Разработка методики оценки несущей способности подземных магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Андреева, Елена Владимировна

• Андреева, Елена Владимировна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреева, Елена Владимировна

Введение

Глава 1. Анализ современных технологий и нормативных требований к сооружению магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах

I | I

1.1 Анализ параметров сейсмических воздействий

1.2 Учет сейсмического районирования территории России при проектировании трубопроводов

1.3 Факторы, влияющие на определение уровня сейсмичности

1.4 Обзор перспектив создания трубопроводных систем в сейсмически опасных зонах

1.5 Анализ современной практики и нормативного обеспечения строительства в сейсмически опасных зонах

1.5.1 Опыт строительства в сейсмически опасных зонах

1.5.2 Анализ требований нормативных документов к строительству в сейсмически опасных зонах

Глава 2. Определение видов сейсмических воздействий на магистральные трубопроводы

2.1 Основные положения по учету сейсмических воздействий

2.2 Исследование воздействия сейсмических волн, направленных вдоль оси трубопровода

2.3 Исследование воздействия сейсмических волн, направленных по нормали к продольной оси трубопровода

2.4 Пересечение трубопроводом тектонических разломов

Глава 3. Моделирование взаимодействия системы подземный трубопровод - сейсмическое воздействие грунта для различных схем прокладки магистральных трубопроводов

3.1 Выбор расчетной модели для оценки несущей способности 66 конструкций трубопровода

3.2 Расчетные модели устойчивости трубопровода при сейсмическом 66 воздействии осевой'силы растяжения (сжатия)

3.3 Расчетные модели устойчивости при воздействии сейсмических 74 волн, направленных по нормали к продольной оси трубопровода

3.4 Расчетные модели устойчивости трубопровода при пересечении 80 тектонических разломов

Глава 4. Сравнение эффективности вариантов технических решений для повышения устойчивости трубопровода в сейсмически опасных зонах

4.1 Анализ технических подходов к обеспечению сейсмобезопасности

4.2 Варианты технических решений для повышения устойчивости трубопроводов

4.2.1 Установка компенсаторов сейсмических воздействий

4.2.2 Усиление жесткости трубы ЮЗ

4.2.3 Увеличение степеней перемещения трубопровода

4.2.4 Применение пластичных материалов

4.3 Выбор технического решения, обеспечивающего сейсмическую устойчивость трубопровода

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики оценки несущей способности подземных магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах»

Современный этап развития нефтегазового комплекса страны связан с вовлечением в разработку значительных запасов углеводородов в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке и формированием новых систем трубопроводного транспорта.

В Российской Федерации около 20% территорий подвержено воздействию землетрясений интенсивностью более 7 баллов, более 5% территорий - 8-9 баллов. К ним относят Северный Кавказ, Прибайкалье, Якутию, Сахалин, Камчатку и Курильские острова. Перспективные регионы по запасам углеводородов и развитию трубопроводного транспорта расположены в сейсмически опасных зонах.

При сейсмических подвижках земной коры возможны сильные горизонтальные и вертикальные деформации грунтов, что может стать причиной аварий на подземных трубопроводах. Так, в результате землетрясения в мае 1995 года на севере о-ва Сахалин в районе г. Нефтегорска произошло значительное количество разрывов принадлежащего компании «Сахалинморнефтегаз» магистрального нефтепровода, идущего с Сахалина на материк. Трансаляскинский трубопровод, был спроектирован так, чтобы выдержать землетрясение силой до 8,5 баллов. Сейсмический толчок во время землетрясения в ноябре 2002 года на Аляске (США) в районе разлома Денали сдвинул трубу горизонтально на 2 с лишним метра и вертикально на 75 см. Подобные сейсмические катастрофы случаются редко, однако при определённых условиях землетрясения провоцируют активизацию оползневых и селевых процессов, что приводит к дополнительным нагрузкам на трубопроводы.

Магистральные трубопроводы относятся к сооружениям высшей категории капитальности, расчетная балльность которых принимается на один балл выше балльности, определенной в результате сейсмического микрорайонирования. Поэтому для каждого участка пересечения тектонических разломов и сейсмически опасных зон должен разрабатываться индивидуальный проект строительства магистральных трубопроводов.

Тематика диссертационной работы соответствует задачам концепции реализации Федеральной целевой программы «Сейсмобезопасность территории России» (2002-2010 годы) и является актуальной для дальнейшего развития сейсмобезопасных систем трубопроводного транспорта в перспективных регионах освоения углеводородных ресурсов Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Целью диссертационной работы является разработка методики оценки несущей способности конструкций подземных магистральных трубопроводов на основе моделирования сейсмических воздействий для обоснования и оптимизации проектов вновь создаваемых и реконструируемых трубопроводных систем в сейсмически опасных зонах. достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современных технологий и нормативных требований к сооружению магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах.

