч

юиств грунта вдоль трубопровода, это может привести к изгибам, провисанию гдельных участков, значительным пространственным перемещениям трубопро-1ла; в) при выборе расчетной схемы для обеспечения конструктивной належно-;и подземных трубопроводов, прокладываемых в слабонесущих грунтах, неза-1симо от конструктивных схем прокладки, необходим учет нелинейности <)е-ормациаиных свойств этих грунтов: г) на участках перехода трубопроводов грез слабонесущие грунты имеют место значительные поперечные перемеше-ия трубопровода, происходящие на участке переходной зоны (талый - мерзлый рунт, жесткий - слабый грунт), порядка нескольких диамелров трубопроводов, оэтому оценку напряженного состояния трубопроводов в этом случае следует роизводить с учетом нелинейной связи между перемещениями и деформациями рубопровода (геометрической нелинейности).

Расчетная схема линейной части подземного трубопровода принимается в лсдуюшсм виде (рис.3): п)и связи с тем, что один из размеров трубопровод;! начительно превышает два других, то его в расчетной схеме можно пршшь в иде иержня, чго дает при рлечою напряженно-деформированного еосюмния югрешность не более 2%; б) кольцевые напряжения и трубопроводе от давления ранспортируемого продукта определяются независимо от продольных напряже-[ий как для безмоментной тонкостенной цилиндрической оболочки; в) продольное и касательные напряжения, обусловленные представлением работы трубо-тровода как стержневой пространственной системы с малой кривизной, вычис-1яются с учетом перемещений, продольных деформаций и сил, вызванных даванием продукта; г) криволинейная ось трубопровода аппроксимируется ломаной тинией, каждый отрезок которой считается элементом малой длины; д) материм трубы - линейно-упругий; е) осевые силы от внутреннего давления совпадают та направлению с продольной осью элемента; и) грунг принимается в виде упруго-пластической среды, свойства которой моделируются гремя независимо работающими пружинами, связанными с каждым малым элементом трубопровода, приложенными в месте соединения элементов.

р . Д1. и

г

Л-

Рис. 3. Расчетная схема пространственного трубопровода '• а) трубопровод в грунтовой среде; б) расчетная схема трубопровода

- Из нагрузок и воздействий учитываются: давление транспортируемого продукта, температурный перепад, произвольно направленные сосредоточенные или распределенные нагрузки, смешение грунта в произвольном направлении, упругий изгиб трубопровода.

В тпетьсй главе изложен метод расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода с учетом его пространственной геометрии.

Для определения усилий и перемещений в пространственном трубопроводе с учетом геометрической нелинейности необходимо решать систему нелинейных дифференциальных уравнений. Для рассматриваемой задачи эта система уравнений имеет настолько сложный вид, что возможно только ее численное решение. В связи с этим предлагается численную реализацию осуществлять на основе физической дискретизации, которая позволяет в решении задачи применить энергетические методы строительной механики, из которых используются метод сю для определения внутренних сил и формула Максчелла - Мора для определения перемещений.

Для каждого элемента трубопровода конечной длины ДБ' (рис. 4) в деформированном состоянии внутренние усилия, действующие на элемент (нан-

денные как из условий равновесия, так и из геометрических условий), должны быть равны между собой.

N.

\ ,1

N1 +¿N'1

Д Б" + 5Д БI

Рис. 4. Расчетная схема I - го элемента трубопровода Это условие позволяет записать систему уравнении, которая в операторное! форме будет иметь вид:

А V = В Р, (1)

где V - неизвестная обобщенная вектор-функция перемещений, под ко юрой следует понимать: вектор и линейных перемещений точек оси трубопровода, вектор 8 взаимных углов поворота, вектор ф взаимных углов закручивания крайних сечений элемента; А - оператор, позволяющий но известным углам 8 и <р, а также линейным перемещениям и определить внутренние силы, действующие на элемент; Р - заданная обобщенная нагрузка; В -оператор, позволяющий по обобщенной нагрузке Р определить внутренние силы в деформированном состоянии трубопровода.

Для решения нелинейной системы уравнений (I) предлагается принять итерационный процесс, в котором последовательность вектор-функций V;. ..., Ук,... строится по рекуррентным формулам:

Ук=Ук.,+ак-Нк.1(Вк.1Р-Ак.,У|:-1). (2)

где Ни (Вы Р - Аы Ук.|Ь оператор вычисления изменения вектор-функции V; оц.-коэффициент регуляризации шага итерационного процесса (от Ч/к.) до ).

В формуле (2) в качестве оператора Ак.| используются соотношения, которые позволяют по известным геометрическим данным деформирования <р 0, й

вычислять внутренние усилия

Ми=0 I

ЕЛ

(3)

ДБ" " ■ ДБ"

где N., м'., М« - соответственно, векторы продольной силы, изгибающего и крутящего моментов; Е, б - модули упругости и сдвига материала трубы; И, .1, -плошадь, осевой и полярный моменты инерции поперечного сечения; бДБ", -приращение первоначальной длины элемента трубопровода ДБ", 0 = 1,2,..., п-1); п-1 - количество элементов.

В качестве оператора Вк.1 применяется известная линейная операция вычисления внутренних сил в статически неопределимой стержневой системе с известной геометрией - метод спи.

Итерационный процесс организуется следующий образом. На первой итерации решается'лйнейная задача до стадии определения вектор-функции V,, т.е. задается отклоненное состояние системы. Для определения внутренних сил из условий равновесия Вц Р переходим от заданной (рис.3) к основной системе (рис. 5).

Рис. 5. Основная система метода сил

УВЕДОМЛЕНИЕ

В связи с несостоявшейся защитой диссертации 3 декабря 1999 года Кутузовой Т.Т. на тему: "Оценка прочности нефтегазопроводов в сложных инженерно-геологических условиях" отправленный ранее в Ваш адрес автореферат является недействительным, подлежит изъятию из фонда и уничтожению.

Взамен устраняемых "лишних" связей на основную систему накладываются реакции связей, заменяющих воздействие грунта

Далее находятся реакции в "липших" связях по метолу сил. в соотаснши с которым формируется система канонических уравнений:

6У- Й-з =Дф + Дч- +д!,.+ Дф-^Дф , (¡,1,2,____м-1) (4)

где 5и - единичные перемещения по ¡-му направлению от ¡-го воздействия: К, -

.. „ —.4 —V

реакции в лишних связях; д,Р.д,Р - перемещения по 1-му направлению, соответственно, от моментов и продольных сил. вызываемых внешней нагрузкой Р; Дф - перемещения от осадок и пучения грунта; д',. = -я-Д|-(г. -п) - перемещения

А. 71' Г^'ег-ч Р-^Л (от воздействия температуры Дц Д|Р=—----—^ Иг, — г,^ - перемещения от

^ Е ЕК \

давления транспортируемого продукта р; ц, а - соответственно, коэффициенты

Пуассона и линейного расширения металла трубы; г„ - радиус-вектор конечной точки трубопровода; г, - радиус-вектор ¡-го узла трубопровода; ст,;11 - кольцевые напряжения от давления транспортируемого продукта; 1\„ - площадь сечения трубы в свету.

