автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета сложных участков трубопроводов с учетом многократности силовых воздействий

государственный комитет российской федерации

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ од

2 4 дпр igг- ш я?**** ^от™

ШУВАЛОВ ВАСИЛИИ ПРЬЕЗИЧ

СОВЕРШЕНСТРОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СЛОЗШХ УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ МНОГОКРАТНОСТИ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация не<угэгааопроВадов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соиокание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1995

Диосер1^ционн-я работа выполнена ва кафедре "Сопротивление материалов и строительная механика" Уфимского Государственного нефтяного технического университета.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор техалеских наук, профессор Л.И. Быков ОФЩШЬШЕ ОППОНЕНТЫ:

Академик АНРБ,

доктор технических, наук, профессор А.Г. Гумеров

кандидат технических наук, доцэнт С.К. Рафиков

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Уральское объединение магистральных нефтепродуктопроводов, А.К. "Третовефтепрадукт".

Защита состоится мал. 19S5 в, 12 чао. на

ваоедшаш . диссертационного Совета Д.063.09.02 при Уфимском Гооударотаенном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Уфа, ^¿.Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в техничзеком архиве УШУ. Автореферат разослан "it" апреля 1995 г.

Ученый .секретарь/ диссертационного. Совета,

д. -<и. а., профессор • /Р.Н. Бахтизш

0Е1ЯАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Подземные трубопровода, несмотря на внелнюю конструктивную простоту, являются слокньаш инженерными сооружениями к представляют с окружащей средой системы, работающие как единое целое в течоние длительного времени. 3 период эксплуатации трубопровода, подвергайте.; многократным силовым воздействиям вследствие изменения различных технологических и природных факторов, основными из которых являются температура стенки трубы и давление перекачиЕ амого продукта. Поскольку трубопровод, расположенный в грунте, .федставляэт собой квааиупругуга систему, то при многократных воздействиях в нем накапливаются необратимые продольные перемещения и усилия, значительно превосходящие усилия и перемещения от однократного воздействия усилия той же величины. При многократных нагр>жениях происходит непрерывный процесс перераспределения усилий и перемещений по длина трубопровода. Как показывает опыт эксплуатации, их накопление происходит на участках, имеющих малую продольную жесткость, таких как подводные и- надземные перехода, перехода трубопроводов через водные гфеграды и болота Ш типа, выпуклые кривые, участки трубопровода на продольном склоне, что часто вызывает разьитие черазмерных деформаций, разрушение засыпки, потерю устойчивости и другие нарушают:! проектного положения, ведущие к отказам трубопроводов, происходязцкх на протяжении ряда лет после ввода их в эксплуатацию.

Эти обстоятельства выдвигают задачу контроля и прогнозирована изменения напряженного состояния потенциально опасных участков трубопроводов во времени с целью установления их эксплуатационной надежности, сроков и способов ремонта.

Над решением данной проблемы успешно работают ведугзие научно-

исследовательские, проектные организации и организации, занимающиеся вксплуатацяей трубопроводов. Их усилиями определень расчетные характеристики к метода учета воздействия прилегающих прямолинейных участков при анализе напряаг иного состояния ^ложных. участков трубопроводов. Но нельзя утверждать, что данная проблема решена полностью. До настоящего времени имеют место отказы линейкой части трубопроводов, происходящие по одним и тем кэ причинам. числу таковых относятся и отказы олоаных участков трубопроводов вследствие черезмерыого накопления продольных усилий и перемещений, перэдыощкхся о прилегающих прямолинейных участков.

Таким образом, задача исследования продольных перемещений подземных трубопроводов при многократном изменении температуры и давления перекачиваемого продукта яеляэтся актуальной, и ее решение позволит более точно оценивать напрякенно-деформированное состояние сложных участков трубопроводов.

Цель работы. Разработка уточненных методов расчета сложных участков линейной части трубопроводов путем учета многократного воздействия продольных усилий и перемещений, возникающих вследствие изменения температуры и давления перекачиваемого продукта.

Основные задачи исследования.

1. Разработка математикеоких моделей для расчета продольных усилий и перемещений трубопроводов вследствие многократного изменения температуры и давления перекачиваемого продукта при упругой, упруго-пластичной и пластичной связи трубы с грунтом.

2. Экспериментальное исследование на упругих растяжимых моделях характера перераспределения продольных усилий и перемещений по длине трубопровода при многократном приложении граничной продольной силы или граничного продольного перемещения.

3. Разработка методик часчета переходов промысловых

трубопроводов через водные преграды и (Золота Ш типа спсгобпми укладки по льду о последующим оамологруиением и на плавающих опорах о учетом многократного воздействия, от изменения температуры и давления перекачиваемого продукта.