2. Определение видов сейсмических воздействий при оценке несущей способности тонкостенных оболочек трубопроводов, прокладываемых в сейсмически опасных зонах.

3. Моделирование взаимодействия подземного трубопровода и колебаний грунта при землетрясении для различных технологических схем прокладки магистральных трубопроводов.

4. Сравнение эффективности вариантов технических решений для повышения сейсмостойкости трубопроводов в сейсмически опасных зонах.

Разработана математическая модель и методика расчета характера деформирования стальной тонкостенной оболочки подземных трубопроводов с учетом контактного взаимодействия с грунтовым основанием при сейсмических воздействиях. При этом сейсмическое воздействие представлено как совокупность волн сжатия, растяжения и сдвига, передающихся трубопроводу при землетрясении.

Разработанная методика оценки несущей способности конструкций магистральных трубопроводов позволяет оценить эффективность технических решений трубопроводов в сейсмически опасных зонах.

Использование результатов научного исследования дало возможность выявить слабые места в существующих конструкциях трубопроводов, определить способы их усиления, обосновать выбор адекватных условиям прокладки конструктивных решений и тем самым определить необходимые методы инженерной защиты трубопроводов в сейсмически опасных зонах. Сейсмобезопасность конструктивных решений магистральных трубопроводов позволяет предупредить катастрофические последствия землетрясений, связанные с нарушениями в энергетическом и сырьевом снабжении обширных районов страны, возникновении больших очагов пожаров и взрывов, прекращению водоснабжения, экологическим и другим катастрофам.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Андреева, Елена Владимировна

Заключение

1. Анализ нормативных документов в области сооружения магистральных нефтегазопроводов показал, что не существует каких-либо дополнительных требований, регламентов и методик для выполнения специальных расчетов на прочность и обеспечение несущей способности трубопровода при сейсмических воздействиях, направленных по нормали к продольной оси трубопроводов, а также при пересечении трубопроводом тектонических нарушений и разломов.

2. Установлено, что величина вертикального давления грунта на оболочку подземного трубопровода при сейсмическом воздействии, направленном по нормали к трубопроводу, зависит от присоединенной массы грунта, его диссипативных свойств, площади контактной поверхности грунта с трубопроводом, а также от сейсмических ускорений и преобладающих частот, определяемых по акселерограммам землетрясений в районе прокладки.

3. Расчетами доказано, что наиболее опасной составляющей сейсмического воздействия землетрясения на подземный трубопровод является сила, направленная по нормали к оси трубопровода. Показано, что сейсмическое воздействие с амплитудой 8 баллов и выше способно привести к разрушению трубопровода, поэтому необходимо искать специальные конструктивные и технологические решения, повышающие сейсмостойкость трубопровода. Например, устанавливать компенсаторы, усиливать жесткость трубы, устраивать траншеи с пологими откосами, сооружать специальные грунтовые основания, применять демпфирующую обкладку, легко деформируемые и пластичные материалы и т.д.

4. Разработанная методика оценки несущей способности подземных магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах дает возможность выявить слабые места в конструкциях трубопроводов, определить способы их усиления, обосновать выбор адекватных условиям прокладки конструктивных решений.

Показано, что для рассматриваемых условий из всех методов, повышающих устойчивость подземного трубопровода к сейсмическим воздействиям, наиболее эффективным является устройство специальной демпфирующей обкладки. Этот метод позволяет обеспечить целостность трубопровода при сейсмических воздействиях с амплитудой 9 баллов включительно.

5. Рекомендуется при сооружении подземных магистральных нефтегазопроводов в районах с повышенной сейсмической активностью использовать методику расчетов несущей способности сейсмоустойчивых конструкций, разработанную в настоящей диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреева, Елена Владимировна, 2009 год

1. Абдрахматов К.Е. Современные движения земной коры и сейсмичность / К.Е. Абдрахматов, В.Е. Цурков. - Бишкек: Илим, 1992. -108 с.

2. Абовский Н.П. Пространственные сборные сплошные фундаментные платформы для строительства в особых грунтовых условиях и сейсмичности: монография / Н. П. Абовский. Красноярск: КрасГАСА, 2004. - 200 с.

3. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие в 3-х книгах. Книга 1. / Под ред.: К.Е. Кочеткова, В.А. Котляровского и А.В. Забегаева / В.А. Котляровский, К.Е. Кочетков,

4. A.А. Носач, А.В. Забегаев и др. М., Издательство АСВ / 1995. - 320 с.

5. Автоматизация сбора и обработки сейсмической информации. Сборник / Отв. ред. Е.С. Борисевич, А.В. Рыков. М.: Наука, 1961. - 190 с.

6. АмасянР.О. Технология моделирования железобетонных конструкций при сейсмических воздействиях. Монография / P.O. Амасян,

7. B.JI. Мнацаканян. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1989. - 136 с.

8. Ампилов Ю.П. Поглощение и рассеяние сейсмических волн в неоднородных средах. Монография / Ю.П. Ампилов. М.: Недра, 1992. — 155 с.

9. Андреева Е.В. Пересечение тектонических разломов трубопроводом // Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт. Научно-технический сборник №4. — М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. 79-85 с.

10. Андреева Е.В. Специфика проектирования трубопроводов в сейсмически опасных зонах // Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта. Материалы VI Международной научно-технической конференции. -Новополоцк: УО «ПГУ», 2007. — 34-36 с.

11. Андреева Е.В., Габелая Г.Р., Чигиринов А.А. Выбор технических решений по прокладке нефтепровода ВСТО на участках с опасными инженерно-геологическими процессами // Трубопроводных транспорт. Теория и практика. Выпуск №4, 2007. 26-29 с.

12. Андреева Е.В. Технические решения по прокладке нефтепровода «Восточная Сибирь Тихий океан» на участках с сейсмическими воздействиями // Нефтегазовый терминал. Выпуск №2, 2008. - 61-62 с.

13. Андреева Е.В. Виды нагрузок, действующих на трубопровод при строительстве в сейсмически опасных зонах // Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта. Сборник научных трудов. -Новополоцк: УО «ПГУ», 2008. 3-6 с.

14. Андреева Е.В., Васильев Г.Г. Оценка устойчивости трубопровода при поперечных перемещениях, вызванных сейсмическими воздействиями //

15. Магистральные системы трубопроводного транспорта углеводородов. Выпуск №1 (75), 2009. 43-48 с.

16. Арефьев С.С. Эпицентральные сейсмические исследования. Монография / С.С. Арефьев. М.: ИКЦ Академкнига, 2003. - 375 с.

17. Астафьев В.Н., Кандауров А.А. Изобретение «Прокладка трубопровода на грунтовом основании».

18. Барбакадзе В.Ш., Мураками С. Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений в деформируемых средах. М.: Стройиздат, 1989. - 472 с.

19. Басов К.A. ANSYS. Справочник пользователя. М.: ДНК Пресс, 2005. - 640 с.

20. Бондарев В.И. Сейсмический метод определения физико-механических свойств нескальных грунтов. Монография / В.И. Бондарев. -Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1997. 218 с.

21. Быков В.Г. Сейсмические волны в пористых насыщенных породах. Монография / В.Г. Быков. Владивосток: Дальнаука, 1999. - 107 с.

22. ВикулинА.В. Физика волнового сейсмического процесса. Монография / А.В. Викулин. Петропавловск-Камчатский, 2003. - 150 с.

23. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн / Ленингр. гос. ун-т им. А.А. Жданова; под ред. Г.И. Петрашень. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. Вып. 29, 1989. - 160 с.

24. Востриков Г.А. Связь параметров графика повторяемости, сейсмического течения и очага землетрясения. Сборник научных трудов / Г.А. Востриков. -М., 1994.-291 с.

25. ВСН 003-88. Строительство и проектирование трубопроводов из пластмассовых труб. -М.: Миннефтегазстрой, 1990. 106 с.

26. Вулканизм, сейсмичность и окружающая среда. Материалы конференции исследователей и специалистов, Петропавловск-Камчатский,10.11 окт. 2001 г. / Ин-т вулканологии. Петропавловск-Камчатский, 2002. -52 с.

27. Гальперин Е.И. Вертикальное сейсмическое профилирование. Опыт и результаты / Е.И. Гальперин; отв. ред. Ю.И. Васильев. — М.: Наука, 1994. -320 с.

28. Гехман А.С., Меликян А.А. Вопросы проектирования трубопроводов и специальных сооружений в сейсмических районах // Научно-технический обзор. -М.: ВНИИЭ Газпром, 1973.

29. Гибсон А.Г., Кантрилл Ю.Л. Технические нормы для армирования термопластичных пластмассовых труб. Университет Ньюкасла при участии С.Я. Грувз, Тайн, «ВР-Ашосо», 2002. 5 с.

30. Гильденблат И.И. Теория сейсмической стойкости. " Наука инженерного дела. // Строительная механика и расчет сооружений, №2, 1973.