Коэффициенты 8 ц системы уравнении (4) рассчитываются с использованием формулы Максвелла-Мора, которая в векторной форме для пространственного случая запишется в следующем виде:

Г {[м -

ч ел г

О

, • ^

о

где Мг= М„ + Мк - суммарный момент, действующий в произвол!,ном сечении осевой линии трубопровода ( М„ - вектор изгибающего момента, Мк - вектор крутящего момента); г - радиус-вектор какой-либо точки трубопровода; я - длина рассчитываемого участка трубопровода; с^- длина малого элемента трубопровода; к- коэффициент гибкости трубопровода при изгибе; N - касательная состав-

ляющая (или продольная сила) вектора усилия R, действующего в произвольном сечении трубопровода.

Получены формулы для линеиных перемещении от моментов Дф, вызываемых нагрузкой Р, по направлениям х, у и г, которые имеют вид:

bJ о

AV- = FTÎ ïx-м: - м;)- ь+в ■ D}- ds. (6)

tLJ 0

Aï = -¿J{(y• M» -x.M;).k+C-D}.ds.

где d=—-Ь м; - k-M")+^-(i.3-Mj -к-м;)+--(1.3'м; -к м:1 ds ds ' ds

Jy dz „ dz dx _ dx dy .,„ ... ..„

A = z- —-y-—-. В = x--—z—, С = y---x—. M", m;. M!-проекции

ds ds ds ds dsds

вектора изгибающего момента, м£, Mj, Mj - проекции вектора крутящего момента на оси координат.

Полученные формулы для линейных перемещений от продольной силы Д,>, вызываемой нагрузкой Р, по направлениям x, у и г, имеют вид:

dx ds + N p ' ¿У ds + N;7 ■ dz> ds j

dx ds + N £ • dy ds + Ni • dz > ds J

dx ds dy ds ■+NJ dz ' ds

(П

где Г^. N ~ - проекции вектора продольной силы на оси координат.

После определения "лишних" неизвестных ^ из уравнений равновесия находятся внутренние усилия для каждого элемента трубопровода. По формуле Максвелла-Мора определяются линейные перемещения II и углы поворота сечений элемента у, которые затем раскладываются на изгибающую и крутящую составляющие 0 и (р.

Далее следует вторая итерация, которая наминается с того, что изменяется

геометрия трубопровода в соответствии со смешениями и ¡ич . и,точек оси трубопровода:

х = х"+ич; у = у" + и,; г=г"+и/, (8)

где х" , у", г" и х, у , ъ - координаты оси трубопровода в первоначальном и деформированном состоянии соответственно; их, Ц , и, - проекции вектора перемещений на оси глобальной системы координат.

В новой геометрии для каждого элемента определяются усилия из геометрических условий Ак-| Уы и усилия из условий равновесия Ви Р, затем проверяется условие

Д\Ук=Вы Р -Аы Уы 2 е , (9)

где Д\¥к, с - соответственно, полученная и заданная погрешности определения внутренних сил.

Если условие (9) не выполняется, то итеративный процесс продолжается. Как показали результаты численных экспериментов, при решении малонелинен-ных задач имеет место быстрая сходимость итерационного процесса. 11ри расчете же нелинейных задач, характеризующихся большими деформациями, или же при расчете трубопроводов, напряженно-деформированное состояние которых близко к потере устойчивости, сходимость итерационного процесса можем быть медленной, а в некоторых случаях процесс может расходиться. В связи с этим для улучшения сходимости итерационного процесса в соотношение (2) введен коэффициент регуляризации ак„ который находится следующим образом. Вводится функция погрешностей (9) системы уравнений (1), в качестве которой принимается работа внутренних сил:

И1! &

2 И + 2С.1 2ЕК

(10)

где дм1, ДМ 1, ДГ^ - соответственно, погрешности изгибающего, крутящего моментов и продольной силы в каждом элементе трубопровода. Функция по-

грешностей (10) системы уравнений (1) аппроксимируется параболической зависимостью от коэффициента оц,:

ДУГк = А-«£.+В.еЧ+С, (11)

где А = 2 • Д\Ук' + 2 • Д\У° - 4 • Д\\'к0? , В = 4 -Д\1Р° 5-Д\Ук' - 3 -Д№ки , С = Л\\'к . ДWk0, Д^Л^0 \ - работа внутренних сил, соответственно при аК=0,0.5, 1.

Значение оптимального коэффициента ак получается из условия минимума функции Д\Ук :

4 • л\уь" - д\у; - з ■ д\у;

СС =--5-5-5— (1')

4-(^к'+ДWt0-2•Д^Vk<f)'

Peзyльтaты численных экспериментов показали, что коэффициент регуляризации а[ может находиться в пределах от 0.01 до 1.5.

Далее исправляется обобщенная вектор-функция перемещений V по формуле (2), т.е. корректировке подлежат линейные и угловые перемещения, а также корректируются реакции в "лишних" связях. После этого начинается расчет па следующей и терации.

Нелинейность деформационных свойств фунта учитывается в ходе итераций изменением жесткостей пружин аналогично методу переменных параметров упругости. На первой (линейной) итерации жесткости связей определяются при упругой работе грунта. На следующих итерациях жесткости связей пересчиты-ваются в соответствии с величиной полученных на данной итерации перемещений элемента.

Оценка точности предложенного метода расчета и правильности работы программы проводилась на задачах, имеющих точное теоретическое решение, а также решенных другими известными методами, которые являются частными случаями для данного метода расчета.

I. С целью проверки точности метода рассчитывался горизонтальный стальной стержень шириной Ь=3.15 см, толщиной Ь=0.1 см и длиной Ь=51.8 см с жестко заделанным правым концом и загруженный на левом (свободном) конце сосредоточенной вертикальной силой Р=5.25 Н (рис. 6), которая в процессе де-

формации стержня остается вертикальной. Это плоская геометрически нелинейная задача, перемещения стержня под нагрузкой сравнимы с его длиной, задача решена проф. Тихомировым E.H. точно путем решения нелинейного дифференциального уравнения.

Как показали результаты расчетов, для достижения точного решения по предлагаемой методике потребовалось выполнить 15 итераций при разбиении консоли на 10 элементов (табл. I).

