К вопросу обеспечения стабилизации проектного положения подводных переходов трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

622.692.4.074.2

К ВОПРОСУ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОЕКТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ ТРУБОПРОВОДОВ

К.В. КОЖАЕВА, ст. преподаватель кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и

газонефтехранилищ

А.И. ВАЛИМУХАМЕТОВА, студентка

Х.А. АЗМЕТОВ, д.т.н., проф. кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ

ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected], E-mail: [email protected], E-mail: [email protected]

В статье проанализирован наиболее опасный случай потери стабилизации положения, заключающийся в возможном размытии грунтовой засыпки во время эксплуатации трубопровода. Представлены ученые, которые разрабатывали аналитические зависимости для нахождения продольного критического усилия и обеспечения стабилизации проектного положения трубопроводов, рассматривая различные случаи их прокладки. Предложено количественно исследовать влияние возможного размыва грунта на общую устойчивость в продольном направлении подводных трубопроводов в виде аналитической зависимости. По результатам исследований получена аналитическая зависимость между продольным критическим сжимающим усилием и вероятной протяженностью размытого участка подводного трубопровода, использование которой при проектировании позволит уменьшить или предотвратить потерю стабилизации проектного положения подводных трубопроводов в результате возможного размыва грунтовой засыпки во время эксплуатации путем применения заблаговременно дополнительных мер по обеспечению устойчивости.

Ключевые слова: подводный трубопровод, размытый участок, стабилизация положения, аналитическая зависимость, продольное усилие, продольная устойчивость.

Как известно, подводные трубопроводы проектируются с учетом обеспечения устойчивости положения (против всплытия). При этом нормативно-техническая документация не предусматривает учета продольного усилия при расчете на устойчивость положения. В процессе эксплуатации под действием положительного температурного перепада и внутреннего давления возможны продольно-поперечные перемещения и потеря общей продольной устойчивости трубопроводов. Данная проблема более актуальна для подводных переходов трубопроводов достаточной протяженности в условиях значительных величин положительного температурного перепада и пойменных участков большой протяженности, например в условиях Крайнего Севера и Сибири.

Также следует отметить, что в ходе эксплуатации подводных трубопроводов по разным причинам происходит полный или частичный размыв грунта над ним, вызывающий потерю стабилизации положения и приводящий к существенному снижению продольного критического усилия.

В связи с этим необходимо не только качественно, но и количественно определить влияние возможного размыва грунта на общую устойчивость в продольном направлении подводных трубопроводов.

Было установлено, что основным параметром для определения условия общей устойчивости трубопровода в продольном направлении является продольное критическое усилие Мкр. Рассмотрены труды П.П. Бородавкина [1], Л.И. Быкова [2], Э.М. Ясина [3], А.Б. Айнбиндера [4], Х.А. Азметова [5, 6], Ю.В. Дудникова [6], Р.М. Зарипова [7] и других ученых, которые разрабатывали аналитические зависимости для нахождения продольного критического

усилия Ыкр и обеспечения стабилизации проектного положения трубопроводов, рассматривая различные случаи их прокладки [8-11].

Согласно п. 12.4.4 [12], продольное критическое усилие определяется по правилам строительной механики, где учитывается принятое конструктивное решение и начальное искривление трубопровода, которые зависят от глубины заложения трубопровода, физико-механических свойств грунта, наличия балласта, закрепляющих устройств с учетом их податливости, а на обводненных участках учитывается гидростатическое воздействие воды.

Проведем исследования общей устойчивости подводного трубопровода в продольном направлении в условиях возможного размыва грунтовой засыпки на участке определенной протяженности. Трубопровод при строительстве уложен на жесткое основание с заглублением до верха трубы не менее 1 м (рис. 1а).

В результате воздействия положительного температурного перепада А? и внутреннего давления р в сечении трубопровода возникает продольное осевое сжимающее усилие Ы0. Рассмотрим возможность потери общей устойчивости подводного трубопровода с его изгибом в изложенных условиях.

