Разработка методов расчета параметров использования анкерных устройств при балластировке магистральных газопроводов в обводненной местности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.13, кандидат технических наук Михайличенко, Сергей Алексеевич

• Михайличенко, Сергей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михайличенко, Сергей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНКЕРНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НА ОБВОДНЕННЫХ УЧАСТКАХ ТРАССЫ.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АНКЕРОВ ДЛЯ УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА В ОБВОДНЕННОЙ МЕСТНОСТИ С УЧЕТОМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ.

2.1. Экспериментальные данные и аналитическое описание диаграммы работы анкера.

2.2. Описание характеристик грунта с использованием теории нечетких множеств.

2. 3. Моделирование несущей способности анкеров в обводненной местности с помощью неопределенных величин характеристик грунта.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.ПРОДОЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНОГО УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА В ОБВОДНЕННОЙ МЕСТНОСТИ.

3.1. Уравнение равновесия для участка трубопровода, закрепленного анкерами. 55:?

3.2. Исследование продольной устойчивости трубопровода с начальным искривлением.

3.3. Метод дифференцирования по параметру в задачах продольной устойчивости участка газопровода.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ПРОДОЛЬНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ИЗОГНУТОГО УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА.

4.1. Анализ продольной устойчивости трубопровода при закреплении его анкерным устройством-;.

4.2. Исследование влияния характеристик несущей способности анкеров на продольную устойчивость участка трубопровода.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УДЕРЖИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АНКЕРОВ ПРИ ЗАКРЕПЛЕНИИ УЧАСТКА, ГАЗОПРОВОДА.

5.1. Математическое моделирование действующих на газопровод продольных сил.

5.2. Определение меры возможности потери участком газопровода продольной устойчивости.

5.3. Исследование влияния качества установки анкеров на обеспечение их удерживающей способности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчета параметров использования анкерных устройств при балластировке магистральных газопроводов в обводненной местности»

В настоящее время основные направления научно-технического развития в области строительства и ремонта магистральных трубопроводов связаны с разработкой и внедрением прогрессивных ресурсосберегающих и экологически чистых технологических процессов, способствующих повышению уровня качества выполняемых работ, следовательно и надежности эксплуатации [20, 40,77,82,83]. Особое значение эти проблемы приобретают при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов в заболоченной и обводненной местности с их специфическими природно-климатическими условиями [18].

Одной из наиболее важных задач является разработка новых методологических решений в определении перемещений .трубопровода, вызванных эксплуатационными нагрузками и воздействиями на трубопровод различных динамических и термодинамических процессов, имеющих место как внутри, так и вне трубопровода [3,31]. При этом для фиксации положения трубопровода.на проектных отметках в вертикальном направлении применяются самые разнообразные виды его закрепления [13,33,58,71,72,85,86].

Устойчивость трубопроводов на проектных отметках чаще всего обеспечивается за счет навески одиночных утяжеляющих железобетонных грузов или сборных железобетонных утяжелителей, а также установки анкерных устройств различных конструкций [55,74]. Закрепление трубопроводов~~^смк^рными устройствами принципиально отличается от всех других способов валластировки, так как в этом случае собственная масса анкера во, много раз меньше развиваемой им удерживающей силы. В последнее время широкое распространение получил метод балластировки трубопровода с использованием синтетических материалов и грунта [8, 23, 34, 73, 76, 87].

Потеря устойчивости трубопровода, проложенного в обводненной местности или на переходе через болото, может привести к резкому повышению напряжений в трубопроводе, к нарушению прочности труб и повреждениям изоляционного покрытия, требует значительных затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ и погружение трубопровода в проектное положение. Во многих случаях это связано с укладкой трубопровода в новую траншею.

Одним из возможных способов обеспечения устойчивого положения трубопровода на проектных отметках - закрепление их анкерными устройствами.

Наибольшее распространение в практике трубопроводного строительства получили винтовые анкерные устройства. Их применяют для закрепления на проектной отметке трубопроводов диаметрами до 1420 мм включительно, прокладываемых подземно, в насыпях и наземно на заболоченных и периодически затопляемых участках трасс строительства с устойчивыми подстилающими грунтами, обеспечивающими закрепление винтовых анкеров в несущем слое грунта.

