Обеспечение безопасной эксплуатации магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов на участках многолетнемерзлых грунтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат наук Идрисова, Яна Робертовна

• Идрисова, Яна Робертовна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Идрисова, Яна Робертовна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОЙ ЭСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ НА УЧАСТКАХ

МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

1.1. Задачи исследования температурного режима грунтов

и теплового взаимодействия трубопроводов с окружающей

средой

1.2. Обзор экспериментальных исследований теплового взаимодействия нефтепроводов с многолетнемерзлыми

грунтами

1.3. Нагрузки и воздействия на заглубленные в грунт магистральные трубопроводы

Выводы по главе 1

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА С МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ

2.1. Краткая характеристика опытных участков эксплуатируемого магистрального трубопровода Тарасовское - Муравленковское

2.2. Экспериментальная оценка динамики развития температурных

полей вокруг трубопровода

2.3. Обработка экспериментальных данных

2.4. Изменение пространственного положения эксплуатируемого нефтепровода на участках многолетнемерзлых грунтов

Выводы по главе 2

Глава 3. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ГРУНТОВЫХ СЛОВИЙ

3.1. Выбор модели взаимодействия трубопровода с грунтом

для оценки напряженно-деформированного остояния

3.2. Совершенствование методики расчета радиуса изгиба трубопровода по результатам обследования трассы

3.3. Методология расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода с учетом изменения грунтовых условий

3.3.1. Общие положения и исходные предпосылки

3.3.2. Модель взаимодействия трубопровода с грунтом

при просадке грунта и оценка НДС

Выводы по главе 3

Глава 4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ

БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА УЧАСТКАХ

МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Выводы по главе 4

Основные выводы

Библиографический список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение безопасной эксплуатации магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов на участках многолетнемерзлых грунтов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

С освоением районов Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири возникают проблемы обеспечения безопасности эксплуатируемых объектов на участках многолетнемерзлых грунтов.

Одним из основных вопросов при решении этих проблем в процессе эксплуатации магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов является оценка их теплового взаимодействия с многолетнемерзлыми грунтами.

Как правило, транспортируемые жидкости имеют более высокую температуру, чем окружающий трубопровод грунт. Вследствие теплового взаимодействия трубопровода с окружающим грунтом его температурный режим меняется по длине трубы. Соответственно изменяется и глубина протаивания под ней.

Прогрессирующее протаивание грунта в процессе длительной эксплуатации может привести к просадке трубопровода, изменению напряженного состояния трубы и его разрушению.

В связи с вышеизложенным проблема обеспечения безопасности при изменении пространственного положения магистральных трубопроводов на участках распространения многолетнемерзлых грунтов является актуальной в процессе эксплуатации.

Цель работы - обеспечение безопасной эксплуатации магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов на участках многолетнемерзлых грунтов в условиях изменения их пространственного положения в процессе длительной эксплуатации.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ проблем по обеспечению безопасности эксплуатируемых трубопроводных систем на участках многолетнемерзлых грунтов на основе опубликованных данных;

2. Исследование изменения пространственного положения эксплуатируемых трубопроводов на основе определения сезонных и многолетних ореолов оттаивания (промерзания) грунтов;

3. Совершенствование методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов при изменении их пространственного положения;

4. Разработка мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатируемых магистральных трубопроводов на участках многолетнемерзлых грунтов.

Методы решения поставленных задач

Решение поставленных задач осуществлялось на основе результатов натурных исследований взаимодействия трубопроводов с многолетнемерзлыми грунтами, аналитических и численных методов исследования напряженного состояния трубопроводов при изменении пространственного положения.

При выполнении работы использовались результаты исследований, полученные при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводов в районах Крайнего Севера отечественными учеными, такими как Малюшин H.A., Новоселов В.Ф., Тугунов П.И., Гарис H.A., Кушнир С.Я., Гумеров А.Г., Гумеров K.M., Тонкошкуров Б.А., Александров H.A., Сущев С.П., Ларионов В.И., Губайдуллин М.Г. и др.

Научная новизна результатов работы

1. На основе анализа существующих методов расчета предложена модель для определения давления грунта при оценке напряженного состояния трубопроводов, проложенных подземным способом в многолетнемерзлых грунтах.

2. Разработана математическая модель определения радиуса изгиба оси эксплуатируемого трубопровода при изменении его пространственного положения на участках многолетнемерзлых грунтов.

3. С учетом изменения пространственного положения трубопровода в процессе эксплуатации предложена усовершенствованная методика определения напряженно-деформированного состояния трубопровода на участках многолетнемерзлых грунтов.

4. Предложено техническое решение по стабилизации положения эксплуатируемого трубопровода при изменении его планово-высотного положения на участках многолетнемерзлых грунтов.

На защиту выносятся:

• математическая модель определения радиуса изгиба оси эксплуатируемого трубопровода при изменении его пространственного положения в процессе эксплуатации;

• усовершенствованная методика определения напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых трубопроводов на участках многолетнемерзлых грунтов;

• техническое решение по стабилизации положения эксплуатируемого трубопровода при его просадке на участках многолетнемерзлых грунтов.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Усовершенствованная методика расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода позволяет определить предельно допустимое значение просадки трубопровода при его эксплуатации на участках многолетнемерзлых грунтов.

2. Предложенное техническое решение по стабилизации положения трубопровода позволяет снизить риск аварии эксплуатируемых трубопроводных систем, проложенных на участках многолетнемерзлых грунтов.