2

Рис. 6. Расчетная схема консольного стержня с сосредоточенной силон па конце.

Таблица 1

Результаты расчета консольного стержня

Линейное решение Нелинейное решение

Обозна- Точное Предлаг. Погреш- Точное Предлаг. Погреш-

чение решение метод ность 5, % решение метод ность 5, %

М1пг, Н ем 271.9 271.95 0.02 210.0 210.02 0.01

fz, см 46.33 43.305 6.5 29.7 29.88 0.6

fv, СМ 0 0 - 11.8 11.796 0.034

2. Проведено сравнение результатов расчета задач, решенных предлагаемым методом и другими известными методами. Решалась задача, представленная расчетной схемой (рис. 7).

с] М

ш um т

Рис. 7. Расчетная схема участка трубопровода с распределенной нагрузкой

Трубопровод 0=219 мм, 5 =5 мм, ч = 6 Н/см; Д(= 10" С ; р1Ш =0. Грунт отсутствует. При длине пролета Ь до 22 м эту задачу можно рассматривать как малонемшейиую и поэтому возможно сравнение результатов с методикой Айн-биндера А.Б. и Кузнецова С.Ф. При увеличении длины пролета до 41.6 м задача становится геометрически нелинейной, сжимающая продольная сила переходит в растягивающую, а это вызывает необходимость в методике Айнбиндера А.Б. пользоваться гиперболическими функциями, которые при больших значениях аргумента дают неопределенный результат. Поэтому при длине пролета Ь = 41.6 м сравнение проводилось с методикой Кузнецова С.Ф. (табл. 2).

Таблица 2

Результаты расчета линейной и нелинейной задачи (рис. 7)

-Обозна-чешя/ у,*,, / ЙЙМЙЙЙЙ* , Линейная задача Нши»1еШая загхача

Ь=22 м, 5=0.8 м Ь=41.6 м, 5=2.447 м

Метод Айнбиндера А.Б. Метод Кузнецова С.Ф. Предлаг. Метод Метод Айнбиндера А.Б. Метод Кузнецова С.Ф. Предлаг. метод Погрешность расчета, < 8,%

Н-ом 1.407 1.404 1.419 оо 1.432 1.442 • ?-7

-7.69 -4.14 -4.37 00 14,15 14.01 0,95

-10.15 -10.61 -10.72 00 -47.1 -47.6 1.0

т^&МПа, 'Л*-</■' Х>, '■ 103 91.8 92.8 - 122.9 123 0.08

В четвертой главе приведены результаты практического применения предложенного метода для случаев, где ни один из рассмотренных известных методов не может быть применен, так как данные задачи - геометрически нелинейные и, кроме того, перемещения трубопровода - пространственные.

Данный метод использован для разработки. конструктивных решений

г

прокладки подземных нефтепроводов через участки сильнопросадочных многолетнемерзлых грунтов Харсшпурского месторождения. Как показали расчеты и результаты экспериментальных исследований, осадка трубопровода на этих месторождениях при переходах через участки многолетнемерзлых грунтов

может достигать 3.5 м. Одно из технических решений заключается в формировании специально заданной геометрии трубопровода на участках перехода от талых к многолетнемерзлым грунтам при помощи гнутых отполов.

При пересечении участка многолетнсмерзлого грунта на стыке талый -мерзлый грунт конструируется ¿-образный компенсатор-упор (рис. 8) таким образом, чтобы его отводы находились в зоне мерзлого грунта, а сам компенсатор-упор располагается горизонтально на участке неустойчивых грунтов. При оттаивании мерзлого грунта участок трубопровода с компенсатором следит за осадкой грунта, т.е. опирается на оттаивающий грунт.

2

Рис. 8. Конструктивное решение прокладки трубопровода. 1- положение компенсатора на период строительства: 2- положение компенсатора после осадки оттаявшего многолетнсмерзлого грунта.

С помощью предложенного метода выбрана оптимальная стрела вылета компенсатора, которая зависит от величины осадки и прочностных характеристик материала трубы.

Нефтепровод 0x5=325x8 мм из стали марки 17ПС с внутренним давлением 5.4 МПа и температурой продукта 20НС (Д1=60"С) пересекает участок ММГ торфяных грунтов шириной 72 м. Прилегающие участки талого грунта сложены суглинком. Прогнозируемая осадка за 20 лет - 1.92 м.

При прямолинейной прокладке через участок мерзлого грунта наиболее напряженное сечение находится на расстоянии = 7-8 м (в сторону талого грунта) от линии перехода талый - мерзлый грунт. Эквивалентные напряжения ст,„

2(1

=458.0 МПа, что больше допускаемых (одоп=235.0 МПа) для стали 17Г1С. При прокладке в виде компенсатора в плане с двумя 45-градусными отводами на каждой границе талый - мерзлый грунт (вылет стрелы компенсатора 6 м) (рис. 9) наиболее напряженным оказалось сечение II - II на расстоянии 5 - 6 м от линии перехода талый - мерзлый грунт, где слы> =229.0 МПа, что удовлетворяет уело-4 вшо прочности. Причем напряжения от крутящих моментов составляют 18% от величины эквивалентных напряжений.

г

■ А 72 м Д 1 = 60 "С р= 4.5 МПа ✓ ✓

221 м Н5" /Ч Г /бм 221 м / ' У

Рис. 9. Расчетная схема прокладки трубопровода с компенсатором.

1

Предлагаемый способ прокладки подземного трубопровода через участки многолетнемерзлых грунтов рекомендуется использовать при просадочных и сильнопросадочных многолетнемерзлых грунтах.

Из последнего примера видно, что, имея в наличии метод расчета напряженно-деформированного состояния пространственного трубопроврда с учетом геометрической нелинейности можно, варьируя только геометрией укладки трубопровода, добиться значительного снижения напряжений практически без дополнительных материальных затрат.

Данный метод был применен при исследовании работы подводного перехода нефтепровода Усть-Балык - Нижневартовск (0x5=1020x15.8 лш) через реку Обь (233 км) с целью определения режимов его безопасной эксплуатации. Протяженность перехода составляет около 1400 м. Основная нитка подводного перехода в русле реки Оби на протяжении 230 м оголена на весь диаметр трубы, и на одном из участков длиной 43.6 м грунт под трубой размыт на глубину до 1.86 м.

Результаты расчетов показали, что на участке провиса длиной 43.6 м аксимальные напряжения составляют 198 МПа и превышают допускаемые, звные 179 МПа. С целью определения допустимой величины пролета прочно-гной расчет провисающего участка нефтепровода проведен при различных дли-ах участка провисания. Уже при длине провиса около 35 м при температурном ерепаде Д1=35°С при внутреннем давлении 2.8 МПа напряжения достигают еличины допускаемых напряжений. На рис.10 показано влияние различных ти-ов грунтов береговых участков на напряженно-деформированное состояние одводного перехода трубопровода.

