Напряженное состояние газопроводов на участках с неустойчивыми грунтами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.13, кандидат технических наук Шилин, Андрей Николаевич

• Шилин, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шилин, Андрей Николаевич

Введение.

I. Эксплуатация магистральных газопроводов на участках с неустойчивыми грунтами. Опыт эксплуатации. Анализ отказов.В

1.1. Магистральные трубопроводы на оползневых участках. Постановка вопроса. Пути решения задачи.

1.2. Отказы магистральных газопроводов на оползневых участках и их анализ.

1.3. Особенности эксплуатации магистральных газопроводов на оползневых участках.

II. Оползневые склоны. Особенности оценки устойчивости склоновых участков в условиях газовой промышленности. Расчет устойчивости.

2.1. Строение оползневых склонов. Признаки оползней.

2.2. Методы изучения оползней и меры борьбы с ними.

2.3. Обзор методов оценки устойчивости склонов. Выбор расчетной схемы.

2.4. Расчет устойчивости склона. Анализ результатов.

III. Расчет напряженного состояния склоновых участков магистральных газопроводов с учетом оползневых воздействий.

3.1. Расчет напряженно деформированного состояния газопровода по результатам геодезической съемки его оси.

3.2. Влияние упругого изгиба на распределение напряжений в склоновом участке газопровода.

3.3. Предельные перемещения газопровода на оползневом участке.

IV. Натурные исследования газопроводных конструкций на оползневом склоне.

4.1. Контроль металла газопроводных конструкций методом акустической эмиссии.

4.2. Измерения напряженного состояния газопроводов. Анализ измерений и оценка работоспособности.

4.3. Устройство сети инженерного мониторинга.

V. Новые технические решения и рекомендации.

5.1. Автоматизированная система мониторинга напряжений в трубах оползневого участка.

5.2. Устройство и эксплуатация оползневых датчиков.

5.3. Защитные конструкции МГ на оползневых склонах.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Напряженное состояние газопроводов на участках с неустойчивыми грунтами»

Магистральные газопроводы на протяжении от мест добычи газа до потребителя пересекают значительное количество склоновых участков с неустойчивыми грунтами. Проблема устойчивости учитывается при проектировании линейных сооружений путем уполаживания участка в пределах коридора, строительства дренажных сооружений, защиты берегов от размыва. Но как показал опыт эксплуатации, несмотря на принятые меры по обеспечению устойчивости склоновых участков, в результате либо воздействия трубопроводных конструкций, либо нарушения естественного равновесного состояния грунтовых масс при строительстве возможен переход больших массивов грунта в предельное состояние. При активизации оползня в пределах газового коридора воздействия грунтовых масс на подземные трубопроводы неизбежны, значительно осложнют их безопасную эксплуатацию и могут привести к аварийным ситуациям.

Оползни широко распространены по территории европейской части РФ (рис.1.1.). В сети магистральных газопроводов ОАО "Газпром" оползневые участки имеются на территории П "Волготрансгаз", "Таттрансгаз","Пермтрансгаз", "Кавказтрансгаз", "Мострансгаз" и др. в долинах рек Волги, Оки, Камы, Мокши, на побережье Черного моря.

Вопрос устойчивости склоновых подводных переходов магистральных трубопроводов в своих работах затрагивали Березин В.Л., Бородавкин П.П., Зоненко В.И., Ким Б.И., Левин С.И., Луданов В.Н. и др., но в большей части с точки зрения прокладки вновь строящихся сооружений. Ввиду локальности проблемы отказов магистральных газопроводов на склоновых участках, а также отсутствие опыта работы, до недавнего времени проблема эксплуатации на территориях с оползневыми явлениями широко не обсуждалась. Работы по эксплуатации трубопроводных конструкций на оползневых участках появились сравнительно недавно в связи с авариями на газопроводах из-за потери устойчивости грунта и имеют прикладной характер [8,16,36,41,50,58,62]. Отсутствует единая методика по обследованию и диагностике рабочего состояния магистральных трубопроводов на участках с оползневыми явлениями.