3. Предложенная методика расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода использована при проектировании и оценке остаточного ресурса магистральных трубопроводов.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практических конференциях в рамках Нефтегазовых форумов и Международных специализированных выставок «Газ. Нефть. Технологии» (г. Уфа, 2010, 2012, 2014 гг.), IV научно-технической конференции с международным участием «Основные проблемы поиска, освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения» (г. Оренбург, 2010 г.).

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ НА УЧАСТКАХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

1.1. Задачи исследования температурного режима грунтов и теплового взаимодействия трубопроводов с окружающей средой

Вопросам проектирования и строительства трубопроводов в районах Крайнего Севера посвящены исследования отечественных и зарубежных ученых, таких как Малюшин H.A., Новоселов В.Ф., Тугунов П.И., Гарис H.A., Кушнир С.Я., Гумеров А.Г., Гумеров K.M., Андерсон Д.М., Тонкошкуров Б.А. и др. [1 -8]. Все исследователи отмечают, что строительство и эксплуатация магистральных трубопроводов в области распространения вечномерзлых грунтов представляют сложную проблему. В значительной степени это объясняется тем, что при тепловом взаимодействии трубопроводов с вечномерзлыми грунтами, а также под влиянием изменения природных условий существенно изменяются температура, состав, строение и свойства грунтов. Изменение их температурного режима приводит не только к резкому изменению несущей способности основания, но и к активному развитию на трассах различных инженерно-геологических процессов. При исследовании изменения мерзлотных условий на трассах нефтепроводов необходимо, прежде всего, определять температурный режим грунтов в зависимости от различных тепловых воздействий и изменений природных факторов, связанных со строительством и эксплуатацией трубопроводов.

В зависимости от способов прокладки трубопроводов характер изменения температурного режима существенно различен, поэтому задачи по прогнозированию теплового состояния грунтов на период строительства и эксплуатации сооружения также отличаются и по постановке, и по методам решения. • -

Вопросам теплового взаимодействия трубопроводов с окружающей средой посвящены экспериментальные и теоретические исследования многих авторов, которыми на основе результатов инженерных изысканий и экспериментальных исследований были предложены упрощенные формулы для расчета глубин промерзания (оттаивания) грунта при взаимодействии с объектом, в т.ч. и трубопроводами [9-30].

При подземном и наземном способах прокладки температура грунтов формируется под влиянием естественной динамики воздействия природных факторов, их изменения при строительстве и теплового взаимодействия с трубой. Степень теплового влияния трубы в конкретной точке зависит от технологии перекачки нефти (ее температуры и давления) и от теплопотерь в грунт (атмосферу) по длине трубопровода.

На трассе при указанных способах прокладки выделяются две зоны: зона теплового влияния трубопровода, где температурный режим грунтов изменяется при всей совокупности перечисленных взаимодействий, и зона, где тепловое влияние трубы отсутствует. По результатам анализа опубликованных работ нами предложены задачи по исследованию температурного режима грунтов на участках подземной и наземной прокладок трубопроводов, которые включают:

1) исследования изменения температурного режима и глубин сезонного оттаивания и промерзания грунтов в связи с изменением отдельных природных факторов (высоты снега, растительности, состава и влажности грунта и т.п.);

2) исследования сезонных и многолетних ореолов оттаивания (промерзания) грунтов под трубопроводами.

В процессе строительства и эксплуатации трубопроводов температура грунтов в полосе прохождения трассы нефтепровода может значительно меняться. Эти изменения на участках многолетнемерзлых грунтов могут привести к изменению процессов сезонного оттаивания и промерзания.

Увеличение глубины протаивания сопровождается развитием различных мерзлотных инженерно-геологических процессов и явлений. В связи с этим изучение закономерностей формирования температурного режима грунтов в области теплового воздействия трубопровода на грунты на участках с различными природными условиями в зависимости от способов прокладки трубопровода и температуры нефти является одной из важных задач.

На основе изучения этих закономерностей возможна разработка надежных методов для расчета температурного поля в грунтах, что имеет первостепенное значение для прогноза изменения мерзлотных условий при строительстве нефтепроводов на территории распространения многолетне-мерзлых пород.

Процессы сезонного протаивания и промерзания грунтов по трассе нефтепровода определяются составом и влажностью грунтов, их теплофизи-ческими свойствами, а также температурным режимом почв.

В таких условиях проведение наблюдений за изменениями сезонного протаивания и промерзания грунтов под воздействием эксплуатируемых объектов позволит совершенствовать расчетные методы прогнозирования теплового взаимодействия.

При изучении сезонного протаивания пород необходимо определить влияние строительства на состав, режим влажности, криогенное строение и свойства грунтов, на режим надмерзлотных и поверхностных вод при различных способах прокладки трубопровода и различных мерзлотно-грунтовых условиях.

Важно также определить время начала и конца протаивания, его темп (скорость). В зимних условиях следует определить темп промерзания оттаявшего слоя, время его полного смерзания с многолетнемерзлой толщей.

На участках распространения таликов следует изучать темп и глубину сезонного промерзания пород в зависимости от состава и влажности отложений, гидрогеологических условий и других природных факторов, криогенное

и

строение промерзшего слоя, его льдистость и закономерности перераспределения влаги и промерзания.

При изучении слоя сезонного протаивания и промерзания необходимо установить, какие факторы геолого-географической среды приводят к увеличению или уменьшению глубины протаивания и промерзания (состав и влажность пород, снежный, растительный и водный покровы, надмерзлотные воды и т.д.).

При эксплуатации нефтепровода важное значение имеют изменение глубины и динамика протаивания (промерзания) в существующих климатических условиях. В случае многолетних исследований могут быть получены средне-многолетние глубины промерзания и глубины оттаивания грунтов.

