автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации

На правах рукописи

ФИГ АРОВ ЭЛЬДАР НАМИКОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА В ЗОНАХ АКТИВНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность: 05.26.02 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» (нефтегазовая промышленность) (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ЯНВ 2015

Москва-2014 г.

005558083

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Сенцов Сергей Иванович Гаспарянц Рубен Саргисович доктор технических наук ОАО «Трансинжиниринг» заместитель генерального директора Каракоцкая Елена Владимировна кандидат технических наук ОАО «Газпром» начальник отдела ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Защита диссертации состоится 19 февраля 2015 г. в 16 час. 30 мин. в ауд. 502 на заседании диссертационного совета Д 212.200.06 в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, д. 65, корп. 1, г. Москва, 119991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на официальном сайте РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина http://vyyyw.gubkin.ru и направлены на размещение в сети Интернет Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу http://vak2.ed.gov.ru. Автореферат разослан «15» января 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, пр> A.M. Ревазов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Особенностью зон активных тектонических разломов (АТР) является возможность относительного движения примыкающих блоков земной коры. В результате этого движения возникают сильные горизонтальные и вертикальные смещения грунтов, что может стать причиной аварии на подземных трубопроводах. Данная работа направлена на исследование изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов при подвижках грунта и разработке рекомендаций, способствующих уменьшению НДС трубопроводов в зонах АТР.

Актуальность темы

При выборе трассы строительства трубопроводов часто не удается избежать пересечения с районами повышенной сейсмической активности и зонами активных тектонических разломов. В существующих нормативных документах по проектированию рекомендуется выполнять надземную прокладку трубопроводов при пересечении участков с активными тектоническими разломами. Вместе с тем в настоящее время имеется большое количество подземных трубопроводов пересекающих зоны разломов, например ВСТО, Сахалин 1, Сахалин 2 и т.д. При этом в действующих нормативных документах отсутствуют методики расчета и рекомендации по подземной прокладке трубопроводов на таких участках. Учитывая тот факт, что при землетрясениях в зонах АТР могут происходить сейсмогенные подвижки грунта (смещения масс грунта, достигающие скорости прохождения поперечных волн в грунте), актуальной становится создание методики расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов на данных участках и разработка практических рекомендаций по их прокладке.

Цель работы

Обеспечение безопасной эксплуатации подземных трубопроводов, проложенных в зонах активных тектонических разломов, путем создания методики оценки их напряженно-деформированного состояния с учетом

скорости смещения грунта и разработка рекомендаций по их прокладке в этих зонах.

Задачи исследования

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

1. Разработать модель взаимодействия подземных трубопроводов с упруго-вязкопластическим грунтом на основе анализа исследований несущей способности, практики проектирования и эксплуатации магистральных трубопроводов, прокладываемых в зонах активных тектонических разломов.

2. Провести анализ и разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, проложенных в зонах активных тектонических разломов, при смещениях грунта, протекающих с высокими скоростями.

3. Разработать методику оценки местной устойчивости трубопроводов при взаимодействии с упруго-вязкопластическим грунтом в зонах активных тектонических разломов.

4. По результатам проведенных исследований разработать практические рекомендации по обеспечению безопасной эксплуатации подземных трубопроводов, проложенных в зонах активных тектонических разломов.

Научная новизна

1. Выполнено не проводимое ранее исследование взаимодействия трубопроводов с грунтом в условиях смещений масс грунта, протекающих с высокими скоростями в зонах активных тектонических разломов, разработана модель взаимодействия трубопроводов с упруго-вязкопластическим грунтом.

2. Впервые в отечественной и зарубежной практике создана методика оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов при смещениях масс грунта, протекающих с высокими скоростями, и с учетом упруго-вязкопластических характеристик грунта в зонах активных тектонических разломов.

3. Разработана методика оценки потери устойчивости сечения трубы, учитывающая неравномерность нагрузки по контуру поперечного сечения трубопроводов при взаимодействии с упруго-вязкопластическим грунтом

применительно к зонам активных тектонических разломов.

4. Получены зависимости напряженно-деформированного состояния трубопроводов от ускорения масс грунта и условий засыпки, что позволяет рекомендовать конкретные конструктивные решения при подземной прокладке в зонах активных тектонических разломов.

5. Обобщены и проанализированы результаты расчетов и на их основе даны рекомендации по обеспечению безопасной эксплуатации трубопроводов при прокладках в зонах активных тектонических разломов.

Практическая значимость результатов работы

Практическая значимость заключается в совершенствовании и более полном учете факторов, влияющих на безопасность эксплуатации трубопроводов в зонах АТР путем создания, использования и внедрения методики, учитывающей динамический характер нагрузок, приходящихся на трубопровод, а именно:

- в использовании в проектных организациях нефтегазовой отрасли разработанной методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов;

в использовании разработанных рекомендаций по прокладке трубопроводов в зонах АТР, обеспечивающих снижение влияния динамических подвижек грунта на трубопровод.

