Исследование несущей способности подземных магистральных газопроводов на участках трассы с неустойчивыми грунтами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Исмаилов, Тимур Исмаилович

• Исмаилов, Тимур Исмаилович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Исмаилов, Тимур Исмаилович

Введение.

Глава 1. Анализ опыта эксплуатации и статистики отказов магистральных газопроводов, проложенных на участках трассы с неустойчивыми грунтами.

1.1. Особенности эксплуатации подземных газовых магистралей на пучинистых и оползневых участках трассы.

1.2. Климатические и геокриологические условия эксплуатации подземных газопроводов в районах вечной мерзлоты.

1.3. Статистика отказов стальных оболочек магистральных газопроводов, эксплуатирующихся в мерзлых грунтах с нестабильными физико-механическими свойствами.

1.4. Анализ литературных источников, нормативных документов и современных методов расчета магистральных газопроводов на неустойчивых участках трассы.

Глава 2. Исследование криогенного пучения грунтов вокруг газопровода транспортирующего природный газ при отрицательной температуре.

2.1. Характер пучения различных типов грунтов при промерзании вокруг «холодного» газопровода.

2.2. Механизм воздействия сил морозного пучения на «холодный» газопровод.

Глава 3. Несущая способность стальной оболочки газопровода при совместном воздействии эксплуатационной нагрузки и сил морозного пучения.

3.1. Квазистатический метод определения внутренних сил и перемещений в трубопроводе при статическом воздействии сил морозного пучения.

3.2. Определение несущей способности стальной тонкостенной оболочки газопровода при совместном воздействии эксплуатационной нагрузки и сил морозного пучения.

3.3. Алгоритм расчета цилиндрической оболочки газопровода на устойчивость.

Глава 4. Исследование несущей способности магистральных газопроводов в горных условиях на оползневых участках трассы.

4.1. Особенности прокладки магистральных газопроводов в горной местности на неустойчивых участках трассы.

4.2. Методика определения оползневого давления на подземный газопровод

4.3. Напряженно-деформированное состояние магистрального газопровода при действии на его цилиндрическую оболочку давления грунтовой массы оползня.

Глава 5. Геомониторинг безопасной эксплуатации подземных магистральных газопроводов на участках трассы с неустойчивыми грунтами.

5.1. Этапы геотехнического мониторинга.

5.1.1. Стадия проектирования.

5.1.2.Стадия строительства.

5.1.3.Стадия эксплуатации.

5.2. Организация мониторинга безопасной эксплуатации газопроводов в зонах вечной мерзлоты.

5.3.Технические решения, обеспечивающие стабильное пространственное положение магистральных газопроводов в зонах вечной мерзлоты.

5.4. Инженерно-геологические изыскания при проектировании газопроводов в горных условиях.

5.5. Наблюдения за оползнями при инженерно-геодезических изысканиях

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование несущей способности подземных магистральных газопроводов на участках трассы с неустойчивыми грунтами»

Среди огромного разнообразия грунтов, контактирующих с поверхностью подземных магистральных газопроводов, особые затруднения при их эксплуатации вызывают структурно неустойчивые грунты, у которых при некоторых условиях и добавочных физических воздействиях резко нарушается структура, что обусловливает значительное ухудшение их физико-механических свойств, увеличение осадок, уменьшение несущей способности и пр.

К таким грунтам можно отнести в первую очередь мерзлые грунты, а также лёссовые, отложения которых широко распространены в периферийных с пустынями областях и на склонах горной местности.

Несмотря на богатейший отечественный опыт проектирования, строительства и эксплуатации линейной части газопроводов на участках трассы в зонах вечной мерзлоты и в горной местности, в настоящее время перед газовой отраслью возникли чрезвычайно важные проблемы в связи с предстоящим строительством газопроводов от газовых месторождений Западной Сибири и полуострова Ямал в Западные регионы России и Европейских стран и с необходимостью газоснабжения Республик Северная Осетия и Южная Осетия, расположенных в горной местности.

Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных газопроводов в этих районах требует особых подходов, основанных на выполнении принципов экологической безопасности, технической надежности и экономической целесообразности.

Для обеспечения этих требований, прежде всего, необходимо, с одной стороны, исследовать влияние подземных магистральных газопроводов на окружающую среду, с другой - изучить воздействие окружающей среды на несущую способность тонкостенной оболочки магистрального газопровода.

