автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка методики расчета прочности магистральных газопроводов с полиэтиленовыми вставками

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГ АЗОВЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 622.691.4:618.518.54

ПОНОМАРЕВА ТАТЬЯНА ГЕОРГИЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ С ПОЛИЭТИЛЕНОВЫМИ ВСТАВКАМИ

Специальность 05,15.13 "Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ".

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Новоселов В. В.

Тюмень 1999 г.

Содержание *

стр

Введение 4 Глава 1. Анализ методов строительства магистральных газопроводов Западной Сибири. 8

1.1 Характеристика газопроводных систем. 8

1.2 Климатические характеристики вдольтрассовых территорий газопроводов. 10

1.3 Анализ методов строительства газопроводов на слабонесу-

»

щих грунтах. 17

1.4 Анализ методов строительства газопроводов на вечномерз-лых грунтах. 30

1.5 Анализ методов строительства подводных переходов. 33 Глава 2. Эксплуатационный анализ магистральных газопроводов. 41

2.1. Анализ отказов магистральных газопроводов. 41

2.2. Способы предупреждения возникновения дефектов. 52

2.3. Анализ свойств полиэтилена для ремонта газопроводов. 60 Глава 3. Обеспечение ремонтопригодности газопроводных систем. , 70

3.1 Показатели надежность линейной части газопроводных систем. 76

3.2. Параметры оценки ремонтопригодности газопроводов. 81

3.3. Система технического обслуживания и ремонта газопроводов. 87

3.4. Оценка эффективности технического обслуживания и ремонта линейной части газопроводов. 96

Глава 4. Восстановление прочности участка отремонтированного

полиэтиленовыми вставками. 101

4.1 Анализ существующих-методов ремонта магистральных газопроводов. 101

4.2 Анализ методик расчета прочности газопроводов. 108

4.3 Разработка алгоритма расчета для определения прочности линейной части газопроводов с полиэтиленовой вставкой. 116

4.4 Разработка методики расчета газопроводов с полиэтилено-

«

выми вставками. 121

Выводы. 144

Литература. 145

Приложения.

»

ВВЕДЕНИЕ

Роль трубопроводного транспорта газа в народном хозяйстве страны резко возрастает в связи с удаленностью мест добычи от мест потребления. Значительно усложняется структура систем газоснабжения, становится острой проблема оценки ее технико-экономической эффективности и выбора оптимальных вариантов принимаемых решений. Кроме того, необходим комплексный учет технических, экономических и социальных факторов. Трудности решения поставленной задачи обусловлены требованиями широкого народно-хозяйственного подхода при выборе оптимальных технологических условий.

Магистральный транспорт газа переживает в настоящее время период бурного развития. Сооружения и интенсивная эксплуатация многониточных газопроводов большой протяженности ставит новые задачи по проектированию, сооружению, эксплуатации и эффективному ремонту.

Дальний транспорт газа - единая взаимосвязанная технологическая система, осуществляющая перемещение больших количеств газа от мест их добычи или производства к пунктам потребления на тысячи и более километров.

Одним из важных звеньев в системе дальнего транспорта газа являются газопроводы 'Западно-Сибирского региона. Система магистральных газопроводов Западной Сибири является крупнейшей не только в нашей стране, но и в мире. Природный газ с месторождений севера Тюменской области по трансконтинетальным магистральным газопроводам подается в промышленные районы Урала и европейской части страны, на экспорт в европейские страны.

Особенности территории прохождения трасс газопроводов: высокая заболоченность, обводненность, наличие зон с многолетнемерзлыми породами, низкие среднегодовые температуры, сложная транспортная 'схема

доставки материалов, удаленность от баз снабжения - всё это значительно осложняет строительство, эксплуатацию и ремонт всех элементов магистральных газопроводов.

Добыча газа в Западной Сибири за; последние десятилетия выросла с 178 до 560 млрд. м3 в год, а доля Тюменского газа в общем балансе отрасли -с 33 до 90 % . Только объединение Тюментрансгаз за 1997 год транспортировало природного товарного газа 409,64 млрд. м3 . На цачало 1998 года протяженность линейной части объединения составила 26630 км.