Методы решения поставленных задач

Поставленные задачи решаются аналитическими и численными методами с применением метода конечных элементов.

Объектом исследований является линейная часть подземных магистральных трубопроводов, пересекающих зоны активных тектонических разломов.

Предметом исследований является методика по определению напряженно-деформированного состояния трубопроводов на участках пересечения зон активных тектонических разломов при динамических подвижках грунта.

6 . ,

Положения, выносимые на защиту

1. Методика оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов при его динамическом взаимодействии с окружающим упруго-вязкопластическим грунтом при смещении масс грунта в зонах активных тектонических разломов.

2. Методика оценки потери устойчивости сечения трубопроводов, учитывающая скорость смещения грунта в зонах активных тектонических разломов.

3. Рекомендации по обеспечению безопасной эксплуатации трубопроводов при смещениях масс грунта в зонах активных тектонических разломов.

Степень достоверности

Достоверность результатов определяется аналитическими методами решения поставленных задач и обеспечивается тем, что в основе работы лежит известная, хорошо проверенная модель трубопровода как упругой балки, обобщенная автором для более сложного характера взаимодействия с грунтовым основанием. Достоверность подтверждается совпадением результатов аналитического и численного решения задач. При решении задач численными методами использовалась современная компьютерная техника с лицензионным программным обеспечением, включая комплекс Ашув.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты»; научно-техническом совете ОАО ВНИИСТ; второй Российской научно-практической конференции «Актуальные вопросы нефтегазового строительства», получив положительную оценку ведущих специалистов этого направления отрасли.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 работ в ведущих рецензируемых изданиях и журналах, рекомендованных

ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, рекомендаций и библиографического списка использованной литературы, включающего 94 наименования. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнены: анализ состояния подземных трубопроводов в сейсмически активных зонах, анализ математических моделей грунта, обзор нормативно-технической документации и теоретических исследований по проектированию подземных трубопроводов в зонах АТР.

В районах АТР наблюдается относительное смещение поверхностных слоев грунта, в которых прокладываются подземные трубопроводы. Скорость смещения грунта при сейсмических воздействиях может достигать скоростей поперечных волн в грунте. Подобные смещения называются сейсмогенными смещениями или сейсмогенными подвижками. Исследованиями взаимодействия трубопроводов и грунтов занимались многие из отечественных и зарубежных ученых. Исследованием трубопроводов в сейсмически опасных зонах занимались Гехман A.C., Напетваридзе Ш.Г., Спиридонов В.В. и др. Однако они не рассматривали пересечения подземных трубопроводов с зонами АТР. Бородавкиным П.П. была доказана необходимость учета реологии грунтов при расчете трубопроводов. Особенно следует отметить работы Иванцова О.М., посвященные изучению конструктивных решений

прохождения трубопроводами зон АТР. Вопросами взаимодействия

■i

трубопроводов и грунтов в районах АТР занимались Васильев Г.Г., Андреева Е.А., Сущев Т.С., Савинов O.A. и др. Однако в их исследованиях не

8 , рассматривалось влияние вязких свойств грунтов при взаимодействии с

трубопроводом. Анализ сейсмического взаимодействия трубопровода с

окружающим грунтом показал, что процесс этот носит динамический

(импульсный) характер и протекает с высокими скоростями. В работах

отечественных и зарубежных ученых по динамике фунтовой массы

отмечается, что при динамических взаимодействиях конструкций с грунтом,

вязкие свойства грунтов проявляются наиболее сильно и должны учитываться

при расчете конструкций. При высоких скоростях взаимодействия необходимо

разрабатывать специальные методики расчета напряженно-деформированного

состояния различных конструкций с грунтом, так как при скоростном

взаимодействии, нагрузки, приходящиеся на конструкцию, значительно

увеличиваются. Из анализа научных работ по данному вопросу следует, что в

настоящее время в нормативных документах отсутствует методика расчета

подземных магистральных трубопроводов при сейсмогенных подвижках грунта

в зонах АТР. За последние пять лет были проведень1 различные исследования,

посвященные разработке методов расчета подземных трубопроводов в зонах

АТР. Однако разработанные методы предназначены для статических нагрузок

на трубопровод, реализуемых при криповых (медленных) относительных

смещениях массы грунта в зоне разлома. В то же время при землетрясениях

наблюдаются скоростные смещения грунта, при которых характер

взаимодействия трубопровод - грунт существенно меняется. Последнее

обстоятельство делает необходимым разработку методики расчета НДС

подземного трубопровода при сейсмогенных (быстрых) подвижках в зонах АТР

с учетом реологических особенностей окружающего трубопровод грунта.

На основе ранее выполненных работ была поставлена задача исследования взаимодействия грунтов с трубопроводом при скоростных нагрузках. Исследования, проведенные Ляховым Г.М., Вяловым С.С., Ишихарой И. и др. показали, что в условиях динамического взаимодействия конструкций и грунтов существенную роль играют вязкие характеристики грунта. На основе их исследований в работе была принята математическая модель фунтов как обобщенного упруго-вязкого и упруго-вязкопластического

тела.

