Несущая способность глубоководных трубопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.13, кандидат технических наук Горяинов, Юрий Афанасьевич

• Горяинов, Юрий Афанасьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горяинов, Юрий Афанасьевич

ВВЕДЕНИЕ.

I. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕКТНЫХ РАЗРАБОТОК ДЛЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

1.1. Перспективы строительства морских газопроводов в России

1.2. Особенности строительства глубоководных трубопроводов.

1.3. Особенности эксплуатации глубоководных трубопроводов.

1.4. Экологические особенности строительства и эксплуатации глубоководных трубопроводов.

1.4. Особенности проектирования глубоководных трубопроводов.

1.5. Цель и содержание работы.

II. ИССЛЕДОВАНИЕ СМЯТИЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

2.1. Критический анализ мировых норм проектирования морских трубопроводов.

2.2. Теоретические основы расчета глубоководных трубопроводов на смятие.

2.3. Обоснование необходимости проведения экспериментального исследования.

2.4. Задачи экспериментального исследования.

2.5. Описание экспериментальной установки.

2.6. Измерение геометрических параметров труб.

2.7. Методика отбора образцов и испытаний механических свойств материалов.

2.8. Методика проведения испытаний.

2.9. Результаты экспериментальных исследований.

2.10 Анализ полученных результатов.

2.11. Защита глубоководных трубопроводов от лавинного смятия.

III. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СВОБОДНЫХ ПРОЛЕТОВ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

3.1. Критический анализ и выбор расчетной схемы.

3.2. Выбор и обоснование метода решения задачи.

3.3. Влияние реальных характеристик опор и неровностей дна на устойчивость свободных пролетов.

3.4. Влияние свойств грунта и эксплуатационных параметров трубопровода на устойчивость свободных пролетов.

3.5. Продольный изгиб свободных пролетов.

IV. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ГЛУБОКОВОДНОГО ГАЗОПРОВОДА РОССИЯ-ТУРЦИЯ.

4.1. Выбор толщины стенки газопровода.

4.2. Оптимизация расстановки ограничителей лавинного смятия.

4.3. Расчет предельно допустимых свободных пролетов.

4.4. Технико-экономические критерии выбора методов корректировки свободных пролетов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Несущая способность глубоководных трубопроводов»

В настоящее время основными стратегическими направлениями развития газовой промышленности России следует считать увеличение добычи газа за счет разработки новых месторождений и одновременное расширение экспортных поставок природного газа в Западную Европу и страны Азии.

Одним из наиболее перспективных регионов с точки зрения добычи газа является полуостров Ямал с его крупнейшими месторождениями -Бованенковским, Харасавэйским и Крузенштерновским. Для транспорта газа, добываемого на Ямале, планируется строительство газотранспортной системы «Ямал-Европа». При этом, как показал технико-экономический анализ, наиболее эффективными являются варианты трасс, пересекающих Байдарацкую и Обскую губу Карского моря.

Другим перспективным газоносным районом является акватория Западной Арктики, включая Баренцево, Карское и Печорское моря. Крупнейшим среди месторождений Арктического шельфа является Штокмановское газоконденсатное месторождение. Транспортировка газа этого месторождения возможна только по подводному газопроводу, при этом протяженность морского участка составляет около 550 км, а максимальная глубина воды достигает 350 м.

В настоящее время актуальным является также вопрос освоения углеводородных месторождений Обской и Тазовской губ.

В более далекой перспективе можно рассматривать освоение газоконденсатных месторождений шельфовой зоны Ямала (Русановского и Ленинградского).

В области экспортных поставок газа строительство морских газопроводов позволяет избежать уплаты пошлин за транзит газа по территории других государств, а также в ряде случаев существенно сократить протяженность трассы.

Одним из таких проектов является проект «Северо-Европейский газопровод», предусматривающий строительство газопровода по дну Балтийского моря для поставок природного газа в Германию и страны Северной Европы.

Среди крупнейших транснациональных проектов наиболее близко к своему осуществлению строительство морского газопровода Россия-Турция по проекту «Голубой поток». Уникальность данного объекта заключается прежде всего в чрезвычайно большой глубине дна Черного моря (2150 м). Аналогов строительства трубопроводов и других инженерных сооружений на таких глубинах мировая практика еще не знает.