Сложные природно - климатические условия севера Западной Сибирского региона значительно затрудняют строительство и эксплуатацию газотранспортных систем, проведение ремонтно - восстановительных работ, увеличивают их стоимость, требуют специальных технических решений для обеспечения надежной работы всей газотранспортной системы.

Затраты на функционирование газотранспортной системы (ГТС) обусловлены типом и количеством эксплуатируемого оборудования, сроком его эксплуатации, а также географическим расположением и почвено -грунтовыми условиями прохождения трасс газопроводов и другими факторами.

Необходимо отметить, что надежность газоснабжения снижается из-за отказов по ряду причин, характерными из которых являются: низкое качество материала, несовершенная технология транспортировки труб, нарушения режима эксплуатации, физическое старение и сложные условия прокладки газопроводов.

Все перечисленные факторы существенно влияют на эффективность

«

транспорта газа, поэтому решения задач, связанных с разработкой новых методов капитального ремонта и повышения качества функционирования ГТС Западной Сибири, рассмотрены в данной работе.

Совершенствованию строительства и эксплуатации трубопроводных систем посвящены работы многих авторов, среди них наибольший вклад внесли В. Л. Березин, П. П. Бородавкин, В. В. Болотин, А. И. Гриценко, А. К. Дерцакян, Б. Л. Кривошеин, В. А. Иванов, Б. П. Порша-ков, П. И. Тугунов, Л. Г. Телегин, В. В. Харионовский, Е. И. Яковлев и др.

Тем не менее, вопрос повышения качества функционирования и ремонта ГТС по прежнему остается , актуальным. Для его решения разрабатываются новые технологии изготовления' труб, одновременно усиливается контроль за сохранением окружающей среды, увеличивается объем внутритрубной инспекции, по результатам которого проводят ремонтные профилактические работы на линейной части.

На основании проведенных исследований было определено, что одной из актуальных задач в эксплуатации газопроводов является выбор метода ремонта, который отвечал бы требованиям, предъявляемым к транспортным системам для надёжного газоснабжения.

В связи с этим, задачами исследований настоящей работы является:

1 анализ:

а) существующих методов строительства газопроводов в условиях повышенной трудности; »

б) статистических данных об утечках, отказах и авариях на

магистральных газопроводах;

в) системы технического . обслуживания и ремонтопригодности

газопроводов;

2 Разработка методов расчёта:

а) прочности линейной части магистральных газопроводов,

выполняемых традиционно;

б) расчёт газопроводов большого диаметра с полиэтиленовыми

»

вставками

в) прогрессивного метода капитального ремонта магистральных

газопроводов.

Научная новизна предлагаемых исследований заключается в разработке принципиально нового метода ремонта ГТС с помощью полиэтиленовых вставок, формируемых во внутренней полости методом экструдирования и в разработке методики расчета несущей способности газопровода с дефектом. На основании предлагаемой методики разработана программа по выбору оптимальных параметров с учетом напряженно -деформированного состояния трубопровода.

На основании проведенного комплекса исследований определилась возможность увеличения реального срока службы, при одновременном снижении затрат на техническое обслуживание и ремонт магистрального газопровода.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработанные методы и технологии в качестве промышленного эксперимента использованы в ТУМГ ДП "Сургутгазпром", на трассах Вынгапурского месторождения и на их отводах и показали полную пригодность разработанных мероприятий при капитальном ремонте.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ СТРОИТЕЛЬСТВА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

1.1 Характеристика газопроводных систем

Система газопроводов Западной Сибири начала развиваться с 1967 г., после ввода в эксплуатацию первого магистрального газопровода Игрим -Серов. В настоящее время система магистральных газопроводов Тюменской области является самой крупной и мощной системой не только в Российской Федерации (РФ), но и в мире.