1.2. Обзор экспериментальных исследований теплового взаимодействия нефтепроводов с многолетнемерзлыми грунтами

В литературе мало работ, посвященных экспериментальным исследованиям вопросов взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами. Исследования, связанные с перекачкой нефтей в сложных условиях, нам не известны. Ниже в краткой форме приведено описание исследований на электроинтеграторе, лабораторной установке, а также данные, полученные на трубопроводах Канады.

Особый интерес представляют исследования американских и канадских ученых на полигонах Аляски и Северной Канады. Учитывая, что результаты исследований практически не освещены в печати, полезно остановиться на обустройстве полигонов [8].

Один из опытных участков расположен в зал. Прадхо. Почва имеет плохой дренаж и полностью покрыта ледяными линзами. Глубина активного слоя составляет 25,4 см; летняя температура грунта 269 К, а зимняя - 261 К.

Для решения задач, предусмотренных научно-исследовательской про. граммой, был запроектирован и проложен трубопровод в виде петли диамет-

ром 1,220 м и длиной 610 м. Петля состояла из двух участков в виде колена длиной 244 м с концевыми секциями протяженностью 61 м. Один участок длиной 240 м был уложен подземно, другой - полуподземно.

Опытный участок начал работать в июле 1971 г. На первой стадии воздух циркулировал при 277 К в течение одной недели, затем систему перевели на режим работы газопровода, действующего при температуре 269 К.

Вторая площадка для опытного участка была выбрана недалеко от поселка Норман-Уэльс, где содержание льда в грунте умеренное. Глубина активного слоя достигает 0,60 м. Температура грунта летом составляет 272,4 К, а зимой - 269,1 К.

Целью работ на опытном участке было исследование режимов эксплуатации холодных (при температуре 264 К) и теплых (при температуре 291 К) трубопроводов с циркулирующим в них воздухом. Опытный участок состоял из четырех замкнутых секций трубопровода диаметром 1,220 м и протяженностью 36 м с концентрической трубой диаметром 0,750 м, вставленной вовнутрь, чтобы воздух мог циркулировать в каждой секции. Система начала полностью действовать в августе 1971 г.

Недалеко от заполярного города Инувик был построен экспериментальный трубопровод в виде замкнутой петли протяженностью 610 м и диаметром 1,220 м, оборудованный насосной станцией, хранилищем, нагревательными печами и аппаратурой для регистрации результатов измерений.

Для оценки термического влияния трубопровода с циркуляцией теплой нефти на этот грунт в нескольких местах трубопровода были размещены температурные датчики.

Испытательный участок Сен Солт расположен в районе с перемежающимися участками вечной мерзлоты. Грунты имеют большое льдосодержа-ние.

Для изучения нарушения термического режима вечномерзлых грунтов при прокладке в них «горячего» нефтепровода был создан испытательный полигон на территории Аляскинского университета под Фернбексом, где за-

дожили ряд «огородных грядок» шириной 1,5 м и длиной по 27,5 м каждая. Под этими «грядками» в слое вечномерзлых грунтов были уложены алюминиевые гофрированные трубы диаметром 1,220 м и толщиной стенки 2,8 мм общей протяженностью 185 м. Цель эксперимента - сравнить результаты, полученные на физической модели, с данными теоретических расчетов на ЭВМ.

Для измерения температуры грунта перпендикулярно трубам были пробурены термостворы шириной 30 м в каждую сторону. Скважины термостворов бурились на глубину от 5,2 (непосредственно у труб) до 1,4 м (у краев створов). Установка снабжалась измерительной аппаратурой, позволяющей определять влажность и плотность грунтов, окружающих трубы, и регистрирующей эти показатели. Кроме того, ежемесячно лабораторным путем определялись влажность и плотность взятых проб грунтов.

Исследования на опытном участке в Прадко-Бей показали, что насыпи над трубопроводами оставались устойчивыми. Лишь в случае пересечения трубопроводом массивных подземных льдов или ледяных линз при использовании для засыпки местного грунта насыпь сильно оседала. Работающие трубопроводные секции были устойчивыми, а деградация вечной мерзлоты оказалась в ожидаемых пределах.

Исследования, проведенные в Норман-Уэльсе, показали, что осадки насыпей в этом районе наблюдаются относительно редко.

При работе трубопроводов при положительных температурах отмечалось дополнительное оседание, а при работе трубопроводных секций в холодном режиме над трубой наблюдалось морозное пучение грунта, однако секции оставались устойчивыми. Эти перемещения измерялись сантиметрами, поэтому едва ли они могут создать дополнительные напряжения в трубопроводе. В конце лета на верху насыпи по мере подсыхания грунта появились многочисленные глубокие продольные трещины шириной в несколько сантиметров. Некоторые трещины были достаточно глубокими, и поверхность трубы оголялась: Предполагают, что такая трещина исчезнет при еле-

дующем весеннем таянии. С другой стороны, их можно было бы ликвидировать, если на верх насыпи уложить дополнительное количество грунта. Результаты исследований в Норман-Уэльсе приведены на рисунках 1.1 и 1.2.

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

Время, сут

Т --

Сплошная кривая - экспериментальная температура грунта; штриховая - расчетная температура грунта;

1 - на глубине 30,5 см и расстоянии от оси трубопровода 167,6 см; II - на глубине 305 см и расстоянии от оси трубопровода 122 см

Рисунок 1.1

- Сравнение расчетных и экспериментальных значений температуры грунта вокруг трубопровода диаметром 1220 мм

и °с

1-8 апреля

2-9 июня

3-15 сентября

Рисунок 1.2- Сравнение расчетных и фактических температур грунта на участке 32

Наиболее полно результаты экспериментов описаны для участка в Инувике. Основными задачами полевых испытаний в Инувике, которые начались в июле 1971 г. и завершились в январе 1972 г., были:

- измерение порового давления внутри грунта в процессе растепления;

- измерение поля температур грунта и определение положения фронта протаивания во времени;

- контроль свойств грунта и положения трубы при протаивании или промерзании;

- определение плотности отдельных слоев грунта в пределах основания на образцах, а также оценка величины осадки трубы и сравнение этих данных с фактическими.