В этой связи следует обратить особое внимание на методику проектирования глубоководного участка морского трубопровода.

С одной стороны, ошибки при проектировании глубоководного трубопровода могут обернуться крайне тяжелыми экономическими потерями, связанными с дорогостоящим подводным ремонтом и длительным простоем экспортного газопровода.

С другой стороны, даже применение самых строгих международных норм, правил и стандартов не может гарантировать правильности принятия тех или иных технических решений. Любые нормы проектирования в той или иной мере отражают уже накопленный опыт строительства и эксплуатации инженерных сооружений, поэтому чисто механическая экстраполяция известных методов проектирования на принципиально новые и уникальные объекты, вообще говоря, невозможна без специального научно-технического обоснования.

Вышеизложенное дает все основания говорить об актуальности научных исследований в области принятия технических решений по оптимальному выбору параметров глубоководных трубопроводов.

Среди основных проектных решений следует отметить прежде всего выбор толщины стенки глубоководных трубопроводов. Кроме того, спецификой их строительства является укладка непосредственно на неровное морское дно, что может привести к возникновению недопустимо больших свободных пролетов.

Очевидно, что оба этих вопроса должны быть решены еще на стадии проектирования, а для этого, в свою очередь, требуются научно обоснованные методики расчета.

В связи с этим цель диссертационной работы заключается в разработке научных основ обеспечения надежности при строительстве и эксплуатации глубоководных газопроводов.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Критический анализ современных методов проектирования морских газопроводов и обоснование возможности их применения для глубоководных трубопроводов.

2. Разработка и реализация программы теоретических и экспериментальных исследований несущей способности глубоководных трубопроводов.

3. Разработка технических решений по защите глубоководных трубопроводов от лавинного смятия.

4. Нормирование предельно допустимых свободных пролетов, возникающих при укладке трубопровода на неровное дно.

5. Разработка системы технико-экономических критериев выбора методов и технических средств корректировки свободных пролетов.

Научные положения, защищаемые автором, заключаются в следующем.

1. Определение толщины стенки глубоководных трубопроводов возможно после проведения специальной программы теоретических, лабораторных и полномасштабных исследований несущей способности труб по чистому, локальному и лавинному смятию.

2. Метод функций динамической податливости позволяет определять предельно допустимые длины свободных пролетов с учетом геометрических и эксплуатационных параметров трубопровода, а также с учетом реальных свойств донного грунта и искусственных опор. Научная новизна работы заключается в следующем: разработана и реализована комплексная программа теоретических и экспериментальных работ по обоснованию выбора толщины стенки глубоководных трубопроводов; экспериментально исследованы и обобщены особенности несущей способности реальных труб на чистое, локальное и лавинное смятие; разработана методика оптимизации расстановки ограничителей лавинного смятия на глубоководных трубопроводах; разработан универсальный метод расчета частот собственных колебаний свободных пролетов подводных трубопроводов с учетом реальных эксплуатационных параметров и граничных условий; разработан метод расчета продольной устойчивости свободных пролетов глубоководных трубопроводов; разработана система технико-экономических критериев для выбора методов корректировки свободных пролетов подводных трубопроводов; Достоверность результатов и выводов основана на корректной постановке задач, применении современных методов теоретических и экспериментальных исследований, а также на сравнении литературных, расчетных и экспериментальных данных.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», Горяинов, Юрий Афанасьевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Теоретическое и экспериментальное решение поставленных задач позволяет сделать следующие выводы:

1. Разработаны научные основы обеспечения надежности при строительстве и эксплуатации глубоководных трубопроводов.

2. Разработана и реализована программа теоретических и экспериментальных работ по научному обоснованию выбора толщины стенки глубоководных трубопроводов.

3. Экспериментально подтверждена пригодность труб из стали марки Х-65 диаметром 610 мм и толщиной стенки 31,8 мм для строительства морского участка газопровода Россия-Турция по проекту «Голубой поток».

4. Определены основные параметры, влияющие на несущую способность труб по чистому и локальному смятию.

5. Разработана методика оптимизации расстановки ограничителей лавинного смятия на глубоководных участках подводных трубопроводов.

6. Разработана методика расчета свободных пролетов подводных трубопроводов на динамическую устойчивость.

7. Разработана методика расчета свободных пролетов подводных трубопроводов на продольный изгиб.

