Совершенствование методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Трошков, Николай Алимпиевич

• Трошков, Николай Алимпиевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Трошков, Николай Алимпиевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И НАПРЯЖЕННО- 7 ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА СЛОЖНЫХ УЧАСТКАХ ТРАССЫ

1.1 Анализ конструктивных решений прокладки подземных трубопро- 7 водов на криволинейных участках

1.2 Анализ нагрузок и воздействий, влияющих на напряженно- 10 деформированное состояние подземных трубопроводов

1.3 Анализ методов расчета криволинейных участков подземных трубо- 15 проводов

Выводы по главе

2 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО 19 СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА СЛОЖНЫХ УЧАСТКАХ

2.1 Напряжения и перемещения трубопровода на участках с выпуклыми 20 кривыми, выполненными сварными и крутоизогнутыми отводами

2.1.1 Определение поперечных перемещений и напряжений изгиба при 20 действии продольных сжимающих усилий

2.1.2 Расчет углов поворота трубопроводов в области малых поперечных 29 перемещений

2.1.3 Анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода при 35 его больших перемещениях

2.2 Анализ влияния радиуса кривизны отводов на напряжения и пере- 47 мещения трубопроводов

2.3 Исследование зависимости перемещений трубопровода от темпера- 54 турного перепада

Выводы по главе

3 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО 71 СОСТОЯНИЯ УПРУГОИСКРИВЛЕННЫХ УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДОВ

3.1 Напряжения и перемещения упругоискривленных участков трубо- 71 проводов

3.2 Анализ зависимости перемещений упругоискривленного участка 79 трубопровода от продольного усилия

3.3 Анализ влияния конструктивных параметров упругоискривленного 86 трубопровода на перемещения и напряжения

Выводы по главе

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ 94 ТРУБОПРОВОДОВ НА СЛОЖНЫХ УЧАСТКАХ ТРАССЫ

4.1 Расчет составных углов поворота трубопровода

4.2 Анализ зависимости перемещений составных углов поворота трубо- 108 проводов от температурного перепада

4.3 Исследование и разработка оптимальной конструкции углов поворо- 112 та трубопровода

4.4 Методика расчета на прочность в продольном направлении подзем- 119 ного трубопровода и на углах поворота

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы»

Сооружение магистральных трубопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями обусловливает необходимость совершенствования методов их проектирования и принятия соответствующих конструктивных решений.

Прокладка трубопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями приводят к существенным изменениям условий их работы и необходимости принятия неординарных мер по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов. Научной основой этих мер явились исследования известных научных школ и специалистов ОАО «АК «Транснефть», РГУНТ им. И.М. Губкина, УГНТУ, ТГНГУ, ГУП «ИПТЭР», ОАО «Гипротрубопровод», ОАО «Институт «Нефтегазпроект», ОАО «ВНИИСТ» и др.

Исследованиями В.Л.Березина, А.Г. Гумерова, П.П. Бородавкина, В.В. Новоселова, Г.Г. Васильева, О.М. Иванцова, Э.М. Ясина, Л.И. Быкова, Х.А. Азметова и других ученых созданы методы проектирования магистральных трубопроводов, учитывающие условия их прокладки и эксплуатации. Использование в практике проектирования и строительства достижений науки и техники позволяет обеспечивать высокую надежность и безопасность современных магистральных трубопроводов. Вместе с тем анализ напряженно-деформированного состояния действующих трубопроводов и необходимость дальнейшего повышения их надежности и безопасности требуют проведения исследований и совершенствования методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы с целью выбора оптимальных конструктивных решений [58].

К сложным участкам в данной работе отнесены криволинейные участки подземных трубопроводов, сооруженные при отрицательной температуре воздуха и засыпанные грунтами с низкой несущей способностью.

Прокладка трубопроводов при отрицательных температурах и в грунтах с низкой несущей способностью приводят к возникновению тяжелых условий при их эксплуатации. Трубопроводы под действием продольных сжимающих усилий существенно изменяют свое первоначальное положение, что приводит к появлению в стенках труб чрезмерных напряжений и вследствие этого - иногда к разрушению.