При малой толщине опорного слоя грунта над лопастью разрушение грунта основания наступает из-за отрыва части грунта, опирающегося на лопасть анкера, от остального массива. В этом случае практическая несущая способность анкера определяется в соответствии с теорией Кулона, которая, в частности, учитывает вес отрываемой части грунта и силы сцепления грунта по боковой поверхности.

В трубопроводном строительстве применяются анкеры как мелкого, так и глубокого заложения, в зависимости от расположения опорного слоя.

Основными преимуществами, способствующими широкому использованию анкерных устройств в трубопроводном строительстве, являются быстрота их доставки и установки, возможность заглубления анкера без нарушения структуры грунта, а также относительно небольшая стоимость анкерного устройства. Тем не менее, общие затраты существенным образом зависят от расчетного значения несущей способности анкера и метода включения анкерного устройства в работу.

В связи с этим возникла необходимость в проведении специальных исследований, направленных на изучение конструктивных особенностей использования анкерных устройств при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов с целью совершенствования методов расчетов технологических параметров их установки, обеспечивающих продольную устойчивость участков трубопроводов в обводненной местности.

Представленная работа является комплексным экспериментальным и теоретическим исследованием по изучению методов статистической обработки результатов испытаний анкеров на выдергивающую нагрузку, свойств грунта и моделирования продольной устойчивости участка трубопровода при воздействии продольной и поперечной нагрузки.

Использование математических моделей статистической обработки экспериментальных данных и основных положений теории нечетких множеств, позволило впервые разработать методику получения характеристик грунта с определением возможных границ изменения этих характеристик, а также степени возможности реализации промежуточных значений.

На основе экспериментальных данных впервые выполнено аналитическое описание режима работы анкера в виде непрерывной трехпа-раметрической кривой, что позволило разработать единую модель продольной устойчивости- участка магистрального трубопровода в обводненной местности. Выявленный разброс параметров впервые позволил описать неопределенность режима работы анкера с помощью нечетких множеств.

Впервые разработан пакет прикладных программ для исследования продольной устойчивости трубопровода с начальным искривлением с использованием в алгоритме метода дифференцирования по параметру с последующим определением меры возможности потери участком газопровода продольной устойчивости. Диалоговая система, основу которой составляет пакет прикладных программ, выполнена в виде оболочки для.IBM PC и включает в себя автономные графические, расчетные и архивные блоки, позволяющие в кратчайшие сроки подготовить необходимую проектно-техническую документацию,

Выполненные исследования являются актуальными, так как связаны с реализацией задач комплексной прогрыммы "Высоконадежный трубопроводный транспорт", Разработанные методики и алгоритмы, реализованные в виде пакета программ для IBM PC, позволяют довести количественные характеристики динамических и термодинамических процессов, имеющих место внутри и вне трубопровода, до инженерного уровня и применить методы теории надежности для обоснования необходимой степени возможности безотказной работы трубопровода (под безотказной работой подразумевается устойчивость трубопровода) . разработанные алгоритмы многовариантных автоматизированных расчетов создают методологическую базу обоснования и выбора основных требований к технологическим параметрам, обеспечивающим необходимую несущую способность .системы анкеров при произвольном распределении их по длине трубопровода.

Результаты исследований включены в следующие отраслевые нормативно-технические разработки С30,533:

- рекомендации по статистической обработке экспериментальных исследований, направленных на определение характеристик грунта с помощью нечетких множеств - Москва; НПП "Стройпроектсервис", 1999;

- расчет продольной устойчивости участка магистрального трубопровода с использованием аналитического описания диаграммы работы анкера - программный продукт системы PLSystem / Anchor (Pipeline System / Anchor) - Москва: ИНЭИ РАН, 1998,

Указанные разработки могут использоваться при проектировании, организации и проведении работ по сооружению и ремонту магистральных трубопроводов в обводненной местности.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», Михайличенко, Сергей Алексеевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ существующих подходов к назначению технологических параметров использования анкерных устройств для обеспечения надежности эксплуатации магистральных трубопроводов на обводненных участках трассы с учетом качественной и количественной неопределенности различных физико-механических характеристик грунта , что позволило обосновать целесообразность и перспективность применения теории нечетких множеств для описания диаграммы работы анкера.

