автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка комплексной методики расчета напряженно-деформированного состояния нефтепроводов

Министерство общего и профессионального образования РФ Тюменский Государственный нефтегазовый университет

УДК 622.692. На правах рукописи

МОРОЗ Александр Александрович

Разработка комплексной методики расчета напряженно-деформированного состояния нефтепроводов

Специальность: 05.15.13 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научн ы й руководител ь: Академик АТН РФ, д.т.н., профессор Малюшин H.A.

Тюмень - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...:...................................................................................................3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................7

1.1. Общие положения...............................................................................7

1.2. Оценка остаточного ресурса..........................................................13

1.3. Напряженно-деформированное состояние трубопроводов........18

ВЫВОДЫ....................................................................................................30

ГЛАВА 2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ НЕФТЕПРОВОДА УСТЬ-БАЛЫК-КУРГАН-УФА-АЛЬМЕТЬЕВСК (УБКУА)...........................................................................32

2.1. Технологические характеристики нефтепровода.........................32

2.2. Условия прокладки нефтепровода УБКУА....................................35

2.3. Статистические показатели линейной части нефтепровода

УБКУА........................................................................................................38

ВЫВОДЫ....................................................................................................60

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕФТЕПРОВОДА........................................................................................61

3.1. Оценка конструктивной надежности трубопровода....................67

3.2. Математическая модель отказа......................................................77

3.3. Параметры состояния трубопровода............................................80

3.3.1. Несущая способность....................................................................НО

3.3.2. Прочность и долговечность..........................................................ИЗ

3.3.3. Нагрузки и воздействия.................................................................#5

3.3.4. Назначение длины шага измерений.............................................86

3 .4. Методика оценки напряженно-деформированного состояния сложных участков нефтепровода...........................................................88

3.5. Расчет эквивалентных напряжений...............................................96

3.6. Расчет толщины стенки и проверка прочности трубопровода .... 98 ВЫВОДЫ..................................................................................................100

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ НЕФТЕПРОВОДА..........102

4.1. Характеристика выбранного для реконструкции участка нефтепровода ...........................................................................................102

4.2. Расчет напряженно-деформированного состояния подводного перехода трубопровода до реконструкции......................................... 107

4.3. Расчет НДС и режимов участка трубопровода после

реконструкции......................................................................................... 1 14

ВЫВОДЫ................................................................................................... 123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................,...............................................125

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ,.........................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................144

Приложение 1...........................................................................................145

Ведомость фактической раскладки труб нефтепровода УБКУА.....145

Приложение 2...........................................................................................148

Блок-схема комплексной методики расчета напрялсенно-

деформированиого состояния нефтепровода.................................... 14Н

Приложение 3...........................................................................................149

Программа определения толщины стенки и проверки напряженно-

деформированного состояния трубопровода......................................149

Приложение 4...........................................................................................153

Программа сплайн-интерполяции........................................................153

Приложение 5..........................................................................................156

Результаты расчета подводного перехода р. Бобровка

до реконструщии..................................................................................156

Приложение 6...........................................................................................162

Результаты расчета подводного перехода р. Бобровка после реконструкции.......................................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Западно-Сибирский регион, ставший в 70-80-е гг. главной базой страны по добыче углеводородного сырья, насыщен сетью магистральных трубопроводов. Трубопроводы являются надежным и безопасным (в том числе экологически) видом транспортировки нефти и газа. Однако и на них случаются аварии (отказы) с тяжелыми последствиями. Так за последние 10 лет в ОАО «Сибнефтепровод» их произошло более 20 [128] , Убытки превысили 1 млрд. руб. (в ценах 1994 г.). Все это приводит к увеличению времени ликвидации аварий. Помимо прямых потерь продукта при авариях имеют место потери, связанные с недопоставкой сырья и топлива потребителям. Большой урон при этом наносится окружающей среде. Тяжелые аварии на трубопроводах делают задачу обеспечения их надежности и безопасности центральной проблемой дальнейшего развития трубопроводного транспорта.

В настоящее время в ОАО «Сибнефтепровод» эксплуатируются мощные нефтепроводы, используемое оборудование является более сложным по сравнению с трубопроводами малых диаметров, а отсюда их подверженность отказам стала большей. И проблема, с которой приходится сталкиваться при эксплуатации нефтепроводов, состоит в достижении наилучшего использования существующих в настоящее время средств и оборудования на основе повышения их надежности [74, 75].

Для этого необходимо исследование надежности каждого конкретного нефтепровода, с тем, чтобы на основании полученных результатов наметить мероприятия, способные повысить его надежность. В качестве объекта исследования выбран магистральный нефтепровод Усть-Балык-Курган-Уфа-Альметьевск [80].