Обеспечение устойчивости проектного положения и прочности линейной части магистральных трубопроводов является весьма важным для трубопроводов, прокладываемых в районах Западной Сибири и Севера, где суровые климатические условия и бездорожье делают техническое обслуживание и ремонт трубопровода сложной и дорогостоящей операцией. В густонаселенных районах повреждение линейной части трубопровода может иметь тяжелые аварийные последствия. Это особенно важно при проектировании и сооружении магистрального нефтепровода Восточная Сибирь - Тихий Океан (ВСТО), где рельеф трассы сильно изменчив. Перепады геодезических отметок превышают 1500 м.

Таким образом, с учетом все возрастающей роли фактора надежности и безопасности потребность в методах проектирования подземных трубопроводов при действии высоких сжимающих усилий становится особенно актуальной.

Цель работы - совершенствование методов расчета на прочность и проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы с учетом выбора оптимальных конструктивных решений.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

• анализ конструктивных решений и методов расчета на прочность и устойчивость подземных трубопроводов;

• оценка напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, проложенных в сложных условиях;

• разработка методов снижения напряжений и перемещений подземного трубопровода;

• разработка методов проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы, обеспечивающих снижение напряжений и перемещений трубопровода.

В работе используются надежные и широко апробированные методы и принципы теории упругости и строительной механики. Полученные аналитические зависимости между напряженно-деформированным состоянием трубопровода и конструктивными решениями его прокладки, разработанные методы снижения напряжений и перемещений трубопровода, методы проектирования криволинейных участков трубопроводов базируются на современных достижениях в области проектирования и технической эксплуатации трубопроводов, многолетнем производственном опыте, подтверждающие обоснованность предложенных зависимостей и методов.

При решении поставленных задач автором получены научно обоснованные, имеющие новизну и практическую ценность результаты.

Разработан метод оценки напряженно-деформированного состояния криволинейных участков подземных трубопроводов, основанный на учете свойств грунта и параметров конструктивных решений и установлены закономерности изменения напряжений и перемещений трубопровода от эксплуатационных нагрузок и воздействий и конструктивных решений.

Разработаны методы снижения напряжений изгиба и перемещений трубопровода, выбора параметров конструктивных решений в зависимости от нагрузок и воздействии, геометрических характеристик трубопровода.

Разработаны методы проектирования криволинейных участков трубопроводов, обеспечивающие оптимальные по уровню напряжений конструктивные решения.

Разработанные автором методы проектирования подземных трубопроводов позволяют решать важную народнохозяйственную проблему - поддерживать надежность и безопасность трубопроводов на нормативном уровне.

На защиту выносятся совершенствованные методы проектирования подземных трубопроводов на сложных участках трассы.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Трошков, Николай Алимпиевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании анализа условий сооружения и эксплуатации сложных участков подземных трубопроводов доказана необходимость совершенствования методов их проектирования. Выявлено, что прокладка трубопроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями приводит к возникновению высоких напряжений при их эксплуатации. В связи с этим определена необходимость исследований напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, проложенных на сложных участках и разработка мероприятий по снижению напряжений.

2. На основании исследования напряженно-деформированного состояния сложных участков подземных трубопроводов установлены условия деформирования в грунте трубопроводов при их эксплуатации. Получены основные критериальные соотношения для оценки напряжений и деформаций трубопровода.

3. Получены аналитические зависимости напряжений и перемещений трубопровода от параметров условий сооружения, эксплуатации и конструктивных решений трубопровода.

Установлено, что параметры прокладки трубопроводов на сложных участках в ряде случаев не обеспечивают нормативные требования по уровню продольных напряжений.

4. На основе полученных аналитических зависимостей и установленных закономерностей изменений напряжений и перемещений трубопровода разработаны методы снижения напряжений и перемещений трубопровода до нормативного уровня.