2. Выполненные экспериментальные исследования для определения диаграммы работы анкера позволили выявить характер разброса основных параметров, характеризующих несущую способность анкера в данном виде грунта. Получены функциональные трехпараметрические зависимости для определения несущей способности анкера с учетом возможности реализации различных значений параметров. Статистическая оценка экспериментальных данных, путем использования теории нечетких множеств, позволила предложить меру возможности реализации различных диаграмм работы анкера.

3. Разработана математическая модель, описывающая продольную устойчивость подземного трубопровода с учетом начального искривления трубопровода и различных диаграмм состояния анкеров. Предложенные алгоритмы расчета основаны на использовании метода дифференцирования по параметру, который позволяет с достаточной степенью эффективности находить решение системы нелинейных алгебраических уравнений.

4. Результаты расчетов по разработанным алгоритмам показали, что существенное влияние на критические значения продольных и поперечных нагрузок влияет не только общая удерживающивающая способность всех анкеров, но и их возможное различие в несущей способности. Так, было установлено, что качество закрепления отдель

- 123 ных анкеров по длине трубопровода существенно влияет на обеспечение продольной устойчивости. Предложена методика оценки влияния качества выполнения строительно-монтажных работ при закреплении анкеров на эксплуатационную надежность участка трубопровода в обводненной местности.

5. Разработанные методики и алгоритмы, реализованные в виде пакета программ для IBM PC, позволяют довести количественные характеристики динамических и термодинамических процессов, имеющих место внутри и вне трубопровода, до инженерного уровня и применить методы теории надежности для обоснования необходимой степени возможности безотказной работы трубопровода (под безотказной работой подразумевается устойчивость трубопровода). Разработанные алгоритмы многовариантных автоматизированных расчетов создают методологическую базу обоснования и выбора основных требований к технологическим параметрам, обеспечивающим необходимую несущую способность системы анкеров при произвольном распределении их по длине трубопровода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михайличенко, Сергей Алексеевич, 2000 год

1. ВСН 193-86. Инструкция по применению геотекстильных синтетических материалов (ГСМ) при балластировке грунтом стальных трубопроводов. М. : ВНИИСТ, 1986. - 62 с.

2. ВИ 102-2-88. Учет удерживающей способности грунтов нарушенной структуры при прокладке стальных трубопроводов на обводняемых участках. М. : ВНИИСТ, 1989. - 15 с.

3. Вощинин А.П., Сотиров Г.Р. Оптимизация в условиях неопределенности. М.: МЭИ, Техника, 1989. - 224 с.

4. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. М.: Минстрой России, 1996. - 26 с.

5. Грешилов A.A. Прикладные задачи математического программирования. М. : МГТУ, 1990. - 189 с.

6. Демидюк л. М., Степанова С. Г., Бурчак Т. В. и др. Гидрогеологическое обоснование оптимизации конструктивных решений трубопроводов в период строительства. М. : ВИЭМС, 1991. - 87 с.

7. Еремин И.И., Астафьев Н. Н. Введение в теорию линейного и выпуклого программирования. М.: Наука, 1976. - 192 с.

8. Зиневич А.М. Развитие научных основ надежности трубопроводов. Строительство трубопроводов, 1992, N 2, с. 15-18.

9. Зайцев В.Ф., Полянин А.Д. Справочник по линейным обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Факториал, 1997. - 304 с.

10. Зайцев В.Ф., Полянин А.Д. Справочник по нелинейным обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Факториал, 1997. -512 с.

11. Ильин В.А., Бабин Л. А. Балластировка магистральных трубопроводов закрепленным минеральным грунтом. Строительство магистральных трубопроводов, 1988, вып. 5. - 38 с.

12. Иванов В. А., Медведев B.C., Чемоданов Б. К. и др. Математические основы теории автоматического регулирования. М. : Высшая школа, 1971. 808 с.

13. Камке 3. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М, : Наука, 1971. - 576 е.

14. Ким Б.И,, Литвин И.Е. Задачник по механике грунтов в трубопроводном строительстве. М. ; Недра, 1989, 182 с.