4. Разработка методики расчета трубопровода на Продольном склоне при оползневых подвижках грунта о учетом многократного воздействия прилегающих участков.

Научная новизна.

В работе получены теоретические зависимости для расчета продольных усилий и перемещений- в' подземном , полубесконечном трубопроводе при многократном приложении продольной растягивающэй силы для упругой, упруго-пластичной и чисто пластичной связи трубы с грунтом;

выполнены экспериментальные исследования распределения продольных • усилий и перемещений' яри многократном приложении растягивающей продольной силы или граничного продольного перемещения на составных упругих моделях трубопровода;

разработана методика расчета переходов промысловых трубопроводов через водные преграды и болота Ш типа способами укладки по льду о пооледупцим самопогрухениам и на плавеющих опорах при. сезонных колебаниях уровня воды : о учетом многократного воздействия от изменения температуры и давления перекачиваемого продукта;

разработана методика расчета трубопровода на продольном склона при оползневых подвижках грунта о учетом многократного воздействия от изменения температуры и давления перекачиваемого продукта.

Практическая ценность.

Получены теоретические зависимости, . позволяющие расчитывать продольные уеи.тия и перемещения в подземных трубопроводах при

- б -

многократных нагружениях для упругой, упруго-пластичной и чисто пластичной связи трубы с грунтом;

обоснована возможность использования в расчетах сложьлх участков трубопровода в качестве верхнего предела перемещений прилегающих прямолинейных участков значения граничного . перемещения для случая пластичной се-зи трубы с грунтом при числе циклов нагрузкения силоЬ, соответствующей изменению темперетуры и давления перекачиваемого продукта от рабочего до нулевого значения, стремящемся к бесконечности;

предложенные в данной работе зависимости для расчета усилий и

перемещений трубопровода при многократных силовых воздействиях могут

\

быть использованы при расчетах и проектировании других сложных участков трубопровода ( выпученные участки, участки переходов трубопроводов под автодорогами и г. д. ), компенсаторо", узлов врезки на отводах и перемычках и позволяют повысить надежность линейной части нефтегазопроводов;

на основании разработанных методик составлены и утверждены "Инструкция по проектированию и сооружению переходов промысловых трубопроводов через внутрибологные водные комплексы на плаващих опорах" и "Инструкция по проектировании переходов промысловых трубопроводов через внутр1.болотнш водные комплексы о укладкой на лед пс временной схема и последующим погружением ¡год действием ^Сстванного веса".

Реализация в промышленности. С использованием разработанных руководящих документов к методик были вшголгена расчеты напряженно-деформированного состояния переходов пра.ысловых трубопроводов через озера протяженностью 140 м ( НГДУ "Федоровскнефть" ) и расчеты напряженно-деформированного состояния наблюдаемых участков трубопровода на продольном склоке при оползневых подвижках грунта

( отвод на Ставропольскую нефтебазу, СНУМНП ).

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертационной работе, были доложены и обсукдены на: 3S научно -технической конференции студентов, аспирантов и мслодых, ученых Уфимского нефтяного' института ( г.Уфа, 1984г. ); 41 научно -технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии "Вклад молодежи Башкирии в решение комплексных проблем нефти и гвза"С\г. Уфа, I99G г. ): 41 научно - гехничеокet конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Уфимского нефтяного -шститута ( г.Уфа, 1991г. ); П международной конференции "Контроль качества трубопроводов" ( г. Москве, 1991 г. ). / '

Публикации. Основные положения диссертационной работы освещены в 5 печатных работах.

На защиту выносятся:

1. Зависимости для определения продольных усилий и перемещайся трубопровода при м-гагократном прилокении граничной продольной силы для случаев упругой, упругопластичной и чисто пластичной овязи трубы с грунтом.

2. Результаты лабораторных исследований взаимодействия трубопровода с грунтом при многократных силовых воздействиях.

3. Метода и методики расчета переходов промысловых трубопроводов через водные преграда и болота Ш типа способвми укладки по льду с последующим самопогружением и на плавающих опорах с учетом многократных силовых воздействий от изменения температуры и давления перекачиваемого продукта.

4. Метод расчета трубопровода на продольном склоне при оползневых ^подвижках грунта с учетом многократного силового воздействия прилегаващи*5". участков.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списке ис1юль301-_>нных источников ив 115 наигэвований, S приложений. Работа изложена на 137 отраницвх машинописного текста, включает 8 таблиц и 23 рисунка

В первой глвве выполнен обзор и анализ исследований по продольным перемещениям подземных трубопроводов о учетом упругих, пластических и реологичеоких моделей грунта, анализ исоте, рваний свойств труятов и продольных перемещений подземных трубопроводов. Сформулированы задачи исследования.

