Методика оценки пространственного положения трубопровода в условиях пучинистых грунтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Юрченко, Анатолий Анатолиевич

• Юрченко, Анатолий Анатолиевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юрченко, Анатолий Анатолиевич

Введение

Раздел 1. Грунты как определяющий фактор пространственного 8 положения трубопроводов в условиях пучинистых грунтов.

1.1. Влияние грунтового фактора на пространственное положе- 8 ние трубопровода.

1.2. Анализ грунтовых условий прокладки магистральных тру- 12 бопроводов в условиях Западной Сибири.

1.3. Анализ аварийности и отказов магистральных трубопрово- 29 дов в условиях Западной Сибири.

Выводы по разделу 1.

Раздел 2. Изученность морозной пучинистости грунтов.

2.1. Факторы, условия и критерии оценки морозного пучения 35 грунтов.

2.2. Основные закономерности морозного пучения дисперсных 43 грунтов.

2.3. Натурные наблюдения за изменением высотного положения 56 трубопровода при воздействии морозного пучения грунтов.

Выводы по разделу 2.

Раздел 3. Исследования влияния теплового режима и давления на 66 пространственное положение конденсатопровода.

3.1. Общие положения.

3.2. Теплообмен подземного трубопровода с окружающим грун- 69 том в отсутствие фазовых переходов.

3.3. Тепловое влияние одиночного подземного трубопровода на 78 сезонные процессы промерзания-оттаивания грунтов.

3.4. Применение метода конечных элементов при расчетах тем- 82 пературы транспортируемого продукта по длине трубопровода и температурного поля грунта при его сезонном промерзании (оттаивании).—."ттттггг.~"

3.5. Результаты численных расчетов тепловых режимов конденсатопровода и газопровода.

Выводы по разделу 3.

Раздел 4. Методика геодезических наблюдений за пространствен- 97 ным положением конденсатопровода и разработка методики их расшифровки.

4.1. Геодезические наблюдения.

4.1.1. Общие положения.

4.1.2. Общая характеристика МК «Уренгой-Сургут».

4.1.3. Инженерно-геологические и грунтовые условия трасы кон- 100 денсатопровода.

4.1.4. Методика проведения работ.

4.2. Разработка методики расшифровки результатов геодезиче- 109 ских наблюдений с помощью регуляризирующих методов.

4.3. Расчет продольных и поперечных перемещений конденса- 120 топровода с учетом его пространственного положения

4.3.1. Продольное перемещение конденсатопровода.

4.3.2. Поперечные перемещения конденсатопровода.

Выводы по разделу 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика оценки пространственного положения трубопровода в условиях пучинистых грунтов»

Критерием оценки эксплутационной надежности нефтегазопроводов (а значит и их остаточного ресурса) являются эквивалентные напряжения в стенке трубопроводов. Среди факторов, формирующих это напряженное состояние, взаимодействие трубопроводов с промерзающими грунтами, является наименее изученным.

Напряжения, возникающие в грунтах при пучении, смещают трубопроводы, изменяя их плановое и высотное положение. Такие деформации характерны для районов глубокого сезонного промерзания и распространения веч-номерзлых грунтов.

Решение проблемы особенно актуально для Тюменского нефтегазового региона, где вечномерзлые грунты занимают площадь около 1 млн. км2, а грунты с глубоким сезонным промерзанием составляют более 70% талых грунтов.

Несмотря на широкое территориальное распространение явления пучения в России, действующие в настоящее время СНиП и другие нормативные документы не дают достаточно обоснованных характеристик и методов инженерного прогнозирования морозного пучения грунтов. Не позволяют уверенно прогнозировать и оценивать надежность линейных частей трубопроводов и широко применяемые ныне при эксплуатации магистральных трубовопроводов (МГ) методы диагностики. Довольно часто имеют место случаи, когда по результатам диагностики дефектов трубопровода не обнаружено, а через 2-3 месяца на этом участке происходит до трех аварий. Причиной такого положения, по нашему мнению, является недостаточный учет существующими методами диагностики и прогноза одного из основных факторов, определяющих плановое и высотное положение трубопровода при подземной прокладке - взаимодействие трубопровода с грунтом. В тоже время многосторонняя и сложная функциональная зависимость процесса пучения от совокупности факторов не позволяет установить с достаточной степенью точности методы прогноза пучения грунтов.