При сохранении своей несущей способности упруго-вязкий грунт описывается уравнением:

p + n-p = h-n-U + c-U (1)

где: п - время релаксации грунта, с;

h - сопротивление грунта при динамических нагрузках, Нм"2; с - сопротивление грунта при статических нагрузках, Н м"2; р- скорость изменения внешней нагрузки, Н м"' с"1; р - нагрузка на грунт, Н м"1;

U-относительное смещейие грунта под действием внешней нагрузки, м; U- относительная скорость смещения грунта, м с'1. При статических нагрузках грунт принимается как упругая среда, подчиняющаяся условию:

С • U = р (2)

При потере грунтом несущей способности, в условиях статического нагружения, нагрузка со стороны грунта принимается постоянной. В уравнении упруго-вязкого основания (1), при потере грунтом несущей способности, упругая составляющая С • U заменяется на постоянную величину рпр,Н м"'.

В зависимости (1) члены, являющиеся первыми производными величин 1 по времени, определяют влияние вязких свойств грунта при скоростных подвижках в зонах АТР и их следует учитывать при расчете НДС трубопровода.

Вторая глава состоит из четырех параграфов, каждый из которых является составной частью общей методики расчета трубопровода. Для определения влияния скорости смещения грунта на напряженное состояние трубопровода принято, что: >

I

I

| - продольными внешними нагрузками от грунта, действующими на

i

I трубопровод, пренебрегаем, по сравнению с поперечными нагрузками;

- продольные усилия в трубопроводе постоянны;

- материал трубопровода упругий.

Уравнение движения трубопровода в общей постановке

имеет вид:

[м]-{у}+[с]{у}+[к].{у} = ф,0 (3)

Рассматриваем движение трубопровода в упруго-вязкой среде. Так как

сила реакции в упруго-вязкой среде зависит не только от величины деформации среды, но и от скорости деформации и скорости приложения нагрузки, приходящейся на среду, то распределенная по внешней поверхности трубы нагрузка может быть представлена в виде:

ГМ=^(и)+^(й)+Тз(и)+Ш (4)

где: и, й, и - перемещение, м, скорость, м-с"1 и ускорение, м-с"2 грунта

соответственно; ^(и) - статическая нагрузка, действующая на трубу при

движении грунта; Гг(й) - нагрузка на трубу, зависящая от скорости смещения

грунта; Г3(и) - инерционная нагрузка; 1'4(р) — функция давления на грунт со

стороны трубопровода.

В работе принято, что справа от плоскости разлома происходит подвижка массива грунта на величину Д (участок 2, рисунок 1). В таком случае участок трубопровода, находящийся справа, вовлекается в движение окружающим его грунтом. Ввиду неразрывности трубопровода, участок слева от плоскости (участок 1, рисунок 1) также смещается, но уже в неподвижном массиве грунта.

продольные усилия, Н: СЬ, СЬ - перерезывающие силы, Н; Мь М2 - моменты, Н м; Уь У2 - упругая линия оси трубопровода, м; к], к2 — жесткость основания, ^ Н м"2; А - смещение грунта, м

Таким образом, рассматриваются два варианта взаимодействия трубопровода с грунтом.

1. Для участка трубопровода справа от плоскости разлома, движение трубы

происходит за счет смещения грунта.

В этом случае распределенная по внешней поверхности трубы нагрузка со стороны грунта зависит от разницы перемещений (и -у); скоростей (ù - у) и ускорений (ii-y). При этом выполняются условия: и - у ф 0; Ù-У ^ 0 ; U-y^0. Уравнение изгиба оси трубопровода при различных видах нагрузок принимает вид.

1) При статических нагрузках: ù = 0; у = 0; ii = 0; у = 0, уравнение

д4у дгу

запишется в виде:Е-J—+ N--- = f,(y —и), статическая нагрузка равна

Эх Зх

fi(y-u) = c-(u-y), где с — сопротивление грунта при статических нагрузках.

2) При динамических нагрузках:

[М] • {у}+[Стр] • {у}+[К] ■ {у} = f, (u) + f2 (û)+f3 (и)+f4 (р)

где С^ — матрица демпфирования трубопровода. Ввиду малости внутреннего трения, принимаем, что демпфирование в трубопроводе отсутствует.