200 ......".........,„,.;... . , ,.'!...-,. . . ...4,,,., ... . - ЗУ

песок песок мелки », глина 1 орф I-ги 1 и па трфП-ю [рапслистый ища

Рис. 10. Влияние различных типов грунтов на напряженно-деформированное состояние подводного перехода

С использованием предложенного метода расчета проведен расчет тлряженно-деформированного состояния коиденсатопровода «Уренгой - Сур-ут», который проходит но участкам нучнниепшх грунтов. Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния коиденсатопровода при различной степени пучинистости грунтов показал (рис. I I ), что использование в расчете упругой модели грунта (по сравнению с упруго-пластической моделью) il не учет геометрической нелинейности системы дает завышенные значений изгибающих моментов и, соответственно, эквивалентных напряжений в несколько

раз. И чем выше степень пучннистости грунта, тем зачительнее погрешность расчета.

Рис. 11. Расчет напряженно-деформированного состояния конденсатопро-вода при различной степени пучннистости грунтов.

По каждому из анализируемых объектов'разработаны рекомендации по безопасной эксплуатации и проведению ремонтно-восстановительных работ.

В приложении 1 приведена блок-схема программы расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода в нелинейной постановке.

В приложении 2 описаны исходные данные для расчета на ПЭВМ и выходная информация.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ работы трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях и оценена степень влияния напряженно-деформированного состояния на надежность работы трубопроводов в этих условиях.

2. Анализ существующих методов расчета и собственные разработки автора позволили создать методику расчета напряженно-деформированного состоять

трубопровода, учитывающую геометрическую нелинейность задачи, наличие крутящих моментов и его пространственную геометрию.

3. Исследовано влияние технологических параметров эксплуатации трубопровода и свойств грунтов на эквивалентные напряжения, действующие в стенке трубы.

4. Разработан алгоритм и вычислительная программа решения задачи на ЭВМ.

5. Использование результатов исследования позволило обосновать конструктивные решения при прокладке трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях Харампурского месторождения; дать рекомендации по безопасной эксплуатации подводного перехода нефтепровода Усть-Балык - Нижневартовск через реку Обь; выявить зависимость напряженно-деформированного состояния от степени пучинистости грунтов на конденса-топроводе «Уренгой - Сургут».

Результаты исследований изложим в 8 работах, основные положения

диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Первушин Г.Г., Соколов СМ., Кутузова Т.Т. Расчет напряженно-деформированного состояния трубопроводов с использованием замеренных величин перемещений.—Тюмень: Проблемы нефти и газа Тюмени, 1980.— вып.46.— С. 24-30.

2. Соколов С.М., Первушин Г.Г., Кутузова Т.Т., Бельмас О.М. Прочностной расчет при проектировании переходов трубопроводов через болота III типа.— Тюмень: Проблемы нефти и газа Тюмени, 1983.— вып.60.— С. 85-88.

3. Кутузова Т.Т., Дорогин А.Д. Расчет прочности и устойчивости трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях. // Тез.докл. областной научно-технической конференции «Применение достижений научно-технического прогресса при обустройстве нефтяных месторождений». —Тюмень, 1-3 марта 1988 г.— С. 75 - 76.

4. Дорогин А.Д., Кутузова Т.Т., Павлова И.Г. Автоматизированный расчет глубины оттаивания и осадки вечномерзлых грунтов под трубопроводом. Науч-

но-технический инфор. сборник. Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности.—М.: 1989.— вып. 1.— С. 15-16.

5. Дорогин А.Д., Кутузова Т.Т., Павлова И.Г. Расчет напряженно-деформированного состояния подземного пространственно-линейного трубопровода.// Строительная механика и расчет сооружений.—1991.—№ 1.—С.

6. Пособие по проектированию нефтегазопромысловых трубопроводов в сложных инженерно-геокриологических условиях. — Министерство топлива и энергетики РФ. — Тюмень: Гипропоменнефтегаз.— 1993.—143 с.

7. Кутузова Т.Т., Мороз A.A. Исследование конструктивной надежности линейной части магистральных нефтепроводов7/Тез. докл. Международной науч.-практ. конф. "Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири" Тюм.ГАСА 3-4 декабря 1998.— С. 37-39.

8. Кутузова Т.Т. , Мороз A.A., Степанов O.A., Малюшин H.A. Исследование конструктивной надежности линейной части магистрального нефтепровода.—Тюмень: Нефть и газ. Известия ВУЗов, 1999.— вып. 2.— С. 71 - 77.

Тираж 100 экз.

Тюменский государственный нефтегазовый университет Отдел оперативной полиграфии, 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38.

23-28.

Соискатель

Кутузова Т.Т.

Подписано к печати 1.11.99г. Заказ № 484

Уч. изд. л. 1,23 Усл. печ. л. 1,23

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Приближенные аналитические методы расчета трубопроводов

1.2. Численные методы расчета трубопроводов как плоской стержневой системы.

1.3. Методы и программы расчета трубопроводов как пространственной стержневой системы выводы.;.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ТРУБОПРОВОДА В СЛОЖНЫХ

ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

2.1. Особенности работы трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах.

2.2. Аппроксимация упругих и пластических деформаций грунта в . процессе пространственных перемещений трубопровода

2.3. Расчетная схема трубопровода.

2.4. Расчет трубопровода по предельным состояниям

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. МЕТОД РАСЧЕТА ПРОСТРАНСТВЕННОГО

ТРУБОПРОВОДА С УЧЕТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ

3.1. Основные положения метода расчета.

3.2. Расчет напряженно-деформированного состояния трубопровода по методу сил( первая линейная итерация)

3.2.1. Выбор основной системы, определение внутренних сия и перемещений

3.2.2. Формирование матрицы податливости метода сил.

3.2.3. Формирование вектора свободных членов канонической системы уравнений.

3.2.4. Преобразование системы уравнений метода сил при изменении направления "лишних " связей.

3.2.5. Определение реактивных усилий в "лишних" связях.

3.2.6. Определение внутренних сил и перемещений в произвольном сечении трубопровода в заданной системе координат.

3.3. Организация итерационного процесса расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода ( рядовая 1-ая итерация).

3.4. Выбор величины шага итерационного процесса.:.

3.5. Оценка точности предложенного метода расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода.

3.5.1. Оценка погрешности метода на задачах, имеющих точное аналитическое решение.

3.5.2. Сравнение данного метода расчета с другими известными методами.

ВЫВОДЫ.;.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА.