В начале июля 1971 г. была уложена труба диаметром 0,61 м. Движение горячей нефти по опытному участку началось 22 июля 1971 г. Температура нефти до 1 октября 1971 г. поддерживалась порядка 344 К, после чего нагреватели отключались, и циркуляция прекратилась, температура нефти постепенно снижалась, и 3 ноября 1971 г. она составила 276 К. После этого возобновили циркуляцию горячей нефти. Опыты продолжали до января 1971 г. Значения поровых давлений и показатели термисторов фиксировались ежедневно, а величина осадки определялась не менее двух раз в неделю.

Для измерения температуры были использованы термопары сопротивления и термисторы. Термисторы были выбраны потому, что их легко было совместить с существующей цифровой считывающей системой.

Измерения показывают, что вода, образующаяся при протаивании, течет вверх, в сторону траншеи.

Чтобы установить положение и скорость движения фронта протаивания, в 46 точках вокруг подземной трубы были сделаны замеры температуры. Скорости протаивания оказались больше, чем предполагали по результатам моделирования. Первоначально фронт протаивания перемещался быстро вниз и в стороны от трубы, но скорость этого движения уменьшалась с уве-

личением расстояния между трубой и нулевой изотермой. В начале испытаний зона протаивания имела корытообразную форму, но когда труба осела, фронт протаивания начал передвигаться вниз более резко, чем по горизонтали, и талая зона приняла чашеобразную форму. Глубина протаивания по вертикали от дна трубы до изотермы 273 К изменялась по закону:

х = /?г05, (1.48)

где х - расстояние по вертикали от дна трубы до нулевой изотермы, м;

Р - постоянная, м/ч Уг;

г - время, ч.

Величина /?, определенная по данным полевых испытаний, составила 0,046 м/чу\ Вычисляя константу /?, получаем 0,057 м/ч14. Этот результат показывает, что несмотря на то, что труба и осела более чем на 1,3 м, уравнение типа Стефана можно использовать для предсказания положения фронта протаивания под трубой. Почти вся осадка была вызвана протаиванием верхних богатых льдом слоев грунта. Глина была плотной и оседала при протаивании очень медленно. Когда фронт протаивания дошел до глины, максимальная осадка поверхности (и трубы) составила 0,98 м, или 80 % от общей осадки, в течение опытных работ.

Сравнение вычисленного и измеренного положений фронта протаивания показывает, что можно использовать закон корня квадратного из времени для предсказания положения фронта протаивания под трубой. Замеры осадки грунта показывают изменчивость в пределах небольших расстояний. Однако величина осадки была предсказана с достаточной точностью путем использования средних значений, полученных при лабораторных исследованиях протаивания и осадки образцов грунта. Осадка грунта начинается сразу же после протаивания и продолжается после прохождения нулевой изотермы. Это указывает на высокую проницаемость грунта (начальную) после протаивания, которая со временем постепенно уменьшается.

Итак, проведенный анализ аналитических и экспериментальных исследований по вопросам теплового взаимодействия трубопроводов с многолет-немерзлыми грунтами показал, что в литературе имеется обширный круг решений этих вопросов, полученных точными методами на основе численных решений, а также в результате обработки опытных данных. Для того чтобы выбрать из всего многообразия конкретные формулы для расчета распределения температуры в потоке и грунте, динамики протаивания грунта и т.д., необходимо проведение детальных лабораторных и натурных испытаний.

1.3. Нагрузки и воздействия на заглубленные в грунт магистральные трубопроводы

Порядок выполнения расчетов на прочность магистральных трубопроводов определен действующими нормативными документами и описан в монографиях [31 - 37]. Оценке напряженного состояния трубопроводов в процессе эксплуатации посвящено большое количество исследований, с результатами которых можно ознакомиться в работах [38 - 44].

При оценке напряженного состояния действующих магистральных трубопроводов необходимо учитывать все нагрузки и воздействия, вызывающие изменения напряженного состояния металла труб.

К ним относятся [32, 33,40]:

- собственный вес трубопровода (трубы, изоляции, футеровки продукта);

- внутреннее давление в трубе;

- температурное воздействие;

- упругий изгиб (искривление) трубопровода в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- реакция грунта;

- действие тяжёлых предметов, находящихся на поверхности земли над подземным трубопроводом;

- действие ремонтных и подъемных механизмов;

- действие воды на водных переходах, болотах, участках образования ореола оттаивания;

- локальные воздействия (пригрузов, анкеров, опор, креплений, ремонтных механизмов);

- остаточные напряжения в стенке трубопровода (сварочные, монтажные, от динамики грунта в процессе длительной эксплуатации).

Можно в отдельную группу отнести грунтовые воздействия, возникающие вследствие протекания сложных грунтовых явлений (просадка, оползень, пучение, сдвиг, землетрясения и др.).

Напряжения, возникающие, например, от собственного веса, внутреннего давления, можно вычислить с достаточной для практического использования точностью [40, 41].

Воздействие на напряженно-деформированное состояние трубопроводов других факторов (закрепляющих элементов, грунтовых опор и т.д.) может учитываться в соответствующих начальных и граничных условиях задачи.