15. Кириллов B.C. Основания и фундаменты, М.: Транспорт, 1980, - 392 с,

16. Королюк B.C., Портенко Н.И., Скороход A.B. и др. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М,; Наука, 1985, - 640 с.

17. Короленок A.M., Колот и лов Ю. В., Михайличенко С. А. и др. Влияние термогазодинамических режимов на конструктивные параметры газопровода, М. : ИРЦ Газпром, 1996, - 76 с,

18. Корн Г,, Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984, - 831 с,

19. Кулагин В. П. Балластировка газопроводов, Строительство трубопроводов, 1993, N 7, с. 26-28.

20. Кулагин В, П. Физико-механические характеристики грунтов обратной засыпки трубопроводов. Строительство трубопроводов, 1995, N 1, с. 26-28.

21. Кулагин В. П. Методика гидрогеологического прогноза пристроительстве газопроводов. Строительство трубопроводов, 1994, N 8, с. 4-9.

22. Кулагин В.П. Балластировка трубопроводов с использованием грунта засыпки и геосинтетических материалов. Автореферат кандидатской диссертации - Уфа: 1997. - 24 с.

23. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.

24. Ляшенко И. Н., Карагодова Е.А., Черникова Н.В. и др. Линейное и нелинейное программирование. Киев: Высшая школа, 1975.- 372 с.

25. Математический энциклопедический словарь. Гл. ред. Прохоров Ю. В. М. : Советская энциклопедия, 1988. - 847 с.

26. Михайличенко С.А., Леонов Л.Б., Короленок А. М. Назначение несущей способности анкера с учетом коэффициента надежности.- Тезисы докладов межвузовской конференции "Нефть и газ 96" -М. : ГАНГ, 1996, с. 109.

27. Михайличенко С. А. Аналитическое описание диаграммы работы анкера. В кн. : Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт. - М.: ЦОНиК ГАНГ, 1996, N 2, с. 61-66.

28. Михайличенко С. А., Федоров Е. И. Описание характеристик грунта с использованием теории нечетких множеств. В кн.: Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт. - М.: ЦОНиК ГАНГ, 1996, N 3, с. 47-52.

29. Михайличенко С. А. Метод дифференцирования по параметру в задачах продольной устойчивости участка газопровода. В кн.: Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт. - М.: ЦОНиК ГАНГ, 1996, N 4, с. 48-54.

30. Михайличенко С. А. Уравнение равновесия для закрепленного анкерами участка трубопровода. В кн.: Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт. - М. : ЦОНиК ГАНГ, 1996, N 4, с. 54-63.

31. Михайличенко С.А., Колотилов Ю.В., Короленок А.М. и др. Особенности эффективного использования анкерных устройств при сооружении магистральных газопроводов. М.: Нефтяник, 1998. - 89 с.

32. Муртаф Б. Современное линейное программирование: теория и практика. М.: Мир, 1984. - 224 с.

33. Орехов В.И. Управление качеством трубопроводного строительства. М. : Недра, 1988. - 149 с.

34. Пенчук В.А. Винтовые сваи и анкеры для опор. Киев: Бу-д1вельник, 1985. - 96 с.

35. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). М. : Стройиздат, 1986. - 415 с.

36. Колотилов Ю.В., Короленок А.М., Михайличенко С.А. Рекомендации по статистической обработке экспериментальных исследований, направленных на определение характеристик грунта с помощью нечетких множеств, Москва: НПП "Стройпроектсервис", 1999. - 35 с,

37. Пановко Я, Г., Губанова И. И. Устойчивость и колебания упругих систем, М, ; Наука, 1987. - 352 с.

38. Поляков В,Е., Дячук P.M. Балластировка трубопроводов малого диаметра, Строительство трубопроводов, 1989, N 9, с. 40,

39. Пособие по выбору основных параметров, определяющих конструктивное решение подземных трубопроводов. Комплекс программ для ЭВМ ЕС, М.: ВНИИСТ, 1988,

40. Пособие по расчету подземных трубопроводов при произвольном очертании оси с несовмещенными углами поворота, закрепленных грузами и анкерами, Программа ПРУТ-88 для ЭВМ EG, М.; ВНИИСТ, 1989.