Для формализации нагрузки со стороны трубопровода на основание следует рассмотреть принятую реологическую модель грунта, наиболее полно характеризующую поведение грунта при скоростных нагрузках. При условии скоростного относительного смещения трубы и грунта, последний моделируется реологической моделью обобщенного упруго-вязкого основания, уравнение которого записывается в виде:

p + n- p = c-(u-y) + h- n-(ù-y) (5)

где: р — нагрузка, действующая на грунт. С учетом уравнения (5), получим:

.. т 34у ,т 52у , ..

mTP-y + E-J-^- + N- — + c-y = c-u + h-n-(u-y)-n-p + mrp-u (6)

При динамическом взаимодействии трубопровода и грунта нагрузка р связана с нагрузкой, приходящейся на трубу со стороны грунта q следующим уравнением:

Р + Штр -y^q + m^ -и (7)

Преобразовывая уравнение (6) с учетом уравнений (5) и (7), получим:

E.j.^I+N.^Z + q = o a*4 ax2 4

В уравнении (8) полная нагрузка q, Н м'1, приходящаяся на трубопровод, определяется из совместного решения уравнения (5) и (7).

Так как труба вовлекается в движение грунтом, то характер смещения во времени у трубы и грунта должен быть одинаков. Представим функции перемещения грунта и трубы в виде: U = U(x) • T(t); у = Y(x) • T(t). Зависимость величины перемещения грунта от времени может быть аппроксимирована полуволной синуса T(t)=sin(co-t). Тогда u = U(x) ■ sin(co• t), у = Y(x)-sin(co-t). Начальные условия для смещения грунта записываются в виде: при t=tb и=Д; й = 0, ii = а; где а - максимальное ускорение грунта при смещении, м-с"2; Д - величина смещения грунта, м. Исходя из начальных условий, были определены: частотная характеристика

со = [рад-с1]; время взаимодействия трубопровода с грунтом t, = ^ ■

[с]. Решая совместно уравнения (5) и (7) относительно нагрузки q получим зависимость нагрузки, приходящейся на трубопровод, от времени взаимодействия трубы с грунтом:

q = Y(x)

-U(x)

- rn

• со + -

h —ш„ - co2 +■

(h-c) (co2-n2+l)

(h-c)

(CO2 -n2 +1)

cos(co • t) - e ° sin( со • t)

co-n-1

cos(co • t) - e n sin( со • t)

•co-n-1

(9)

J J

Подставляя зависимость (9) в (8) и учитывая начальные условия, получим уравнение изгиба оси трубопровода на упруго-вязком основании при смещении грунта на величину А в виде:

Е • I • У,1У (х) + N • У, "(х) + к. • У, (х) = к, ■ А

где:

к. = Ь — ттр • а>2 -к, = Ь-т -со- -

(Ь-с) (со2-п2+1) (Ь-с)

е " -ю-п + 1 е " • со • п + 1

(со2 -п2 +1)

Размерности коэффициентов кь к2 - Н-м2. Приведенные выше уравнения применимы для диапазона времени О^Ш^где 11— время, за которое происходит смещение грунта, с.

2. Для участка трубопровода слева от плоскости разлома происходит смещение трубы при неподвижном окружающем грунте.

Так как смещения грунта не происходит, начальные условия для грунта записываются в виде: при 1=^, и=0, й = 0, й = 0. Учитывая данные начальные условия, нагрузка, приходящаяся на трубопровод, запишется в виде:

Ч = У(х) •

Ь-гп -со2 +

(Ь-с) (со2 -п2 +1)

соз(о) ■ 0 - е ° 8Й1( со • 1)

со-п-1

(П)

У

Уравнение изгиба оси трубопровода слева от плоскости. разлома определяется из уравнения:

Е-1-У,1У(х) + №У,"(х) + к, • У,(х) =0 (12)

В диссертационной работе приведены расчеты напряженно-деформированного состояния трубопровода на примере трубопровода «Соболево - Петропавловск-Камчатский», проходящего по территории Камчатского края и пересекающего зоны активных тектонических разломов в подземном исполнении.

Граничные условия для стыковки участков трубопровода слева и справа от плоскости разлома (рисунок 1):

0 у лл — V ¿У,(х)_^У2(х) сРУ,(х) ^У:(х) а3У,(х) _ с13У2(х) х О, у,(х) У2(х), ^ - ^ , ^ - , ^ - ^з

Выполнены расчеты для различных ускорений смещения масс грунта при сдвиговых и сбросовых подвижках. Расчеты проведены для следующих исходньк данных: грунт глинистый; наружный диаметр трубопровода 0,53 м;

толщина стенки трубопровода 0,01 м; внутреннее давление 7 МПа; температурный перепад 36 °С; статический модуль упругости грунта 9,8 МПа: динамический модуль упругости грунта 44,1 МПа; величина смещения 0,1 м; длина рассматриваемого участка 20 м; предел текучести стали 450 МПа; предел прочности стали 530 МПа. Для частного случая при сейсмическом ускорении грунта 8 м-с"2 получены следующие уравнения изгиба оси трубопровода:

Последующие расчеты были проведены с помощью программного комплекса Ашув. Получена графическая зависимость максимальных напряжений в трубопроводе при различных ускорениях смещения фунта в зонах разлома при сдвиге (рисунок 2) и при сбросе (рисунок 3).

Yj(x)=exp(0,289-x)-(-0,05-cos(0^93-x)-7,25-10"4-sin(0^93-x)) Y^(х)=-ехр(-0,289 • х)• (-0,05■ cos(0,293 ■ х)+7,25 ■ 10 sin(0,293 х))-0,1.

