Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Разработка нефтяных и газовых месторождений

Диссертационная работа:

Шлапак Любомир Степанович. Разработка уточненной методики расчета напряженно-деформированного состояния надземных участков газопроводов и практических рекомендаций по повышению эффективности их работы в горных условиях : ил РГБ ОД 61:85-5/71

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

стр.

ВВЕДЕНИЕ . 5

1. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
НАДЗЕМНЫХ ПЕРЕХОДОВ

  1. Методика проведения исследований 18

  2. Перемещения надземных переходов Г-образного

типа с компенсаторами 22

  1. Перемещения надземных переходов трапециевидного типа с компенсаторами 36

  2. Перемещения надземных переходов без компенсаторов 46

  3. Исследование деформированного состояния и

49 характера работы компенсирующих устройств .......

1.6. Анализ полученных результатов и вьгоод основных
закономерностей деформаций надземных

переходов 54

Выводы по главе I 57

2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
НАДЗЕМНЫХ ПЕРЕХОДОВ

  1. Методика измерений и обработка результатов

  2. Напряженное состояние надземных переходов в зависимости от основных конструктивных схем

про ад ад ки

2.3. Напряженное состояние компенсирующих

устройств

2.4. Напряженное состояние крутозагнутых колен

стр. 2.5. Анализ полученных результатов и их сравнение

с расчетными данными 99

Выводы по главе 2 103

3. РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НАДЗЕМНЫХ ПЕРЕХОДОВ

3.1. Расчет перемещений линейной части переходов

для основных схем прокладки 105

  1. Расчет компенсирующих устройств с учетом угла поворота колен меньше 90 І20

  2. Влияние перемещений линейной части переходов на изменение вылета компенсаторов, сопряженных

под углом, меньше 90

3.4. Определение критических перемещений трубопровода,
исходя из условия устойчивости линейной части

надземных переходов 146

Выводы по главе 3 150

4. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НАДЗЕМНЫХ УЧАСТКОВ И
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИХ РАБОТЫ

  1. Уточненная методика расчета напряженного состояния надземных участков газопроводов 151

  2. Разработка рациональных схем прокладки

переходов балочного типа 169

4.3. Разработка способа обеспечения свободных
перемещений линейной части переходов на

опорах 176

стр.

4.4. Разработка технологической карты и схемы
повышения эффективности работы переходов
балочного типа **

4.5, Внедрение результатов исследований при
эксплуатации газопроводов "Братство","Союз"
и строительстве газоцровода Уренгой-Ужгород

на горном Карпатском участке -^7

Выводы по главе 4 -^7

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

ЛИТЕРАТУРА 201

ПРИЛОЖЕНИЯ 211

Введение к работе:

Бурное развитие газовой промышленности СССР обуславливает интенсивное развитие сети магистральных трубопроводов, опережающее строительство которых будет оставаться решающей предпосылкой успешной реализации планов, принятых ХХУІ съездом КПСС [I] .

В одиннадцатой и двенадцатой пятилетках основной прирост добычи газа ожидается за счет новых месторождений в отдаленных северных и восточных районах страны, что в условиях объективной инерционности сети потребителей неизбежно приводит к дальнейшему увеличению средней дальности транспортирования, прокладке магистральных трубопроводов на резко пересеченной местности и необходимости преодоле -ния большого количества естественных и искусственных препятствий при помощи сооружения переходов различного типа.

Широкое применение при сооружении линейной части магистральных трубопроводов через препятствия получили надземные переходы в виде балочных систем [23, 71, 83 ] , чему способствовали работы, выполненные коллективами сотрудников ВНИИСТа, Гипроспецгаза, Союзгазпро-екта, Укргипрогаза и других проектных и научно-исследовательских институтов.

По конструктивному исполнению надземные переходы балочного типа представляют собой самонесущие, статически неопределимые системы, схемы прокладки которых выбираются в зависимости от ширины преодолеваемых препятствий и внешних силовых воздействий, а также от геологических изысканий и экономического сравнения вариантов надземной и подземной прокладки [7, 29 ] .

Особенно актуальна проблема обеспечения надежности надземных участков магистральных трубопроводов, подверженных наибольшему воз-

- б -

действию внешних силовых факторов и окружающей среды и по этой причине являющимися наиболее напряженными элементами линейной части трубопроводов [27, 29] .