Характерным примером участка магистрального газопровода на неустойчивых грунтах является правый берег 9-ниточного подводного перехода Ужгородского коридора через р.Кама. За период с момента пуска в эксплуатацию первых ниток перехода в 83 г. по 99 г. на нем по причине воздействия оползневых масс произошло четыре аварии ПГЙ категории и две аварии 1ГЙ категории с возгоранием газа. В связи с произошедшим 18.04.95 г. отказом на участке, в апреле 96 г. в РАО'Тазпром " была принята "Программа по защите магистральных газопроводов Ужгородского коридора от оползневых явлений на подводном переходе через р.Кама" [27]. Настоящая диссертация написана по результатам работ, проведенных за 96-99 гг. на камском переходе в соответствии с "Программой работ по защите газопроводов Ужгородского Коридора от оползневых явлений на подводном переходе через р.Кама, 1852 км.".

Целью диссертации является создание единой методики по проведению контроля магистральных газопроводов эксплуатируемых на участках с неустойчивыми грунтами и диагностике их состояния. В работе обобщается существующий опыт эксплуатации газопроводов на оползневых участках, приводится анализ отказов и дается подробное описание строения, признаков, причин активизации оползней, методов их изучения и борьбы с ними в условиях эксплуатации магистральных газопроводов.

Для достижения результата поставленной в диссертации задачи проведены следующие работы:

1. Проведен обзор существующих методов расчета устойчивости склонов. На основании инженерно-геологических изысканий [48,49] изучаемый склон разбит на характерные участки, выбрана оптимальная расчетная схема.

2. На основании выбранного метода составлена программа на ЭВМ по расчету устойчивости склоновых участков. С помощью программы проведен расчет выделенных участков камского перехода. Программа имеет универсальных характер и может широко применяться для оценки устойчивости аналогичных участков при наличии данных инженерно-геологических изысканий.

3. При использовании результатов вычислений показателей устойчивости проведен расчет напряженно-деформированного состояния газопроводов в теле оползня. Рассчитаны величины характеризующие прочность, обозначены критические перемещения конструкций.

4. С учетом результатов предварительного расчета участка на ЭВМ на трубопроводных конструкциях склона разработана оптимальная схема расположения сети измерительных постов.

5. С целью выявления дефектов сварных швов и основного металла труб перехода на участке проведены обследования конструкций методом акустической эмиссии.

6. В местах измерительных постов проведены измерения абсолютных напряжений в металле труб системой "Астрон", основанной на спектрально-акустическом методе.

7. В целях проведения длительного мониторинга напряжений в металле конструкций участка, измерительные посты обустроены 7 тензометрическими преобразователями. В течении 96-99 гг. проводился периодический контроль напряжений.

8. На основании проведенных измерений и с учетом результатов длительного мониторинга контролируется напряженно-деформированное состояние газопроводных конструкций участка, а эксплуатирующим службам периодически даются рекомендации по обслуживанию склона.

9. В ходе работы дан ряд предложений в целях оптимизации измерений роста напряжений в металле труб и смещения грунтовых масс, а также конструктивного характера [56,59].

10. По результатам проведенных работ выпущены рекомендации по проведению контроля технического состояния береговых участков подводных переходов магистральных газопроводов [38].

I. Эксплуатация магистральных газопроводов на участках неустойчивыми грунтами. Опыт эксплуатации. Анализ отказов.

Склоновые участки с неустойчивыми грунтами сосредоточены в долинах рек, на пересеченной местности, в горах, на морских побережьях. Избежать склоновые участки при прокладке магистральных газопроводов трудно и поэтому при проектировании и строительстве на склонах принимаются меры по обеспечению их стабильного состояния. Тем не менее, в результате изменения баланса сил в грунтовом массиве в результате изменений внесенных в период строительства и внешних воздействий склоновых участок может потерять устойчивость и прийти в движение. В результате смещения оползня неизбежно его воздействие на газопроводные конструкции, проложенные на данном участке, что приведет к нарушению изоляционного покрытия, росту напряжений и деформаций в металле труб и механическим разрушениям. Актуальность проблемы подтверждает целый ряд отказов, произошедших на склоновых участках магистральных газопроводов за последние годы.