Первый газопровод Западной Сибири Игрим - Серов, предназначенный для подачи газа из Пунгинского и Игримского месторождений предприятиям Северного Урала, имел диаметр 1020 мм, протяженность трассы 496,7км, проектную пропускную способность 10 млрд. м3 в год. Компрессорные станции оснащали агрегатами ГТ-6-750 с нагнетателями Н-300-1-1,23, впервые поступившими в опытно-промышленную эксплуатацию. Газопровод проходил по сложной в инженерно-геологическом отношении территории.

Трубопроводы в зависимости от способа прокладки подразделяют на: надземные, сооружаемые на опорах или эстакадах с устройством переходов через трубопроводы и проездов для транспорта, подземные, прокладываемые в грунте, открытых и закрытых лотках, в непроходных полуподземных и подземных каналах и наземные, сооружаемые с обвалованием. Согласно нормативным данным, срок службы надземных трубопроводов примерно в 2,5 раза больше, чем подземных.

Выбор способа прокладки трубопровода обусловливается экономической целесообразностью, рельефом местности, геологией, гидрогеологией, наличием искусственных и естественных препятствий, физико-химическими

свойствами перекачиваемых сред, климатическими условиями, удобствами обслуживания. •

Трубопровод для защиты от внешней среды покрывается защитными покрытиями (лакокрасочными, битумными, на основе эпоксидных смол, в виде полиэтиленовых лент). Трубопроводы, предназначенные для перакачки горячих и низкотемпературных сред, оборудуют тепловой изоляцией. Для уменьшения воздействия почвенной коррозии на подземные трубопроводы используют средства электрохимической защиты (протекторной, катодной или дренажной).

При проектировании трубопроводов добиваются обеспечения их надежности при минимальных затратах, учитывается необходимость унификации узлов и деталейу обеспечение высокой маневренности (быстрого включения и отключения), уменьшение тепловых потерь в неизотермических трубопроводах, снижение шумовых эффектов и т.д. Особое внимание уделяется выбору оптимальной трассы трубопровода.

Требования, предъявляемые к трубопроводам, направлены на обеспечение их надежности, безопасной эксплуатации, отражены нормативных документах. В них определены области применения материалов труб различных производств; изложены требования, предъявляемые: к прокладке, монтажу, сварке, термообработке; даны указания: по установке дренажных и воздушных кранов, по проведению гидравлических испытаний, контролю, освидетельствованию трубопроводов и к другим работам.

Расчет прочности трубопровода является сложным, разветвленным, многоэтапным процессом. Обычно комплекс прочностных расчетов подразделяют на ряд групп:

расчеты на прочность трубопровода в целом с учетом всего комплекса нагрузок, возникающих при эксплуатации трубопроводов; расчеты на прочность с учетом температурных воздействий;

специальные расчеты прочности трубопровода; расчеты на прочность отдельных деталей (элементов) трубопровода (колен, отводов, тройников, кранов и т.д.) [1,2].

Расчеты производятся по методу предельных нагрузок. Он наиболее адекватно учитывает работу трубопровода при статическом нагружении и позволяет проектировать трубопровод без излишних запасов прочности. Для расчета трубопровода, работающего при. высоких температурах, вызывающих интенсивную ползучесть, предел текучести должен заменяться преде»

лом длительной прочности. Расчеты трубопроводных элементов нормированы и выполнение норм контролируется государственными органами.

Монтаж трубопроводов представляет собой комплекс трудоемких операций: сборка, установка и, при необходимости, закрепление трубопровода в проектном положении, обработка и подготовка внутренних и наружных поверхностей, гидравлическое или пневматическое испытание.

Все трубопроводы перед пуском в эксплуатацию после монтажа, ремонта, консервации или простоя более одного года подвергаются испытаниям на прочность и проверке на герметичность, проводимым одновременно. Испытания проводятся после полной сборки трубопровода и монтажа всех узлов.

1.2 Климатические характеристики вдоль трассовых территорий газопроводов

Западная Сибирь - крупный нефтегазодобывающий район страны. Это район с суровыми климатическими условиями, множеством больших и малых рек, озер, болот, многолетне и сезонно мерзлыми грунтами.