Если в зонах вечной мерзлоты по газопроводу перекачивается природный газ с положительной температурой, возможно образование вокруг его оболочки области протаивания, что неизбежно приведет к вертикальным деформациям упругой оси газопровода под действием Архимедовой силы. При отрицательной температуре природного газа происходит промораживание грунта с мощным притоком к газопроводу грунтовых вод и появлению нормальных сил морозного пучения, стремящихся выдавить тонкостенную оболочку газопровода из траншеи.

В обоих случаях в тонкостенной оболочке газопровода возникают напряжения изгиба, которые накладываются на напряжения от действия внутреннего избыточного давления газа. В итоге напряженно-деформированное состояние оболочки газопровода может не отвечать нормативным требованиям и привести к возникновению аварийных ситуаций на трассе.

На склонах гор могут медленно, не заметно формироваться весьма опасные для подземного газопровода оползни. Объем грунта, который смещается во время оползня, может быть от нескольких сотен до миллионов кубометров, а скорость колеблется от нескольких метров в год до нескольких метров в секунду.

Чтобы предотвратить разрушение подземного магистрального газопровода на опасных горных участках трассы, необходимо определить основные характеристики оползня, оценить напряженно-деформированное состояние стальной тонкостенной оболочки газопровода при силовом воздействии оползня и принять своевременные меры по предотвращению аварийных ситуаций, как на трассе трубопровода, так и в населенных пунктах горной местности

Решение этих вопросов и составляет содержание научных исследований автора. Вот почему тема диссертационной работы «Исследование несущей способности подземных магистральных газопроводов на участках трассы с неустойчивыми грунтами» является в настоящее время актуальной для газовой промышленности нашей страны. 6

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Исмаилов, Тимур Исмаилович

Выводы

1. Исследован механизм криогенного пучения подземного «холодного» газопровода на обводненных линзовых участках трассы вечной мерзлоты.

2. Разработан квазистатический метод расчета несущей способности тонкостенной оболочки газопровода на действие сил морозного пучения и в результате анализа ее напряженно-деформированного состояния показано, что максимальные изгибные напряжения в оболочке при выпучивании действуют на границах участков линзовой мерзлоты грунта.

3. Создана математическая модель для определения величины давления грунтовой массы оползня на оболочку подземного газопровода на горных участках трассы и разработан аналитический метод расчета её несущей способности при оползневых подвижках грунта на склонах гор.

4. Сформулированы основные положения организации мониторинга безопасной эксплуатации подземных магистральных газопроводов на участках трассы с неустойчивыми грунтами и предложены конкретные технические решения, обеспечивающие стабильное проектное положение оболочки трубопровода в траншее.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Исмаилов, Тимур Исмаилович, 2007 год

1. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. Справочное пособие. - М.: Недра, 1982. -341 е.; ил.

2. Александров Ю.П. Случаи деформаций подземных трубопроводов в районе г. Воркуты. Труды Северн, отд. НИИ осн. и подз. сооруж., 1967.Вып.З.-с. 130-132.

3. Богданов Н. С. Вечная мерзлота и сооружения на ней. Петербург, 1912.

4. Бородавкин П.П., Березин B.J1. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1977. - 407 е.: ил.

5. Водолага B.C. Исследование теплового взаимодействия трубопроводов на многолетнемерзлые грунты и методов ограничения его при прокладке и эксплуатации в северных районах. ВНИИГАЗ, Канд. дисс., 1973.

6. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. М.: «Наука», 1967.

7. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. Новосибирск: Наука, 1975. -176 с.

8. Вялов С.С., Лозовская В.Г. Взаимодействие здания и оттаивающего основания с учетом фактора времени. Оттаивающие грунты как основания сооружений, Наука.- М., 1981. - с.28-46.

9. Дерцакян А.К., Васильев Н.П. Строительство трубопроводов на болотах и многолетнемерзлых грунтах.- М.: Недра, 1978.-167 с.

10. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов,- М.:Наука, 1967.

11. П.Зырянов В.П. Исследование наземной прокладки магистральных трубопроводов в Южной зоне вечной мерзлоты. Автореф.на соиск. уч. степ. канд. техн. наук (05.316).- Уфа, 1969,- 24 с.

12. Инструкция по проектированию подземных трубопроводов на опорах в вечномерзлых грунтах. BCH-2-25-7I. Мингазпром.- М.: ВНИИСТД971,- 30 с.

13. Исследование устойчивости оснований нефтепровода (Промеж, отчет) Тема №20-СМР-75 04-ОЗЛ / ПечорНИГШнефть; Руководители И.И.Енин, В.Е.Шешуков.- № ГР 76047785; Инв.№-Б711424.-Ухта, 1977.- 101 с.