Fineрвыэ аадача расчета перемещений трубопровода под действием температурных напряжений и внешней силы была рассмотрена в 1930 году проф. Лукиным П.П., наибольшее развитие данная научная проблема получила в трудах проф. Бородавкнна П.П., разработавиэго основы теории и практики расчета трубопроводов на прочность и устойчивость.

Исследованиям отдельных вопросов взаимодействия заглубленных трубопроводов о грунтами посвящены работу Айябиндера А.Б., Аронова Р.И., Березина В.Л., Быкова Л.И., Виноградова О.В., Григоренко H.H., Гумерова Ä.T., Ивакцова О.М., Камератейна Д.Г., Караваева В.И., Петрова И.П., Рафикова O.K.., Соколова С.М., Спиридонова В.В., Шадрина 0.В., Ясина З.М. и других. Из', зарубежных авторов данными во:.росами занимались Да. Макклур, Л.' Деоксон, Г. Воссольд, X. Элснер, В. Ваш, Н. Нобуаки, А Сайд, Р. М'кмайкл, К. Брасов, Вилсся и другие. Их трудами экспериментально и теоретически исследованы вопросы сопротивления грунта продольным и поперечным перемещениям трубопроводов, получены зависимости для определения продольных усилий и перемещений при однократном приложении нагрузок и исследованы вопросы их влияния на прочность и устойчивость надземных и выпученных учаотков.

Но периодические или случайные изменения температуры и давления

перекачиваемого продукта приводят к тому, что трубопровод нахедйтоя под воздействием многократно изменяющихся усилий, что оказывает значительное влияние на его напряженно-деформированное состояние. Результаты-одного из первых исследований отечественных авторов а етом направлении приведены в работе Арокова Р.И.

Позднее Рашдовым Г. в АН. Узбекской ССР, Бородамкиным П.П., Быковым Л.И., Григоренко П.Н., Рафяковым O.K. в Уфимском нефтяном инсти'/уте проведены експериментальные и теоретические исследования взаимодействия трубопровода с грунтом при многократном приложении продольной силы, получены зависимости для расчета продольных усилий и дарем-эгений, основанные на экспериментально. определенных коэффициентах сопротивления грунта продольному перемещению трубы в каждом цикле нагружения.

В работах Д. Текеда, X. Тачикава, А. Кеннана, Л. Гордона, А. Пейна, Р. Виттакера, Л. Прушна приводятся результаты экспериментального исследования грунтов при знакопеременных сдвигающих нагрузках применительно к решению задач динамики оснований.

Таким образом, выполненны обширные экспериментальные и теоретические исследования . по продольным перемещениям подземных трубопроводов в различных, грунтовых уоловиях, которые яоешолии получить исходные расчетные характеристики и метода расчета прочности и устойчиьости подземных трубопроводов для ешучая однократного нагружения; выполнен ряд экспериментальных исследований по определению изменения сте эни защемления трубопровода в грунте при многократных нагрузкениях на жестких моделях трубопроводов; гговэдены эксперименты по многократному нагружентп упругой модели •рубспровода Щ'<^дольной силой и циклическому изменению температуры, которые позволг;< установить характер перераспределения продольных

усилил и гкремеще-шй по длине трубопровода . для ряда грунтовых условий и условий закрепления.

Но существующие теоретические решения для определения продольных, усилий и перемещений в подземком трубопроводе при многократных воздействиях или требуют проведения многочисленных вксп-фиментов с целью определения расчетных характеристик защемления трубопровода грунтом при различных циклах нагруженян, или не соответствуют имеющимся экспериментальным данным.

Анализ работ по продольным перемещениям подземных трубопроводов позволил сформулировать цель и задачи д нного исследования.

Вторая глава посвящена теоретические исследованиям продольных юремещений и усилий в подземных трубопроводах. Предложены модели взаимодействия трубопровода с грунтом при много1фатных воздействиях. Принято, что предельное сопротивление грунта сдвигу и коеффициенг сопротивления грунта продольным перемещениям трубы Кц не изменяются от цикла к циклу приложения - -снятия продольной силы. В зависимости от величины продольной силы, характеристик грунта, диаметра и продольной жесткости трубопровода возможны упругая или упруго-пластичная связь трубы с грунтом.. Поскольку упругие перемещения составляют мал;ю часть полных перемещений, рассмотрена и чисто пластичная связь. Для удобства математического описания расчтной модели каждой цикл нагружения разбит на два полуцикла: полуцикл приложения и полуцикл снятия внешнего воздействия.