Учитывая проводимые при строительстве противооползневые мероприятия и незначительную крутизну склонов (условия соблюденные при проектировании) на которых эксплуатируются газопроводные конструкции, можно утверждать, что лавинное обрушение неустойчивых грунтовых масс на данных участках маловероятно. А при незначительных периодических смещениях оползня, осуществление четкого контроля за его динамикой позволит своевременно выявить критическую ситуацию и предупредить отказы. Обладая информацией о строение оползня, его масштабах и темпах движения и сопоставляя ее с проектной документацией по прокладке газопроводов в наблюдаемом массиве, даже на начальной стадии диагностирования можно сделать ряд заключений о характере воздействий перемещений на конструкции. В сочетание с данными наблюдений за развитием внешних признаков оползневого смещения такие выводы

Рис. 1.1. Схема газопроводов ОАО'Тазпром" на европейской части России с наложением на районы распространения оползней. • - зоны распространения оползней - магистральные газопроводы ОАО'Тазпром" способствуют выбору правильных решений по обеспечению устойчивости ' склона и надежной эксплуатации газопроводов.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», Шилин, Андрей Николаевич

Выводы.

В ходе диагностических и расчетно-теоретических работ, проводимых в соответствии с " Программой по защите магистральных газопроводов Ужгородского коридора от оползневых явлений на подводном переходе через р. Кама, 1852 км", утвержденной в РАО "Газпром", достигнуты следующие результаты и сделаны выводы:

1. Ввиду широкого распространения оползневых процессов в районах эксплуатации линейных сооружений газовой промышленности и на основании результатов технического расследования ряда аварийных ситуаций на МГ, сложившихся в последствии потери устойчивости склонов, установлена необходимость создания методической базы по оценке надежности конструкций на данных участках. Разработка и апробация методологии диагностики напряжений в конструкциях и определение устойчивости склоновых участков проводились на пойменном участке подводного перехода Ужгородского коридора через р. Кама.

2. Изучены и обобщены существующие материалы об оползневых процессах и обработаны применительно к объектам трубопроводного транспорта. Приведен ряд существующих методов диагностирования динамики грунтовых масс и дана оценка противооползневых мероприятий в условиях эксплуатации МГ.

3. На основании анализа расчетных методов устойчивости склонов и оценки реальных геологических условий исследуемого участка выбран подход к решению задачи устойчивости склона и определена оптимальная расчетная схема. В соответствии со спецификой выбранного метода, разработана расчетная программа на ЭВМ. Созданная программа имеет универсальный характер и может быть использована для оценки устойчивости склонов в аналогичных ситуациях при наличии данных геологических изысканий. Для профилей, характеризующих склоновый участок камского перехода, проведен ряд расчетов для наиболее неблагополучных климатических условий. Сделан прогноз устойчивости склона при изменении гидрогеологической ситуации в районе и повышения ее сейсмической активности. Численно оценены противооползневые мероприятия, проводимые на склоне. В итоге расчета ситуация в исследуемом районе была определена как общеустойчивая и были выявлены потенциально-опасные участки.

4. Данные расчета устойчивости при соответствующей обработке и сопоставление критических участков склона с проложенными на них газопроводными конструкциями ( а в последствие и с данными диагностики труб ) используются для установки очередности исследования труб, проведения противооползневых мероприятий, а так же для определения режима работы ниток. Для проведения приборного обследования трубопроводов на оползневом участке так же с учетом результатов расчета устойчивости определена схема шурфования ниток.

5. Предложена методика расчета линейных конструкций на неустойчивых склоновых участках. Выходными данными расчета являются обозначение зон повышенного напряжения и величины предельных перемещений конструкций под воздействием оползневых масс.