8. Сформулирована система технико-экономических критериев по оптимальному выбору способов корректировки свободных пролетов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горяинов, Юрий Афанасьевич, 2000 год

1. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость,- М.: Недра, 1982,- 341 с.

2. Березин B.JL, Бородавкин П.П., Шадрин О.Б. К определению собственной частоты колебаний подводных и надземных трубопроводов// Известия вузов, сер. Нефть и газ, 1971, № 1, с. 79-83.

3. Бородавкин П.П., Березин B.JL, Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы.- М.:Недра, 1979.- 415 с.

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

5. Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем,- М.: Наука, 1967.- 984 с.

6. Горяинов Ю.А. Газпром: не один, а два мега-проекта к 2000 году// Металлы Евразии, 1997, № 3, с.80-85.

7. Горяинов Ю.А., Резуненко В.И., Федоров A.C., Фейгин Б.Л. Газопровод Россия-Турция: исследование труб на смятие// Газовая промышленность, 1999, № 8, с. 15-16.

8. Горяинов Ю.А., Резуненко В.И., Фейгин Б.Л., Федоров A.C. Газопровод Россия-Турция: защита глубоководного участка от лавинного смятия// Газовая промышленность, 1999, № 5, с.82-83.

9. Горяинов Ю.А., Фейгин Б.Л., Федоров A.C., Харионовский В.В. Устойчивость свободных пролетов глубоководных трубопроводов// The Proceedings of the Second (1999) ISOPE European Offshore Mechanics Symposium: Pipelines.- Moscow, Russia, 1999, p.53-55.

10. Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций.- М.: Стройиздат, 1986,- 461 с.

11. Курганова И.Н., Радин В.П., Саликов А.И. Оценка долговечности участков подводных трубопроводов в непроектном положении// Вопросы надежности газопроводных конструкций.- М.: ВНИИГАЗ, 1993, с. 54-61.

12. Левин С.И. Подводные трубопроводы.- М.: Недра, 1970.- 288 с.

13. Магистральные трубопроводы. Строительные нормы и правила СНиП205.06-85*.- М.: ЦИТП Госстроя, 1997,- 52 с.

14. Мишина А.П., Проскуряков И.В. Высшая алгебра,- М.: Наука, 1965.211 с.

15. Нормы проектирования и строительства морского газопровода. Ведомственные нормы ВН 39-1.9-005-98.-М.:ИРЦ Газпром, 1998,- 32 с.

16. Овчинников В.Ф., Смирнов Л.В. Динамические свойства трубопровода с движущейся жидкостью// Вопросы атомной науки и техники. Физика и технология ядерных реакторов, 1981, № 6/19, с. 6-16.

17. Окопный Ю.А., Радин В.П. Исследование напряженно-деформированного состояния подводного газопровода// Конструктивная надежность газопроводов.- М.: ВНИИГАЗ, 1992, с.53-62.

18. Окопный Ю.А., Радин В.П. Случайные колебания подводных трубопроводов при гидродинамических воздействиях// Надежность газопроводных конструкций.- М.: ВНИИГАЗ, 1990, с. 76-79.

19. Радин В.П., Окопный Ю.А., Саликов А.И. Применение метода конечных элементов для исследования подводного трубопровода// Вопросы надежности газопроводных конструкций.- М.: ВНИИГАЗ, 1993, с.61-70.

20. Радин В.П., Саликов А.И. О собственных частотах подземных и подводных трубопроводов с открытыми участками// Конструктивная надежность газопроводов,- М.: ВНИИГАЗ, 1992, с.102-108.

21. Резуненко В.И., Горяинов Ю.А., ван дер Хайген X., Веллинк И, Кашунин К.А. В Турцию-по дну моря// Потенциал, 1998, № 2, с.78-79.

22. Рябов В.М., Либов Ю.А., Щемилинина Г.А. Устойчивость труб глубоководных трубопроводов при укладке и нахождении на грунте// The Proceedings of the Second (1999) ISOPE European Offshore Mechanics Symposium: Pipelines.- Moscow, Russia, 1999, p.4-5.

23. Синюков A.M., Фейгин Б.Л. К расчету долговечности подвесных колонн подземных резервуаров// Известия вузов, сер. Нефть и газ, 1986, №6, с. 81-85.