Важной задачей эксплуатации трубопроводов с точки зрения их конструктивной надежности следует считать разработку мероприятий,

обеспечивающих предупреждение аварий, а не ликвидацию их последствий, главным из которых является сохранность проектного положения трубопроводов и заданного уровня напряжений в трубопроводах. Решение этой проблемы в области конструктивнойнадежности позволит создавать трубопроводы высокой заданной надежности и поддерживать ее в процессе эксплуатации.

Одним из основных элементов, обеспечивающих конструктивную надежность трубопровода, является выполнение прочностного расчета трубопровода, отражающего действительные условия его работы.

Основная задача расчета трубопровода на прочность формулируется как задача определения напряженно-деформированного состояния (НДС), обусловленного нагрузками и воздействиями, действующими в различные периоды и оценки уровня этого состояния исходя из предельных нагрузок.

С целью обеспечения конструктивной надежности трубопровода требуется оценка всех силовых и деформационных факторов, воздействующих на трубопровод. В первую очередь это относится к определению рабочих параметров транспортируемого продукта: рабочего давления, температуры и воздействия их на материал трубы. Во вторую очередь -это влияние температуры подземного трубопровода на окружающую среду, то есть на изменение структурных и механических свойств грунта. Надежность трубопроводного транспорта обеспечивается за счет прогнозирования изменения гидрогеологических условий в процессе эксплуатации трубопровода, выбора физических и математических моделей, отражающих работу трубопровода.

Основным фактором, определяющим прочность трубопроводов в эксплуатации, является взаимодействие их с грунтами. Поэтому обеспечение прочности и устойчивости трубопроводов в слабонесущих грунтах становится одним из основных факторов и на стадии строительства, и в

процессе эксплуатации одновременно.

Целью диссертационной работы является разработка комплексной методики расчета напряженно-деформированного состояния нефтепроводов для повышения их эксплуатационной надежности.

Задачи исследования:

1. Оценить фактическое состояние линейной части нефтепровода по результатам диагностики и анализа режимов работы.

2. Разработать метод оценки вероятности безотказной работы линейной части нефтепровода с учетом фактических нагрузок и физико-механических характеристик металла труб.

3. Разработать методику оценки напряженно-деформированного состояния сложных участков нефтепровода с учетом длины провисающего участка.

4. Разработать комплексную методику расчета напряженно-деформированного состояния нефтепровода и реализовать ее при оценке технического состояния реконструируемых участков.

Актуальность работы

В ОАО «Сибнефтепровод» разработана и реализуется программа повышения надежности магистральных нефтепроводов Западной Сибири, заключающаяся в разработке оптимальных режимов работы нефтепроводов с учетом постоянно снижающихся объемов перекачки, тщательном обследовании нефтепроводов, выявлении дефектных и слабых с точки зрения прочности мест и замене труб на этих участках [76, 77].

Эксплуатационный персонал не обладает абсолютно надежными методами и средствами контроля технического состояния трубопровода в процессе перекачки нефти. В этом случае необходимо иметь методы расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов, которые наиболее точно отражают действительные условия их работы, особенно при эксплуатации их в слабонесущих водонасыщенных грунтах Западной

Сибири. Достоверность прогноза надежной работы трубопроводов во многом зависит от возможностей метода расчета учитывать основные факто-

I

ры, определяющие их напряженно-деформированного состояния. Поставленные вопросы весьма актуальны и в настоящее время изучены недостаточно полно, данная работа частично восполняет этот пробел.

Методы решения задач

При решении поставленных задач использовались вероятностно-статистические методы и методы планирования инженерного эксперимента. Для подтверждения выводов и реализации предложенных в работе алгоритмов расчета НДС трубопровода использована полученная в условиях эксплуатации инженерно-технологическая информация.

Научная новизна

Научная новизна работы определяется результатами теоретических и экспериментальных исследований:

• предложен новый метод оценки одного из основных параметров надежности - вероятности безотказной работы нефтепроводов с учетом фактических нагрузок и механических характеристик труб;

• разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния сложных участков нефтепровода с учетом длины провисающего участка;

• предложена комплексная методика расчета напряженно-деформированного состояния нефтепроводов, позволяющая определять основные показатели их надежности.

Практическая ценность

Научные результаты, полученные в работе, нашли применение при проектировании, эксплуатации и реконструкции нефтепроводов ОАО

«Сибнефтепровод». Предложенная методика расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) нефтепровода апробирована при реконструкции подводных переходов и используется для оценки напряженно-деформированного состояния опасных участков нефтепроводов.