5. На основе проведенных исследований зависимости продольных напряжений и прогиба трубопровода от конструктивных решений разработаны усовершенствованные методы расчета на прочность и проектирования сложных участков подземных трубопроводов, обеспечивающих оптимальные конструктивные решения и существенное снижение напряжений в трубопроводе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Трошков, Николай Алимпиевич, 2006 год

1. Азметов Х.А., Березин В.Л., Бородавкин П.П., Ясин Э.М. Надежность "горячих" нефтепроводов./ Обзорная информация. М.: ВНИИОЭНГ, 1975. -83с.

2. Азметов Х.А. Экспериментальные исследования прочности и устойчивости поворотов в вертикальной плоскости подземных трубопроводов./ Сб. научн. тр."Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов". Уфа: ВНИИС-ПТнефть, 1976. -№ 14. - С. 168-172.

3. Азметов Х.А., Богорад В.М. Исследование устойчивости подземного трубопровода в условиях сложной трассы./ Сб. научн. тр. "Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов". Уфа: ВНИИСПТнефть, 1976. - №14. -С. 157-162.

4. Азметов Х.А. Некоторые меры повышения ресурса подземных трубопроводов./ Проблемы механики сплошных сред в системах добычи и транспорта нефти и газа: по материалам Конгресса нефтепромышленников России. -Уфа, 1998. С.34-38.

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

6. Аксельрад Э.Л., Ильин В.П. Расчет трубопроводов. Л.: Машиностроение, 1972.-240с.

7. Анучкин М.П. Прочность сварных магистральных трубопроводов. М: Гос-топтехиздат, 1963.- 196с.

8. Беккер А.Я., Шапошников Э.А., Виноградов Б.А. Непрерывное гнутье труб диаметром 1220 мм.// Строительство трубопроводов. М., 1969. - №3. -34с.

9. Березин В.Л., Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. М.: Недра, 1973. - 200с.

10. Березин В.Л., Ясин Э.М., Постников В.В., Жигулев Г.П. Надежность магистральных нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1971. - 80с.

11. Быков JI.И., Григоренко П.Н. Экспериментальное исследование степени защемления подземных трубопроводов./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М.: ВНИИОЭНГ, 1970. - № 3. - С. 16-18.

12. Быков Л.И., Григоренко П.Н. Исследование степени защемления подземных трубопроводов грунтом в натурных условиях./НТС "Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных газонефтепроводов и нефтебаз". Уфа, 1974. -вып. 15. - С.120-127.

13. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы. М.: Недра, 1973. - 304с.

14. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1977. - 407с.

15. Бородавкин П.П., Таран В.Д. Трубопроводы в сложных условиях. М.: Недра, 1968. - 304с.

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

17. Бородавкин П.П., Быков Л.И. Экспериментальное определение расчетных характеристик грунта при продольных перемещениях трубопроводов./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М.: ВНИИОЭНГ, 1967.-№ 12.-С.7-12.

18. Бородавкин П.П., Шадрин О.Б. Определение продольного перемещения подземного трубопровода.// Строительство трубопроводов. М., 1965. - № 5.-С.11-13.

19. Бородавкин П.П., Березин В.Л., Быков Л.И., Григоренко П.Н. Вопросы проектирования и эксплуатации подземных нефте- и продуктопроводов. -М.: ВНИИОЭНГ, 1972.

20. Выбор труб для магистральных нефтепроводов при строительстве и капитальном ремонте. СП 34-101-98: Утв. АК "Транснефть" 13.01.98 / Рыбаков А.А., Семенов С.Е., Билецкий С.М. и др. М., 1998. - 66с.

21. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. М: Наука, 1967. -984с.

22. Вязунов Е.В., Зиборов А.Н. Система продуктопроводов "Колониал" (США). М.: ВНИИОЭНГ, 1970. - 53с.

23. Гайдамак В.В., Березин B.JL, Бородавкин П.П., Ясин Э.М. Надежность нефтепроводов, прокладываемых в неоднородных грунтах. М.: ВНИИОЭНГ, 1975.-88с.

24. Гальперин А.И. Машины и оборудования для гнутья труб. М.: Машиностроение, 1967. - 179с.

25. Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С., Ямалеев К.М. Старение труб нефтепроводов. М.: Недра, 1995. - 222с.

26. Гумеров К.М., Гумеров А.Г., Гумеров Р.С. и др. Оценка технического состояния элементов магистральных нефтепроводов./ Сб. научн.тр. "Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов". -Уфа: ИПТЭР, 1996. С. 10-22.

27. Гумеров А.Г., Азметов Х.А., Гумеров Р.С., Векштейн М.Г. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1998.-272с.

28. Гумеров А.Г., Ямалеев К.М., Гумеров Р.С., Азметов Х.А. Дефектность труб нефтепроводов и методы их ремонта. М.: Недра, 1998. - 240с.

29. Демченко В.Г. Явления местной потери устойчивости магистральных трубопроводов.// Строительство трубопроводов. М., 1975. - № 10. - С. 16-18.

30. Дубинский В.Г., Елисеев М.Я. Больше внимания сверхмощным нефтяным трубопроводным магистралям./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М,: ВНИИОЭНГ, 1969. - № 7. - С.8-10.

31. Иванцов О.М. Предложения по повышению продольной устойчивости магистральных трубопроводов.// Строительство трубопроводов. М., 1983. -№ 9. - С.27-29.

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

33. Иванцов О.М., Харитонов В.И. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1989. - 166с.

34. Камерштейн А.Г., Скоморовский Я.З. Расчет защемления трубопровода в грунте.// Строительство трубопроводов. М., 1965. - № 4. - С.8-10.

35. Клейн Г.К. Расчет труб, уложенных в землю. М.: Госстройиздат, 1957. -195с.

36. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. М.: Стройиздат, 1969. -240с.

37. Клементьев А.Ф. Устойчивость магистральных трубопроводов в сложных условиях. М.: Недра, 1985. - 112с.

38. Кортунов В.А., Моргулис JI.A., Габелая Р.Д. Технология сварочно-монтажных работ на трассе Ухта-Торжок.// Строительство трубопроводов. -М., 1969. № 8. - С.23-24.

39. Кортунов В.А., Фишман Л.Я., Ледянкин М.Б., Беленький А.Я. Зависимость объема разрабатываемого грунта от жесткости трубопроводов. //Строительство трубопроводов. М., 1969 - № 1. - С. 18-19.

40. Крикун В.Я. Новое оборудование для гнутья тонкостенных труб больших диаметров. М.: Издание ЦНТИ ВНИИСТа, 1974. - 59с.

41. Кудасевич М.С., Шпотаковский М.М. К расчету магистральных нефтепроводов с учетом выделения тепла при установившемся режиме перекачки./ РНТС "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М.: ВНИИОЭНГ, 1974.-№ 1.-С.З-5.

42. Мазур И.И., Иванцов О.М., Молдованов О.И. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов. М.: Недра, 1990. - 264с.

43. Малюшин Н.А., Степанов И.О., Трошков Н.А. Роль диагностики в обеспечении надежности транспорта нефти.// Сб. тр. Сиб. Энергетического института СО РАН «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики, Иркутск», 1996.-С.31-32.

44. Поляков Г.Н., Яковлев Е.И., Пиотровский А.С., Яковлев А.Е. Эксплуатация и реконструкция трубопроводных магистралей. М.: Машиностроение, 1992.-256с.

45. Правила безопасности при эксплуатации магистральных нефтепроводов. -М.: Недра, 1989.- 112с.

46. Прево Р. Расчет на прочность трубопроводов, заложенных в грунт. М.: Стройиздат, 1964. - 123с.

47. Трошков Н.А., Пушников Г.М. Надежность газопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах.//Сб. тр. Сиб.энегретического института СО РАН "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики" 22-26 сентября 2002, Туапсе,-С.42.

48. Рекомендации по методике расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов в условиях Средней Азии (Шатлык-Центр). Р-82-71. М.: Издание ОНТИ ВНИИСТа, 1971. - 47с.

49. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. М.: Стройиздат, 1997. -59с.

50. Соколов С.М., Лукошкова Н.К. Экспериментальное исследование продольных перемещений подземных трубопроводов в торфе./ "Проблемы нефти и газа Тюмени". Тюмень, 1973. -вып. 19. - С.5-7.

51. Спиридонов В.В., Айнбиндер А.Б. Причины выпучивания участков газопроводов, проложенных в Средней Азии.// Строительство трубопроводов. -М., 1970.-№2. -С.14-15.

52. Спиридонов В.В., Свердлов М.Ф. Учет изменения температуры газа при выборе конструктивных решений прокладки магистральных трубопроводов./ Сб.тр. М.: ВНИИСТ, вып.25. - М, 1971.-вып.25.-С263-278.

53. Таран В.Д. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1964. -544с.

54. Тимербаев Н.Ш. Исследование местной потери устойчивости магистральных нефтегазопроводов большого диаметра при осевом сжатии и изгибе. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа, ВНИСПТнефть, 1975.

55. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966.-635с.

56. Трошков Н.А. 30 лет в проектном деле. Строительный вестник Тюменской обл.№3,2000,-С.24-25.

57. Трошков Н.А. Система предупреждения отказов и продления срока эксплуатации нефтепроводов Западной Сибири.//Материалы международного семинара "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли", Тюмень, 27-29 марта 2002,-С.179-181.

58. Трошков Н.А., Малюшин Н.А. Проектирование подземных трубопроводов на криволинейных участках трассы. Известия ВУЗов. «Нефть и газ». Тюмень: Тюм ГНГУ, № 3,2004 г. - С.70-74.

59. Трошков Н.А. Расчет продольных напряжений в подземных трубопроводах на пересеченном рельефе местности. Известия ВУЗов, «Нефть и газ». -Тюмень: Тюм ГНГУ, № 4,2004 г.- С. 44-46.

60. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф. Транспортирование вязких нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам. М.: Недра, 1973. - 89с.

61. Филоненко-Бородич М.М., Изюмов С.М., Олисов Б.А. и др. Курс сопротивления материалов. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, часть II, 1956. - 540с.

62. Флорин В.А. Основы механики грунтов. JI.: Госстройиздат, 1960. - т. I. -357с.

63. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Л.: Госстройиздат, 1961. - т.И. -543с.

64. Чирсков В.Г. Проблемы круглогодичного строительства трубопроводов в болотистой местности.// Строительство трубопроводов. М., 1976. - №1. -С.10-13.

65. Шихманов Я.М. Обеспечить отличное качество работ на трассе Бухара-Урал.// Строительство трубопроводов. М., 1962. - № 6. - С.3-4.

66. Яблонский B.C., Новоселов В.Ф., Галеев В.Б., Закиров Г.З. Проектирование, эксплуатация и ремонт нефтепродуктопроводов. М.: Недра, 1965. - 410с.

67. Ямалеев К.М. Старение металла труб в процессе эксплуатации нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1990.- 64с.

68. Ясин Э.М., Березин B.JL, Ращепкин К.Е. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1972. - 184с.

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

70. Hofer Peter, Strommer Edmund. Spannungen unterinneren und ausseren Tem-peratureinwirhugen. "G.W.F." Gas Erdgas". 1972,113, № 5, P. 242-247.

71. Elter Glaus. Zur Bewertung Von Spannungen in Rohrleitungen infolge war-meansdehnung des Systems. "T.V.", 1974,15, № 1, P. 25-28.

72. Krincker D. Erfahrungen uber Verlegung und Betrieb Von Fernheizleitungen. "Rohre-Rohrleitungsbau-Rohrleitungstransport", 1975. 14, № 6, P. 320-324.

73. Lierly jack. Shorted casings: causes and cures // Pipe Line Ind. 1987. V.66. -№ 6. P.23-30.

74. Byrd, Tallamy, Mc Donald and Lewis To Develop Criferia for Encasement of Pipelines Through Highway Roadbeds // Tr. News. 1987. № 129. P.33-34.