Получены зависимости для расчета перемещений и усилий полубе сконеча. го трубопровода для случая упругой связи трубы с грунтом при многократном приложении граничной продольной силы при

любом числе циклов нагружения:

= e"ßX 2

IT

"Рх 8

IL = —— е ' 2 А(и) (ßx)n"m n ЕА р т=1

»0 е

2 В(т) (ßx)n-ra т=1

( t )

< 2 )

где Un, N - продольные перемещения и усилия п-го полуцикла прилет эяия - снятия нагрузки;

п - номер полуцикла приложения - снятия нагрузки; ЕА - продольная жесткость трубопровода; р - коэффициент, определяемый по формуле

Р " . ЕА " ' -

djj - наружный диакэтр трубопровода;

А(т), В(т) - коэффициенты, определяемые по формулам

m (n + m - 2k)! w

A (m) «* S --------------------------жкг-от- ;

k=i (n - k)!(m - k)l(n - m)I гп+т~гк

A(n) = A(n - I) + n ;

B(m) » A(ro) - (n - m + 1 )A(ш - 1) ;

m, k - целые числа; я = 1, ...,n ; k » 1.....m ;

при четном k w - 1, при нечетном k w - 0 ;

в полуцикле прилокен^я нагрузки при n » 2 i - 1 а - 1 ;

в полуцикле снятия нагрузки при n - 2 i а - 0;

i - число циклов нагрунения.

Аналогичные зависимости получены и для случая упругой связи грубы с грунтом при многократном приложении граничноп продольного перемещения UQ .

Для олучая пластичной связи трубы о грунтом при многократном приложении j'pamj ¿ной птгадольной силы предложены оледуюциэ выражения для расчета продольных, перемещений и усилий 1-го цикла нагрукения:

1. е полуцикла приложения нагрузки:

ч "21-1 N2

при о <, I ам щ; К - —- х +------------------; ( з )

1-1 21-1 £д 21 е а к ¿^т

- и,; . ( 4 )

при Ь, , < X < I 41\ - 1 х2 _ х Зз х + 1---?й

' 1-' 21-1 от?» ттл с> v л чг ,

( 5 )

2

2ЕА Е А 2 Е Л тс

N¿12, - 1 Н0 - 1 % й^пр * ' <6>

11 *

ГД9 ь . _0---, Ь . ¿-—I I ; Ь. - ----ь ; ( 7 )

1 1 1 1 + 1

Тдр - предельное сопротивление грунта сдвигу трубы;

2. в полуцикле снятия нагрузки:

м V 1С ¿„Т— „ 1 < 8 >

при 0 < х « Ь, Щ\ ----3-ВВ х2 +------------------;

* А 21 2 Е А 2(1 + 1) Е А тс < ,

4¥- * ^пр«; < '9 )

при 1, < х < I и]| >- 1 15&В + 1 I

У 1 1 21 2 Е А ЕА 2 Е А -¡с

. Н||>- 1К0- 1*АЛфХ • ( 11 )

Решения также определены при числе циклов приложения продольной силы, стремящемся к беоконечнооти. . - •

Подобные зависимости получены и для случая. упруго-пластичной связи. , . '

Предложенные универсальные зависимости при любом виде связи трубы о грунтом в полуциклв приложения нагрузки первого цикла нагружения совпадают о решениями других авторов для однократного силового воздействия.

В третьей главе представлены результаты

енснерименталь^ых исследований взаимодействия трубопроводов с

грунтом при многократных воздействиях. Эксперименты прозодшшоь в грунтовом лотке размерани 3,0*0,6*0,5 м на упругих ооотевных моделях трубопровода длиной 7,95 м, прадогавляйцих ообой ооБонупнооть соединенных последовательно упругих рамкых влементов, вв счет которых в основном происходят деформации модели, и лестких трубных влементов, воспринимающих касательные напряжения по контвкту труба-грунт.

£ экспериментах использовались два типа еэстних трубных элементов: диаметром 61 ш о погонным весом трубы 6Э,2 Н/w и

диаметром 40,6 мм о погонным веоом, 12,9 Н/м. О каждом видом трубных

\

элементов выполнено по 8 опытов пй композиционному, симметричному трехуровнему плану второго порядЕса на гиперкубе. Граничная продольная сила изменялась от 400 до 1Б00 Н о интервалом варьирования Б50 Н, граничное перемещение - от 1 до 6 мм о интервалом варьирования 2 им, давление грунта на уровне оси трубы -от 2,8 до 7,4 КПа с интервалом варьирования 2,3 КПа, число циклов нагруаения было не шез 20 ( доходах» до 36 ), грунт - мелкий воздушно - сухой песок.

Из елвлиза определяющих параметров и ах раакэрностей полугэны оледущие критерии йодобия:

' : N п 0 ' :

-X3S = Нет ; « idea ; - = Idea , ( 12 )

Е А \ В А Ъц

где JCj - суммарный ;.оэффяцкаят касательного сопротивления грукта

^.-«адкц. ■.'■;■..-•.