4.1 . Расчет напряженно-деформированного состояния конструктивного решения прокладки подземного нефтепровода через участки многолетнемерзлого грунта

4.2. исследование работы подводного перехода нефтепровода усть

Балык - Нижневартовск через реку Обь (233 км) с целью определения режимов его безопасной эксплуатации./.

4.3. Расчет напряженно-деформированного состояния конденсатопровода «уренгой - сургут» на участках пучинистых грунтов.,.

4.4. Анализ напряженно-деформированного состояния трубопроводов

Федоровского месторождения.

ВЫВОДЫ.

Обеспечение надежности трубопроводов России, проложенных в северных и субарктических районах, где расположены основные месторождения газа и нефти Западной и Восточной Сибири, республик Коми и Саха, является сложной и актуальной задачей. Эти районы отличаются сложными природно-климатическими условиями. На протяжении тысяч километров трассы трубопроводов Западной Сибири проходят по болотам и обводненным грунтам, пересекают множество рек, водоемов, сотни километров труб укладываются в вечную мерзлоту [6].

Суровый климат Западно-Сибирского региона обусловливает глубокое сезонное промерзание грунтов: минеральных - до 3,5 м, обводненных торфяных - до 0,5 - 0,6 м. Как показали расчеты и результаты экспериментальных исследований на северных месторождениях Тюменской области, осадки трубопроводов при переходах через участки мерзлых грунтов могут достигать 3.0 м.

Наличие высокольдистых просадочных грунтов, предрасположенных к протаиванию, может стать причиной начала необратимых геокриологических процессов, снижающих степень надежности трубопроводных систем [38, 60].

В ОАО «Сибнефтепровод» разработана и реализуется программа повышения надежности магистральных нефтепроводов Западной Сибири, заключающаяся в разработке оптимальных режимов работы нефтепроводов с учетом постоянно снижающейся пропускной способности, тщательном обследовании нефтепроводов, выявлении дефектных и слабых с точки зрения напряженного состояния мест и заменой труб на этих участках [61].

Для обеспечения высокой надежности эксплуатируемых трубопроводных систем в указанных условиях, а также для разработки и проектирования новых трубопроводов необходимо совершенствовать методы расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов. Для получения более достоверных результатов при расчете напряженно-деформированного состояния трубопроводов необходимо как можно точнее знать их пространственное положение [54]. В этом существенную помощь могут оказать аэрокосмические исследоватрубопроводных геотехнических систем и окружающей среды и могут применяться для оценки состояния трубопроводов (определение пространственного положения и динамики его изменения; выявление деформированных участков и оценки их напряженно-деформированного состояния и т.д.) [37]. Чем больше будет накоплено информации о работе трубопроводов, изменении их пространственных положений и т. д., тем точнее в будущем можно будет делать прогнозы об их дальнейшей работоспособности.

Актуальность работы

Магистральные и промысловые трубопроводы Западной Сибири прокладываются и эксплуатируются в сложных инженерно-геологических условиях, что обусловливает дополнительные нагрузки на трубопроводы, связанные со структурными изменениями свойств грунтов. Более трети территории Западной Сибири покрыты многолетнемерзлыми грунтами, более половины - грунтами с глубоким сезонным промерзанием (>2,5 м), почти треть составляют заболоченные территории и водные переходы (рис. 1). ния, которые являются составной частью работ по комплексному изучению

Талые грунты 10%

Многолет

Заболоченные территории нием 54%

Рис.1 .Характеристика инженерно-геологических условий

Западной Сибири.

Анализ распределения отказов на магистральных нефтепроводах Западной Сибири показал, что число отказов линейной части в значительной мере зависит от степени заболоченности территории и количества участков перехода (перемежающихся) грунтов различной несущей способности. Построенные на основе проведенных исследований диаграммы для нефтепровода Усть-Балык -Омск наглядно отражают эту ситуацию (рис. 2).

При прокладке трубопроводов в грунтах с низкой несущей способностью - болотистых, оттаивающих многолетнемерзлых-- происходят значительные перемещения трубопроводов, чаще всего с потерей продольной устойчивости и выходом их на поверхность, образованием арок и даже гофр. В результате на деформированных участках трубопроводов меняется их напряженное состояние [7, 8, 9, 59, 92, 93], что вызывает необходимость корректировки расчетных схем. В этих случаях выполнение прочностных расчетов, отражающих действительные условия работы трубопровода, является одним из основных элементов, обеспечивающих поддержание его высоконадежной работы.

Рис.2. Распределение отказов нефтепровода Усть-Балык - Омск по трассе.

В связи с этим основной задачей расчета трубопроводов на прочность является определение напряженно-деформированного состояния, обусловленного нагрузками и воздействиями, имеющими место в различные периоды эксплуатации и оценка уровня этого состояния, исходя из предельных.

При подземной прокладке в слабонесущих грунтах трубопровод изменяет свою геометрию в плане, а под воздействием весовых нагрузок испытывает еще и вертикальные перемещения, т.е. происходят пространственные перемещения оси трубопровода.

Исследования показали, что не учет пространственных перемещений трубопровода приводит к завышению напряжений в 2-3 раза, а расчет по формулам СНиП «Магистральные трубопровода», которые не учитывают смещения трубопровода, более чем в 3 раза.

Положение трубопровода в пространстве, формирующееся под влиянием внешних воздействий и являющееся его интегральным результатом, несет информацию о техническом состоянии трубопровода, в том числе о его напряженно-деформированном состоянии.

Исследования, проведенные автором на Севере Тюменской области, показали, что в процессе эксплуатации трубопроводов на слабонесущих грунтах возникают значительные перемещения (порядка нескольких диаметров трубы), при которых для оценки прочности становится необходимым учет геометрической нелинейности ( использование деформированной расчетной схемы и нелинейных соотношений между деформациями и перемещениями трубопровода). Не менее важен для получения достоверных результатов расчета учет физической нелинейности грунта (нелинейной зависимости между сопротивлением грунта и перемещениями трубы).

Анализ факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях, позволяет сделать следующие выводы: 1) действующие в настоящее время нормативные документы не позволяют оценить напряженно-деформированное состояние трубопроводов с учетом особенностей работы их в сложных условиях; 2) известные методы расчета не отвечают в полной мере отмеченным выше особенностям работы трубопроводов при прокладке на,слабонесущих грунтах, эти методы и соответствующие им комплексы программ ориентированы, в основном, на расчет плоских трубопроводов (т.е., когда сам трубопровод и нагрузки, действующие на него, находятся в одной плоскости), работающих в минеральных грунтах.

В связи с этим актуальным является исследование напряженно-деформированного состояния трубопроводов, прокладываемых в сложных инженерно-геологических условиях, что определило цель и задачи исследований настоящей работы.