14. Исследование свойств мерзлых пород. РТНС. «Инженерные изыскания в строительстве» ЦИНИС ГОССТРОЯ СССР, вып. 2, М. 1979.

15. Киселев В.А. Строительная механика: Спец. курс. Динамика и устойчивость сооружений. Учебник для вузов., изд.З-е. испр. и доп. -М.:Стройиздат, 1980,- 616 с.;ил.

16. Киселев М.Ф. Теория сжимаемости оттаивающих грунтов под давлением." М.: Стройиздат, 1978.

17. Клементьев А.Ф. Устойчивость магистральных трубопроводов в сложных условиях.- М,:Недра, 1985. 112 с.

18. Колесов А.А. Исследование работы гибких фундаментов на оттаивающих вечномерзлых грунтах. Автореф. на соиск.учен.степ. канд.техн.наук. -М.,1968.- 23 с.

19. Кошелев А.А., Редько А.Ф., Матвийчук Д.С. Тепловое взаимодействие нефтепровода с многолетнемерзлыми грунтами.// Строительство трубопроводов,- 1975.-№ Ю.-с. 14-16.

20. Кошелев А.А., Матвийчук Д.С., Редько А.Ф. Исследование теплообмена для повышения надежности нефтепровода в вечномерзлых грунтах. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. Реф.научно-техн.сб. М. :ВНИИОЭНГ, 1974.-№12.- с.3-6.

21. Кривошеин Б.Л., Агапкин В.Н., Двойрис Л.Д. Способы прокладки и эксплуатация трубопроводов в условиях вечной мерзлоты. Сер."Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов"-. М.: ВНИИОЭНГ, 1975.- 112 с.

22. Меребашвили А.Р. Прочность и надежность магистральных трубопроводов в особых условиях. Автореф. дисс. канд. техн. наук : 01.02.03. Махачкала, 1984.-20с.

23. Методика и программа расчета на ЭВМ трубопроводов, прокладываемых на просадочных грунтах. Р 566-85-М., ВНИИСТ, 1985. -52с.

24. Неймарк Л.И. Расчет и моделирование зданий на неравномерно деформируемых оттаивающих основаниях. Л.: Стройиздат, Ленинград.отд., 1979.- 168с.:ил.

25. Обручев В. А. Успехи мерзлотоведения в СССР. Юбил. сб., посвящ. 30-летию Великой Октябрьской социалистической революции, ч. II, М., Изд. АН СССР, 1947.

26. Пономарев В.Д. Оттаивающие грунты как основания сооружений. Изд. "Наука" М., 1981с-96с.

27. Пиняев А.А. Методы исследования напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем взаимодействующих со сложными средами. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (01.02.03). М., 1986. -20с.

28. Полетыкина Т.П., Хабибулина Н.М. Определение радиуса протаива-ния вокруг трубопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах. Тезисы доклада на первой республиканской межвузовской конференции молодых ученых и специалистов. Тюмень, 1979.

29. Полетыкина Т.П. Исследование теплофизических характеристик мелко- и среднедисперсных талых и промерзших грунтов, Западной Сибири. Тезисы доклада на первой республиканской межвузовской конференции молодых-ученых и специалистов. Тюмень, 1779.

30. Порхаев Г.В. Пособие по теплотехническим расчетам санитарно- технических сетей, прокладываемых в районах вечномерзлых грунтов. М., 1971.

31. Разработать основные технические решения по способам прокладки и режимам эксплуатации систем газопроводов в районе Крайнего Севера : Отчет по теме Т -1 77 / ВНИИГАЗ; Руководитель З.Т. Галиуллин. - № ГР 77042963; Инв. № Б999790. - М, 1977. - 200с.

32. Разработать научно-технические мероприятия по повышению надежности труб магистральных газопроводов. Отчет по теме TH-I-78, инв. № 6783287. ВНИИГАЗ, Рук. Аненков Н.И. М., 1978. - 203с.

33. Роман Л.Т. Физико-механические свойства мерзлых торфяных грунтов. Новосибирск: Наука, 1981. 136.

34. Салтыков Н.И. Теоретические основы проектирования фундаментов на оттаивающем основании. М.; Изд. АН СССР, 1952. - 165с.

35. Салтыков Н.И. Основания и фундаменты в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. М.: изд. АН СССР, 1959. -206с.

36. Семенов Л.П. Тепловой расчет нефтепроводов, уложенных в сезонно-промерзающем грунте. Сб. «Материалы к учению о мерзлых зонах земной коры.» Вып. 9, Изд-во АН СССР, м., 1963.

37. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Стройиздат. Л. 1977.

38. Степанов О.А., Полетыкина Т.П. Экспериментальные исследования те-плофизических характеристик талых песчаных грунтов. Известия ВУЗ. Серия «Строительство и архитектура», 1976, № 10.45.СНИП II. Б 6.66.

39. СНИП II А. - 6.62. «Строительная климатология и геофизика», 1972.

40. СНиП-П- 2.02.04 88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. - М.: Стройиздат, 1988.

41. Соколов С.М., Караваев С.С., Первушин Г.Г. Исследование условий работы промысловых трубопроводов в мерзлых грунтах/ Реф. нзучно-техн. сб. Сер. Нефтепромысловое строительство. М.; ВНИИОЭНГ, 1980. Вып. 11, -с.8-12.

42. Соколов С.М., Караваев С.С., Лаптев А.А. Результаты натурных наблюдений за промысловыми трубопроводами Западной Сибири. З.И. Сер. Нефтепромысловое строительство,- М.:ВНИИОЭНГ, 1987. Вып. 12, с.11-16.

43. Стаценко В. Части зданий Изд.5, Петроград, 1916.

44. Сумгин М. И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. Издание 1-ое, Владивосток, Изд. дальневост. геофиз. обсерват., 1927, Издание 2-ое, М.—Л., Изд. АН СССР, 1937.

45. Сумгин М. И., Качурин С. П., Толстихин Н. И., Тумель В.Ф. Общее мерзлотоведение. М. Л., Изд. АН СССР, 1940.

46. Тимошенко С.П. Пластинки и оболочки. М.: «Наука», 1966.

47. Тимошенко С.П. Устойчивость стержней пластин и оболочек. М.: «Наука», 1971.

48. Ушкалов В.П. Исследование работы протаивающих оснований и их расчет по приведенным деформациям сооружений. М.: Изд-во АН СССР, 1962.-219 с.

49. Хигер М.Ш., .Николаев Н.В. К расчету трубопровода на нелинейно упругом основании // Строительная механика и расчет сооружений. 1979.-N.4. - с.23-25.

50. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979.

51. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М.: Высшая школа, 1973. - 448 с.:ил.

52. Цытович Н.А., Вологдина И.С. Лабораторные исследования механических свойств мерзлых грунтов. Сб. 1 и 2, СОПС А.Н. СССР, 1936.

53. Цытович Н. А. К вопросу расчета фундаментов сооружений, возводимых на вечной мерзлоте. Тр. Гипромеза, 1928, вып. 2.

54. Цытович Н. А., Сумгин М. И. Основания механики мерзлых грунтов. М.—Л., Изд. АН СССР, 1937.

55. Чекотилло А. И. Мерзлотоведение за рубежом — 1955 г. Материал к основам учения о мерзлых зонах земной коры. Сб. Ill, М., Изд. АН СССР, 1956.

56. Чернышев М.Я. Деформация деревянных мостов от пучин мерзлого грунта». «Железнодорожное дело», 1928, №1-2.

57. Шутов В.Е. Механика грунтов. М.: «Лори», 2003. с. 126.

58. Brazier L.G. Proc. Roy. Soc. 116, 1927.

59. Сагтап A.P., Car M.L. Resistance of tubes to collapse. Urbana University of Illinois, Engineering Experiment Station, Bulletin № 5,1906.

60. Cheng К. C. Some Design Consideration for Artie Pipelines, The Effects on Permafrost. Huxon Kukau Takkaicu J.Jap. Soc. Mech. Eng., 1977, Vol.80, No 706, p.934-941.

61. Instrumentation Around a Warm Oil Pipeline Buried irj Permafrost.-Can. Geotechnical J.,1973, Vol.10,So 2,p 227-24.

62. Mises R. Der kritische Aussendruck zylindrischer Rohre Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure Bd. 58, № 19, 1914.

63. Th. Karman, Z. Der VDI 55, 1911.

64. King Graeme. The How and Why of Cooling Arctic Gas Pipelines.Part 1.-Pipeline and Gas J. ,1977, Vol.204,Ко 1 l,p. 58-59,72,74.

65. Palmer Andrew C. Settlement Pipeline on Thawing Permafrost. -Transp, Eng. J, ASCE. Proc.Amer. Soc.Civ.Eng„1972,Vol.18, No 3,P. 477-491.