о , WTa

400

350 300

-----Эквивалентные

напряжения

250 ■

200 --

-Иггибные

напряг ния

50 -

0 -I-1-1-1-1-1—>

0 2 4 6 8 10 а, мс

Рисунок 2. Зависимость максимальны^ напряжений (о) от ускорения грунта (а) при сдвиге в зоне АТР

350

300

-Эквивалентные

напряжения

250

150

100

-Изгибные

напряжения

so-.-—

0 -г-I-,-,-i—^

О 2 4 6 8 10 а, »<?

Рисунок 3. Зависимость максимальных напряжений (а) от ускорения грунта (а) при сбросе в зоне АТР

На рисунках 2-3 ускорение равное нулю соответствует статическому расчету трубопровода. Из приведенных графиков следует, что при увеличении ускорения смещения грунта значительно увеличивается напряженное состояние трубопровода. В частности, при ускорении 8 м-с"2 изгибные напряжения в два раза превосходят статические. Из сравнения рисунков 2 и 3 видно, что при сдвиге напряжения в стенке трубы растут быстрее, чем при сбросе. Это происходит при сбросе за счет срыва грунта по грунту над трубопроводом при вертикальном смещении вверх. С увеличением глубины прокладки трубопровода, полученные значения напряжений для сдвига и сброса приближаются.

Результаты расчета эквивалентных напряжений в зависимости от ускорения и величины смещения разлома приведены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Зависимость эквивалентных напряжений в трубопроводе (о) от величины смещения (Д) для различных величин ускорений грунта (а) при

сдвиге

На рисунках 4. 5 оп — предел пропорциональности. МПа, ст0.2 ~ предел текучести МПа, ип — величина, при которой наступает предельное состояние грунта, м. В процессе перемещения возрастают напряжения от изгиба и эквивалентные напряжения в трубопроводе. При достижении предельного состояния и наступлении срыва грунта, напряженное состояние трубопровода снижается из-за уменьшения внешней нагрузки. Этим обусловлен характер кривой на рисунке 5.

Напряженное состояние трубопровода зависит от величины, при которой

наступает предельное состояние грунта. Влияние различных грунтовых условий на напряженно-деформированное состояние трубопровода рассмотрено в Главе 4 настоящей диссертации.

а, МПа

450

200

150 -1-1--1-1-1—г ~

О 0.1 0.2 0.3 ОД 0.5 Д , м

Рисунок 5. Зависимость эквивалентных напряжений в трубопроводе (а) от величины смещения (А) для различных величин ускорений грунта (а) при

сбросе

Как видно из графиков (рисунки 4,5) для сдвиговых и сбросовых подвижек, при ускорении 9,81 м-с"2 и смещении грунта около 0,5 м эквивалентные напряжения в трубопроводе увеличиваются на 20 %, по сравнению с расчетами без учета динамики и вязких свойств грунтов. Таким образом, не учет вязких свойств грунтов приводит к получению заниженного расчетного НДС трубопровода.

На основании выполненных расчетов НДС трубопровода проведена оценка наличия недопустимых пластических деформаций. Коэффициент условия работы трубопровода ш=0,6; коэффициент надежности по материалу к2н=1,15; коэффициент надежности по назначению к„=1.

Расчет показал, что предельные продольные напряжения, определенные в соответствии со СНиП 2.05.06-85*, при которых могут происходить

R 11 ■ m

недопустимые пластические деформации, равны R, =—--= 300 [МПа] при

0,9-к„

R. н ■ ш

растяжении и R, = у3 • ^ ^ ^ =168 [МПа] при сжатии: где

Я2н=ао,2=450 [МПа]; \|/3 определяется в соответствии со СНиП 2.05.06-85*. Проведены расчеты и построены графики абсолютных значений максимальных продольных напряжений в зависимости от ускорения и величины смещения разлома (рисунки 6, 7).

_•— з=0 [м с"] -•— а=1 [мс"] 3=4 [н е"]

- з=е [м с ] —*— а=в [м с"] —<а=ю[мс"] -ч- я,[МПа]

о.е Д , м

Рисунок 6. Зависимость продольных напряжений (сп) от величины смещения грунта (Д) при различных величинах максимального ускорения (а) при сдвиге

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 А • м

Рисунок 7. Зависимость продольных напряжений (о„)от величины смещения грунта (Д) при различных величинах максимального ускорения (я) при сбросе

На рисунках 6 и 7 горизонтальной чертой выделена зона, при превышении которой в трубопроводе могут появляться недопустимые пластические деформации. Как видно, при сдвиговых подвижках при расчете на статические нагрузки со стороны грунта, недопустимые деформации появляются при смещении около 0,48 м, в то время как с учетом ускорения 9,81 м с"2 эта величина составляет 0,21 м. При сбросовых подвижках при ускорении 9,81 м-с"2 недопустимые пластические деформации появляются при смещении

ОД м, в то время как расчет без учета динамики грунтов это значение составляет 0,46 м, что дает заниженные значения напряженного состояния и снижает безопасность эксплуатации трубопровода.