6. С целью обнаружения дефектов металла газопроводов проведено их приборное обследование методом акустической эмиссии. В результате проведенного обследования на трубах склона был выявлен ряд дефектов, в последствии подтвержденных при вскрытие данных участков. Отдельные дефекты, распространенные на обследуемых трубах, классифицированные как расслоение металла на основании существующих методик и рекомендаций определены допустимыми к последующей эксплуатации.

7. На участках трубопроводов, вскрытых в соответствие с разработанной схемой, проведены измерения абсолютных напряжений ( апр ) в металле труб по периметру сечения. Измерения проведены диагностической системой "Астрон", основанной на методе спектрально-акустического анализа металла. Обработанные данные измерений позволили оценить НДС всех труб проложенных на оползневом склоне и выявить наиболее нагруженные участки.

8. На участках проведения приборного обследования ( п.6 ) установлены измерительные посты с датчиками длительного мониторинга напряжений. Проведение периодических измерений позволяет контролировать состояние металла труб исследуемого участка. По результатам измерения напряжений в сочетании с данными измерений прироста напряжений службам П "Пермтрансгаза" рекомендован режим эксплуатации труб.

9. В целях осуществления непрерывного контроля НДС трубопроводных конструкций, положенных на оползневом участке и создания возможности своевременного предупреждения аварийных ситуаций, разработана и применена система автоматического контроля. В случае достижения критических отметок датчиками мониторинга, подключенными к системе, подается сигнал на диспетчерский пункт, что позволяет эксплуатационным службам вовремя отреагировать. Испытания автоматизированной системы мониторинга показали ее высокую четкость и эффективность.

10. В виду малой эффективности используемых способов замера перемещения грунтовых масс разработан и использован на исследуемом склоновом участке датчик фиксирующий перемещение грунта относительно трубопровода и вектор направления его движения. Датчик одобрен патентной комиссией, в настоящее время установлен в единичном исполнении на наиболее ответственном участке камского склона.

11. С целью обеспечения безопасной эксплуатации газопроводных конструкций разработан ряд конструктивных предложений по прокладке (или переукладке) МГ на потенциально-опасных участках с малой устойчивостью. Технические решения данных конструкций закреплены патентом [59]. Использование предлагаемых конструкций позволяет ограничить или же исключить полностью воздействия оползневых масс на трубопровод, а соответственно и исключить опасность возникновения аварийных ситуаций. Разработка подкреплена авторским свидетельством.

12. По итогам проведенной работы создана методика [38] утвержденная в ОАО "Газпром". В методике приведены описания комплекса работ, рекомендуемого для проведения диагностики и оценки надежности склоновых участков МГ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шилин, Андрей Николаевич, 2000 год

1. Абрамов С.К. Подземные дренажи в строительстве. М.: Издательство литературы по строительству 1967. стр. 164.

2. Айбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра 1991. стр. 40-79.

3. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных газопроводов. М.: Недра 1987г. стр. 104.

4. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. -М.: Недра 1986. стр. 133-161

5. Бородин Ю.П. Аппаратурное обеспечение метода акустической эмиссии при контроле газопроводных конструкций. Сборник научных трудов. "Проблемы надежности конструкций газопроводных систем". М.:РАО"Газпром". 1987 г. стр. 165.

6. Вопросы инженерной геологии и грунтоведения. Под ред. Золоторева Г.С., Морозова С.С., Сергеева Е.М. Издательство МГУ 1968.

7. Гуле Ж. Сопротивление материалов. -М.: Высшая школа 1985 г. стр. 61.

8. Даревский В.Э., Романов A.M. Оценка оползневой опасности на трассе магистральных газопроводов. -М.: "Газовая промышленность" №4 1999.

9. Камерштейн А.Г., Рождественский В.В., Ручинский М.Н. расчет трубопроводов на прочность. М.: Гостехиздат 1963. стр. 29-51.

10. Ю.Коломенский Н.В. Инженерная геология. Москва, Госгеолтехиздат, 1956 г. стр. 108

11. Кюнцель В.В. Закономерности оползневого процесса на европейской территории СССР и его прогноз. -М.: Недра 1980.