Практика показывает, что погрешности расчета на прочность и устойчивость, игнорирование силовых воздействий и факторов, влияющих на несущую способность надземных участков трубопроводов, использование конструктивных решений, не отвечающих действительным условиям их работы и другие ошибки проектирования, резко снижают эксплуатационную надежность трубопроводных систем и создают условия для возникновения аварийных ситуаций,

В процессе эксплуатации трубопроводов колебания температуры и внутреннего давления способны вызвать значительное изменение длины их надземной части, компенсировать которые только за счет упругих деформаций сжатия или растяжения металла трубы практически невозможно [ 10, 14, 19 ] . Поэтому основным и наиболее надежным способом компенсации продольных деформаций трубопроводов является самокомпенсация [54, 71 ] , заключающаяся во введении в схему прокладки линейной части специальных компенсирующих устройств.

Особую роль в компенсирующих устройствах играют криволинейные элементы ( колена ), введение в схему открытых участков которых потребовало дополнительных исследований по изучению их гибкости, деформативности и напряженного состояния, так как изгиб труб с криволинейной продольной осью, в отличие от прямой трубы, сопровождается изменением формы поперечного сечения [9] ,

Повышенная гибкость кривых труб впервые была обнаружена при экспериментальном исследовании изгиба лирообразных компенсаторов [98] , а объяснение этого явления вскоре было дано в работе Т. Кармана [103], явившейся началом теоретического исследования изгиба кривых труб с учетом влияния деформаций поперечного сечения.

„ 7 -

Дальнейшие исследования труб с криволинейной осью как советских [57, 64, 89, 90, 91 ] , так и зарубежных [Ю1, 102, 105] авторов, в основном, были направлены на уточнение коэффициента уменьшения гибкости кривых труб по сравнению с прямыми, изучение влияния внутреннего давления, условий закрепления концов, плоскости действия изгибающего момента, а также упруго-пластических деформаций и факторов, препятствующих овальной деформации поперечного сечения изгибаемых труб.

Многочисленные экспериментальные исследования [54, 99, 100, 104] показали, что деформация поперечных сечений кривых труб при изгибе существенно изменяется по их длине при любом способе примыкания к соседним участкам* При этом, чем короче кривая труба, тем сильнее сказывается влияние концевых закреплений. Даже в случае соединения кривых труб с прямыми участками при помощи сварки, крайние сечения кривой трубы деформируются [14] В связи с этим кривые трубы, входящие в состав линейной части трубопроводов, оказываются в действительности более жесткими, чем это следует из результатов их теоретических исследований [54 ] .

Метод расчета кривых труб конечной длины, учитывающий влияние условий закрепления концов, получил дальнейшее развитие в работе [15]и ряде других.

Многие авторы [16, 17, 45] исследовали характер работы и напряженное состояние кривых труб для случая больших упругих перемещений.

Экспериментальные исследования, проведенные в целях проверки теоретических выкладок для промышленных образцов сварных колен диаметром 0,152 м, изогнутых под малым и большим радиусами, подтвердили увеличение жесткости колен при наличии растягивающих напряжений, создаваемых внутренним давлением. Кроме того данные о протя-

~ 8 -

женности зоны упругих деформаций показали, что несмотря на некото-рое увеличение жесткости колен, вызванное внутренним давлением, для доны упругих деформаций результирующий эффект комбинации "момент + деформация" приводит к более раннему переходу к пластическим деформациям, чем при внешних силовых воздействиях [99 ] .

Дальнейшие исследования работы кривых труб [9, 61, 79] показали, что их несущая способность не ограничивается областью упру -гих деформаций, а сохраняется и при упруго-пластических.

Наряду с исследованиями крутозагнутых колен, приводились работы по изучению характера и напряженного состояния кривых труб, сваренных из отдельных секторов - сварных колен, получивших широ -кое применение в связи с увеличением диаметра труб, используемых для сооружения магистральных трубопроводов.

Наиболее значительные исследования работы сварных колен, позволившие широко использовать их в практике строительства магист -ральных трубопроводов, проведены авторами работ [54, 58, 79]. Исследования проводились в широком диапазоне изменения гибкости таких колен. В результате проведенных исследований было опровергнуто мнение о том, что жесткость сварных колен при изгибе не понижается по сравнению с жесткостью прямых труб и доказано, что их гибкость аналогична гибкости гладких кривых труб.

Проведенные экспериментальные исследования позволили решить и другую не менее важную задачу на пути применения сварных колен -распределение напряжений и оценка предельной несущей способности таких колен под действием внутреннего давления.