- рвбочап^'длина иоделга трубопровода;

U - продольйЬе перемещение трубопровода.

Методик^; проведения экспериментов следующая: к свободному концу уложенной модели прикладывалась ' постоянная в каждом эксперименте продольная рвет.чгиввющая сила или. перемещение. После стебилизг.щга

положения щцели звмерялиоь усилия и перемещения в намоченных .сечениях. Затем внешнее воздействие снималось и, также после стабилизации положениг модели, проводился повторный замер продолы х усилий и перемещений. Такие циклы приложения - снятия внешнего зоздейотвия повторялись многократно в течение каждого эксперименте. Изменение усилий проводилось ' динамометрами и тензорезисторами, перемещений - индикаторами часового типа.

Приведен ряд экспериментов по многократному приложению граничной продольной силы или граничного продольного перемещения к модели трубопровода и результаты акслершэнта по ступенчатому нагрукению модели продольной силой. Выполненный эксперименты позволили установить характер перераспределения продольных усилий и перемещений по длине трубопровода в зависимости от числа циклов нагружения. Следует отмерить, что полученные аналитические зависимости обладают воеми "характерными особенностями, присущими експериментальшм зависимостям распределения продольных усилий и перемещений по длине трубопровода.

Результаты сравнения экспериментальных и теоретических значений граничного продольного перемещения (для случая многократного приложения граничной силы 1500 Н) и граничного усилия (для случая многократного перемещения свободного сечения модели 1.0 мм) двух разли1-аых опытов приведены в таблице.

Обработка результатов проводилась для проварки соответствия • опытных двнных полученным аналитическим решениям. Для каждого вкспериманта по данным первого полуцикла нагружения методом

А А

наименьших кьадратов определялись оце.пси параметров § и ЕА и проверялась адекватнооть математической модели для последующих полуциклов нагружения путем сравнения дисперсий адекватности рассматриваемого полуцикла нагружения, определенных по остаточной ■

.суше квадратов уклонений экспериментальных точек от теорвтачэокш., о дисперсией адекватности первого полуцикла. Сравненном акспериментальных и теоретических данных подтверждена адекватность предложенных аналитических решений.

Сравнение вксперимэнталышх и теоретических двнннх

Номер цикла Номер полу цикла приложение граничной продольной силы приложение граничного перемещения

мм и<°>,еор мм Погрешность % и<°>«ссп Н Я^теор Н Погрешность %

1 2 3 4 5 3 4 ......5".....

1 1 2 1,2 0,52 1,177 0,589 2Д0 -12,0 930 -446 921 -460 . 1,С -3,0

2 3 4 1,67 0,875 1,Ы9 0,957 3,2 -8,6 820 -506 806 -518 1 г7 -2,3

3 5 6 2,0 1,16 1,941 11246 3,0 -б>9 784 -531 770 -543 1,8 -2,2

4 7 8- 2,2 1,41 2,206 1)493 -2,7 -5)б 735 -542 751 -558 -2,1 -2,9

5 9 10 2,35 1,64 2,438 1,711 -3,6 -4,1 725 -554 739 ' -568 -1,9 -2,5

б 11 12 ?,55 1,85 2,645 1,909 -3,6 -3,1 715 -566 730 -576 -2,1

8 15 16 2,92 2,21 3,011 2,262 -3,0 -г!з ■ 705 -575 719 -586 -1,9 -1.9

10 19 20 3,25 2,51 3,331 2,573 -2,4 -г',4 695 -582 711 -593 -2,3 -1 !э

12 23 24' 696 -590 706 -598 -1,4 -1.3

Предложено для расчетов в области упругой связи трубы о грунтом

ограничиться числом циклов нагрукения, равным десяти, при котором

V

граничные перемещения возрастут по сравнению о первоначальными в

■ х .

2,8 раза; в качестве верхнего предела использовать значение

граничного ..еремецения для случая пластичной связи трубы с х рунтом при числе циклов нагружения, стремящимся к бесконечности:

ГТ--Г— ' < 13 )

¿читая в обоих случаях продольную силу меняющейся от нуля до макс-"шального аначе..ия; при учете меньших изменений продольной ош разбивать ее на поотояннув и переменную составляющие.

Четвертая глава посвящена расчетам переходов промысловых трубопроводов через водгае преграды и болота Ш типа при прокладке их по временной схем^ по льду о псоле; ующкм оамопогруяением и на плавающих опорах.

Разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния переходов на плаващих опорах с учетом сезонных колебаний уровня воды и геометрии понтонов. Принято.что приле.-ащие береговые участка перехода работают как полубесконечные балки на упругом основании, подводные учаоткн - как балки на упругих опорах-понтонах, рассчитываемые по технической теории изгиба. Учитывается три случая работы понтонов; уровень вода поднялся настолько, что нш'руака на понтон равна его максимальной грузоподъемности; уровень воды спустился настолько, что нагрузка рз понтон равна нулю; основной случай работы - "вгрузка на понтон пропорциональна глубине его погружения. Так как основным типом понтона является понтон цилиндрической формы, то в расчетах учитывается нелинейность _ зависимости силы, воспринимаемого понтоном, от глубины его погружения. . .

. Испольао-анивм граничных условий и условий сопряжения смежных . участков оледувдего вида:

- VI ^ 91 " е1+1 : % - %и 5 - Й1 -

где - сила натяжения трооа 1-го понтона; 1 - 1, п+1;

V, 8, М, 0 - прогибы, углы поворота, изгибащие моменты и поперечные силы соответственно на 1-ом левом и (1+1 )~ом правом участках трубопровода, примыкающих к 1-му понтону;

п - количество понтонов, получена система линейных алгебраических уравнений, из решения которой находят поотоянные интегрирования, входящие в уравнения дефор' ативных У^, и силовых факторов М^ на каидом

рассчитываемом участке перехода.

Предусмотрена возможность учета продольных перемещений прилегающих береговых участков вследствие многократного изменения температуры и давления перекачиваемого-продукта. При этом подводные участки считаются работающими на продольно-поперечный изгиб под действием граничного продольнога усилия и распределенной/ поперечной нагрузки. •

Граничное продольное усилие определяется итерационными методами из условия равенства продольных перемещений прилегающих береговых участков под действием эквивалентной растягивающей продольной силы, равной разности между усилием в полностью защемленном трубопроводе и усилием, действующим на границе подаодных участков, и продольных перемещений подводных участков перехода, вызванных совместным действием снимающего граничного продольного усилия и поперечных нагрузок. Перемещения прилегающих береговых участков олределяютой то формуле ( и ), перемещения подводных участков V- о помощью интеграла Мора. )

Значение граничного продольного усилия кокно определить о формуле:

С А- г, С А. А< пО.5

V V п1 * *пр+ [( 4"Т X .

( Н )

где - усилие в полностью защемленном .трубопроводе;

С - постоянная, зависящая от граничных условий и вида упругой ллшш трубопровода на участке перехода;

¿ч - площадь поперечного сечения трубы на участке перехода;

I - осевой момент инерции "тонере лого оечения трубы.

Приведена программа расчета. На основании анализа результатов «т.введенных по предложенной методике расчетов показано, что пренебрежение влиянием продольных пара кошений прилагающих "91 зговых-участков при достаточно высоком значении граничного сжимающего продольного уоилия приводит к существенному аанажекию ( на 10 ... 60Ж ) значений действующих в трубопровода расчетных изгибающих моментов.

Данная методика использов"нв при расчете переходов сборных нефтепроводов ПДНГ-7 Федоровского НГДУ через озера протяженностью 140

Далее в указанном равделе работы предотавлена методика расчета переходов промысловых трубопроводов через водные преграда и болота Ш типа при прокладке их по временной схеме по льду с последующим замопогружением.

Переход трубопровода из временного положения на льду в дфоентное связан о возникновением дополнительных растягивающих напряжений и возможным провисвнием трубопровода с опиранием его только на берега и дно водоема и образованием свободных пролаяв. Устранить их появление можно прокладывая трубопровод во временном положении по льду не прямолинейно по створу перехода, а создавая за счет упругого изгиба трубы "змейку" таким образом, чтобы соблюдалось условие равенства длины трубопровода на переходе в проектном и временном положениях.

Требуемая проектная длина трубопровода на участке перехода определяется по уравнению -другой линии перехода. Приняв

симметричную расчетную схему перехода, состоящую из трех участков: берегового, работающего как полубесконечнзя балкв на упругом основании; переходного, работавшего на . поперечный изгиб и рассчитываемого по технической теории изгиба; донного, рассматриваемого как балка на упругом основании и используя граничные условия следующего вида:

11 в точке сопряжения берегового и переходного участков

7, - У2 ; в1 - в2 ; |Ц - Мз ; 0, - О, ; 2) в точке сопряжения переходного и донного учаоткоЕ У2 - - 1г ; У3 - 0 ; 92 - 83 ; - М3 ; С^ «• 0Э , где Ь - глубина водного участка;

• 91 • , - соответственно прогибы, углы поворота сечений трубопровода, изп.бвщие моменты и поперечные усилия; .индекс 1 относится к береговому участку, индеко 2 - к переходному, 3 - к донному,

находим длина переходного участка 1г и постоянные интегрирования, входящие в уравнения упругой линии перехода.