С учетом рекомендаций работ [3, 5, 6, 7, 13, 14] дифференциальное уравнение изгиба трубопровода примем в виде (1)

Б!^ + = -д(х), (1)

где Б - модуль упругости материала трубопровода, Па; ! - осевой момент инерции поперечного сечения трубопровода на рассматриваемом участке, м4; V - поперечное перемещение (прогиб) трубопровода в рассматриваемом

сечении, м; N - продольное сжимающее усилие, действующее на изогнутом участке трубопровода, Н; я(х) - сопротивление поперечным перемещениям трубопровода на изогнутом участке, Н/м.

При анализе устойчивости, следуя известным исследованиям, принято, что прогиб (поперечное перемещение) происходит на участке некоторой длины трубопровода £ , вдоль которого сжимающее усилие остается постоянным. С обеих сторон выпучивания на определенном участке в сторону прогиба возникают продольные перемещения трубопровода, на котором происходит снижение продольного усилия от начального N0 (сечение, где продольные перемещения равны нулю) до равновесного N (границы прогиба трубопровода).

Из-за симметрии расчетной схемы (рис. 1б) рассмотрим только область 0 < х < £ /2.

Сопротивление поперечным перемещениям трубопровода на изогнутом участке равно

q(x) = q1 = qT - qB на участке 0 < x < b/2; q(x) = q2 = qT + qrp на участке x > b/2.

(2)

Рис. 1. Подводный переход трубопровода с учетом возможного размыва грунтовой засыпки: а - конструктивная схема; б - расчетная схема; 1 - водное препятствие; 2 - естественные отметки дна водоема; 3 - отметки дна водоема после возможного размыва грунтовой засыпки; 4 - трубопровод

Здесь qT - вес трубопровода с продуктом и пригрузом в воздухе, Н/м; qB - выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод с пригрузом, Н/м; qrp - сопротивление грунтовой засыпки поперечным перемещениям трубопровода, Н/м.

Сила qB определяется с учетом фактического размыва грунтовой засыпки над трубопроводом (по всему периметру или части его), плотности воды или плотности разжиженного грунта по рекомендациям [12].

Граничные условия v(x) = vI(x) = v"(x) = 0 при x = £ /2, а при x = 0 имеем максимальный прогиб vmax.

Граничные условия приняты согласно методике, изложенной в [3]. Согласно принятым условиям трубопровод уложен на жесткое основание, поэтому в границах изгиба (прогиба) в сечениях опоры трубопровода прогиб равен нулю. Прогиб будет равен нулю и далее за сечениями опоры трубопровода с грунтом, и поэтому начиная от сечения опоры трубопровод будет прямолинейным без угла наклона (то есть v'(x) = 0) и без искривления продольной оси трубопровода, что дает v''(x) = 0. Данный факт также доказан многочисленными проведенными экспериментальными исследованиями.

С использованием общего решения уравнения (1) и граничных условий (2) получены необходимые параметры для определения нижнего критического усилия NKp, при действии которого происходит потеря общей продольной устойчивости подводного трубопровода с учетом возможного размыва грунтовой засыпки над ним. Таким образом, получена следующая аналитическая зависимость между нагрузками, действующими на трубопровод N, qT, qrp, qB и протяженностями £ и b, характеризующими изогнутый участок трубопровода:

(1 + '^гр) • tg (a) - (rp + ^B) [tg (a) • cos (a -b0)- sin (a -b0[

-(1 + 4гр )• a + + (( +^b )) = 0, (3)

N

Зависимость (3) позволяет найти первое отличное от нуля значение параметра а для заданных величин £в, Ь0. Вычисленное минимальное значение а используется для определения сжимающего усилия для равновесных состояний изогнутого трубопровода. Обозначим первое отличное от нуля значение а через С1. Тогда имеем N = ((2-С1)/£ )2-Е/. С учетом принятых условных обозначений наибольший прогиб составит

\4

Ят_\

EI1 2С-

(4)

где утах - безразмерный параметр, определяемый в зависимости от исходных параметров ^гр, £в, Ь, а также от параметра С1 и отношения в = Ь/1.