Сравнение результатов расчетов НДС трубопровода в программном комплексе Ansys как балки на упругом основании с жесткостью основания ki и к2 и аналитического решения показали совпадение по напряженному состоянию в пределах 5%. Это позволяет для дальнейшей оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода пользоваться моделью балки на упруго-вязком основании.

Разработанная методика, основанная на полученной математической модели взаимодействия трубопровода и грунта, позволяет оценивать НДС трубопровода в зависимости от скорости и ускорения смещений массива грунта в зонах АТР.

Третья глава посвящена разработке методики оценки местной устойчивости трубопровода при динамическом взаимодействии с грунтом в зонах активных тектонических разломов.

Для определения зависимости влияния динамики грунтов и величины смещения грунта в зоне АТР на устойчивость сечения трубопровода рассмотрено равновесное состояние сегмента сечения трубы единичной длины, взаимодействующего с грунтом (рисунок 8).

— внешнее давление, Нм~2; Я — наружный радиус сегмента, м; а - угол рассматриваемого сегмента, град

Получены зависимости распределения внешней нагрузки по контуру

сечения трубопровода для случаев допредельного и предельного состояния упруго-вязкопластического грунта при сохранении грунтом несущей способности:

q =-L ■ cos(a) (13)

2 • R

где: Ah - относительное смещение трубопровода и грунта, м; R - наружный радиус трубопровода, м; ki — приведено в Главе 2; а - угол рассматриваемого сегмента, град.

В работе проведена оценка устойчивости сечения трубы для трубопровода 0530x10 с пределом текучести стали 450 МПа и пределом прочности стали 530 МПа. Результаты расчетов показали, что при максимальном внешнем давлении (qmax) 2,8 МПа в стенке трубы возникают напряжения, превышающие предел текучести.

С учетом уравнения (13) были получены зависимости максимальной внешней нагрузки при сейсмогенных подвижках грунта на трубопровод qmax от ускорения и величины смещения разлома (рисунок 9). График построен для следующих характеристик грунтов: грунт глинистый; статический модуль упругости грунта 9,8 МПа; динамический модуль упругости грунта 44,1 МПа.

Рисунок 9. Зависимость максимальной внешней нагрузки ^тах) приходящейся на сечение трубопровода от ускорения смещения грунта (а) для различных величин ускорений при сдвиге

Анализ показал, что при статических смещениях грунта типа сдвиг для

рассматриваемых параметров трубопровода, нагрузки не

представляют опасности с точки зрения необратимой потери формы сечения. При учете упруго-вязких свойств грунта и ускорения смещения грунта, нагрузки на трубопровод могут приводить к потере устойчивости. Из этого следует, что расчет трубопровода в зоне АТР при сейсмогенных смещениях без учета вязкопластических свойств грунтов приводит к заниженным значениям напряженного состояния.

Зная распределение нагрузок по контуру трубопровода при сейсмогенных смещениях, был проведен расчет напряженного состояния стенки трубопровода.. Исходные данные для расчета (геометрические параметры трубопровода и грунтовые условия) принимались те же, что и в Главе 2.

В результате расчетов показано, что с увеличением скорости, ускорения и величины смещения массы грунта в зонах активных тектонических разломов внешние нагрузки, приходящиеся на трубопровод, могут достигать значений, при которых происходит потеря устойчивости сечения трубы. Из этого следует, что в зонах АТР необходимо проводить оценку устойчивости сечения трубы наряду с расчетом НДС трубопровода. Для возможности оценки устойчивости сечения была разработана методика, учитывающая скорость смещения грунта в зонах АТР и упруго-вязкопластические характеристики грунта.

В четвертой главе проведен анализ влияния грунтовых условий при сейсмогенных подвижках типа сдвиг и сброс на напряженно-деформированное состояние трубопровода. На основе анализа были даны практические рекомендации по мероприятиям в зонах АТР, направленным на снижение напряженного состояния трубопровода при сейсмогенных подвижках.

Одним из основных факторов, влияющих на безопасность при эксплуатации, является принятие обоснованных расчетом конструктивных решений по прокладке трубопровода в зоне АТР. На сегодняшний день основными техническими решениями в зонах разломов являются применение уширенной траншеи и засыпка рыхлым несвязным, в основном, песчаным грунтом. Для разработки рекомендаций по снижению напряженного состояния трубопровода в зонах разломов был проведен анализ грунтовых условий

засыпки для подвижек типа сдвиг и сброс. Расчеты проводились на примере магистрального газопровода «Соболево - Петропавловск-Камчатский».

Из полученных результатов расчетов трубопроводов при сбросовых подвижках был сделан вывод, что прокладку подземного трубопровода в зонах АТР рекомендуется осуществлять в несвязных песчаных грунтах. Исследования при сдвиге показали, что предпочтительным является прокладка трубопровода в пластичных фунтах с низкими значениями модуля статической и динамической упругости. Результаты расчетов изгибных напряжений для различных грунтов засыпки приведены на рисунке 10.