24. Скугорова Л.П. Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ.- М.: Недра, 1975, 320 с.

25. Тартаковский А.Г. Строительная механика трубопровода.- М.: Недра, 1967.-312 с.

26. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле.-М.: Машиностроение, 1985,- 472 с.

27. Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов,- М.: Наука, 1967,- 376 с.

28. Феодосьев В.И. О колебаниях и устойчивости трубы при протекании через нее жидкости// Инженерный сборник, 1951, т. X, с. 169-170.

29. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов,- М.: Наука, ГИФМЛ, 1979.-560 с.

30. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений.- М.: Мир, 1980,- 279 с.

31. Харионовский В.В., Окопный Ю.А., Радин В.П. Исследование устойчивости подводных переходов газопровода, имеющих размытые участки// Проблемы надежности газопроводных конструкций.- М.: ВНИИГАЗ, 1991, с.94-99.

32. Штерн JI.M. Об устойчивости центральной эксплуатационной колонны подземного хранилища нефтепродуктов в отложениях каменной соли// Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 1978, №6, с. 10-12.

33. Anand N.M., Torum A. Free span vibration of submarine pipelines in steady flow and waves// Separated Flow Around Marine Structures. Proceedings of the International Symposium. Trondheim, June 26-28, 1985,- Trondheim, 1985, p.155-199.th

34. Anjinsen K.A. Review of free spanning pipelines// Proceedings of the 5 International Offshore and Polar Engineering Conference. The Hague, June 11-16, 1995, vol.2.- Golden (Colo), 1995, p.129-133.

35. Beckmann M.M., Hale J.R., Lamison C.W. Spanning can be prevented, corrected in deep water// Oil and Gas Journal, 1991, vol. 89, № 51, p.84-89.

36. Berti A. Deep water pipeline design: a general review// Proceedings of the 11th World Petroleum Congress. London, 1984, vol. 3- Chichester e.a., 1984, p.323-332.

37. Berti A., Benedigi G. Deep line engineering fine-tuned by Transmed// Pipeline and Gas Journal, 1983, vol.210, № 4, p.46,49,51,53.

38. Celant M., Re G., Venzi S. Fatigue analysis for submarine pipelines// Proceedings of the 14th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Tex., May 3-6, 1982, vol.2.- Dallas, Tex., 1982, p.37-50.

39. Code of practice for Pipelines. Part 3. Pipelines subsea: design, construction and installation. British Standard BS 8010: Part 3, 1993, 78 p.

40. Corbishley T.Y. Pipeline free spans design and operational consideration// International Society of Underwater Technology, 1983, vol. 9, № 1, p. 1419.

41. Cui H., Tani J. Effect of boundary condition on the stability of a pipe conveying fluid// Transactions of the JSME, 1994, vol.60, № 570, p.462-466.

42. De Winter P.E. A method of analysis for collapse of submarine pipelines// Proceedings of the Third International Conference. Cambridge, Mass. 2-5 August 1982, vol.2.- Washington e.a.,1983, p.169-186.

43. Design, Construction, Operation, and Maintenance of Offshore Hydrocarbon Pipelines. API Recommended Practice 1111.- American Petroleum Institute, 1993, 21 p.

44. Gas Transmission and Distribution Piping Systems. ASME Code for Pressure Piping. ASME B31.8-1995. An American National Standard.- The American Society of Mechanical Engineers, 1995, 177 p.

45. Gellin S. The plastic buckling of long cylindrical shells under pure bending// International Journal of Solids and Structures, 1980, vol.16, No 5, p. 397-407.

46. Goriainov Y. Construction of "Blue Stream" Gas Transportation System// VII Annual International Conference "Natural Gas: Trade and Investment Opportunities in Russia and the CIS", 1998, p. 115-116.

47. Hoskins E.C. Sub-sea pipeline free span vibration analysis/ Institute of Petrol, 1982, № 13,- 69 p.

48. Jensen J.J., Petersen P.T. Collapse of long Elastic-Plastic Pipes Subjected to Combined Loads// Technical University of Denmark, 1984, Report DCAMM No 287.

49. Johns T.G., McConnell D.P. Pipeline design resist buckling in deep water// Oil and Gas Journal, 1984, vol.82, № 30, p.62-65.