На основе известной зависимости между продольными усилиями в трубопроводе до и после изгиба, учитывающей параметры выпучивания рассматриваемого подводного трубопровода и рассмотренной в [3, 5, 6, 14], получено следующее выражение:

N

0 кр

С

= 4EI - 0,5рг£

1-,

F £ ' EPr

£¿vmax Л

16IC4

(5)

где а = к £ /2; Ьо = кЬ/2; = Яф/Яг ^ = Я^т; к = ^ —; Ь -

вероятная протяженность размытого от грунтовой засыпки участка трубопровода, м; £ - протяженность изогнутого участка трубопровода, м.

где рг - сопротивление грунта продольным перемещениям трубопровода, Н/м; Г - площадь поперечного сечения стенки трубы, м2.

Вычисляя N0кр по (5), получим значение сжимающего усилия для равновесных состояний изогнутого участка. Минимизация выражения (5) по £ позволяет получить нижнее критическое усилие Nкр для подводного перехода трубопровода с учетом его возможного размыва, при котором произойдет потеря продольной устойчивости трубопровода.

В качестве примера рассмотрим устойчивость подводного газопровода диаметром 1020 мм с толщиной стенки 14 мм (1020х14 мм) в условиях размыва грунтовой засыпки над трубопроводом на достаточно протяженном участке. Примем следующие исходные данные:

а

| Рис. 2. График минимизации сжимающего усилия для

Таблица 1

Равновесных состояний изогнут°г° участка Щкр по £ при 6 = 1 Результаты расчета N в зависимости от протяженности

5

¡г

1

V

1.М

I

Рис. 3. Графики минимизации сжимающего усилия для равновесных состояний изогнутого участка N¡0^ по £ для величины размыва 0 < 6 < 1

=0 £-<Р £=0,3 с=0,75 С=1

1.М

Ят = 6037,96 Рг = 24404,26 Н: м м

Я =

^в

41 —; м

кр

размытого участка подводного трубопровода для различных диаметров и видов грунта

Наименование Нижнее критическое усилие Мкр для подводных переходов трубопроводов, МН

Величина размыва е = 0 е = 0,25 е = 0,5 е = 0,75 е = 1

Вид грунта: песок

Р = 0,044 м2; I = 0,0056 м4.

Для рассматриваемого условия параметр е = 1. Тогда по (3) первое отличное от нуля значения а = 4,49, то есть по принятому нами обозначению С1 = 4,49. Тогда к = 8,98/£ . По (4) имеем Утах = 7,63 и ^тах = 6,1-10-9- £ 4 м.

Минимизацией (5)по £ определено нижнее критическое усилие Ыкр = 6,67 МН. Протяженность изогнутого участка при этом равна £ = 150 м (рис. 2).

Для случая отсутствия размыва грунтовой засыпки над рассматриваемым трубопроводом примем дгр = 19414,33 Н/м.

Остальные исходные данные приняты без изменений. Для этого случая е = 0. По (3) получено С1 = 4,49, по (4) vmax = 65,82, vmax = 5,3-10-8- £ 4 м, а нижнее критическое усилие Мкр = 15,16 МН.

Протяженность изогнутого участка трубопровода при потере продольной устойчивости £ = 100 м. Таким образом, для случая размыва грунтовой засыпки над трубопроводом на всю длину изогнутого участка нижнее критическое усилие в 2,27 раза меньше, чем при сохранении грунтовой засыпки.