12. Левин С.И. Подводные трубопроводы. -М.: Недра 1970. стр.34.

13. Луданов В.Н. Механика грунтов в строительстве трубопроводного транспорта. МИНХ и ГП 1986. стр. 11-18.

14. Малышев M.B. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. М.: Стройиздат 1994г. стр. 20.

15. Мероприятия по закреплению правобережного оползневого склона и перекладка существующих на нем магистральных газопроводов подводного перехода через р.Каму. Ужгородский коридор, 1852 км. Москва, Гипроречтранс ,1996г.

16. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов. М.: ВНИИГАЗ. 1992. стр.53.

17. Методические рекомендации по выбору аппаратуры акустической эмиссии для контроля газопроводных конструкций. М.: ВНИИГАЗ. 1998. стр.14.

18. Методические рекомендации по натурным измерениям напряженного состояния магистральных газопроводов. М.: ВНИИГА3.1985. стр.53.

19. Найдин H.H. Найдина К.В. Руководство к практическим занятиям по геодезии и маркшейдерскому делу. Москва, Недра 1981 г. стр 81.

20. Оползни. Исследования и укрепления. Под ред. Шустера Р. -Мир 1981.

21. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник под общей редакцией Сорочана Е.А. и Трофименкова Ю.Г. Москва, Стройиздат 1985 г. стр. 329

22. Петров Н.Ф. Оползневые склоны. Сложные оползни. Кишинев, Штиинца 1988 г.

23. Повышение надежности подводных переходов на действующих магистральных газопроводах за 1996 г. Технический отчет. Москва, ВНИИГАЗ, 1996 г. стр.13.

24. Повышение надежности подводных переходов на действующих магистральных газопроводах за 1997 г. Технический отчет. Москва, ВНИИГАЗ, 1997 г. стр.10.

25. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии. Сборник под редакцией Горячинова H.H. М.: Недра 1992г. стр.226.

26. Программа работ по защите магистральных газопроводов Ужгородского коридора от оползневых явлений на подводном переходе через р.Кама 1852км. РАО'Тазпром": 1996 г.

27. Проектирование противооползневых мероприятий. Вопрос геотехники. Выпуск 18. Кишинев 1971. стр. 81.

28. Разработка методов повышения работоспособности подводных переходов на действующих магистральных газопроводах. Технический отчет. М.: ВНИИГАЗ 1998 г. стр. 13.

29. Регламент по обслуживанию подводных переходов на действующих магистральных газопроводах. Москва, ВНИИГАЗ, 1992 г. стр.6.

30. Регламент по обслуживанию подводных переходов на действующих магистральных газопроводах. Москва, ВНИИГАЗ, 1997 г.

31. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. Тихвинский И.О. -М.: Стройиздат 1984.

32. Рекомендации по инженерно-геологической типизации оползневых склонов применительно к задачам оценки устойчивости и инженерной защиты. Шешеня H.JL, Соколов Ю.П., Крамаренко O.A. -М.: Стройиздат 1984.

33. Рекомендации по контролю напряженного состояния магистральных газопроводов. М.: ВНИИГАЗ. 1989. стр.16.

34. Рекомендации по оценке работоспособности участков газопроводов с дефектами типа овализации. М.: ВНИИГАЗ. 1996. стр.34.

35. Рекомендации по оценке работоспособности подводных переходов газопроводов при наличии размывов дна. М., ВНИИГАЗ, 1995 г. стр.6.

36. Рекомендации по оценке работоспособности участков газопроводов с поверхностными повреждениями. М.: ВНИИГА3.1996. стр.20.

37. Рекомендации по проведению контроля технического состояния подводных переходов (береговые участки). М., ВНИИГАЗ, 1999г. стр.6.

38. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям на оползневых склонах южного берега Крыма. М.: Стройиздат 1971. стр. 41.