а)

✓

О*

У

б)

120 100

/ Г

/

ф

Рисунок 10. Максимальные изгибные напряжения (о„) для различных грунтовых условий: а) при сдвиге; б) при сбросе

Так как динамические и статические модули упругости грунтов меняются в зависимости от влажности, было исследовано ее влияние на напряженное состояние трубопровода на примере песчаного грунта как наиболее предпочтительного при прокладке трубопровода при подвижках типа

сброс. Проведены расчеты трубопровода, проложенного

песчаном грунте различной влажности при сбросе (рисунок 11).

а)

ELEMENT SOLUTION

STEP=1

3UB =1

TIME~1

3EQV (NOAVG)

DMX =s.109608 3MX —.859E+08

AN

NOV 29 2012 20:43:18

mri

ТШШТТЛ

б)

SBROS PES i

ELEMENT SOLUTION

3TEP=1

3UB =1

TXME=i

3EQV (NOAVG)

DMX =.108925 3MX =. 103E+09

JUL 31 2012 13:22:40

ттггтттптп ! I rnn

rm

Рисунок 11. Изгибные напряжения при различной влажности песчаного грунта: а) влажность \У=3 [%]; б) влажность '№'=10 [%]

На рисунке 11 показаны результаты расчета в программном комплексе Апвув. Здесь и далее результаты расчетов в АпвуБ приведены в виде рисунков, в которых числовые значения напряжений отображаются в экспоненциальном виде, где обозначение 1,0Е+10 соответствует 110ш. Результаты расчетов показали, что увеличение влажности грунта приводит к росту изгибных напряжений в трубопроводе.

Проведенные исследования показывают, что для снижения изгибных напряжений в трубопроводе с целью обеспечения его безопасной эксплуатации, необходимо предусматривать мероприятия по снижению влажности грунтов засыпки и отводу грунтовых вод.

Учитывая, что сейсмогенные подвижки грунта могут происходить в любое время года и в разных природно-климатических условиях, в работе был рассмотрен случай сейсмогенных смещений в мерзлых грунтах. Прокладка

трубопровода в рыхлых фунтах в зонах АТР может положительно сказаться при динамических воздействиях в случаях, когда фунт вокруг трубопровода находится в талом состоянии. При отрицательных температурах воздуха рыхлый несвязный фунт промерзает быстрее и на большую глубину.

Проведен расчет изгибных напряжений в трубопроводе при сейсмогенных подвижках типа сдвиг в талом и мерзлом песке (рисунок 12).

а)

вьвмект воьитхои

ЗТВР=1

зив =1

Т1МЕ=1

ЭЕОУ (МОАУб)

Е)МХ =.109608 8МХ =.859Е+08

/ММ

б)

'га1Т|^ТПТТПТТПТТгптт

ЗВКОЗ_РЕ£ 1

ВЬЕМЕОТ ЗОШТЮИ

атБР=1

зив =6

Т1МВ=1

ЗЕОУ (ИОАУб)

0М>: =.10181 ЗМХ = . 338Е+09

й «IV

ЛУ<3 5 2012 20:03:16

П 111III И 111! П1П I

ГЛ 1111 пшмммм

Рисунок 12. Изгибные напряжения при прокладке в песчаном грунте: а) талый

грунт; б) мерзлый фунт

Из сопоставления проведенных расчетов (рисунок 12, а - б) видно, что в мерзлых грунтах НДС подземного трубопровода значительно выше, чем в тех же талых фунтах. Отсюда следует, что засыпка трубопровода рыхлым песчаным грунтом не обеспечивает его безопасность, а возможно и ухудшает состояние трубопровода при сейсмогенных подвижках в зимний период. Для обеспечения безопасности необходимо предусматривать мероприятия, обеспечивающие нахождение грунта в талом состоянии. Исходя из анализа влияния свойств фунтов, можно сделать вывод, что прокладка трубопровода в неводонасыщенных талых песчаных грунтах является наиболее приемлемой с точки зрения уменьшения напряженного состояния при сбросовых

сейсмогенных подвижках ATP.

Помимо возможных подвижек в зонах АТР, разломы представляют опасность с точки зрения распространения сейсмических волн вдоль оси трубопровода. Поэтому, при расчете напряжений и разработки рекомендаций по условиям прокладки подземного трубопровода необходимо учитывать помимо поперечных подвижек и продольные сейсмические воздействия. Для оценки напряженного состояния трубопровода от воздействия продольных волн был проведен расчет НДС трубопровода при различных грунтовых условиях. Результаты расчетов (рисунок 13) показывают, что грунтовые условия по-разному влияют на напряжения в трубопроводе в случае поперечных сбросовых подвижек и в случае воздействия продольных сейсмических волн.