Вычисляется проектное приращение длины трубопровода на участке перехода по сравнению о длиной самого перехода

ЛБП - 2 < Б2 - 12 ), • ( 16 )

где Бг - длина трубопровода на переходном участке.

Затем выбираются основные параметры перехода при укладке его во временное положение нг, лед. В качеотве расчетной схемы принята бесконечная неразрезная рввнопролетная балкв с пролетом, ранним двойной длине волны изгиба у-ругой линии трубопровода.

Длина 1 и максимально возможное значение стрелы прогиба 1таах волны изгиба оси трубопровода, сила Р , необходимая для укладки и удержания трубопровода во временном положении, определяются по.

- го -

следзыцим ф.хмулву. ■

Вг 12

Г = -Ь-----;

изх ЗЕЙн '

( 17 )

~ шал.

{ 13 )

где Е - модуль упругости ¡..атериала трубы;

^ - расчетное сопротивление материала трубы;

Ьд- общая длина перегзда.

При учете воздействия продольных перемещений прилегающих береговых участков вследствие многократного-г^менения тб.шэрзтуры и давления перекачиваемого продукта принято, что переходные участки работают на продольно-поперечный изги". Граничное продольное усилие находится из условия равенства продольных перемещений берыовых и подводных участков перехода. Перемещения береговых участков определяются по предложенной формуле (13) от действия еквивалектной растягаваицей силы.

1 Приведена программа расчета. Расчета, выполненные по данной методике, показали, что воздействие продольных пэремещений прилегающих береговых участков оказывает екачительное влияние на напряженно- деформированное состояние переходов промысловых трубопроводов через водные преграда и болота Ш типа, особенно в грунтах с малой несущей способностью, для которых, вслздствие продольных перемещений береговых учьотков, приращения длины трубопровода на участке перехода могут преЕыиать первоначальные в 6 ... 10 раз, что- приводит к отрыву трубопровода ог грунта и возникновению в нем недопустимых напряжений.

В пятой глава представлена методика расчета трубопровода на продольном склоне под воздействием различных в,1Дов оползневых подвижек грунта с учетм многократного силового воздействия прилегающих участков.

На первом этапа расчета рассмотрено воздействие следующих олучаев оползневых тодвижэк грунта: подвижки грунта одновременны по всей длине склона; подвижки грунта одновременны по всей длине склона, трубопровод на продольном склоне имеет вскрытый участок а средней его части: подвижки грунта по части продольного склона. Принято, что подвижки грунта значительны о переходом его в. предельное напряженное состояние. Предельное касательное напряжение по контакту труба-грунт равно по величине как при движении грунтовых масс относительно грубы на оползневых участках грунта, так и при движении трубы относительно грунта. Граничные сечения участка трубопровода на продольном склона неподвижны.

Второй этап рвсчета предусматривает определение усилий и перемещений в трубопроводе на продольном склоне от воздействия продольных,перемещений граничных сечений.

На третьем этапе определяются граничные перемещения участка трубопровода1,на продольном склоне. Принята, что прилагающие прямолинейные участки трубопровода работают в поперечном направлении как полубесконечшэ балки на упругом основании, в продольном - как стержни, подверженные воздействию осевого растягивающего усилия. Участок трубопровода на продольном склоне в осевом направлении воспринимает нагрузку от оползня согласно рассмотренным ранее случаям, в поперечном работает на изгиб как защемленная балка от линейных и угловгх перемещений граничных сечений.

Используя уравнения равновесия и условия совместности деформаций для нижнего и верхнего узлов сопряжения участков и

уравнения, связывающие перемещения узлов с силсбыми факторами, получим систему нелинейны., уравнений, из решения которой находятся изгибающие моменты, продольные и поперечные усилия ; и перемещения' верхнего и нижнего узлов участка труб провода на поодольном склоне. При учете воздействия многократно изменяющихся во времени температуры и давления перекачиваемого продукта связь между граничными продольными усилиями и перемещениями на ир'иг гахидах участках задается предложенной формулой (13) от дейотвия вквивален'шой силы.

Окончательно напряженно- деформированное состояние трубопровода определяется при выполнении четвертого втапа расчета сложением напряжений и деформаций, полученных на первом втапа раочета, о напряжениями и деформациями вследствие перемещений верхнего и нижнего граничных оечений. Приведена программа раочета участков трубопровода на продольном склоне по предложенной методике.

Учет продольных перемещений граничных оечений, вызванных как оползневыми подвижками грунта, так и воздействием многократного изменения температуры и давления перекачиваемого продукта, позволяет более точно оценивать действительное напряженно-деформированное состояние участков трубопровода на продольном оклоне и ведет к существенному (до'50% ) снижению вначёний максимальных напряжений.