Эксперименты, проводившиеся на кривых трубах, изготовленных в натуральную величину, непосредственно в П-образных компенсато -pax, показали, что предельная несущая способность сварных колен зависит от их конструкции и близка к теоретической несущей спо -

собности прямых труб для колен с тремя секторами.

Результаты экспериментального определения напряженного состояния металла криволинейных труб, сваренных из отдельных секторов, проводившиеся в натурных условиях, приведены в работах [8, 21, Зі] . Исследования криволинейных участков подсоединения нефтеперекачивающих агрегатов к магистральному нефтепроводу [Зі] , проводившиеся посредством замера деформаций металла трубы при помощи тензометри-рования на изменение внутреннего давления показали более интенсивный рост напряженного состояния в сегментном соединении по сравнению с крутозагнутым отводом.

Следует отметить, что все проводившиеся исследования как гладких, так и сваренных из отдельных секторов криволинейных труб, относятся в основном к коленам с центральным углом, равным 90.

Тем не менее в практике строительства магистральных трубопроводов, особенно из труб большого диаметра ( 1,42 м ), все шире используются для образования углов поворота открытых участков линейной части трубопроводов как крутозагнутые, так и сваренные из отдельных секторов колена, угол поворота которых меньше 90.

Можно предположить, что уменьшение угла поворота колен должно сказываться на напряженном их состоянии, а потому исследования характера работы и напряженно-деформированного состояния таких колен, проведенные в трассовых условиях на работающем трубопроводе, представляют несомненный интерес для изыскания путей повышения эксплуатационной прочности трубопровода в целом.

Наряду с обширными и всесторонними исследованиями труб с криволинейной продольной осью, вводимых в схему любого трубопровода для образования компенсационных контуров, проводились работы по изучению компенсирующей возможности таких контуров [55, 58, 81,104].

В этой связи необходимо отметить работы [55, 56, 70, 92] , направленные на всестороннее исследование компенсирующей способ -ности компенсаторов П - образного типа, проведенные для различного диаметра труб. Теоретические исследования позволили получить зависимости для их расчета, а экспериментальные - дали возможность определить рациональные их размеры.

Ряд работ теоретического плана были направлены на упрощение выражений, применяемых для расчета компенсаторов П- и - образного типа [19, 63] , с сохранением при этом достаточной точности.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования компенсирующей способности относились к компенсаторам, сопряженным с линейной частью под углом 90.

Однако, обследования характера работы компенсаторов, сопряженных под углом меньше 90, проведенные на действующем газопроводе [33, 34, 37, 38, 40] , показали значительные расхождения в их работе по сравнению с компенсаторами, сопряженными под углом 90, выразившиеся в поперечных перемещениях трубопровода относительно опор, превосходящих аналогичные перемещения трубопровода надземных участков с компенсаторами, сопряженными с линейной частью под углом 90.

Отклонение от установленных норм эксплуатации, несоответствие положения линейной части трубопроводов проектному положению, может привести к отказам и нормальному функционированию как самих открытых участков, так и магистральных трубопроводов в целом[26, 36, 43]. При сооружении надземных переходов в целом через реки и овраги из труб большого диаметра ( 1,42 м ) в горных условиях, несоблюдение проектных установок ( кривые изгиба, вылеты компенсаторов, конструкций опорных частей и пр.), а также несоответствие конструктив-

- II -

ных решений переходов действительным условиям их работы [34, 41], приводит к недопустимым деформациям трубопровода и дорогостоящим исправлениям.

Немалое значение в формировании надежности линейной части магистральных трубопроводов ( открытых участков балочных переходов в особенности ) имеет соответствие действительных условий работы надземных участков трубопроводов с расчетными предпосылками и конструктивными решениями. Тем не менее опыт эксплуатации открытых участков надземных переходов указывает на то, что эти условия далеко не соблюдаются. На практике имеются зачастую случаи нарушения проектного положения трубопровода балочных переходов на опорах вследствие значительных перемещений линейной части в поперечном направлении, которые приводят к разрушению опорных частей, дополнительному изгибу трубы переходов в горизонтальной плоскости, потери ее устойчивого равновесия на опорах, а также другим нарушениям, снижающим эксплуатационную надежность балочных переходов, в частности, и магистральных трубопроводов, в целом, из-за возникновения , вследствие этих нарушений, аварийных ситуаций.