Результаты расчета показывают, что в условиях размыва грунтовой засыпки на достаточно протяженном участке подводного трубопровода, даже при обеспечении условия п. 12.4.4 [12] на стадии проектирования, устойчивость трубопровода из-за размыва грунта над трубопроводом не обеспечивается. В соответствии с [12] запас устойчивости п при проектировании трубопровода равен п = 1,1/т, где т -коэффициент условия работы трубопровода. Наибольшее

530- 10 мм 2,39 1,74 1,46 1,14 0,86

720- 15 мм 5,39 3,95 3,32 2,61 2,01

820- 15 мм 11,75 8,69 7,43 5,90 4,64

1020 ■14 мм 15,16 11,30 9,61 7,61 6,67

1220 ■15 мм 21,13 15,40 12,95 10,12 7,65

1420 ■20 мм 29,98 22,08 18,64 14,65 11,38

Вид грунта: супесь

530- 10 мм 2,17 1,57 1,33 1,04 0,77

720- 15 мм 4,77 3,49 2,94 2,31 1,78

820- 15 мм 10,49 7,76 6,63 5,27 4,14

1020 ■14 мм 13,78 10,27 8,73 6,91 5,42

1220 ■15 мм 18,87 13,75 11,56 9,03 6,83

1420 ■20 мм 26,76 19,71 16,64 13,08 10,16

Вид грунта: суглинок

530- 10 мм 1,98 1,43 1,21 0,94 0,69

720- 15 мм 4,34 3,17 2,67 2,09 1,62

820- 15 мм 9,45 6,99 5,97 4,75 3,73

1020 ■14 мм 12,19 9,09 7,73 6,12 4,79

1220 ■15 мм 16,55 12,06 10,14 7,92 5,99

1420 ■20 мм 23,69 17,44 14,73 11,57 8,99

Вид грунта: глина

530- 10 мм 1,76 1,27 О Р/1 1,07 О РР 0,84 Л РР 0,62 Л ЛЛ

/20820- 15 мм 15 мм 3,87 8,43 2,84 6,24 2,38 5,34 1,88 4,23 1,44 3,33

1020 ■14 мм 10,69 7,97 6,78 5,37 4,21

1220 ■15 мм 14,78 10,76 9,05 7,07 5,35

1420 ■20 мм 20,78 15,30 12,92 10,15 7,89

значение п для категории трубопровода В при т = 0,660 составляет 1,67. Как показали наши конкретные расчеты, размыв грунта над трубопроводом приводит к снижению нижнего критического усилия в 2,27 раза, что значительно больше наибольшего проектного значения устойчивости.

Результаты минимизации (5) по £ для газопровода 1020-14 мм при 0 < е < 1 приведены на графиках (рис. 3).

Результаты расчета нижнего критического усилия в зависимости от вероятной протяженности размытого участка подводного трубопровода для различных диаметров и видов грунта приведены в табл. 1.

Проверим условие общей устойчивости в продольном направлении для газопровода 1020-14 мм по п. 12.4.4 [12]:

- для полностью заглубленного трубопровода (е = 0):

7,751 МН < 0825• 15,16 МН; 1,1

7,751 МН < 11,37 МН - условие устойчивости выполняется;

- для размытого участка трубопровода на всю длину изогнутого участка (е = 1):

7,751 МН < 0825• 6,67 МН; 1,1

7,751 МН < 5,003 МН - условие устойчивости не выполняется.

То есть при проектировании данного подводного трубопровода условие устойчивости в продольном направлении обеспечивалось. Однако при размытии грунтовой засыпки трубопровод становится неустойчив. Предсказать заранее результаты процесса размытия практически невозможно, это доказывает и 70%-я аварийность на подводных

переходах трубопроводов из-за оголенных и размытых участков [15].

Следовательно, встает вопрос об обеспечении устойчивости в продольном направлении подводных трубопроводов на стадии проектирования, но с учетом их возможного оголения и размыва.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бородавкин П.П., Березин В.Л., Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы. М.: Недра, 1979. 415 с.

2. Быков Л.И., Мустафин Ф.М., Рафиков С.К. и др. Типовые расчеты при проектировании, строительстве и ремонте газонефтепроводов: учеб. пособ. СПб.: Недра, 2011. 748 с.