Существующие методы прогноза высотно-планового положения трубопровода недостаточно, по-нашему мнению, учитывают процесс взаимодействия трубопровода с грунтами. Выполненные нами исследования силового взаимодействия трубопровода с грунтами показали, что влиянием талых грунтов на напряженно-деформированное состояние (НДС) стенки трубопровода в зоне изменения литологического разреза грунтов можно пренебречь. Иначе говоря, в указанной зоне, названной нами активной, не наблюдается значительного изменения радиуса изгиба трубопровода.

При промерзании грунтов степень их влияния на высотное положение трубопровода в активной зоне резко возрастает. Это обусловлено возможным действием сил морозного пучения в активной зоне и резким изменением свойства мерзлых грунтов по сравнению с талыми.

Анализ многочисленных работ отечественных и зарубежных авторов [3,4,10,11,15,20] свидетельствует о том, что в настоящее время прогнозирование деформаций от сил морозного пучения значительно затруднено. Это связано с отсутствием единых теоретических представлений, базирующихся на инженерно-физических основах морозного пучения грунтов.

Учет изменений свойств мерзлых грунтов в пучинистых грунтах при расчете напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода является актуальной научной проблемой и сложной инженерной задачей.

Целью диссертационной работы является установление степени влияния грунтового фактора на пространственное положение подземного трубопровода и разработка методики расшифровки результатов геодезических наблюдений за изменением его пространственным положением в условиях пучинистых грунтов.

Основные задачи исследования.

1. Выявить степень влияния грунтового фактора на формирование НДС стенки подземного трубопровода в условиях пучинистых грунтов.

2. Разработать методику определения реального высотного положения подземного трубопровода~и организ'овать~геодезические^наблюдения^за~его~изг менением от действия сил морозного пучения грунтов.

3. Разработать методику расшифровки НДС стенки подземного трубопровода на основе данных геодезических наблюдений с помощью регуляризи-рующих методов.

4. Оценить остаточный ресурс подземного трубопровода.

Научная новизна — разработана методика расшифровки НДС стенки подземного трубопровода на основе данных геодезических наблюдений с помощью регуляризирующих методов.

Впервые установлена степень влияния грунтового фактора на пространственное положение подземного трубопровода. Установлено, что степень влияния грунтов возрастает в случаях пучинистых и мерзлых грунтов.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенная методика позволяет по результатам геодезических наблюдений уже на стадии проектирования, строительства и эксплуатации прогнозировать изменения пространственного положения трубопровода по отношению к проектному.

Достоверность полученных результатов обусловлена корректным применением методов механики грунтов, теплофизики, регуляризирующих методов, сопоставлением результатов с известными теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов и использованием данных проведенного мониторинга.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования степени влияния грунтового фактора на пространственное положение и НДС подземного трубопровода в условиях морозного пучения грунтов.

2. Результаты численных расчетов тепловых режимов конденсатопрово-да и газопровода.

3. Результаты геодезических наблюдений за пространственным перемещением подземного трубопровода в условиях пучинистых грунтов.

4. Методика расшифровки НДС степени трубопровода на основе результатов геодезических наблюдений с помощью регуляризирующих методов.

5. Расчеты продольных и поперечных перемещений конденсатопровода с учетом его пространственного положения.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на научно-технических семинарах кафедры «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов и хранилищ» ТюмГНГУ (2008-2009 гг.); на научно-техническом совете ОАО «Институт «Нефтегазпроект» (2009 г.); на 2-ой Международной конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (ТюмГНГУ, Тюмень, 2008 г.); на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (ГУЛ «ИП-ТЭР», Уфа, 2008, 2009 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 статей, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, общих выводов по работе и списка использованной литературы, включающего 81 наименование. Диссертация изложена на 144 страницах, содержит 55 рисунков и 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Юрченко, Анатолий Анатолиевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Впервые установлена степень влияния грунтового фактора на пространственное положение подземного трубопровода. При этом установлено, что степень этого влияния возрастает в случаях пучинистых и мерзлых грунтов.