39. Самойлов Б.В., Ким Б.И., Кленин В.И. Сооружение подводных переходов. М.: Недра 1995. стр.245.

40. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов. М.,"Машиностроение" 1982 г. стр.241.

41. Сидоров Б.В. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов. М.: ВНИИГАЗ, 1992 г. стр 18.

42. СНиП 2.01.15-90 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения проектирования.

43. СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений.

44. СНиП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений.

45. СНиП 2.05.06-85 Магистральные трубопроводы. М.:ЦИТП Госстроя СССР 1985г.

46. Техническое заключение по дополнительным инженерно-геологическим изысканиям на правом склоне в месте перехода газопроводов Ямбург-Помары-Ужгород через р.Каму в районе г.Сарапул Удмурдской республики. Москва, Гипрокоммунстрой, 1990 г. стр.10

47. Техническое заключение по дополнительным инженерно-геологическим изысканиям на правом склоне в месте перехода газопроводов Ямбург-Помары-Ужгород через р.Каму в районе г.Сарапул республики Удмуртия. Москва., АО "Гипрокоммунстрой", 1995 г стр.5.

48. Фесенко С.С., Углов A.JL, Попцов В.М. Мониторинг напряженного состояния береговых участков подводных переходов. Сборник научных трудов. "Вопросы надежности конструкций газопроводных систем." М., ВНИИГАЗ, 1998 г. стр.150.

49. Фесенко С.С., Шилин А.Н. Анализ строительства подводных переходов методом продавливания. Сборник научных трудов. "Надежность и диагностика газопроводных конструкций." М., ВНИИГАЗ, 1996 г. стр.180.

50. Фесенко С.С., Шилин А.Н. Определение напряженного состояния подземных участков газопровода, сместившихся относительно проектного положения. Сборник научных трудов. "Надежность и диагностика газопроводных конструкций." М., ВНИИГАЗ, 1995 г.

51. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. Киев Буд1вельник 1970. стр. 150.

52. Чугаев P.P. Земляные гидротехнические сооружения. -М.: Энергия 1967 г. стр. 460.

53. Харионовский В.В., Босняцкий Г.П., Шилин А.Н. Обеспечение устойчивости подводного трубопровода. -М.:"Газовая промышленность" №3 1998. стр.76.

54. Харионовский В.В., Городниченко В.И., Заец А.Ф., Шилин А.Н. Способ определения направления и скорости движения грунта траншеи подземного трубопровода устройство его реализации. Патент 97107204/06 приоритет от 5.05.1997.

55. Харионовский В.В., Шилин А.Н. и др. Устройство для защиты газопровода от деформационных воздействий оползневых масс. Патент 99114882/03 приоритет от 12.07.1999г.

56. Шилин А.Н. Анализ подводных переходов эксплуатируемых в системе РАО "Газпром". Особенности прокладки на реках малой ширины. Новые технологии в газовой промышленности. М.: РАО "Газпром" 1995г. стр. 141.-142.

57. Шилин А.Н. Расчет устойчивости оползневого склона подводного перехода через р.Каму. Сборник научных трудов. "Вопросы надежности конструкций газопроводных систем." М.: ВНИИГАЗ, 1998г. стр.174.-178.

58. Ваит R.L., Johnson A.M., Fleming R.W. Measurement of slope deformalion using guadrilaterals. -Washington 1988. p 111.

59. Fels A. Metodologie e parametri per lo studio della franosita. -Roma 1989. p 65-67.65.1shiguij Т., Ogawa S., Wada Y. Numerikal calicalution of sciamiet inlet flow. -Tokio 1992. p 28-29.

60. Keller D.K., Johnson A.M. Morfologie, mobilisazion and movement. -Washington 1983. p 53-56.

61. Savage W.Z., Smith W.K. A model for plastic flow of landslides. -Washington 1986. p 32.

62. Wada Y., Ogawa S., Arai M. Anumerikal calicalution of hipersonic flow around blunt bodies using upwind defference scheme. -Tokio 1989. p 11-12.

63. Краткое описание приложения 1.