Поэтому важное значение приобретает разработка таких конструктивных схем прокладки открытых участков магистральных трубопроводов, которые соответствовали бы действительному характеру их работы, обеспечивали бы свободное перемещение трубы переходов на опорах, создавая тем самым необходимую компенсирующую способность балочным переходам как строительным конструкциям.

Кроме того, компенсирующая способность трубопроводов большой протяженности зависит во многом от сил трения [65] , возникающих при нагреве или охлаждении труб на трущихся поверхностях. Фактические напряжения изгиба и перемещения трубопровода могут значи -

- 12 -тельно отличаться от теоретических, подсчитанных без учета сил трения. Особенно это касается открытых участков магистральных трубопроводов, сооружаемых из труб диаметром 1,42 м, так как с увеличением диаметра труб возрастают и силы трения на опорах. Поэтому улучшение компенсирующей способности надземных переходов неразрывно связано с обеспечением достаточно эффективного способа перемещения труб на опорах с наименьшим трением.

При этом метод прокладки трубопроводов оказывает существенное влияние на конструкцию опор, поскольку при этом изменяется как прикладываемые к опорам нагрузки, так и перемещения, на которые должны быть рассчитаны опорные части. При прямолинейной прокладке с компенсацией деформаций компенсаторами, повернутыми на угол 90, возможно относительно небольшие поперечные смещения трубы на подвижных опорах, а при прямолинейной прокладке без компенсации продольных деформаций, трубопровод почти не перемещается [83] .

Конструкций опор, обеспечивающих возможность сооружения открытых участков магистральных трубопроводов, разработано достаточно много [2, 3, 4, 5, б] . Однако, наибольшее применение при сооружении балочных переходов трубопроводов большого диаметра получили продольно-подвижные опоры каткового типа [29, 71, 83 ] , как одни из наиболее простых и дешевых в конструктивном исполнении.

Обследование состояния таких опор на газопроводах "Братство" и "Союз" показало, что в ходе эксплуатации балочных переходов происходит разрушение опорных частей, нарушение проектного положения катков и их перекос вследствие смещения опорного башмака в поперечном направлении, вызванного характером перемещений балочных переходов с компенсаторами, сопряженными с линейной частью под углом, меньшим 90, резко снижающие компенсирующую возможность надземных переходов.

- ІЗ -

В этой связи практическую значимость приобретают вопросы разработки способов обеспечения свободного перемещения трубопровода балочных переходов на опорах, компенсация деформаций которых выполняется компенсаторами, сопряженными под углом, меньшим 90,путем создания опорных конструкций соответствующего типа.

Снижение компенсирующей способности балочных переходов вследствие разрушения опорных частей, невозможность свободного перемещения трубопровода в поперечном направлении из-за использования при сооружении балочных переходов продольно-подвижных опор каткового типа, а также значительные ( до 0,8 м ) поперечные перемещения линейной части, способны изменить напряженно-деформированное сое -тояние трубы переходов и вызвать потерю их устойчивости в поперечном направлении.

Исследования переходов магистральных трубопроводов проводились в работах [10, II, 12, 13, 19, 32, 60, 76] и других, в которых рассмотрены вопросы расчета их линейной части на температурные воздействия [13, 19] и вопросы определения частот и максимальных пролетов балочных переходов [60 ] , исследован продольно-поперечный изгиб трубы [76, 80, 88 ] , а также рассмотрена возможность потери переходами устойчивого равновесия [25, 43, 95, 96, 97] и другие технологические вопросы.

Рассмотренные в этих работах вопросы касаются, в основном, простейших однопролетных переходов, носят теоретический характер и почти совсем не рассматривают вопросы напряженно- деформированного состояния сложных многопролетных балочных переходов с компенсацией продольных деформаций трубопровода компенсаторами, сопряженными с линейной частью трубопровода под углом, меньшим 90.

В этой связи исследования напряженно-деформированного состояния многопролетных балочных систем с компенсаторами, сопряженными с линейной частью трубопровода под углом меньшим 90, проводимые в трассовых условиях, разработка уточненных методик расчета напряженно-деформированного состояния переходов с такими компенсаторами и самих компенсаторов, а также уточнение и выбор рациональных схем прокладки линейной части переходов, являются актуальными.

Данная диссертационная работа посвящена созданию новых эффективных методов расчета напряженно-деформированного состояния надземных участков газопроводов и их конструктивных решений с учетом совместной работы линейной части и компенсирующих систем, а также разработке практических рекомендаций и мероприятий по повышению эффективности их работы при эксплуатации в горной местности.