В случае учета подвижек грунта по чаоги склона, вследствие появления

\

изгибающего момента от перемещения граничных сечений, напряжения

несколько увеличиваются ( до 10* ). Кроме того, существенно

изменяется характер распределения продольных усилий и перемещений по

длине участка трубопровода на продольном склоне.

\ • По данной методике выполнен расчет оползнеопасных участков

продуктопровйдов Невшшомыск-Ствврополь и Негзинномыск - Эркен-Шахар

Северо-Кавкаа^кого управления магистральных нефтепродуктопроводов.

Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями нвпрякениЯ составляет около 20%.

ОСНОВНЫЕ ВЬШО.ГУ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Получены аналитические зависимости для расчеты продольных усилий и перемещений трубопровода при многократных нагрукьяиях длл случаев упругой, упруго-пластичной и чисто пл'отичной связи трубы о грунтом.

Проведены экспериментальные иостедования взаимодействия упругих моделей трубопроводов о грунтом при многократном- приложении постоянной по величине граничной продольной силой и при многократном возвратно-поступательном перемещении грвничного сечения, позволившие установить величину и характер перераспределения продольных усилий я Перемещений по длине трубопровода в зависимости от чиола циклов нагружония. Сравнением экспериментальных данных о теоретическими подтворздена адекватность предложенных аналитических решений.

3. Разработаны метода и методики, составлена програм-и расчета переходов трубопроводов через водные преграда и болота Ш типа ка плавающих опорах при сезонных колебаниях уровня вода и" при укладке их во временное положение на лед о ■ последующим самогогругинием о учетом воздействия продольных перемещений прилегающих участков вследствие многократного изменения температуры и давления перекачиваемого продукта. Показано, что пренебрежение влиянием продольных перемещений прибегающих береговых участков веде г к существенному занижению ( на 10 ... 60 % ) значений действующих в трубопроводе расчетных изгибающих моментов.

4. Разработала методика и составлена программа расчета трубопроводе не продольном склоне под воздействием различив, зидс ^

оползневых юдвдж"к грунта с учетом продольные перемещений прилагающих участков. Учет продольных перемещений граничных сечений учветка трубопровода на "родильном склоне ведет к существенному ( "о 60 Ж ) снижению полученных вначений максимальных напряжений. При учете воздействия продольных перемещений прилегающих участков воле; зтвие многократного изменения температуры и давления перекачиваемого продукта максимальные напряжения в трубопроводе снижаютоя 6 среднем на 30 % по сравнению с расчетом без учета граничных перемещений участка трубопровода на продольном склоне.

Б. На основании разработанных методик составлены и утверждены "Инструкция по.проектированию и сооружению переходов промысловых трубопроводов через внутриболотные водные комплексы на плавающих опорах" и "Инструкция по проектированию переходов промысловых трубопроводов через внутриболотные водные комплексы л укладкой на лед по временной схеме и последующим погружением под действием собственного веса".

Основное содержание диссертации опубликовано в следущих работах

1. Третьяков С. и., Шувалов В. Ю. .Определена перемещений и усилий в подземных трубопр1вадах от многократных силовых воздейсг зий // Родя, студенческой молодежи в ускорении научно - технического «рогресса в нефтяной и газовой промышленности: Тез. докл. 35-й

науч.- техн. конф./- Уфа: УНИ, 1984. - С. 59.

' /v ' '

Шадрин О./Б., Атапчев В. И., Шувалов В. Я. Определение перемещений и усилий в подземных тругопроводах от многократных силовых воздействий // Актуальные проблемы нефти и газа: Тез. докл. - Уфа: УНИ, 1984. - С. 74.

3. Шувалов В., ¡0. Взаимодействие трубопровода с грунтом при

многократном воздействии продольного усилия и наличии по длине трубопровода только учаотка пластичной связи // Вклад молодеки Башкирии в решенпо комплексных проблем нефти и газа: Тез. докл. науч. - техн. конф. - Уфа: УНИ, 1990. - 0. 51.

4. Григорекко П. Н., Ахметов Ф. Ш., Шуввлсв В. Ю. Расчетные и экспериментальные методы диагностирования трубопроводов в зоне дейст.ля оползней // Pipeline Inspection: 2-nd international conference : Тез. докл. 2 Международной конф. Контроль качесио трубопроводов. - М.: - 1991. - С. 64-68.

5. Бгкав Л. И., Григоренко П. Н. Шувалов В. Ю. Прокладка трубопроводов через внутрибологные „одные комплексы с .последуztoim самопогружением // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. - 1991. - N4. - С. 78-82.

Соискатель В.'О. Шувалов