41. Патент П 2074999 (РФ). Устройство для закрепления трубопроводов в грунте, Кулагин В, П., Щепин Н. Ф, Опубл. в Б, И,, 1997, N 7, •

42. Ржаницын А. Р. Строительная механика, М.: Высшая школа, 1982, - 400 с,

43. Р 542-84. Методика и программа расчета на ЭВМ закрепленных анкерами трубопроводов при податливости анкеров в грунте, -М. : ВНИИСТ, 1985. 43 с.

44. РД 51-4.2-003-97. Методические рекомендации по расчетам конструктивной надежности магистральных газопроводов, М,; ВНИИ-ГАЗ, ИРЦ Газпром, 1997. - 126 с.

45. Рябенький В, С, Введение в вычислительную математику, М. : Физматлит, 1994, 336 с,

46. СП 107-34-96. Свод правил по сооружению магистральных газопроводов. Балластировка, обеспечение устойчивости положениягазопроводов на проектных отметках. М.: ИРЦ Газпром, 1996. -с. 106-149.

47. ОНиП 2.05.06.-85. Магистральные трубопроводы. Госстрой СССР. М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1985. 52 с.

48. СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 128 с.

49. СНиП 2.02.01.-83. Основания зданий и сооружений. Госстрой СССР. М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 40 с.

50. СНиП 2.02.03.-85. Свайные фундаменты. Госстрой СССР. -М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 48 с.

51. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. Госстрой СССР. М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 36 с.

52. СНиП II1-42-80. Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ. •- М. : Стройиздат, -1981. 80 с.

53. Степанова С.Г., Кулагин В. П. и др. Методика оперативного контроля физико-механических параметров грунтов обратном засыпки трубопроводов (дополнение к ВИ 102-2-88). М.: ВНИИСТ, 1990. -13 с.

54. Стрижков С.Н. Защита и стабилизация трубопроводов грунтом с использованием геотекстиля. Строительство магистральных трубопроводов, 1990, вып. 3. - 34 с.

55. Спиридонов В.В., Пчелин В.Н., Чернюк В.П. Анкерные устройства и приспособления в строительстве. Линейное трубопроводное строительство, 1986, вып. 2. - 65 с.

56. Спектор Ю.И., Елизарьев Е. Г. Экспериментальные исследования балластировки трубопроводов грунтом и синтетическими материалами. Транспорт и хранение нефти, 1988, N И, с. 7-10.

57. Скворцов И.Д., Ничевилов Г.В., Аксентьева Г. П. Современные методы балластировки и закрепления трубопроводов в Западной Сибири. Техника и технология добычи нефти и обустройство нефтяных месторождений, 1988, вып. 20. - 55 с.

58. Светозарова Г. И., Козловский А. В., Сигитов Е. В. Современные методы программирования в примерах и задачах. М.: Наука, Физматлит, 1995. - 427 с.

59. Спектор Ю. И. Новые технологии в трубопроводном строительстве на основе технической мелиорации грунтрв. Автореферат докторской диссертации - Уфа: 1996. - 45 с.

60. Телегин Л. Г., Ким Б. И., Зоненко В. И. Охрана окружающей среды при сооружении и эксплуатации газонефтепроводов. М.: Недра, 1988. - 188 с.

61. Товстик П.Е. Устойчивость тонких оболочек: асимптотические методы. М. : Наука, Физматлит, 1995. - 320 с.

62. Тимошенко С. П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. М.: Гостехтеориздт, 1971. - 808 с.

63. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. - 512 с.

64. Федоров Е.И., Федоров Л.И., Мачаидзе Э. П. Применение теории нечетких множеств в задачах надежности и проектирования систем. В кн.: Математическая физика. - М. : МГПИ, 1989, с. 68-75.

65. Федоров Е.И., Майрансаев Г. М. К вопросу надежности участка трубопровода, находящегося в обводненной среде. Строительная механика и расчет сооружений, 1987, N 5, с.30-34.

66. Харионовский В. В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях. Л: Недра, 1990. - 180 с.

67. Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ. М. : Мир, 1989. -655 с.

68. Черний В. П. Конструкции мягких утяжелителей для балластировки трубопровода. В кн. : Обеспечение проектного положения подземных трубопроводов на обводненных грунтах. - М.: ВНИИСТ, 1989, с. 9-14.