Апробация работы

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

Конгрессе нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 1998 г. Всероссийской научно-технической конференции ТюмГНГУ «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий», г. Тюмень, 1998 г.

Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, ТюмГАСА, 1998 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Общие положения

Обеспечение надежной и безаварийной эксплуатации магистральных трубопроводов является наиболее актуальной задачей в системе трубопроводного транспорта. Опыт эксплуатации трубопроводов показывает, что, несмотря на принимаемые меры, аварии происходят. Это говорит о

неэффективности существующих методов их предупреждения. Одной из причин такого состояния дел является отсутствие единой методологии комплексной диагностики линейной части магистральных трубопроводов, позволяющей наблюдать за их техническим состоянием на протяжении всего жизненного цикла.

Трубопроводы, несмотря на конструктивную внешнюю простоту, принципиально отличаются от других сооружений сложной схемой взаимодействия силовых факторов, разнообразием нагрузок, неопределенностью НДС, масштабностью.

Определяющим критерием эффективности и экологической безопасности магистральных трубопроводов является их надежность - способность выполнять заданные функции в течение требуемого промежутка времени, сохраняя при этом свои эксплуатационные свойства.

Трубопроводы Западной Сибири расположены преимущественно в районах, почвы которых сложены слабонесущими водонасыщенными грунтами. Вопросы взаимодействия подземных трубопроводов с такими грунтами изучены недостаточно хорошо, хотя они лежат в основе расчетов на прочность и устойчивость, анализа НДС, по результатам которых может быть сделан прогноз надежности и ресурса. На основе изложенного можно считать, что проблема повышения надежности магистральных трубопроводов является по-прежнему актуальной и своевременной. Проблема обеспечения надежности линейной части трубопроводов — сложная комплексная задача, которая включает в себя технические, экономические и организационные аспекты. В настоящее время проблема надежности трубопроводных систем еще не имеет окончательного теоретического и методологического выражения. Анализ работ, посвященных вопросам повышения надежности линейной части трубопроводов, позволяет сделать вывод о том, что по мере "развития" трубопровода по своему "жизненному циклу", показатели надежности претерпевают изменения: на стадии про-

ектирования они устанавливаются, на стадии сооружения формируются, в процессе эксплуатации поддерживаются. Следовательно, пути повышения надежности трубопроводов могут быть реализованы на этапах проектирования, сооружения и эксплуатации трубопроводных систем. В работе [127] разработана структура основных направлений повышения надежности линейной части трубопроводов.

Срок службы трубопроводов, заложенный в проектах, составляет 30

.1

лет. К настоящему времени около 50% магистральных нефтепроводов ОАО «Сибнефтепровод» эксплуатируется более 30 лет, т. е. исчерпали свой ресурс (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Возраст магистральных нефтепроводов ОАО «Сибнефтепровод»

Возраст, лет 1998 г.

% Протяженность, км

До 10 4 435

10-20 47 - 5104

20 - 30 49 5321

Проведенный анализ состояния трубопроводных систем показал, что ключевой проблемой является проблема надежности систем в целом и отдельных элементов в частности. Сама проблема надежности трубопроводов весьма многогранна. Важнейшей ее составляющей является задача определения остаточного ресурса линейных участков, насосных станций и вспомогательного оборудования, а также проблема реконструкции отслуживших свой срок указанных элементов и узлов [12].

Отказы магистральных трубопроводов (МТ) приводят к полному или частичному прекращению перекачки, нарушают нормальную работу промыслов, нефтеперерабатывающих заводов и нефтебаз. Аварии МТ, со-

провождающиеся разливами нефти и нефтепродуктов, наносят значительный ущерб окружающей среде, способны привести к взрывам и пожарам с катастрофическими последствиями. По этой причине обеспечение надежной работы МТ является одной из основных задач при их эксплуатации.

В работах [60, 122] ррассмотрены вопросы повышения безопасности и надежности трубопроводных систем. Излагаются результаты исследований по обеспечению надежности трубопроводов, выполненные по программе "Высоконадежный трубопроводный транспорт" под руководством д. т. н., проф. В. В. Харионовского. Представлена методология, которая имеет возможность осуществить: постановку задачи оценки надежности конструкции трубопроводов при проектировании на современном научно-техническом уровне, исходя из многообразия реальных условий эксплуатации и конструктивных особенностей; прогноз ожидаемого срока службы трубопровода с учетом возможного спектра нагрузок и наличия дефектов; разработку инженерной методики по обеспечению надежности трубопроводов, имея в виду оценку заданной надежности на стадии проектирования, расчеты остаточного ресурса участков трубопровода, имеющих различные отклонения от проекта; создание специальных методик