50. Johns T.G., McConnell D.P. Research program yields preliminary design method for pipelines in 1000-3000 ft of water// Oil and Gas Journal, 1984, vol.82, № 32, p.59-62.

51. Johns T.G., McConnell D.P. Response and Stability of Elastoplastic Circular Pipes Under Combined Bending end External Pressure//iL

52. Proceedings of the 11 Pipeline Technology Conference.- Houston, Texas, 1983.

53. Kershenbaum N.Y., Harrison G.E. Seabed irregularity in subsea pipeline spanning// Proceedings of the 5th International Offshore and Polar Engineering Conference. The Hague, June 11-16, 1995, vol.2.- Golden (Colo), 1995, p.8-14.

54. Kyriakides S., Babcock C.D., Elyada D. Initiation of propagating buckles from local pipeline damages// Transactions of the ASME. Journal of Energy Resources Technology, 1984, vol.106, № 1, p.79-87.

55. Kyriakides S., Corona E., Madhavan R., Babcock C.D. Pipe Collapse Under Combined Pressure, Bending, and Tension Loads// Proceedings of the Offshore Technology Conference, 1989.- OTC Paper No. 6104.

56. Matteelli R., Mazzoli A. Intervention requirements for deep water pipe lines// Pipe Line Industry, 1982, vol.57, № 4, p.39-40, 42.

57. Matteelli R., Mazzoli A. Intervention requirements for deepwater pipe lines// Pipe Line Industry, 1982, vol.57, № 5, p.91-92.

58. Meng Z., Li X., Yang M., Wang Z., Yang S., Zhang H. Dynamic load analysis of underwater pipeline// Proceedings of the International Symposium on Structural and Technical Pipeline Engineering. Beijing, April 15-20, 1992.-Beijing, 1992, p.201-208.

59. Moe G., Hansen H.S., Overvik T. Effect of internal overpressure on free spanning pipelines// Ocean Engineering, 1986, vol.13, № 2, p. 195-207.

60. Murphey C.E., Langner C.G. Ultimate Pipe Strength Under Bending, Collapse, and Fatigue// Proceedings of the Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference, 1985.

61. Reddy B.D. An experimental study of the plastic buckling of circular cylinders in pure bending// International Journal of Solids and Structures, 1979, vol.15, No 9, p. 669-682.

62. Rules for Submarine Pipeline Systems.- Det Norske Veritas, 1981, 88 p.

63. Rules for Submarine Pipeline Systems.- Det Norske Veritas, 1996, 128 p.

64. Special design approaches for deepwater pipe lines// Pipeline Industry, 1983, vol.59, № 1, p.35-36.

65. Specification for Line Pipe. API Specification 5L. Forty-first edition, April 1, 1995,- American Petroleum Institute, 1995, 119 p.

66. Stark P.R, McKeehan D.S. Hydrostatic Collapse Research of the Oman-India Gas Pipeline// Proceedings of the Offshore Technology Conference, OTC Paper No. 7705, 1995.

67. Steel W.J.M., Spence J. The buckling of sub-sea pipelines// Development of Thin-Walled Structures, vol.2.-London, New York, 1984, p. 131 -171.

68. Tam C.K.W., Croll G.A. An improvement of the propagation buckle performance of subsea pipelines// Thin-Walled Structures, 1986, vol.4, № 6, p. 423-448.

69. Wagner D.A., Murff J.D., Brennodden H., Sveggen O. Pipe-soil interaction model// Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 1989, vol. 115, №2, p.205-220.

70. Xiang Z., Tang Y., Li C., Li X. Dynamic analysis of underwater pipelines// Proceedings of the International Symposium on Structural and Technical Pipeline Engineering. Beijing, April 15-20, 1992,- Beijing, 1992, p. 192199.

71. Yen M.K., Kyriakides S. Collapse of deepwater pipelines// Transactions of the ASME. Journal of Energy Resources Technology, 1988, vol.110, № 1, p.1-11.

72. Yun H.D., Kyriakides S. Buckling of pipelines in seismic environment// Proceedings of the 3rd US National Conference on Earthquake Engineering. Charleston, S.C., August 24-28, 1986, vol.3.- El Cerrito, Calif., 1986, p. 2179-2189.

73. Yun H.D., Kyriakides S. On the beam and shell models of buckling of buried pipelines// Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 1990, vol.9, № 4, p.179-193.