Условно Западную Сибирь можно подразделить на три зоны: Южная, Среднее Приобье, Северная (табл. 1.1). Анализ приведенных характеристик

районов прокладки газопроводов показал, что транспорт .газа осуществляется в условиях эксплуатации более сложных, Чем в средних районах страны. [59] Абсолютный минимум температур - -60°С, максимум - 40°С, т.е. интервал изменения температур равен 100°С. Следует отметить, что изменение температуры в течение суток может быть более 15°С. Такие резкие колебания температуры приводят к тому, что температура газа изменяется, газопровод начинает "тянуть", и при этом возникают опасные напряжения в стенках труб, которые могут привести к их разрыву. Факторами, в значительной мере влияющими на изменение температуры в рассматриваемом регионе, являются: географическое положение, атмосферная циркуляция, характеристика грунтов, рельеф местности.

Среднегодовая'температура грунтов изменяется: для севера и Среднего

Приобья от -8°С до -9°С, а Южного Приобья от 2°С до 5°С. Климатические

»

характеристики региона определяются увеличением среднегодовой температуры с востока на запад.

В Тюменской области грунты в южных и средних районах характеризуются наличием большого количества торфа, песка и супесей различной плотности и гранулометрического состава, суглинка и глины. По своему составу они мелкодисперсны, лессовидны, макропористы; имеют относительно высокую влажность, способны к образованию морозобойных трещин, многолетних бугров пучения, склонны к термокарстовым явлениям.

Для северных районов, расположенных выше 66° северной широты, характерно наличие зон многолетне- и вечномерзлых грунтов. Пространство между 66° и 63° имеет отдельные талики, количество которых к югу возрастает, и южнее 63° часто встречаются мНоголетнемерзлые толщи, состоящие из влагонасыщенных торфяников.

♦

Таблица 1.1

Температурные характеристики Западной Сибири

Параметр Юг Западной Сибири Среднее Приобье . Север Западной Сибири

Среднегодовая температура наружного воздуха, °С -2-0 -3 ' -10

Средняя температура, °С: летнего периода зимнего периода 21 -17 8 -28 -4 -43 *

Абсолютная температура наружного воздуха °С: максимум минимум 35 -54 33 -56 31 -59

Число дней в году с отрицательной температурой 170 206 230

Число дней со снежным покровом 160 180 220

Высота снежного покрова, см 60 65 85

Скорость ветра, м/с максимальная 5,7 5,5 6,5 ,

Средняя относительная влажность воздуха: теплого (холодного), % 59 79 59 78 56 78

Север и Запад Сибири характеризуются равнинным заболоченным ландшафтом с отметкой 99 - 85 м над; ..уровнем моря. Почвы песчано-глинистые. Многолетняя мерзлота залегает на глубине 0 - 23 м и отдельными участками - на глубине 164 - 203 м. Грунтовые воды расположены на глубине 1,5 - 0,8 м.

♦

Район, расположенный в южной мерзлотной зоне, характеризуется приуроченностью вечномерзлых грунтов к озерно - болотным комплексам, покрытым торфом мощностью 4-5 м. Многолетнемерзлые грунты на этих

участках прерывисты и имеют массивно-островное распространение, т.е. занимают 20 - 90 % площади торфяного массива. Температура мерзлых грун-

*

тов в пределах, крупных торфяников составляет -5 - -4 °С, в мелких -1 °С. Острова и линзы многолетнемерзлых грунтов покрыты сомкнутым лесом с мощным бруснично-сфагновым слоем. Эти грунты (пески, реже суглинки) практически непросадочны, торфы сильнольдистые с большой степенью просадочности. Глубина сезонного протаивания грунтов -0,3 - 1,8 м, а промерзания болот -0,5 - 1,5 м. • : '

Характерным для участков вечномерзлых грунтов является рельеф с буграми пучения. Грунты, залегающие под торфом, представлены песками различной степени крупности с преобладанием мелких и пылеватых. В, основаниях торфяньк массивов встречаются маломощные линзы, прослойки супесей и суглинков. Льдистость грунтов, залегающих под торфяниками, весьма высока (6 - 60 %), что обуславливает наличие в них линз и прослоек льда. Грунты, льдистость которых дости