Влияние таких факторов, как температурное воздействие, действие потока воды, может учитываться только приближенно, поэтому при расчетах необходимо вводить соответствующие запасы по прочности.

Рассмотрим по отдельности все виды нагрузок и соответствующие напряжения. При этом размерности всех величин определим в системе СИ.

Собственный вес трубопровода (трубы, изоляции, продукта) длиной 1 м определяется по формуле [40]:

Чсв =■-^-[о2 _(0-5т)2]-^5(0-5г)2 -у„• к-ф+5н).8и , (1.1)

где ух, у„ , уи - удельные веса соответственно металла трубы, нефти, изоляции;

8Х , §и — толщина соответственно стенки трубы и слоя изоляции; О - наружный диаметр трубы.

Собственный вес трубопровода наряду с другими силами участвует в уравнении продольно-поперечного изгиба трубопровода:

Е-1Х.

(IV

-N(2)

С1Ч

4 2 =Чу(г).

(1.2)

Для количественного описания состояния трубопровода вводим систему координат (рисунок 1.3) [44]:

У Ф Уу(2)

те (г)

Рисунок 1.3- Обозначения координат (и, V, \у) и действующих сил (Ях, %, я) в системе координат (х, у, г)

ъ - координата вдоль оси трубы; уу - смещение оси трубы по вертикали;

N(2) - продольное усилие (растяжению соответствует N > 0); qy(z) - поперечная нагрузка на трубу длиной 1 м (включает собственный вес ясв(У));

.Цг) - момент поперечного сечения трубы относительно горизонтальной оси х, вычисляется по формуле:

Л =

(1.3)

От воздействия внутреннего давления в трубе в стенке трубы возникают кольцевые и продольные напряжения, которые описываются следующими зависимостями [40, 41]:

_ Р-(£>-2-£м)

кольцевое напряжение с^р) ~--' (1-4)

2'дт

ц-Р'(В-2>6т)

продольное напряжение <?пр{Р) = ц • &КЦ(Р) =-—-, (1.5)

^ ' т

где Р - внутреннее давление в трубопроводе;

ц - коэффициент поперечной деформации стали, ц =0,3; В - наружный диаметр трубы; 5Т - толщина стенки трубы.

От температурного воздействия при эксплуатации трубопроводов могут появиться термонапряжения в стенке трубы, которые описываются формулой (1.6) и направлены по оси трубопровода:

с, = Е-а-Ли (1.6)

где Е - модуль упругости металла трубы, Па (для стали Е = 206-109 Па);

а - коэффициент температурного расширения металла, град"1 (для стали а = 0,000012 град"1);

А/ - расчетный температурный перепад, °С. Определяется как разница между температурой стенки трубы в процессе эксплуатации и температурой трубы при строительстве трубопровода [33].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Идрисова, Яна Робертовна, 2015 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Малюшин, Н. А. Проектирование и эксплуатация магистральных нефтепроводов Сибири [Текст] / Н. А. Малюшин, А. П. Неволин, В. П. Новоселов // Обзорная информация. Серия «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов». - 1982. - 40 с.

2. Гаррис, Н. А. Трубопроводный транспорт нефти северных районов при условии сохранности окружающей среды. [Текст] / Н. А. Гаррис, П. И. Тугунов // Экономика нефтегазового комплекса: тез. докл. 1-ой Всесо-юзн. конф. (Надым, 1988 г.). -М., 1988. - С. 63-64.

3. Проектирование, эксплуатация и ремонт нефтепродуктопроводов [Текст] / В. С. Яблонский, В. Ф. Новоселов, В. Б. Галеев, Г. 3. Закиров. - М.: Недра, 1965.-410 с.

4. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах [Текст] / Под ред. Ю. Я. Вели, В. И. Докучаева, Н. Ф. Федорова. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отд., 1977. - 552 с.

5. Геотехнические вопросы освоения Севера [Текст]: пер. с англ. / Под ред. Андерсленд О. Б., Андерсон Д. М. - М.: Недра, 1983. - 551 с.

6. Полтев, Н. Ф. Мерзлотно-геологические исследования в связи со строительством и эксплуатацией подземного газопровода в зоне вечной мерзлоты [Текст] / Н. Ф. Полтев [и др.]. // Матер. III Междунар. конф. по мерзлотоведению. Серия «Инженерное мерзлотоведение». - Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1979. - С. 213-222.

7. Кудрявцев, В. А. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях в области многолетнемерзлых пород [Текст] / В. А. Кудрявцев [и др.]. - М.: Изд-во МГУ, 1974. - 431 с.

8. Зарубежный опыт строительства на Крайнем Севере [Текст]. - Л.: Стройиздат, 1969. - 63 с. . , . .

9. Кудрявцев, В. А. Формула для расчета глубины промерзания грунтов (в случае неравных теплофизических характеристик талого и мерзлого грунтов) [Текст] / В. А. Кудрявцев, В. Г. Меламед // Мерзлотные исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1963. - Вып. III. - С. 74-78.

10. Порхаев, Г. В. Пособие по теплотехническим расчетам санитарно-технических сетей, прокладываемых в вечномерзлых грунтах [Текст] / Г. В. Порхаев [и др.]. - М.: Госстройиздат, 1971. - 221 с.

11. Вотякова, Н. И. Сравнительная оценка формул для расчета глубины сезонного промерзания/протаивания грунта [Текст] / Н. И. Вотякова // Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. - М.: Наука, 1972. - С. 35-40.

12. Клементьев, А. Ф. Инженерные формулы для расчета ореола оттаивания грунтов [Текст] / А. Ф. Клементьев, Р. Г. Козлова, Н. М. Гостев // Матер. VIII Всесоюзн. школы-семинара по проблемам трубопроводного транспорта. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1985. - С. 8.