Цель работы - разработка научно-обоснованной методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях.

Основные задачи исследований

1. Провести анализ работы трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях Западной Сибири.

2. Оценить степень влияния различных факторов на величину напряженно-деформированного состояния трубопровода в сложных условиях эксплуатации.

3. Разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода с учетом особенностей его работы в сложных инженерно-геологических условиях.

4. Создать алгоритм и вычислительную программу решения задачи на ЭВМ.

Методы решения задач

При решении поставленных задач использовались математические, итерационные методы, классические методы строительной механики и методы планирования инженерного эксперимента. Для подтверждения выводов и реализации предложенного в работе метода расчета использована полученная в условиях эксплуатации инженерно-технологическая информация. Научная новизна

1. Впервые при решении геометрически нелинейной задачи определения напряженно-деформированного состояния трубопровода при его пространственных перемещениях учтено влияние крутящих моментов, действующих в стенках трубы.

2. Автором получено решение, позволяющее определять напряженно-деформированное состояние трубопровода в условиях, близких к потере его устойчивости.

3. Предложенный метод позволяет установить функциональные зависимости между эквивалентными напряжениями, действующими в стенке трубы, технологическими параметрами эксплуатации трубопровода и свойствами грунтов.

4. На основе выполненных исследований и полученных зависимостей предложена и апробирована на практике методика оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в сложных инженерно-геологических условиях.

Практическая ценность работы

Работа выполнена в рамках программы Минтопэнерго «Надежность и безопасность трубопроводного транспорта Западной Сибири», принятой в 1994 году.

Результаты исследований использованы при разработке по заказу Минтопэнерго «Пособия по проектированию нефтегазопромысловых трубопроводов в сложных инженерно-геокриологических условиях».

Разработанная методика оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода нашла применение при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводов Харампурского, Федоровского месторождений, подводного перехода нефтепровода Усть-Балык - Нижневартовск через реку Обь.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены в работах соискателя и докладывались на:

- Областной научно-технической конференции «Применение достижений научно-технического прогресса при обустройстве нефтяных месторождений», г. Тюмень, 1-3 марта 1988 г.

- Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий», г. Тюмень, 22 мая 1998 г.

- Международной научно-технической конференции «Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, Тюм.ГАСА 3-4 декабря 1998 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 106 наименований, 7 страниц приложений. Она содержит 124 страницы машинописного текста, 24 рисунка, 10 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ работы трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях и оценена степень влияния напряженно-деформированного состояния на надежность работы трубопроводов в этих условиях.

2. Анализ существующих методов расчета и собственные разработки автора позволили создать методику расчета напряженно-деформированного срстоя-ния трубопровода, учитывающую геометрическую нелинейность задачи, наличие крутящих моментов и его пространственную геометрию.

3. Исследовано влияние технологических параметров эксплуатации трубопровода и свойств грунтов на эквивалентные Напряжения, действующие в стенке трубы.

4. Разработан алгоритм и вычислительная программа решения задачи на ЭВМ.

5. Использование результатов исследования позволило обосновать конструктивные решения при прокладке трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях Харампурского месторождения; дать рекомендации по безопасной эксплуатации подводного перехода нефтепровода Усть-Балык - Нижневартовск через реку Обь; выявить зависимость напряженно-деформированного состояния от степени пучинистости грунтов на конден-сатопроводе «Уренгой - Сургут».

1. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. — М.: Недра, 1982.— 341 с. — Рус.

2. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. — М.: Недра, 1991.— 287 с. — Рус.

3. Айнбиндер А.Б., Шнееров АЛ. Определение усилий и перемещений пространственного трубопровода. Труды ВНИИСТ, Оценка надежности магистральных трубопроводов. —М.: 1987. - С. 3-17.

4. Амарян JI.C. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. — М.: Недра, 1969,—187 с. — Рус.

5. Амарян JI.С. Методы расчета прочности и сжимаемости торфяных грунтов. Материалы к первой Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. Ч. 1, Калининский политехнический институт: 1972. С. 30-35—Рус.

6. Антипьев В.Н. Оценка механической надежности магистральных газопроводов //Пробл развития газодобыв. и газотрансп. систем отрасли и их роль в энерг. Сев.-Зап. региона России. Тез докл. конф., Ухта, 18—20 апр., 1995 — Ухта, 1995—С. 160—161 —Рус.

7. Антипьев В. Н., Кривохижа В. Н. Состояние и проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа в Западной Сибири // Нефть и газ. Зап. Сиб. : Тез. докл. Междунар. Науч.-техн. конф., Тюмень, 1996. Т. 2 .— Тюмень , 1996 .— С. 98—99,—Рус.

8. Билобран Б. С. О влиянии неровностей основания на устойчивость участков магистральных трубопроводов //- Мат. моделир. и прочн. элементов конструкций / Гос. ун-т "Львов, политехи.".— Львов, 1997.—С. 2-9.— Укр.— Деп. в УкрИНТЭИ 16.4.97, № 335-У 197

9. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. -М.: Изд-во литературы по строительству, 1971,—255 е. —Рус.

10. И.Бомштейн Г. К. Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния магистральных трубопроводов.; Моск. авиац. ин-т. —М.— 1994.— 63 с. — Рус. .

11. Бородавкин П.П.-, Березин В.Л., Шадрин О.Б.-Подводные трубопроводы. — М.: Недра, 1979,—415 с.— Рус.

12. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы.—М.Недра, 1973,—306 с.—- Рус.

13. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. — М.: Недра, 1982,—384 с, —Рус.

14. Бородавкин П. П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. — М.: Недра, 1976,— 270 с. — Рус.

15. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. — М.: Недра, 1984,— 245 с. — Рус.

16. Бородавкин П.П:, Хигер М.Ш., Николаев Н.В. Вопросы проектирования и эксплуатации трубопроводов на торфяных грунтах Западной Сибири.—М.: ВНИИОЭНГ, 1978.-- 38 с. — Рус.

17. Бродская А.Г. Сжимаемость мерзлых грунтов. — М.: Изд-во АН СССР, 1962,— 145 с.— Рус.

18. Вершинин В. И., Димов Л. А.Прокладка магистральных нефтпроводов через болота и заболоченные участки на Севере России /Трубопровод, трансп. нефти .— 1996 .— № 1 .— С. 16-.—Рус.

19. Виноградов С. В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. — М.: Стройиздат, 1980.— 152 с.—Рус.

20. Вислобицкий П.А. Нарушение равновесия газопроводов в слабых грунтах // Стр-во трубопроводов,— 1996.— №4-5.— С. 35-39.— Рус.

21. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. — М.: Наука, 1984.— 330 с. — Рус.

22. Временная инструкция по проектированию, сооружению, испытанию и приемке в эксплуатацию внеплощадных газопроводов с рабочим давлением свыше 10.0 МПа до 32.0 МПа на нефтепромыслах Западной Сибири. ВСН 2780, Миннефтепром. — Тюмень: 1981.—22 с. — Рус.

23. ВСН 51-3-85, ВСН 2.38-85. Проектирование промысловых стальных трубопроводов.—М.: 1985 —31 с.—Рус.

24. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов.

25. М.: Изд-во АН СССР, 1959,— 105 с. — Рус.

26. Горковенко А.И., Чикишев В.М. Взаимодействие трубопроводов с грунтамиггв условиях глубокого сезонного промерзания. // Строительный вестник. — 1998,—№3 (4). —Рус.

27. Григорьев Л.Я. Напряжения в элементах судовых сосудов и трубопроводах.

28. Л.: Судостроение , 1975.— 185 с. — Рус.

29. Григорьев Л.Я. Самокомпенсация трубопроводов. — Л.: Энергия, 1969.— 215 с.— Рус.

30. Дерцакян А.К., Васильев Н.П. Строительство трубопроводов на болотах и многолетнемерзлых грунтах.—М.: Недра, 1978.— 165 С; — Рус.

31. Димов Л.А. Экспериментальное исследование характера деформирования торфа при горизонтальном поперечном смещении подземного трубопровода. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.—М.: ВНИИОЭНГ, 1982,— вып.6.— С. 32-35. — Рус.

32. Димов Л.А., Морозов В.Н. К расчету поперечных перемещений подземных трубопроводов в трфяных грунтах. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов,—М.: ВНИИОЭНГ, 1982,— вып. 12.— С. 12-14. — Рус.

33. Димов Л. А., Соломатина Т.М. Совершенствование расчета подземных трубопроводов с позиции механики грунтов. // Стр-во трубопроводов,— 1992.— №4,—С. 13-14,— Рус.

34. Дорогин А.Д., Кутузова Т.Т., Павлова И.Г. Расчет напряженно-деформированного состояния подземного пространственно-линейного трубопровода. // Строительная механика и расчет сооружений.— 1991.— № 1,— С. 23-28,—Рус.

35. Иванцов О.М. Надежность и безопасность магистральных трубопроводов России.// Трубопровод, трансп. нефти.—1997.—№ 10,—С.26-31.—Рус.

36. Исследование комплексных вопросов проектирования и сооружения промысловых трубопроводов на болотах Западной Сибири/Промежуточный научно-технический отчет по теме 51-73 НС,-—Тюмень.: 1973.—156 с. -— Рус.

37. Жемочкин Б.Н., Синицын А.П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании.—М.:Госстройиздат, 1962,—239 с.— Рус.

38. Зарецкий Ю.К. К расчету осадок оттаивания грунта. — Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1968. — № 3. — С. 15-18. — Рус.

39. Зарецкий Ю.К. О реологических свойствах пластичпомерзлых грунтов. — Основания, фундаменты и механика грунтов.—1972.—№2.—С. 12-15.— Рус.

40. Карманский Т.Д. Численные методы строительной механики.— М.: Строй-издат, 1981,—434 с. — Рус.

41. ЛА. Киселев В.А. Строительная механика.—М.:Стройиздат,1976.-— 365 с. — Рус.

42. Киселев М.Ф. К расчету осадок фундаментов на оттаивающих грунтах. —-М.: Госстройиздат, 1957.— 249 с. Рус.

43. Киселев Ю.А. Упруго-пластический расчет трубопроводов на ЭВМ. — Интенсификация работы перегрузочных технологических линий и комплексов в речных портах.—Л.: 1987.— С. 93-102. — Рус.

44. Киселев Ю.А. Расчет разветвленных пространственных трубопроводов на ЭВМ. — Совершенствование технологических перегрузочных работ и методов расчета портальной подъемно-транспортной техники. — Л.: 1985.— С. 59-67, —Рус.

45. Клейн Г. К. Расчет подземных трубопроводов.—М.: Недра, 1969.—156 с.— Рус.

46. Клементьев А.Ф., Гостев Н.М., Козлова Р.Г. Теплотехнический расчет трубопроводов, проложенных в мерзлых грунтах. В сб. Актуальные вопросы трубопроводного транспорта нефти,—Уфа.—. 1986.—С. 28-33.—Рус.

47. Клюк Б. А., Стояков В.М., Тимербулатов Г.Н. Прочность и ремонт участков магистральных трубопроводов в Западной Сибири — М.: Машиностроение, 1994 — 120 с,— Рус.

48. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1970.— 720 с. — Рус.

49. Костовецкий Д.Л. Прочность трубопроводных систем энергетических установок. — Л.: Энергия, 1973.— 241 с. — Рус.

50. Кутузова Т.Т. , Мороз A.A., Степанов O.A., Малюшин H.A. Исследование конструктивной надежности линейной части магистрального нефтепровода.—Тюмень: Нефть и газ. Известия ВУЗов, 1999.— вып. 2.— С. 71-77.—-Рус.

51. Кушнир С.Я., Горковенко А.И., Иванов И.А. О взаимодействии трубопровода с пучинистым грунтом: Материалы региональной научно-технической конференции "Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли". — Тюмень: ТГУ. — 1988. —С. 34-36. — Рус.

52. Лаптев A.A. Разработка метода расчета на прочность и устойчивость и конструктивных решений по прокладке подземных промысловых трубопроводовв оттаивающих вечномерзлых грунтах: Дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. ' наук,—М.: 1989.— 168 с.— Рус.

53. Магалиф В.Я., Якобсон J1.C. Расчеты трубопроводов на вычислительных машинах,—М.: Энергия, 1969,— 247 с. — Рус.

54. Малюшин H.A., Мороз A.A., Рацен С.С. Методы повышения надежности магистральных трубопроводов Западно-Сибирского региона // Строительный вестник.— Тюмень. — 1998.— №2.— С. 11-13.— Рус.

55. Малюшин H.A., Чепурский В.Н. Магистральные нефтепроводы Западной Сибири. Техническое состояние. Надежность. Экологическая безопасность.— Тюмень: ИИА «Пульс», 1996,— 132 с. — Рус.

56. Межгосударственная научно-техническая программа "Высоконадежный трубопроводный транспорт" / Иванцов О.И. // Защита от коррозии и охрана окруж. среды.—М.: 1995.— №5. — С. 20-21.—Рус.

57. Морозов В.Н., Димов Л .А. О сопротивлении торфяного основания горизонтальным поперечным перемещениям подземного трубопровода. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.—М.: ВНИИОЭНГ, 1975.— вып.11.— С. 17-19, —Рус.