31. ГоловковВ.П. Современные движения земной коры и сейсмичность. Монография / В.П. Головков, У.А. Нурматов, Ф.Д. Нармирзаев. Ташкент: Фан, 1990. - 179 с.

32. Го льдин С.В. Сейсмические волны в анизотропных средах. Монография / С.В. Гольдин; отв. ред. А.Э. Конторович, М.И. Эпов. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 374 с.

33. ГОСТ 24157-80. Трубы из пластмасс. Метод определения стойкости при постоянном внутреннем давлении.

34. Детальные сейсмические исследования литосферы на Р- и S-волнах. Монография / С.В. Крылов, Б.П. Мишенькин, З.Р. Мишенькина и др.; отв. ред. Н.Н. Пузырев. Новосибирск: ВО «Наука», 1993. - 198 с.

35. Дягилев Р.А. Микросейсмическое районирование. Учеб.-метод. пособие / Р.А. Дягилев, Д.А. Маловичко. Пермь, 2007. - 89 с.

36. Заалишвили В.Б. Физические основы сейсмического микрорайонирования. Монография / В.Б. Заалишвили. М., 2000. - 367 с.

37. Задание сейсмических воздействий. Сб.ст. / Редкол.: В.В. Штейнберг (отв. ред.) и др. М.: Наука, 1993. - 155 с.

38. Злобин Т.К. Динамика сейсмического процесса и строение очаговых зон сильных землетрясений Сахалина и Курил. Монография / Т.К. Злобин. -Южно-Сахалинск: СахГУ, 2005. 137 с.

39. Злобин Т.К. Современная сейсмичность и разломная тектоника юга Сахалина. Монография / Т.К. Злобин, А.О. Бобков. Южно-Сахалинск, 2003. - 123 с.

40. Инженерно-сейсмологические исследования для районирования сейсмической опасности. Сб. науч. тр. / Редкол.: А.С. Алешин. М.: Наука, 1992.- 124 с.

41. Источники и воздействие разрушительных сейсмических колебаний. Сб. науч. тр. / Редкол.: Н.В. Шебалин (отв. ред.) и др. М.: Наука, 1990.- 159 с.

42. Ишихара К. Поведение грунтов при землетрясениях. Монография / К. Ишихара; науч. ред. А.Б. Фадеев, М.Б. Лисюк. СПб.: Геореконструкция-Фундаментпроект, 2006. - 383 с.

43. КапустянН.К. Сейсмические исследования техногенных воздействий на земную кору и их последствий. Монография / Н.К. Капустян, Ф.Н. Юдахин. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. - 416 с.

44. Каракоцкая Е.В., Ишмуратов P.P. Эффективность методов повышения надежности промысловых трубопроводов // Нефтяное хозяйство. Выпуск №11, 2005. 104-105 с.

45. КарасикВ.М. Изучение скоростей сейсмических волн комплексом методов. Монография / В.М. Карасик. М.: Недра, 1993. - 220 с.

46. Комплексная оценка сейсмической опасности. Сб. ст. / Редкол.: Н.В. Шебалин и др. -М.: Наука, 1991. 191 с.

47. Крылов С.В. Сейсмические исследования литосферы Сибири. Избран, тр. / С.В. Крылов. Новосибирск: Гео, 2006. - 345 с.

48. Кутьина О.Г. Прослеживание сейсмических границ. Монография / О.Г. Кутьина, А.Б. Кутьин. М.: Недра, 1993.-268 с.

49. Мазур И.И., Иванцов О.М. Безопасность трубопроводных систем. -М.: ИЦ «ЕЛИМА», 2004. 1104 с.

50. Методы подготовки оснований на просадочных грунтах в сейсмоактивных районах. Монография / А. Закиров, И.И. Денесюк, Б. Акыев, Б.И. Ильясов. Ашхабад: ТуркменНИИНТИ, 1990. - 160 с.

51. Москвичев В.В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений: в 3 ч. Новосибирск: Наука, 2002. - Ч. 1: Постановка задач и анализ предельных состояний. - 106 с.

52. ОсикаД.Г. Флюидодинамика и сейсмичность. Монография / Д.Г. Осика, В.И. Черкашин. Махачкала, 2004. - 176 с.

53. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций: Учебное пособие для технических вузов / Р.А. Хечумов, X. Кеплер, В.И. Прокопьев; под общ. Ред. Р.А. Хечумова. М.: Издательство ассоциации строительных вузов, 1994. - 353 с.

54. Проблемы динамики и сейсмичности Земли. Сборник научных трудов / Отв. ред. В.И. Кейлис-Борок, Г.М. Молчан. М.: ГЕОС, 2000. -323 с.

55. Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Сборник / АН России. — Петропавловск-Камчатский, 2000. 318 с.

56. Прочность инженерных сооружений при импульсивных и сейсмических воздействиях. Сб. ст. / АН УзССР, Ин-т механики исейсмостойкости сооружений им. М.Т. Уразбаева; под ред. Т.Р. Рашидова. — Ташкент: Фан, 1990. 136 с.

57. Пузырев Н.Н. Методы и объекты сейсмических исследований. Введение в общую сейсмологию / Н.Н. Пузырев. Новосибирск: Изд-во СО РАН; НИЦ ОИГГМ, 1997. - 232 с.

58. Пучков С.В. Методика оценки приращения балльности землетрясения на различных грунтах с учетом их затухания // Вопросы инженерной сейсмологии. Сборник Сейсмическое движение грунта // Москва. Вып. 13. - 1970.

59. Руководство по проектированию подземных сооружений в сейсмических районах. Методический материал / И.Я. Дорман, А.В. Кузьмин, Н.Н. Фотиева и др. М., 1996. - 106 с.

60. Санжаровский Р.С., Веселов А.А. Теория расчета строительных конструкций на устойчивость и современные нормы. Учеб. пособие. — М.: Изд-во АСВ, 2002. 128 с.

61. Сейсмические опасности. Монография / Г.А. Соболев, Г.И. Аносов, Ф.Ф. Аптикаев и др. М.: Крук, 2000. - 295 с.

62. Сейсмические опасность и воздействия. Тез. междунар. науч. конф., посвящ. памяти О.В. Павлова, Иркутск, 3-6 окт. 2000 г. / Редкол.: К.Г. Леви и др. Новосибирск: Изд-во Сиб. отд-ния Рос. АН, 2000. - 93 с.

63. Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. Сб. науч. тр. М., Вып. 1, 1993. - 3 02 с.

64. Сибгатулин В.Г. Оценка сейсмической опасности юга Центральной Сибири. Монография / В.Г. Сибгатулин, К.В. Симонов, С.А. Перетокин. -Красноярск, 2004. 195 с.

65. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы.

66. СНиП И-7-81 *. Строительство в сейсмических районах.

67. Современная геодинамика, активные разломы и сейсмическое районирование. Тез. докл. XXIII Всесоюз. тектон. совещ. «Геодинамика и развитие тектоносферы». -М., 1990. 41 с.

68. Современные проблемы сейсмичности и динамики Земли. Сб. науч. тр. / Рос. АН Междунар. ин-т теории прогноза землетрясений и мат. геофизики. М.: Наука, 1996. - 239 с.

69. Способ преобразования кинематических параметров сейсмических волн в неоднородных средах. Монография / Авт.-сост. И.И. Хараз, А.А. Левин. Саратов, 1992. - 69 с.

70. Упругие волны в гиротропных и анизотропных средах. Сб. науч. тр. / Рос. АН Сиб. отд-ние. Объед. ин-т геологии, геофизики и минералогии; отв. ред. И.Р. Оболенцева. Новосибирск: ВО «Наука», 1993. - 215 с.

71. Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах: Учеб. пособие для строит, спец. Вузов / Н.И. Безухов, О.В. Лужин, Н.В. Колкунов. 3-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 1987. - 264 с.

72. Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений. Информ.-аналит. бюллетень / МЧС России. М., Т. 1, №1(1994). Январь-март 1994. - 57 с.

73. Фрост С.Р. Применение композитных материалов в нефтяной индустрии. Тема: Волоконные компоненты армирования 1998 г. Издательский дом «Вудхед», Кембридж, Англия, 1998. — 84 с.

74. Хараз И.И. Методика изучения скоростей по годографам сейсмических волн и их интерпретация в сложнопостроенных средах. Монография / И.И. Хараз. Саратов: Изд-во Саратов, регион, отд-ния межрегион, обществ, орг. Евро-Азиат, геогр. о-ва, 2005. — 140 с.

75. Чипизубов А.В. Реконструкция и прогноз изменений сейсмичности Земли. Монография / А.В. Чипизубов. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2008. - 240 с.

76. Шойгу С.К. Анализ сейсмического риска, спасение и жизнеобеспечение населения при катастрофических землетрясениях (сейсмические, методологические и методические аспекты) / Шойгу С.К., Шахраманьян М.А., Кофф Г.Л. М., 1992. - 176 с.

77. Proceedings of the international Pipe Dreamer's Conference held on 7-8 November, 2002 in Yokohama, Japan. Printed by Cambrian Printers, Aberystwyth SY23 3TN, UK, 2002. 1068 p.