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

4. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: справ. пособ. М.: Недра, 1991. 287 с.

5. Азметов Х.А., Матлашов И.А., Гумеров А.Г. Прочность и устойчивость подземных трубопроводов. М.: Недра, 2005. 248 с.

6. Азметов Х.А., Дудников Ю.В., Павлова З.Х. Прочность и устойчивость подземных трубопроводов на переходах через естественные и искусственные препятствия: моногр. Уфа: изд-во УГНТУ, 2016. 281 с.

7. Коробков Г.Е., Зарипов Р.М., Шаммазов И.А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния и устойчивости трубопроводов и резервуаров в осложненных условиях эксплуатации. СПб.: Недра, 2009. 410 с.

8. Кожаева К.В., Мустафин Ф.М., Абзалов А.К., Мамлиев Э.В. Диагностика и расчет устойчивости трубопровода на участке подводного перехода // Газовая промышленность. 2013. № 7. С. 41-43.

9. Кожаева К.В., Мустафин Ф.М., Якупова Д.Е. Методы расчета продольной устойчивости трубопровода и меры по ее обеспечению на участке подводного перехода // Нефтяное хозяйство. 2016. № 2. С. 102-104.

10. Кожаева К.В., Азметов Х.А., Валимухаметова А.И., Установление закономерности изменения критического значения эквивалентного продольного усилия на подводном трубопроводе в зависимости от уменьшения толщины грунтовой засыпки // Трубопроводный транспорт - 2017: тез. докл. XII Междунар. учеб.-науч.-практ. конф. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2017. С. 278-280.

11. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2013615632. Расчет устойчивости трубопровода против воздействия продольных сил на участке подводного перехода / Ф.М. Мустафин, К.В. Кожаева (К.В. Куценко), Э.В. Мамлиев, Э.Р. Абсалямов. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17.06.2013. Опубл. 20.09.2013.

12. СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*. Введен 01.01.2013. Минрегион России, 2013. 99 с.

13. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. 608 с.

14. Березин В.Л., Ясин Э.М., Азметов Х.А. Выбор конструкции поворотных участков подземных трубопроводов // Строительство трубопроводов.1976. № 3. С. 17-19.

15. Гумеров А.Г., Азметов Х.А., Гумеров Р.С. Техническая эксплуатация подводных переходов трубопроводов. М.: Недра, 2003. 346 с.

REGARDING PROVISION OF ENSURING THE STABILIZATION OF THE DESIGN POSITION OF THE UNDERWATER PASSES OF PIPELINES

KOZHAEVA K.V., Senior Lecturer of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities VALIMUKHAMETOVA A.I., Student

AZMETOV KH.A., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities

Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).

E-mail: [email protected], E-mail: [email protected], E-mail: [email protected]

ABSTRACT

The article analyzes the most dangerous case of loss of stabilization of the situation, consisting in the possible blurring of the soil backfill during the exploitation of the pipeline. Scientists who developed analytical dependencies to find the longitudinal critical force and ensure the stabilization of the design position of the pipelines are presented, considering various cases of their laying. It is proposed to quantitatively investigate the effect of possible erosion of the soil on the overall stability in the longitudinal direction of the underwater pipelines in the form of an analytical dependence. According to the results of the research, an analytical dependence is obtained between the longitudinal critical compressive force and the probable length of the washed out section of the underwater pipeline, the use of which in the design will reduce or prevent the loss of stabilization of the design position of the underwater pipelines as a result of possible erosion of the soil backfill during operation by applying additional measures for ensuring stability in advance.

Keywords: underwater pipeline, blurred section, stabilization of the situation, analytic dependence, longitudinal force, buckling stability.

REFERENCES

1. Borodavkin P.P., Berezin V.L., Shadrin O.B. Podvodnyye truboprovody [Underwater pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 1979. 415 p.

2. Bykov L.I., Mustafin F.M., Rafikov S.K., Nechval' A.M. Tipovyye raschety pri proyektirovanii, stroitel'stve i remonte gazonefteprovodov [Typical calculations for the design, construction and repair of gas and oil pipelines]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2011. 748 p.