58. Ортега Д., Рейнболдт В. Итерационные методы решения нелинейных систём уравнений со многими неизвестными,—М.: Мир, 1975.— 551 с. — Рус.

59. Пекарская Н.К. Сопротивление сдвигу многолетнемерзлых грунтов различной текстуры и льдистости. Сб. Исследования по физике и механике мерзлых грунтов,—М.: Изд-во АН СССР, 1963—167 с.—Рус.

60. Первушин Г.Г., Соколов С.М., Кутузова Т.Т. Расчет напряженно-деформированного состояния трубопроводов с использованием замеренных величин перемещений.—Тюмень: Проблемы нефти и газа Тюмени, 1980.— вып. 46.—С. 24-30.—Рус.

61. Прочность. Устойчивость. Колебания: Справочник в 3-х т. Т. 1/ Под ред.л

62. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. — М.: Машиностроение., 1968,—312 с. — Рус.

63. Пчелинцев A.M. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов.—М.: Наука, 1964 — 246 с. — Рус.

64. Расчет и конструирование трубопроводов. Справочное пособие.—Л.: Машиностроение, 1979.— 268 с. — Рус.

65. Роман JI.T. Мерзлые торфяные грунты как основания сооружений.—Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1987.— 222 с.—Рус.

66. Рубинштейн А.Я., Канаев Ф.С. Инженерно-геологические изыскания для строительства на слабых грунтах.— М. : Стройиздат, 1984 — 107 с. — Рус.

67. Руководство по автоматизированному расчету на прочность линейной части трубопроводов, Р 499-8311,— М.: ВНкИСТ, 1984,—206 с. — Рус.

68. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов,— М.: Машиностроение, 1982,—279 с.—Рус.

69. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР,— М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986,—47 с. —Рус.

70. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы/ Госстрой СССР,-— М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985,—52 с. — Рус.

71. СНиП 2.04.12-86. Расчет на прочность стальных трубопроводов/ Госстрой СССР,— М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986,— 49 с. — Рус.

72. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах/ Госстрой СССР,— М.: АПП ЦИТП, 1991.— 56 с. — Рус.

73. Соколов С.М., Первушин Г.Г., Кутузова Т.Т., Бельмас О.М. Прочностной расчет при проектировании переходов трубопроводов через болота III типа.— Тюмень: Проблемы нефти и газа Тюмени, 1983,— вып.60.— С. 85-88. — Рус.

74. Соколов С.М. Проектирование, строительство и эксплуатация промысловых трубопроводов на болотах Среднего Приобья. Сер. "Нефтепромысловое строительство",—М.: ВНИИОЭНГ, 1978,— 28 с. — Рус.

75. Способ прокладки подземного трубопровода на участках слабонесущих грунтов: Пат. 2030672 Россия, МКИ6 F 16 L 1/028/ Orr К.Ф. -№ 5017125/ 29; Заявл. 19.12.91; Опубл. 10.03.95, Бюл. № 7.

76. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах.—Л.: 1977.— 187 с. — Рус.

77. Статический расчет прочности и жесткости трубопроводов (СТАРТ), САПР-CK.—М.: Гипрокаучук, 1985,— 58 с. — Рус.

78. Стрелецкий Н. С. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям.— М.: Стройиздат, 1971.— 189 с.— Рус.

79. Тартаковский Е. Е. Строительная механика трубопроводов. — М.: Недра, 1967,—220 е.—Рус.

80. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости.—М.: Наука, 1979.—500 е.— Рус.

81. Тихомиров E.H. О малой жесткости,—М.: Вестник инженеров и техников, 1934,— №4.— С. 158-161, — Рус.

82. Ушкалов В.П. Глубина и скорость оттаивания мерзлого основания.—М.: Госстройиздат, 1962.— 289 с. — Рус. ' , \

83. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.—М.: Машиностроение, 1967.— 387 с. — Рус.

84. Харионовский В.В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях. — JI.: Недра, Ленинградское отделение, 1990.—-180 е.— Рус.

85. Харионовский В.В., Петровский А. В. Анализ расчетных моделей трубопро-водов.//Пробл. надеж, газопровод. Конструкций /ВНИИ природ, газов (ВНИИГАЗ).—М.: 1991.—С.79-89.—Рус.

86. Хигер М.Ш., Николаев Н.В. К расчету трубопровода на нелинейно-упругом основании. // Строительная механика и расчет сооружений,— 1979.— № 4,-— С, 23-25,— Рус.

87. Чепурский В.Н., Малюшин H.A., Степанов O.A. Техническое состояние нефтепроводов Западной Сибири и пути повышения их надежности // Защита от коррозии и охрана окруж. среды. — 1995,— №5.^—С. 18-19. — Рус.

88. Черняев К.В., Васин Е.С. Применение прочностных расчетов для оценки на основе внутритрубной дефектоскопии технического состояния магистральных нефтепроводов с дефектами. // Трубопроводный транспорт нефти.— 1996,—№ 1,—С. 11-15, —Рус.

89. Шейков М.Л. Сопротивление сдвигу мерзлых грунтов / Лабораторные исследования механических свойств мерзлых грунтов под руководством H.A. Цытовича, сб. 1 и 2,—М.: Изд-во АН СССР , 1936,— С. 32-35wi?- Рус.

90. Шнееров А.Л. Уравнения для определения матриц жесткости конечного элемента в упругой среде с учетом продольной силы при произвольном направлении вектора перемещений.—Оценка надежности магистральных трубопроводов,— М.: 1987,— С. 115-116,— Рус.

91. Шпиро И.Г., Кузнецова С.Г. Расчет гибких стержней методом начальных параметров. —-. Изв. Вузов. Сер. Стр-во и архитектура.—1981 — № 12.—С. 46-50,—Рус. '■-■".■■'■.

92. Шушерина Е.П., Жаров А. А. , Емельянова J1.В. О влиянии режима загру-жения на механические свойства мерзлых грунтов. Сб. статей под рук. В.А. Кудрявцева. Мерзлотные исследования.—М.: Изд-во Московского университета, 1978.— 237 с. — Рус.

93. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов.—М.: Высшая школа, 1973.— 446 с. - Рус.

94. Цытович Н.А. Принципы механики мерзлых грунтов—М.: Изд-во АН СССР, 1952,—321 с.—Рус.

95. Принципы обеспечения надежности трубопроводов в районах вечной мерзлоты. Structural monitoring helps assess deformations in arctic pipelines. / Nyman Kenneth Y., Lara Pedro F. // "Oil and Gas", 1986, 84, №456 P. 81-86.