66. Reissner, Trans. ASME, E 26, 1959

67. Rowley R. K., Watson G. N., Wilson T.M., Auld K.G. Performance of a 48-in Warm Oil Pipeline Supported in Permafrost. Can.IGeotechn. J.,1973, Vol. 10,No 2,p. 288-303.

68. Sykes J. P., Lennex W. C, Unny Т.Е. Two-Dimensional Heated Pipeline in Permafrost,- J.Geotechnic. Eng.Div.Proc. Amer. Soc.Civ.Eng., 1974 ,Vol.l00, № 11, p.1203-1214.76.3денек Кукал "Природные катастрофы", М. Знание, 1985г.

69. Воскресенский С.С."Динамическая геоморфология формирования склонов", М.: МГУ, 1971.

70. Леонтьев O.K., Рычагов Г.И."Общая геоморфология", М.Высшая школа, 1988г.

71. Емельянова Е.П. "Основные закономерности оползневых процессов". М.: Недра, 1972г.

72. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов. Под ред. А.К. Дерцакяна. Л. «Недра», 1977, 519 с.

73. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: «Недра», 1977,407 с.

74. Бородавкин П. П. Подземные трубопроводы. Мм «Недра», 1973. 304 с.

75. Бородавкин П. П., Таран В. Д. Трубопроводы в сложных условиях. М., «Недра», 1968. 302 с.

76. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. М.: Стройиздат, 1977.-256 с.

77. Слесарев В.Д. Механика горных пород и рудничное крепление. М.: Углетехиздат, 1948.-303 с.

78. Справочник работника магистрального газопровода. Под ред. С. Ф. Бармина. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л., «Недра», 1974. 432 с.

79. Рекомендации по строительству магистральных трубопроводов в горных условиях. М. ВНИИСТ, 1964. 52 с.

80. Строительство газопровода диаметром 1420 мм в горных условиях. Науч.-техн. обзор. М., ВНИИОЭНГ 1973. 48 с.

81. Тимошенко С.П. Курс теории упругости. Киев. «Наукова Думка», 1972, с.497

82. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник. Том 1, под ред. И.А. Биргера. М.: Машиностроение, 1968, 831 с.

83. Седых А.Д., Хренов Н.Н. Актуальные проблемы безопасности действующих газопроводов Севера Западной Сибири // Нефтегазовое строительство. 1999.-январь-март.-С. 58-61.

84. Ремизов В.В., Сулейманов Р.С., Ланчаков Г.А., Хренов Н.Н. Обеспечение надежной эксплуатации межпромыслового коллектора на многолетне-мерзлых грунтах // Газовая промышленность. 1997. - №8. - С.21-26.

85. Вольский Э.Л., Дедиков Е.В., Ананненков А.Г., Салихов Э.С. и др. Комплексная диагностика северных газопроводов // Газовая промышленность. 2000. - №4. - С.36-37.

86. Баглай Р.Д., Трофимов О.Е., Хренов Н.Н. Особенности взаимодействия трубопровода с мерзлым грунтом // Газовая промышленность. 1989. -№7. - С.37-39.

87. Гильязов А.А., Большаков A.M., Голиков Н.И., Алексеев А.А. и др. Исследование несущей способности стареющих магистральных газопроводов в условиях Крайнего Севера // Газовая промышленность. 2006. - №1. - С.38-39.

88. Харионовский В.В., Ремизов Д.И., Попов О.Н. Анализ технического состояния газопроводов на участке Ямбург Ныда // Газовая промышленность. - 2006. - №1. - С.34-38.

89. Хренов Н.Н., Шеремет В.В., Козлов А.Н., Пустовойт Г.П. Газопроводы Севера Западной Сибири: всплытие и выпучивание // Газовая промышленность. 2001. - №8. - С.35-37.

90. Медведев В.Н. Анализ уровня эксплуатации и аварийности МГ Северного коридора // Газовая промышленность. 2004. - №6. - С. 13-15.

91. Губанок И.И. Повышение надежности и безопасности объектов линейной части магистральных газопроводов // Газовая промышленность. -2004. №6. - С.20-21.

92. Степаненко А.И., Пазиняк В.В., Егурцов С.А., Чигир В.Г. Совершенствование научных основ и методологии диагностики трубопроводных систем Крайнего Севера // В кн. Проблемы освоения месторождений Уренгойского комплекса. -М.: Недра, 1998 С. 167-172.

93. Пазиняк В.В. Надежность и экологическая безопасность переходов газопроводов и продуктопроводов через реки тундры и лесотундры // Нефть, газ и бизнес. 1999. - №4 - С. 50-54.