13. Меламед, В. Г. О численном интегрировании классической задачи Стефана при наличии фазовых переходов в спектре температур [Текст] / В. Г. Меламед // Изв. АН СССР. Серия «Геофизика». - 1958. - № 2. - 78 с.

14. Рубинштейн, JI. И. Проблема Стефана [Текст] / JI. И. Рубинштейн. - Рига: Изд-во Звайгзие, 1967. - 48 с.

15. Олейник, О. А. Об одном методе решения общей задачи Стефана [Текст] / О. А. Олейник // Изв. АН СССР. - 1960. - Т. 135. - № 5. - С. 192201.

16. Портнов, И. Г. Точное решение задачи о промерзании с изменением температуры на неподвижной границе [Текст] / И. Г. Портнов // Докл. АН СССР. - 1962. - Т. 143. - № 3. - С. 75-78.

17. Порхаев, Г. В. Основы геокриологии [Текст] / Г. В. Порхаев. - М., 1959.-75 с.

18. Berggren, W. P. Prediction of temperature distribution in frozen soils [Text] / W. P. Berggren // Trans. Amer. Geophys. Union. - 1943. - Pt. III. - P. 7177.

19. Замораживание грунтов в строительных целях [Текст]. - М.: Изд-во литературы по строительству, архитектуре и стройматериалам, 1962.

- 185 с.

20. Докучаев, В. В. Расчет глубины сезонного протаивания [Текст] / В. В. Докучаев // Планировка и застройка населенных мест Крайнего Севера.

- М. - Л.: Госстройиздат, 1959. - С. 35-39.

21. Павлов, А. В. Инженерно-геологические прогнозы глубины промерзания и протаивания грунта [Текст] / А. В. Павлов // Термодинамика и теплофизика верхней зоны земной коры: матер. VIII Всесоюзн. междунар. совещания по геокриологии (мерзлотоведению). - Якутск, 1966. - Вып. 4. - С. 48-53.

22. Павлов, А. В. Теплофизика промерзания и протаивания грунтов [Текст] / А. В. Павлов. - М.: Изд-во «Наука», 1964. - 161 с.

23. Павлов, А. В. Методы инженерных прогнозов глубины промерзания и протаивания грунта [Текст] / А. В. Павлов // Сезонное протаивание и промерзание грунтов на территории северо-востока СССР. - М.: Изд-во «Наука», 1966. - С. 49-60.

24. Павлов, А. В. Основания и фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах [Текст] / А. В. Павлов // Строительные нормы и правила. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1967. - С. 81-120.

25. Павлов, А. В. Теплообмен промерзающих и протаивающих грунтов с атмосферой [Текст] / А. В. Павлов. - М.: Изд-во «Наука», 1965. - 138 с.

26. Балобаев, В. Т. Теплообмен между атмосферой и горными породами и протаивание мерзлых горных пород [Текст] / В. Т. Балобаев // Развитие геокриологических исследований в Якутии. - М.: Изд-во «Наука», 1964. -С. 62-70.

27. Балобаев, В. Т. Расчет глубины протаивания с учетом внешнего теплообмена [Текст] / В. Т. Балобаев // Сезонное протаивание и промерзание на территории северо-востока СССР. - М.: Изд-во «Наука», 1966. - С. 85-92.

28. Кудрявцев, В. А. Температура верхних горизонтов вечномерзлой толщины в пределах СССР [Текст] / В. А. Кудрявцев. - М.: Изд-во АН СССР, 1954.-92 с.

29. Кривошеин, Б. Л. Способы прокладки и эксплуатация трубопроводов в условиях вечной мерзлоты [Текст] / Б. Л. Кривошеин, В. М. Агапкин, А. Д. Двойрис // Обзоры зарубежной литературы. - М.: ВНИИОЭНГ, 1978. -110 с.

30. Идрисова, Я. Р. Задачи прогнозирования теплового взаимодействия трубопроводов с окружающей средой на участках многолетнемерзлых грунтов [Текст] / Я. Р. Идрисова // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа»: матер. научн.-практ. конф. 23 мая 2012 г. - Уфа, 2012. - С. 136-139.

31. ВСН 013-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов в условиях вечной мерзлоты [Текст]. - М., 1990.

32. СНиП 2.02.04-88 (1998). Основание и фундамент на вечномерзлых грунтах [Текст]. - М.: ВНИИСТ, 1989. - 17 с.

33. СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы [Текст]. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 52 с.

34. Бородавкин, П. П. Прочность магистральных нефтепроводов [Текст] / П. П. Бородавкин, А. М. Синюков. - М.: Недра, 1984. - 245 с.

35. Безухов, Н. И. Основы теории упругости, пластичности, ползучести [Текст] / Н. И. Безухов. - М.: Высшая школа, 1968. - 282 с.

36. Иванцов, О. М. Надежность и безопасность магистральных трубопроводов России [Текст] / О. М. Иванцов // Трубопроводный транспорт нефти.- 1997.-№ 10.-С. 26-31.

37. Когаев, В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени [Текст] / В. П. Когаев. - М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

38. Гумеров, К. М. Оценка напряженного состояния и допустимого рабочего давления на подводном переходе магистрального нефтепровода [Текст] / К. М. Гумеров, Р. X. Идрисов, И. К. Гумеров // Обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан: матер. III республиканского научн.-техн. семинара. - Уфа, 2002. - С. 53-60.

39. Александров, А. А. Компьютерная оценка ресурса прочности магистральных нефтепроводов на участках трасс со структурно неустойчивыми грунтами при температурных перепадах [Текст] / А. А. Александров, В. И. Ларионов, В. А. Котляревский, Я. Р. Идрисова // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. -Вып. 4 (86). - С. 40-46.

40. Исследование теплофизических свойств грунтов, теплообмена и расчет эксплуатационных режимов магистральных нефтепроводов при подземной и наземной прокладке в районах многолетнемерзлых грунтов при условии сохранности окружающей среды [Текст]: отчет о НИР: № ГР 01860005288. - Уфа, 1986. - 171 с.

41. Разработка моделей влияния внешних нагрузок и воздействий на МТ по результатам комплексных обследований [Текст]: технический отчет / НО ЦИЭКС (МГТУ им. Н.Э. Баумана). -М., 2011. - 83 с.

42. Методика расчетов напряжений и термоциклической долговечности трубопроводов [Текст]. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1989. - 21 с.

43. Бакши, О. А. Напряженное состояние и сопротивление хрупкому разрушению упругонеоднородных стыковых соединений [Текст] / О. А. Бакши, Н. Л. Зайцев, К. М. Гумеров // Физико-химическая механика материалов. - 1987.-№2.-С. 37-42.

44. Ларионов, В. И. Моделирование напряженно-деформированного состояния трубопровода в зоне оползня грунта [Текст] / В. И. Ларионов, С. П. Сущев, М. Ф. Сунагатов, Я. Р. Идрисова // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. -Вып. 3 (85). - С. 144-151.

45. Методика расчета прочности и устойчивости ремонтируемых линейных участков магистральных нефтепроводов с учетом дефектов, обнаруженных при диагностическом обследовании [Текст]: РД 39-00147105-016-98. -Уфа, 1998. - 55 с.

46. Обследование технического состояния и оценка остаточного ресурса магистрального нефтепровода Тарасовское - Муравленковское [Текст]: отчет технический. - Уфа, 2010. - 59 с.

47. Гумеров, А. Г. Натурные исследования теплового взаимодействия эксплуатируемого магистрального трубопровода с многолетнемерзлыми грунтами [Текст] / А. Г. Гумеров, Р. X. Идрисов, Я. Р. Идрисова // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2013. - Вып. 3 (93). - С. 50-57.

48. Идрисова, Я. Р. Диагностика вертикальных перемещений трубопровода на участках многолетнемерзлых грунтов в процессе эксплуатации [Текст] / Я. Р. Идрисова, А. М. Латыпов, Р. X. Идрисов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа: матер, научн.-практ. конф. 26 мая 2010 г. - Уфа, 2010. -С. 143-144.

49. Флорин, В. А. Основы механики грунтов [Текст]: в 2 т. / В. А. Флорин. - М.-Л.: Госстройиздат, 1961. Т. 1 - 357 е.; Т. 2 - 544 с.

50. Зарембо, К. С. Исследования работы подземных газопроводных труб [Текст] / К. С. Зарембо // Вопросы добычи, транспорта и переработки природных газов: тр. ВНИИГАЗ. - М.-Л.: Гостоптехиздат, 1951. - С. 136-154.

51. Емельянов, Л. М. О продольных напряжениях в подземных газопроводных трубах [Текст] / Л. М. Емельянов // Вопросы добычи, транспорта и переработки природных газов: тр. ВНИИГАЗ. - М.-Л.: Гостоптехиздат, 1951. — С. 161-170.

52. Аронов, Р. И. Исследование условий взаимодействия трубы и грунта при продольных перемещениях трубопровода [Текст] / Р. И. Аронов // Тр. ВНИИстройнефть. - М.: Гостоптехиздат, 1953. - Вып. 5. - С. 54-71.

53. Аронов, Р. И. Защемление трубопроводов в грунте и особенности их работы в районах горных выработок [Текст] / Р. И. Аронов, А. Г. Камер-штейн // Тр. ВНИИстройнефть. - М.: Гостоптехиздат, 1953. - Вып. 5. -С. 3553.

54. Бородавкин, П. П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве [Текст] / П. П. Бородавкин. - М.: Недра, 1976. - 226 с.

55. Добронравов, В. В. Курс теоретической механики [Текст] / В. В. Добронравов, И. Н. Никитин, А. Л. Дворников. - М.: Высшая школа, 1974.-532 с.

56. Клейн, Г. К. Расчет подземных трубопроводов [Текст] / Г. К. Клейн. - М.: Стройиздат, 1969. - 240 с.

57. Бабин, Л. А. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов [Текст] / Л. А. Бабин, Л. И. Быков, В. Я. Волохов. - М.: Недра, 1979. - 176 с.

58. Таран, В. Д. Сооружение магистральных трубопроводов [Текст] / В. Д. Таран. - М.: Недра, 1964. - 544 с.

59. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике [Текст] / О. Зенкевич. - М.: Мир, 1975. - 541 с.

60. Бородавкин, П. П. Трубопроводы в сложных условиях [Текст] / П. П. Бородавкин, В. Д. Таран. - М.: Недра, 1968. - 304 с.

61. Бородавкин, П. П. Прочность магистральных нефтепроводов [Текст] / П. П. Бородавкин, А. М. Синюков. -М.: Недра, 1984.-245 с.

62. Идрисова, Я. Р. Выбор модели взаимодействия с грунтом при оценке напряженно-деформированного состояния [Текст] / Я. Р. Идрисова, В. П. Климов, Р. X. Идрисов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2014. - Вып. 2 (96). - С. 126-133.

63. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов [Текст]: ВРД 39-1.10026-2001. / ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ». - М., 2001.- 106 с.