■т МП а

35 30 25 20 15 10 5 О

Рисунок 13. Результаты расчета продольных напряжений (ап) в зависимости от

типа грунта

Фактически, рекомендации по грунтам засыпки являются прямо противоположными для случая воздействия сейсмических волн вдоль трубы и для случая поперечных подвижек типа сброс.

В результате исследования влияния различных грунтовых условий на напряженно-деформированное состояние трубопровода были разработаны рекомендации для обеспечения безопасной эксплуатации трубопровода в зонах АТР. Показано, что для минимизации напряжений необходимо

предусматривать мероприятия по снижению влажности грунтов засыпки и отводу грунтовых вод и мероприятия, обеспечивающие пребывание грунта в талом состоянии. Также показано, что при подвижках типа сброс предпочтительной является прокладка в рыхлых, несвязных фунтах, в то время, как при подвижках типа сдвиг минимальные напряжения реализуются при засыпке пластичным фунтом. Полученные результаты позволяют для конкретных условий пересечения трубопроводом зон АТР рекомендовать технические решения, позволяющие обеспечить его безопасность.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Из результатов проведенных исследований следуют следующие выводы и рекомендации:

1. Утверждается, что в зонах активных тектонических разломов расчет подземного трубопровода следует проводить как балки на вязкоупругом основании. Доказано, что напряженно-деформированное состояние трубопровода в зонах активных тектонических разломов зависит не только от величины, но и от скорости смещения масс фунта.

2. Показано, что при подвижках грунта, в направлении перпендикулярном оси трубопровода, с ускорением порядка 8 м/с2 и более, изгибные напряжения в трубопроводе могут достигать величин, при которых возникают недопустимые пластические деформации.

3. Показано, что для обеспечения безопасной эксплуатации подземного трубопровода необходимо:

- при динамических подвижках масс фунта типа сдвиг (относительные смещения в горизонтальном направлении), рекомендуется засыпка траншеи пластичным фунтом с низким статическим и динамическим модулем упругости;

- при динамических подвижках масс фунта типа сброс (относительные смещения в вертикальном направлении), для обеспечения безопасной эксплуатации трубопровода рекомендуется засыпка траншеи несвязным, рыхлым, неводонасыщенным фунтом.

4. Доказано, что с увеличением влажности грунта в

условиях динамических смещений масс грунта в зонах активных тектонических разломов, изгибающие напряжения в трубопроводе также увеличиваются. Рекомендуется в таких зонах предусматривать мероприятия по отводу и сбросу воды.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1) Фигаров, Э.Н. Учет динамических свойств грунта при расчете подземных трубопроводов в зонах активных тектонических разломов/ Э.Н. Фигаров// Трубопроводный транспорт (теория и практика). - 2012. -№1(29).-С. 28-31.

2) Фигаров, Э.Н. Оценка напряжённого состояния подземного ! трубопровода, пересекающего зоны активных тектонических разломов/

Э.Н. Фигаров// Трубопроводный транспорт (теория и практика). - 2012. - №6 (34). - С. 39-42.

3) Фигаров, Э.Н. Взаимодействие трубопровода с грунтом при сейсмогенных подвижках в зонах АТР с учетом упруго-вязкопластических свойств грунта/ Э.Н. Фигаров// Трубопроводный транспорт (теория и практика). -2013.-№1 (35).-С. 52-55.

4) Фигаров, Э.Н. Влияние реологических свойств грунтов на напряженное состояние подземного трубопровода в зонах активных тектонических разломов/ Э.Н. Фигаров// Сборник докладов «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты». — Новосибирск: Сибпринт. - 2013. - С. 206-210.

5) Сенцов, С.И., Фигаров, Э.Н., Николаев, А.К. Оценка усилий потери устойчивости сечения трубопровода при скоростном взаимодействии с грунтом/ С.И. Сенцов, Э.Н. Фигаров, А.К. Николаев// Нефтяное хозяйство. -2013. - № 6. — С. 119-121.

6) Сенцов, С.И., Фигаров, Э.Н., Николаев, А.К. Оценка напряженно-

деформируемого состояния подземного трубопровода с учетом реологических

свойств грунтов в зонах активных тектонических разломов/ С.И. Сенцов, Э.Н. Фигаров, А.К. Николаев// Газовая промышленность. - 2013. - 697. - С. 6264.

7) Сенцов, С.И., Фигаров, Э.Н. Оценка напряженного состояния подземных трубопроводов в зонах активных тектонических разломов при различных грунтовых условиях/ С.И. Сенцов, Э.Н. Фигаров// Нефтегазовое строительство. - 2013. - №2. - С. 43-45.

8) Сенцов, С.И., Фигаров, Э.Н. Расчет подземного трубопровода при динамическом взаимодействии с грунтом/ С.И. Сенцов, Э.Н. Фигаров// Нефтегазовое строительство. - 2013. - №4,- С. 40-44.

Подписано в печать: 14.12.2014 Тираж: 100 экз. Заказ № 1309 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru