Оценка параметров конструктивной надежности длительно эксплуатируемых трубопроводов Западной Сибири тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Мясников, Владимир Анатольевич

• Мясников, Владимир Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мясников, Владимир Анатольевич

Введение

Глава 1. Проблемы безопасной эксплуатации трубопроводов

Западной Сибири и постановка задач исследований.

1.1. Факторы, влияющие на техническое состояние трубопроводных систем, эксплуатируемых в сложных условиях.

1.2. Анализ причин разрушений магистральных трубопроводов Западной Сибири.

1.3. Анализ работ по исследованию напряжённо- деформированного состояния и надёжности трубопроводов.

1.4. Постановка задач исследований. 62 Выводы по главе

Глава II. Исследование особенностей напряжённо-деформированного состояния длительно эксплуатируемых трубопроводов в сложных условиях.

2.1. Разработка математической модели для оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов в водонасыщенных грунтах.

2.2. Разработка математической модели для оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов в мерзлом грунте.

2.3. Выбор оптимальных критериев оценки прочности трубопроводов, функционирующих в сложных природно-климатических условиях.

Выводы по главе.

Глава III. Разработка методов расчёта трубопроводов на устойчивость в условиях Западной Сибири.

3.1. Выбор расчётных схем для оценки устойчивости протяжённых конструкций в конкретных условиях эксплуатации.

3.2. Разработка методики определения критической силы и предельных прогибов энергетическим методом.

3.3. Разработка методики определения критической силы и предельных прогибов аналитическим методом.

3.4. Разработка методики оценки общего уровня конструктивной надёжности (работоспособности) трубопроводов Западной Сибири.

Выводы по главе.

Глава IV. Построение математической модели для оценки конструктивной надёжности трубопроводов с учётом региональных условий.

4.1. Анализ работоспособности трубопровода по прочности.

4.2. Анализ работоспособности трубопровода по потере устойчивости.

4.3. Рекомендации по практическому применению разработанных методик при оценке общего уровня надежности трубопровода.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка параметров конструктивной надежности длительно эксплуатируемых трубопроводов Западной Сибири»

Созданная в России крупнейшая система нефтегазоснабжения, не имеющая аналогов в мировой практике, включает нефтяные и газовые месторождения, многониточную нефтегазотранспортную систему с многоцеховыми компрессорными и насосными станциями. При этом 94% газа добывается на действующих и новых месторождениях Западной Сибири и лишь 6% в других регионах страны. В зависимости от объёмов добычи газа только на территории Тюменской области необходимо эксплуатировать от 20 до 29 магистральных газопроводов. Крайне интенсивна и загрузка нефтепроводов Западной Сибири, обусловленная концентрацией потоков из этого региона. Одновременно с этим трубопроводы стареют, часть их отрабатывает нормативный срок службы и возникает проблема адекватной оценки работы существующей нефтегазотранспортной системы с отражением особенностей её эксплуатации за последние годы. До последнего времени заключение о промышленной безопасности трубопровода выдавалось в соответствии с действующими нормативными документами. Однако такой подход означает, что более половины трубопроводов следует немедленно остановить и вывести из эксплуатации из-за того что, они содержат те или иные отклонения от нормативных требований. При таком подходе не учитывается фактическая опасность обнаруженных дефектов или других отклонений от норм для конкретного трубопровода с учётом особенностей его эксплуатации.

Противоречие между длительно эксплуатируемыми трубопроводами и нормативными требованиями имеет следующие основные причины:

- с течением времени металл стенки трубы претерпевает изменения (появляются и исчезают дефекты, охрупчивается материал и т.д.); изменяются условия эксплуатации трубопроводов (объёмы транспортировки продукта, рабочее давление);

- в соответствии с уровнем развития техники и технологий изменяются нормативные требования.

Для разрешения данного противоречия необходимо, во-первых, принципиально изменить концепцию эксплуатационной надежности и безопасности. Во-вторых, разработать специальную нормативную базу для оценки безопасности трубопроводов, особенно тех, чей срок службы превышает 20-25 лет. Для этого следует выполнить следующий комплекс исследований: проанализировать техническое состояние магистральных трубопроводов с учётом негативных факторов эксплуатации; разработать количественные критерии и методы оценки надёжности длительно функционирующих магистралей, в том числе и в сложных условиях; на основе данной оценки сформировать методику принятия решений о дальнейшей эксплуатации линейных участках. Реализации перечисленных исследований посвящена данная работа, тема которой, в связи с изложенным выше, несомненно, является актуальной.

Целью работы является разработка методов расчёта работоспособности длительно эксплуатируемых трубопроводов для обеспечения безопасности систем трубопроводного транспорта энергоресурсов Западной Сибири.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать влияние негативных факторов на техническое состояние трубопроводов при длительной эксплуатации в условиях Западной Сибири;

- разработать методику оценки напряжённо - деформированного состояния трубопроводов, учитывающую региональные особенности; разработать аналитические методы, позволяющие рассчитать устойчивость трубопровода при изменении условий эксплуатации и переменности продольных усилий на исследуемом линейном участке; разработать математическую модель оценки конструктивной надёжности (работоспособности) трубопроводов по прочности и устойчивости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны методы расчёта напряжённо-деформированного состояния трубопровода, учитывающего изменение сценария нагрузок во времени и по длине линейно-протяжённой конструкции;

- разработаны методики определения прочности и устойчивости трубопроводов Западной Сибири при изменении эксплуатационных условий;

- создана аналитическая модель для оценки работоспособности трубопроводов, длительно функционирующих в сложных условиях, позволяющая учесть требования по прочности и устойчивости конструкции.

Исследованию прочности и устойчивости трубопроводных систем посвящено большое число разработок. Существенно важные результаты были получены ведущими учёными отрасли, из которых необходимо отметить работы Березина B.JI., Бородавкина П.П., Аникина Е.А., Гумерова А.Г., Айнбиндера А.Б., Черния В.П., Харионовского В.В. и других. Однако вопросам количественной оценки работоспособности трубопроводов с учётом неопределённости параметров их эксплуатации в условиях различных регионов уделялось значительно меньше внимания. Количественный анализ прочности и устойчивости нефтепроводов Западной Сибири с учётом непрерывного изменения их эксплуатационных параметров (внешнего и внутреннего нагружения) на различных фазах жизненного цикла даст возможность оперативно и адекватно управлять безопасностью системы, позволит оценить последствия чрезвычайных ситуаций и обосновать технологические мероприятия по снижению вероятности их возникновения. В соответствии с этим в рамках данного исследования выполнена разработка прогнозирующих систем для оценки эксплуатационной надёжности трубопроводов с целью обеспечения их бесперебойной работы.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Мясников, Владимир Анатольевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформирована концепция эксплуатационной надежности нефтегазопроводов, длительное время эксплуатируемых в сложных условиях Западной Сибири. Для реализации данной концепции необходимо усовершенствовать существующие методики расчета напряженно-деформированного состояния и устойчивости трубопроводов с учетом изменения их конструктивных параметров, наличия остаточных напряжений в металле стенки трубы и повреждений различных типов.

2. Разработана математическая модель расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода, реализуемая численным методом, позволяющим учесть физическую нелинейность среды и материала стенки трубы, количественно оценить взаимодействие конструкции с фунтами различных типов. Формализованы предельные неравенства для трубы и показано, что для каждого из этих предельных состояний (по прочности, по устойчивости, по деформации) можно определить вероятность безотказной работы трубопровода.

3. Разработаны методики расчета устойчивости магистрального трубопровода, реализуемые как аналитическим методом, позволяющим рассчитать равновесные состояния трубы при изгибе для билинейной модели фунта, так и энергетическим (приближенным) методом, реализуемой системы при заданных формах упругой линии стержня (трубы) в слабых фунтах.

4. Предложена модель оценки общего уровня конструктивной надежности трубопроводов, учитывающая возможность достижения конструкцией нескольких предельных состояний.

5. На основе разработанных моделей и алгоритмов проведена оценка конструктивной надежности (работоспособности) магистрального трубопровода по прочности и по устойчивости, на основе которой определен общий уровень работоспособности системы закладываемый в проектных решениях трубопроводов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мясников, Владимир Анатольевич, 2004 год

1. Азметов Х.А. Реконструкция сложных участков линейной части магистральных нефтепроводов. Дисс. док. тех.наук. - Уфа, 1999.-342 с.

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

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

4. Аксельрод Э.Л., Ильин В.П. Расчет трубопроводов. Л.: Машиностроение, 1972. - 240 с.

5. Андрейкин А.Е. Пространственные задачи теории трещин. Киев: Наукова Думка, 1982. -345 с.

6. Аникин Е.А. Исследование технологии укладки стальных магистральных трубопроводов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1966.

7. Аникин Е.А. Напряжение трубопровода при производстве строительно-монтажных работ. "Некоторые вопросы теории и практики сооружения и эксплуатации трубопроводов". ВНИИОЭНГ, М., 1966.

8. Антипьев В.Н., Стаяков В.М., Чепурский В.Н., Ченцов А.Н. Методы определения остаточного ресурса нефтепроводов. М.: ТраысПресс, 1995.-48с.

9. Асатурян А.Ш., Петрова Л.Н. О напряженном состоянии трубопровода при несимметричной нагрузке. М.: Нефть и газ, № 7, 1961.

10. Ю.Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. -М.: Стройиздат, 1988. 584 с.

11. П.Бабич В.К., Гуль Ю.П., Должников И.Е. Деформационное старение стали. М.: Металлургия, 1972. - 320 с.

12. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и конечных элементов. -М. Стройиздат, 1982.-448 с.

13. Белевцев А. Т. и др. Расчет контактного переходного сопротивления высокочастотных потенциометров. М.: Измерительная техника, 1969. Вып.1. — 500 с.

14. М.Березин B.JL Исследование напряженного состояния магистральных нефтепроводов при капитальном ремонте. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: 1970.

15. Березин B.JI., Гумеров А.Г., Захаров И.Я., Ращепкин К.Е. и др. Экспериментальное исследование напряженного состояния трубопровода при его подъеме. Труды НИИ Транснефть, № 4 Уфа: НИИ Транснефть, 1965.

16. Березин В.Л., Ращепкин К.Е. Капитальный ремонт нефтепроводов без остановки перекачки. М.: Недра, 1967. - 127 с.

17. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990.-447 с.

18. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 245 с.

19. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. -М.: Недра, 1976. 224 с.

20. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. М.: Недра, 1982.-382 с.

21. Будзуляк Б.В. и др. Ремонт линейной части магистральных газопроводов // Газовая промышленность. 1999. -№11. -с. 33-36.

22. Васильев Г.Г., Кукин Ю.С., Короленок A.M. Расчет программы работ по техническому обслуживанию и ремонту трубопроводостроительных машин. М.: "Нефть и газ", 1992. - 47 с.

23. Вентцель У.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988. -480 с.

24. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. -428с.

25. Галлямов А.К., Черняев К.В., Шаммазов A.M. Обеспечение надежности функционирования системы нефтепроводов на основе технической диагностики. Уфа: УГНТУ, 1998. -600 с.

26. Гильзин С.К. Выбор расчетной модели грунта при поперечных перемещениях подземных трубопроводов в горизонтальной плоскости магистральных газопроводов. Строительство трубопроводов. - М.: Недра, № 9, 1983.-С.27-29.

27. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1965. — 400 с.

28. Григолюк Э.И., Чулков П.Н. Устойчивость и колебания трехслойных оболочек. М.: Машиностроение, 1973. - 170 с.

29. Гумеров А.Г., Гумеров К.М., Росляков А.В. Разработка методов повышения ресурса длительно эксплуатирующихся нефтепроводов. Серия "Транспорт и хранение нефти". М.: ВНИИОЭНГ, 1991. - 84 с.

30. Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С., Ямалеев К.М. и др. Старение труб нефтепроводов. М.: Недра, 1995. - 218 с.

31. Гумеров А.Г., Мавлютов P.M., Азметов Х.А. и др. Вопросы подъема и центровки труб при ремонте нефтепроводов. Обзор, серия "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М.: ВНИИОЭНГ, 1983. - № 10. -50 с.

32. Гумеров К.М., Гумеров А.Г., Гумеров Р.С. и др. Оценка технического состояния элементов магистральных нефтепроводов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Вып. №56. Уфа: ИПТЭР, 1996.-С. 10-22.

33. Гусев А.С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках. М.: Машиностроение, 1989. -246 с.

34. Димов JI.А. Методы расчета трубопроводов в условиях болот: Автореферат, дисс. докт.техн.наук. М.: ВНИИГАЗ, 1997. - 46 с.

35. Захаров М.Н., Писаревский В.М. К расчету напряжений в трубе при наличии коррозионных дефектов // Первая международная конференция "Энергодиагностика": Сборник трудов. -М.: 1995. -Т.2 С.349-351.

36. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. -М.: Мир, 1986.-318 с.

37. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. -М.: Мир, 1975.541 с.

38. Иванов В.А., Пиласевич А.В., Новоселов В.В. Прогнозирование коррозионного износа стали на наружной поверхности подземного трубопрово- да //Нефть и газ (Известия высших учебных заведений). -Тюмень, 1999. № 5. - С. 51-56.

39. Иванов В.А., Яковлева Н.С., Новоселов В.В. Разработка новых технологий ремонта и обслуживания стареющих газопроводов//Нефть игаз (Известия высших учебных заведений). Тюмень, 1997.- № 6. - С. 123.

40. Лессиг Е.Н, Расчет на поперечные нагрузки замкнутых круговых оболочек с жесткими опорными сечениями. Сб. трудов МИСИ № 5, Инженерные конструкции, Стройиздат, 1947.

41. Методика оценки статической прочности и циклической долговечности магистральных нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1990. - 80 с.

42. Механика разрушения и прочность материалов / Справочное пособие в 4-х томах под общ. Ред. В.В. Панасюка. -Киев: Наукова Думка, 1988.

43. Мясников В.А. Анализ разрушений магистральных нефтепроводов// НТС «магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство эксплуатация, ремонт». — М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, вып. 1, 2003. С. 42-45.

44. Мясников В.А. Проблемы безопасности нефтепроводов при длительной эксплуатации // НТС «магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство эксплуатация, ремонт». — М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, вып. 1, 2003. С. 47-51.

45. Мясников В.А. Критериальная оценка прочности трубопроводов, эксплуатируемых на слабонесущих грунтах // Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири. Тюмень: ТюмГНГУ, 2004 г. - С. 49-53.

46. Нейбер Г. Концентрация напряжений /Пер. с нем. Под ред. А.И. Лурье. -М.: Гостехиздат, 1947. -204 с.

47. Николаева Н.А., Полозов А.Е., Шарыгин В.М. Влияние продольной компенсации и параметров основания на поведение охлажденноготрубопровода. Строительство трубопроводов. М.: Недра, № 8, 1982, -С 27-28.

48. Номограммы для определения коэффициентов запаса прочности несущих элементов сооружений. / Бородавкин Г.П., Синюков В.М., Алероев Б.С., Николаева Н.А., и др. -М.: МИНХ и ГП им. И.М. Губкина.

49. Оценка работоспособности участков нефтепродуктопроводов с дефектами труб /Бусыгин Г.Н., Захаров М.Н., Лукьянов В.А., Пудяков B.JI. // Транспорт и хранение нефтепродуктов. 1997. - № 7. С. 14-18.

50. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. -М.: Мир, 1977.-302 с.

51. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. -Киев: Наукова Думка, 1975. -704 с.

52. Пособие по выбору основных параметров, определяющих конструктивное решение подземных трубопроводов. Комплекспрограмм для ЭВМ ЕС (к СниП 2.05.06-85 "Магистральные трубопроводы") / Айнбиндер А.Б., Черний В.П., Никитин А.А. и др. -М.: ВНИИСТ, 1988. 64 с.

53. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. -Л.: Судостроение, 1974. 344 с.

54. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках / Под ред. В.И. Труфякова. -Киев: Наукова Думка, 1990. -255 с.

55. Разработка научных основ и создание системы безопасной и долговременной эксплуатации магистральных трубопроводов России /Черняев К.В., Фокин М.Ф., Шварц М.Э. и др. -М.: АК «Транснефть», 1999. -92 с.

56. РД 153-39-030-98. Методика ремонта дефектных участков магистральных нефтепроводов по результатам внутритрубной диагностики. М.: Минтопэнерго, "Транснефть", "Диаскан", 1998. 60 с.

57. РД 39-00147105-001-91. Методика оценки работоспособности труб линейной части нефтепроводов на основе диагностической информации. -Уфа: ВНИИСПТнефть, 1992. 142 с.

58. Рекомендации по учету старения трубных сталей при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть,

59. Рожаницын А.Р. Статистическое обоснование расчетных коэффициентов. Материалы к теории по предельным состояниям. Вып. 2. М.: Стройиздат, 1949.

60. Рожаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: 1978. —. 120 с.

61. Руководство по автоматизированному расчету на прочность линейной части трубопроводов: Р 499-83 / Айнбиндер А.Б., Шевчук B.C., Аптекарь А.П. и др. -М.: ВНИИСТ, 1984. -206 с.

62. Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. -Киев: Наукова

63. Савин Г.Н., Тульчий В.И. Справочник по концентрации напряжений. -Киев: Вища школа, 1976. 412 с.

64. Сегаль А. И. Расчет замкнутого кольца как статически определимой системы. Исследования по теории сооружений. Сб. № 3. Госстройиздат, 1039.

65. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. -М.: Мир, 1979.392 с.

66. СНиП 2.05.06-85*. "Магистральные трубопроводы" / Госстрой России. -М.: ГУЛ ЦПП, 1998. 60 с.

67. Сосуды и трубопроводы высокого давления. Справочник /Е.Р. Хисматуллин и др. -М.: Машиностроение, 1990. -384 с.

68. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах / Под ред. Ю. Мураками. -М.: Мир, 1990. -1013с.

69. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов / Под ред. А.К. Дерцакяна. -Л.: Недра, 1977. -518с.

70. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. -М.: Мир, 1977.-350 с.

71. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебное пособие. М.: "Высшая школа", 1973.-170 с.

72. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. -М.: Наука, 1974. -640 с.

73. Шутов В.Е., Васильев Г.Г., Горяинов Ю.А., Прохоров А.Д., Чугунов JI.C. Механика грунтов. М.: из-во "ЛОРИ", 2003. - 128 с.

74. Шутов В.Е., Васильев Г.Г., Горяинов Ю.А., Прохоров А.Д., Чугунов Л.С. Механика грунтов. -М.: из-во "ЛОРИ", 2003. 128 с.

75. Ямалеев К.М. Старение металла труб в процессе эксплуатации нефтепроводов //Транспорт и хранение нефти. -М.: ВНИИОЭНГ, 1990. -64 с.

76. Ясин Э.М., Черникин В.И. Устойчивость подземных трубопроводов. -М.: Недра, 1968.-120 с.