Yasin E.M., Chernikin V.I. Ustoychivost' podzemnykh truboprovodov [Stability of underground pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 1968. 120 p.

Aynbinder A.B. Raschet magistral'nykh i promyslovykh truboprovodov na prochnost' i ustoychivost' [Calculation of main and field pipelines for strength and stability]. Moscow, Nedra Publ., 1991. 287 p.

Azmetov KH.A., Matlashov I.A., Gumerov A.G. Prochnost' i ustoychivost' podzemnykh truboprovodov [Strength and stability of underground pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 2005. 248 p.

Azmetov KH.A., Dudnikov YU.V., Pavlova Z.KH. Prochnost' i ustoychivost' podzemnykh truboprovodov na perekhodakh cherezyestestvennyye iiskusstvennyye prepyatstviya [Strength and stability of underground pipelines on transitions through natural and artificial obstacles]. Ufa, UGNTU Publ., 2016. 281 p.

Korobkov G.Ye., Zaripov R.M., Shammazov I.A. Chislennoye modelirovaniye napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya iustoychivosti truboprovodovirezervuarov voslozhnennykh usloviyakh ekspluatatsii [Numerical modeling of stress-strain state and stability of pipelines and reservoirs in complicated operating conditions]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2009. 410 p.

Kozhayeva K.V. (Kutsenko, K.V.), Mustafin F.M., Abzalov A.K., Mamliyev E.V. Diagnostics and calculation of the stability of the pipeline in the section of the underwater line. Gazovaya promyshlennost', 2013, no. 7, pp. 41-43 (In Russian).

Kozhayeva K.V., Mustafin F.M., Yakupova D.Ye. Methods for calculating the longitudinal stability of the pipeline and measures to ensure it at the underwater line section. Neftyanoye khozyaystvo, 2016, no. 2, pp. 102-104 (in Russian). Kozhayeva K.V., Azmetov KH.A., Valimukhametova A.I., Ustanovleniye zakonomernosti izmeneniya kriticheskogo znacheniya ekvivalentnogo prodol'nogo usiliya na podvodnom truboprovode v zavisimosti ot umen'sheniya tolshchiny gruntovoy zasypki [The establishment of laws of change critical value of the equivalent longitudinal forces on the underwater pipeline, depending on the decrease of the thickness of soil backfill]. Trudy XII Mezhdunarodnoy uchebno-nauchno-prakticheskoy konferentsii [Proc. the XII International Educational- scientific and practical conference]. Ufa, 2017, pp. 278-280.

Mustafin F.M., Kozhayeva K.V. (Kutsenko K.V.), Mamliyev E.V., Absalyamov E.R. Svidetel'stvo o gos. registratsii programmy dlya EVM №2013615632. Raschet ustoychivosti truboprovoda protiv vozdeystviya prodol'nykh sil na uchastke podvodnogo perekhoda [The state registration certificate for computer program No. 2013615632. The calculation of the stability of the pipeline against the impact of longitudinal forces at the site of underwater line]. SP 36.13330.2012. Magistral'nyye truboprovody. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP2.05.06-85* [SP 36.13330.2012. Trunk pipelines. The updated version of SN&P 2.05.06-85 *].

Belyayev N.M. Soprotivleniye materialov [Strength of materials]. The main edition of the physical and mathematical literature of the publishing house "Nauka", 1976. 608 p.

Berezin V.L., Yasin E.M., Azmetov KH.A. Selection of design of turning sections of underground pipelines. Stroitel'stvo truboprovodov, 1976, no. 3, pp. 17-19 (In Russian).

Gumerov A.G., Azmetov KH.A., Gumerov R.S. Tekhnicheskaya ekspluatatsiya podvodnykh perekhodov truboprovodov [Technical operation of underwater pipeline lines]. Moscow, Nedra Publ., 2003. 346 p.