64. Кушнир, С. Я. Степень влияния грунтового фактора на формирование напряжений в стенке подземного нефтегазопровода [Текст] / С. Я. Кушнир, Н. А. Малюшин, А. А. Юрченко, Д. М. Сенив // Известия вузов. Нефть и газ. -2010.-№5.-С. 112-118.

65. Фролов, А. В. Оценка напряжённого состояния подземных трубопроводов с учётом грунтовых изменений в процессе эксплуатации [Текст] / А. В. Фролов, Л. Т. Шуланбаева, М. Ф. Сунагатов, А. К. Гумеров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2010. - Вып. 1 (79). - С. 61-66.

66. Методика расчета напряженного состояния подводных переходов магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов при техническом обслуживании и ремонте [Текст]: РД 39 Р-00147105-024-02. - Уфа, 2002. - 58 с.

67. Гумеров, А. Г. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов [Текст] / А. Г. Гумеров, Р. С. Гумеров, К. М. Гумеров. - М.: Недра, 2001.-305 с.

68. Пискунов, Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов [Текст] / Н. С. Пискунов. - М.: Физматгиз, 1961. - 748 с.

69. Сущев, С. П. Расчет радиуса изгиба трубопровода по результатам обследования трассы [Текст] / С. П. Сущев, В. И. Ларионов, П. В. Климов, Я. Р. Идрисова // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. - Вып. 3 (85). - С. 137-143.

70. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов с использованием технологии магнитной локации [Текст]: согласована с Ростехнадзором (письмо № 11-18/5529 от 24.12.2007 г.). - М.: ООО «Техносфера», 2007. - 31 с.

71. Идрисова, Я. Р. Методические основы определения напряженно-деформированного состояния трубопровода на участках многолетнемерзлых грунтов [Текст] /Я. Р. Идрисова, А. К. Гумеров, P. X. Идрисов // НТЖ «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе». - 2010. - № 12. -С. 89-91.

72. Идрисова, Я. Р. Оценка напряженно-деформированного состояния эксплуатируемого трубопровода с учетом состояния грунтов [Текст] / Я. Р. Идрисова // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн,-практ. конф. 23 апреля 2014 г. - Уфа, 2014. - С. 196-199.

73. Геодезические методы исследования деформаций сооружений [Текст] / А. К. Зайцев, С. В. Марфенко, Д. Щ. Михелев [и др.]. - М.: Недра, 1991.-272 с.

74. Лисин, Ю. В. Создание системы координатно-временного обеспечения магистральных нефтепроводов [Текст] / Ю. В. Лисин // Известия вузов. Серия «Машиностроение». - 2013. - № 2. - С. 73-79.

75. От А до Я локации и поиска повреждений подземных кабелей и труб [Текст]: для начинающих и специалистов: пер. с англ. / Radiodetection Corporation, Radiodetection Limited. - M., 1999. - 163 с.

76. GEOPIG Caliper Pipeline Inspection [Text]. URL: http://www.hakerhLighes.com/products-and-services/process-and-pipeline-services/pipeline-services/pipeUne-inspection-services/geopig-cjaliper-pipeline-inspection (дата обращения 19.04.2012).

77. Intelligent Pigging - PSE&G Uses Geopig to Inspect Crown Central Gas Pipeline [Text] // Pipeline & Gas Journal. - April 1997.

78. Rosen, P. Synthetic aperture radar interferometry [Text] / P. Rosen, S. Hensley, I. Joughin [et al.| // Proc. IEEE. - 2000. - No. 88 (3). - P. 333-382.

79. Методические рекомендации по применению георадаров при обследовании дорожных конструкций [Текст] / Министерство транспорта РФ. -М., 2003.-37 с.

80. Гаррис, Н. А. О возможности регулирования ореола протаивания вокруг подземного магистрального трубопровода [Текст] / Н. А. Гаррис // Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса: тез. докл. 1-ой Республ. научн.-техн. конф. - Уфа, 1982. - С. 111-112.

81. Гаррис, Н. А. Ограничение ореола протаивания вокруг подземного трубопровода [Текст] / Н. А. Гаррис // НТО. Серия «Проблемы нефти и газа Тюмени». - Тюмень, 1983. - Вып. 60. - С. 45-47.

82. Гаррис, Н. А. О выборе параметров перекачки нефти по подземному трубопроводу, проложенному в многолетнемерзлых грунтах [Текст] / Н. А. Гаррис, С. В. Благарь, Н. М. Гостев // Технология перекачки нефти, предотвращение потерь, автоматизированная система управления нефтепровод-ным транспортом: сб. научн. тр. / ВНИИСПТнефть. - Уфа, 1985. - С. 3-6.

83. А. с. 250626 СССР, МПК6 F 16 L 3/04. Способ прокладки подземного трубопровода [Текст] / В. В. Спиридонов (СССР). -№ 1070703/29-14; заявл. 21.04.1966; опубл. 01.01.1969, Бюл. № 26.

84. Пат. 782448 Российская Федерация, МПК6 F 16 L 1/028. Способ сооружения газопровода в вечномерзлом грунте [Текст] / Ершов Ю. Г., Медвед-ский Р. И., Долгих Г. М., Аршинов С. А.; заявитель Тюменский государственный научно-исследовательский и проектный институт природных газов. -№ 2752080/08; заявл. 12.04.1979; опубл. 20.05.1999.

85. Заявка 056591 Российская Федерация, МПК F 16 L 1/028. Способ обеспечения безопасности трубопроводов на участках многолетнемерзлых грунтов [Текст] / Гумеров А. Г., Идрисов Р. X., Идрисова Я. Р., Сущев С. П., Ларионов В. И. (RU); заявитель Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов». - № 2012135324/06; заявл. 16.08.2012; опубл. 27.02.2014, Бюл. № 6.