В работе впервые, на основе натурных измерений, проведен комплекс исследований напряженно-деформированного состояния балочных переходов с компенсаторами, сопряженными с линейной частью под углом меньше 90, включающими линейную часть, крутозагнутые колена и компенсаторы.

Разработан алгоритм и программное обеспечение для решения задачи определения напряженного состояния металла трубы надземных переходов балочного типа на основе измерения их деформированного состояния. Получены инженерные методики расчета, позволяющие проводить оценку возможных перемещений линейной части переходов в зависимости от конструктивного их исполнения, прогнозировать напряженное состояние трубопровода в период эксплуатации и выбрать рациональную схему прокладки надземных участков с учетом возможных перемещений линейной части, а также вести расчет компенсаторов с учетом угла их сопряжения.

В первой главе диссертации приведены результаты натурных измерений характера перемещений линейной части переходов балочного типа в зависимости от конструктивного их исполнения и режима эксплуатации, проведен их анализ и определены наиболее опасные в деформированном отношении схемы прокладки.

На основе анализа данных по измерению деформированного состояния трубопровода и выбора наиболее опасных участков во второй главе приведены результаты детальных исследований напряженного состояния трубы переходов, включающие крутозагнутые колена и компенсаторы, с целью изучения действительного напряженного их состояния, выявления наиболее напряженных участков трубопровода и факторов, способствующих его изменениям.

В третьей главе на основе измерений напряженно-деформированного состояния надземных участков, проведенных экспериментальным путем, изложены результаты теоретических исследований характера перемещений линейной их части, компенсирующей способности компенсаторов, сопряженных с надземными участками под углом меньше 90, и степени влияния поперечных перемещений компенсируемых участков на изменение вылета таких компенсаторов и устойчивого положения линейной части трубы на опорах. Разработаны уточненные методики расчета перемещений трубопровода переходов с учетом конструктивного их исполнения, компенсирующей способности компенсаторов с учетом угла сопряжения и величины поперечных перемещений линейной части переходов.

Четвертая глава посвящена расчету напряженного состояния надземных участков газопроводов, разработке и внедрению способов снижения величины напряжений, действующих в надземных участках, сопря-женных под углом Jo*/? с компенсирующими устройствами.

Предложена конструкция свободно-подвижной самоустанавливающейся опоры каткового типа и разработаны технологические схемы по обеспечению эксплуатационной надежности переходов балочного типа, а также приведены результаты внедрения выполненных исследований при эксплуатации балочных переходов газопроводов "Братство","Союз" и строительстве горного участка газопровода Уренгой-Помары-Ужгород.

Работа подготовлена на кафедре "Сооружение трубопроводов и хранилищ" Ивано-Франковского института нефти и газа.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность и признательность научному руководителю, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР и Башкирской АССР, профессору, доктору технических наук В.Л.Березину за внимание и помощь, оказанные в процессе выполнения диссертационной работы.

Автор признателен коллективу ОНИЛ-4 Ивано-Франковского института нефти и газа за содействие и помощь в проведении эксперимен -тальных исследований.

Подобные работы
Бочкарева Татьяна Юрьевна
Регулирование работы нагнетательных скважин в условиях проявления неравновесности с целью повышения эффективности заводнения
Решетников Александр Данович
Разработка методов сооружения трубопроводов в условиях Западной Сибири, обеспечивающих рациональную загрузку линейного потока по сезонам производства работ
Диб Айман Реда
Разработка методики расчета параметров работы скважин при периодическом газлифте
Мохов Михаил Альбертович
Разработка методики расчета процесса движения трехфазных смесей (нефть - вода - газ) в вертикальных трубах
Клюшин Иван Яковлевич
Повышение эффективности проведения геолого-технических мероприятий с учетом изменения показателей работы скважин и залежи
Исаева Гюльнара Юсуповна
Разработка методики и модели компьютерного прогнозирования процесса солеотложения в нефтяных пластах при заводнении
Борцов Александр Константинович
Технология строительства и методы расчета напряженного состояния подводных трубопроводов "труба в трубе"
Давлетов Касим Мухаметгареевич
Повышение эффективности эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения газа на промыслах Крайнего Севера
Везиров Абиль Рашидович
Повышение эффективности гравийных фильтров в борьбе с пескопроявлением в нефтяных скважинах
Харисов Мухаррам Мугаллимович
Разработка методов расчета физико-химического воздействия на водоносные пласты для повышения эффективности подземного хранения газа

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net