2. Учитывая, что единственным методом контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода является контроль прогиба его оси, разработана методика определения реального высотного положения подземного трубопровода от действия сил морозного пучения.

3. Разработана методика оценки состояния трубопровода по результатам геодезических наблюдений, позволяющая на стадии проектирования, строительства и эксплуатации прогнозировать изменения пространственного положения трубопровода по отношению к проектному.

4. Предложенная методика позволяет оценить остаточный ресурс подземного трубопровода по эквивалентным напряжениям, действующим в его стенке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юрченко, Анатолий Анатолиевич, 2010 год

1. Абжалимов Р.Ш. Лабораторные исследования морозного пучения / Основания, фундаменты и механика грунтов, 1982, №5.

2. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1991. —287 с.

3. Ананян A.A. Перемещение влаги в мерзлых рыхлых горных породах под влиянием сил электрокосмоса // Коллоидный журнал.- 1952.- №1.

4. Ананян A.A. Волкова Е.В., Феоктистова О.Б. Оценка зависимости времени релаксации протонов воды в тонкодисперсных горных породах от влажности: В кн. Мерзлотные исследования.- вып. 13.-М.:Изд-во МГУ, 1973.

5. Балашев O.A., Кошелев A.A., Кривошеин Б.Л. Влияние различных факторов на теплообмен подземных трубопроводов с окружающей средой //Нефть и газ.-№6, 1970.-С.81-87.

6. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. — М.: НедраД982. -384 с.

7. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. — М.: Недра, 1984. -245 с.

8. Быков Н.И., Каптерев П.Н. Вечная мерзлота и строительство на ней. — М.: Трансжелдориздат, 1940. -369 с.

9. Виноградов C.B. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки.-М.:Стройиздат, 1980.-152с.

10. Втюрина Е.А., Втюрин Б.И. Льдообразование в горных породах.- М.: Наука, 1970.

11. Гольдштейн М.Н. Деформации земляного полотна и оснований сооружений при промерзании и оттаивании. — М.: Трансжелдориздат, 1948.-211 с.

12. Горбатиков В.А., Даниэлян Ю.С. и др. Инструкция по определениютемпературного режима вечномерзлых и сезонномерзлых грунтов и прогнозирование последствий изменения тепловых условий на поверхности. Тюмень: Гипротюменнефтегаз, 1991. -47 с.

13. Горковенко А.И. Влияние сил морозного пучения на высотное положение трубопровода // Нефть и газ — 1999. №3. - С.23.

14. Горковенко А.И. Исследование влияния сил морозного пучения грунтов на напряженно-деформированное состояние трубопровода. — Дис. . канд. техн. наук. Тюмень, 1999. — 115 с.

15. Горковенко А.И., Чикишев В.М. Взаимодействие трубопроводов с грунтами в условиях глубокого сезонного промерзания // Строительный вестник.-1998.-№3 (4).

16. ГОСТ 25100 95. Грунты. Классификация / МНТКС. - М.: Изд. стандартов, 1995.

17. Гречищев С.Е. К основам методики прогноза температурных напряжений и деформаций в мерзлых грунтах. — М.: ВСЕГИНГЕО, 1970.

18. Далматов Б.И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений. JL: Гостройиздат, 1957. — 58 с.

19. Далматов Б.И. Условия моделирования процесса пучения водонасыщенного грунта.-В кн.: Вопросы механики грунтов. —JI.: Госстройиздат, 1958.

20. Далматов Б.И., Ласточкин B.C. Устройство газопроводов в пучинистых грунтах. Д., Недра , 1978.

21. Димов Л.А., Соломатина Т.М. Совершенствование расчета подземных трубопроводов с позиции механики грунтов. // Стр-во трубопроводов. -1992.-№4- С. 13-14.

22. Дубина М.М., Красовицкий Б.А. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами. — Новосибирск.: Наука, 1983. — 133 с.

23. Есаян А.Э. Оценка работоспособности линейной части трубопровода с учетом его коррозии по критерию конструктивной надежности. — М.: Мысль, 1993.

24. Иванов И.А., Антонова Е.О., Бахмат Г.В., Степанов O.A. Теплообмен при трубопроводном транспорте нефти и газа.-М.:Недра, 1999 г.-228с.

25. Иванов И.А., Крамской В.Ф., Моисеев Б.В., Степанов O.A. Теплоэнергетика при эксплуатации транспортных средств в нефтегазодобывающих районах Западной Сибири.-М.:Недра, 1997 г.-269с.

26. Иванов И.А., Михаленко C.B., Тимербулатов Г.Н., Лещенко В.Н. Практические результаты диагностики трубопроводной системы «Уренгой-Челябинск» // Тез.докл. десятой юбилейной междунар.деловой встречи «Диагностика». —Кипр.: ИРЦ «Газпром», 2000 г. С.98-100.

27. Киселев М.Ф. Морозное пучение и мероприятия по уменьшению деформаций фундаментов на пучинистых грунтах. Труды НИИОСП, вып.52, М.: Госстройиздат, 1963.

28. Киселев М.Ф. О пучинистости грунтов при промерзании. Труды НИИОСП, вып.26,М. Госстройиздат, 1955.

29. Клементьев А.Ф. Устойчивость магистральных трубопроводов в сложных условиях.-М.:Недра, 1985.-113с.

30. Клюк Б.А., Стояков В.М., Тимербулатов Г.Н. Прочность и ремонт участков магистральных трубопроводов в Западной Сибири М. Машиностроение, 1994.-120с.

31. Костецкая Е.В. Исследование пучинистых свойств и набухание мореных грунтов Валдайской возвышенности. — Труды НИИОСП, вып. 76,М., 1981.

32. Кривошеин Б.Л. Тепло физические расчеты газопроводов.-М.гНедра, 1982.

33. Кроник Я.А. Противопучинная мелиорация глинистых грунтов Крайнего Севера в плотиностроении. Автореферат дисс. . канд. техн.наук.-М.ДТНИИСД970. 24 с.

34. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.-М.: Атомиздат, 1979.

35. Кушнир С.Я. Намывные грунты как основания зданий и сооружений. — Дисс. . докт. техн. наук. — Тюмень., 1985. 414 с.

36. Лапшин В.Я., Ганелес Л.Б. Рекомендации по определению морозной пучинистости грунтов оснований зданий и сооружений.-Свердловск, 1979.-34 с.

37. Малюшин H.A., Гаврилов М.Ю., Шоцкий С.А., Юрченко A.A. Анализ напряженно-деформированного состояния пригруженного подземного трубопровода в слабонесущих грунтах // Нефть и газ. 2009. — №4. — С. 92

38. Нерсесова З.А. Влияние обменных катионов на миграцию воды и пучение грунтов при промерзании. В кн.: Исследования по физике и механике мерзлых грунтов. - М.: Изд-во АН СССР, вып.4, 1961.415с.

39. Кушнир С.Я., Малюшин H.A., Юрченко A.A., Сенив Д.М.95.

40. Орлов В.О., Дубнов Ю.Д., Меренков Н.Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений — Л.:Стройиздат,1977.-184 с.

41. Основы геокриологии.Часть 4: Динамическая геокриология / Под. ред. Ершова Э.Д. -М.: Изд. МГУ, 1999 .-688 с.

42. Паталеев A.B. Деформации зданий и сооружений в природных условиях Дальнего Востока. В кн.: Строительство в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. - Красноярск, 1962.

43. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами.-М.: Наука, 1970.

44. Постников В.В. Качество строительства и надежность трубопроводов в условиях Севера. Обзорная информация ВНИИОЭНГ. Сер. Нефтепромысловое строительство. Вып. 4(18). - М.: ВНИИОЭНГ, 1982. -34 с.

45. Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве М.: Наука, 1986. — 205с.

46. Пузаков H.A. Теоретические основы расчета влагонакопления при промерзании грунта. — М.: Транспорт, 1965.-168 с.

47. Пчелинцев A.M. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов.-М.:Наука, 1964.-258 с. 6.

48. Рекомендации по снижению сил промерзания грунта к строительным конструкциям физико-химическими методами.-М.: Стройиздат, 1975.-15с.

49. Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах.-М.:НИИ оснований и подземных сооружений им.Н.М.Герсеванова, 1985.-60с.

50. СНиП 2.02.01.-83* Основания зданий и сооружений/ Минстрой России. -М.:ГПЦПП, 1995.-48 с.

51. СНиП 2.05.06.-85 Магистральные трубопроводы. М.: Госстрой СССР, 1985.56 с.

52. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. М., 2000.

53. СП 50-10-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: ФГУП ЦПП, 2005. —130 с.

54. СП 107-34-96. Балластировка, обеспечение устойчивости положения газопровода на проектных отметках. М.: Госстрой России, 1996, 85 с.

55. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под.ред. Ю.Я.Велли , В.И.Докучаева, Н.Ф.Федорова. Л., Стройиздат, Ленинг.отд., 1977,552с.

56. Сумгин М.И. Общее мерзлотоведение. М.: Изд-во АН СССР, 1952. -339 с.

57. Тютюнов И.А. Миграция воды в грунтах. В кн. Исследования по физике и механике мерзлых грунтов. -М.: Изд-во АН СССР, вып.4, 1961.

58. Указания по проектированию и строительству малонагруженных фундаментов на пучинистых грунтах.-М.: Госстройиздат, 1963.-27с.

59. Федосов А.Е. Физико-механические процессы в грунтах при их замерзании и оттаивании.-М.: Трансжелдориздат, 1935.-587с.

60. Харр М.Е. Основы теоретической механики грунтов .-М.: Стройиздат, 1971.-319 с.

61. Хархута Н.Я., Васильев Ю.М. Устойчивость и уплотнение грунтов дорожных насыпей. — М.: Автотрансиздат, 1964. 216 с.

62. Цытович H.A. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. -448 с.

63. Цытович H.A. Механика грунтов. — М.: Гос. изд. литературы по строительству, архитектуре и стр.матер., 1963. — 636 с.

64. Чикишев В.М. Исследование процесса силового взаимодействия линейной части трубопроводов с промерзающим грунтом. — Дис. . канд. техн. наук. Тюмень., 1999. — 142 с.

65. Щоцкий С.А., Малюшин H.A., Гаврилов М.Ю., Юрченко A.A. Методика расчета на прочность и выбора оптимальной схемы пригрузки температурно-деформируемых подземных трубопроводов // Горныеведомости. 2009. - №4. - . С. 68-72.

66. Юрченко A.A., Малюшин H.A. Фундаменты для наземных сооружений магистрального нефтепровода Восточная Сибирь — Тихий океан // Строительный вестник Тюм. обл. — 2008. — №1. — С. 40-41.

67. Bescov G. Svenska Vagintituted ,№25,1930.

68. Blackwell, В. F., An Efficient Technique for the Numerical Solution of the One-Dimensional Inverse Problem of Heat Conduction, Numer. Heat Transfer 4, 229-239(1981).

69. Bouyoucos G.I. Movement of soil moisture from smal 1 capillaries to the large capillaries of the soil upon freezing. "1. Agricultur Res.,"Washington, 1923,V, XXIV, №5.

70. Chiou Y.-J., Chis. A study on buckling of offshore pipelines. Исследование вспучивания подводных трубопроводов. //Trans. ASME. J. Offshore Mech. And Arct.Eng.-1996.-118, №l. Р.62-70.-Англ.

71. Ducer A. Untersuchungen über die frostgefahrlichen Eigenschaften nichtbindeger Boden, Berlin, 1939.

72. Murio, D. A, The Mollification Method and the Numerical Solution of an Inverse Heat Conduction Problem, SIAM J. ScL Stat. Comput. 2,17-34(1981).

73. Ruckli R. Gelivite des sols et fondation des routs. Ed. Soc.Bull. Tech.de la suisse Romande, hausanne, 1943.

74. Schneider, P. J., Conduction Heat Transfer, Addison-Wesley, Reading, MA, 1955.

75. Taber S. The Mechanics of frost having. -"I.Geol.", 1930. №4.

76. Zunardini J. Heat conduction with freezing or thawing. Hanover: CRELL, 1988.-330p.