Контроль деформированного состояния надземных трубопроводов в криолитозоне

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Контроль деформированного состояния надземных трубопроводов в криолитозоне

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

На правах рукописи

Витченко Антон Сергеевич

Москва - 2008

Работа выполнена в Инженерно-техническом центре Общества с ограниченной ответственностью «Газпром добыча Надым»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Березняков А.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Черний В.П.

кандидат технических наук Ремизов Д.И.

Ведущее предприятие: ООО «Газпром добыча Ямбург»

Защита состоится «___» ________ 2008 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 511.001.02 при ООО «ВНИИГАЗ» по адресу:
142717, Московская область, Ленинский район, поселок Развилка

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ»

Автореферат диссертации разослан «___» ________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Курганова И.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

деформированный газопромысловый трубопровод криолитозона

Актуальность темы исследования. В настоящее время в России увеличение объемов добычи природного газа связано с освоением новых месторождений на севере Западной Сибири, в том числе на полуострове Ямал. Для этой территории характерно сплошное и массивно-островное распространение многолетнемерзлых пород, что предъявляет особые требования к проектированию, строительству и эксплуатации объектов добычи, подготовки и транспортировки природного газа.

Опыт многолетней эксплуатации уникальных газодобывающих комплексов Медвежьего, Уренгойского, Ямбургского и других выявил проблему широкомасштабного развития деформаций инженерных сооружений. Интенсивным деформациям подвержены надземные трубопроводы обвязок дожимных компрессорных станций, внутриплощадочных сетей, обвязок устьев газовых скважин и т.п. С увеличением времени эксплуатации отмечается увеличение количества деформированных участков и рост величин деформаций трубопроводов. Большое количество проявленных и потенциальных зон нестабильности оснований и фундаментов обусловливает физическую невозможность единовременного приведения в проектное положение всех деформированных трубопроводов, а также выполнения в полном объеме механической и температурной стабилизации оснований.

В таких условиях газодобывающим предприятиям в целях обеспечения надежности эксплуатации деформированных трубопроводных систем необходимо выстраивать очередность и планировать объем планово-предупредительных, ремонтно-восстановительных работ и стабилизационных мероприятий, исходя из степени опасности деформационных проявлений и реальных возможностей организации. Эти задачи могут быть решены путем разработки методики контроля деформированного состояния газопромысловых надземных трубопроводов, позволяющей выполнять обобщенную оценку деформированного состояния, прогнозировать техническое состояние и рекомендовать комплекс мероприятий, обеспечивающих надежность эксплуатации. Поэтому разработка методики контроля деформированного состояния надземных трубопроводов в криолитозоне является актуальной задачей как для действующих, так и для строящихся газопромысловых объектов.

Целью диссертационной работы является разработка методики контроля деформированного состояния газопромысловых надземных трубопроводов, сооружаемых и эксплуатируемых в условиях криолитозоны.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:

- разработка способа обобщенного описания деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов по данным геометрического нивелирования;

- разработка методов определения допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния трубопроводов;

- создание методики экспресс-оценки деформированного состояния разветвленных надземных трубопроводов;

- систематизирование существующих методов конструкционного моделирования разветвленных трубопроводов;

- разработка методологического подхода к реверс-инжинирингу физических прототипов конструкций разветвленных надземных трубопроводов, дающего возможность создавать математические модели, наилучшим образом отражающие процессы деформирования и силового воздействия на оборудование;

- разработка и расчетно-экспериментальное обоснование метода планирования этапов и объемов ремонтных работ с целью снижения уровня опасных деформаций трубопроводов.

Научная новизна работы.

В работе впервые расчетным путем определены индивидуальные критерии оценки геометрических параметров деформации участков разветвленных трубопроводов. Разработан способ описания деформированного состояния трубопроводов с помощью обобщенного безразмерного коэффициента. Обоснована методика экспресс-оценки деформированного состояния газопромысловых надземных разветвленных трубопроводов.

Разработан метод построения математической модели, позволяющий учитывать в расчетах начальное искривление разветвленных трубопроводов.

Впервые выполнено обоснование метода составления технологических карт, отражающих последовательность этапов и объемы проведения работ по разгрузке и выравниванию деформированных трубопроводов.

Разработана специальная конструкция опоры с быстроразъемным смещаемым креплением опорной балки для компенсации нарастающих подвижек свайных опор. Предложена методика расчета характеристик упругих регулируемых опор для использования на трубопроводах среднего диаметра.

Защищаемые положения.

1. Методика экспресс-оценки деформированного состояния разветвленных надземных трубопроводов с использованием обобщенного безразмерного коэффициента.

2. Методика моделирования конструкции разветвленных надземных трубопроводов, обеспечивающая учет начального искривления, позволяющая объективно проводить оценку напряженно-деформированного состояния трубопроводов и прогнозировать изменение силового воздействия на оборудование.

3. Метод планирования этапов и объемов ремонтных работ, позволяющих разгрузить опасно деформированные трубопроводы и привести конструкции к проектному положению или положению на момент завершения монтажа.

Практическая значимость работы.

Результаты работы внедрены в практику геотехнического мониторинга газопромысловых объектов ООО «Газпром добыча Надым». Методика контроля деформированного состояния надземных трубопроводов используется в ходе планирования и реализации ремонтно-восстановительных работ газопромысловых трубопроводов, включая технологические трубопроводы обвязок ДКС.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на Пятой и Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов по проблемам газовой промышленности России (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003, 2007); совещании «Результаты проведения диагностического обслуживания оборудования и трубопроводов КС, ДКС, СОГ, КС ПХГ в 2006 г., задачи на 2007 г.» (ДОАО «Оргэнергогаз»); XIII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири - 2004» (ООО «ТюменНИИгипрогаз»); Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири - 2007» (Тюменский государственный нефтегазовый университет); научно-практических конференциях ООО «Тюментрансгаз» (2003), ФГУП ПНИИИС (2006).

Публикации. Результаты исследований автора по теме диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 1 - в издании, входящем в "Перечень …" ВАК Минобрнауки РФ; получен один патент.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 86 наименований, 2 приложений. Она изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная и практическая значимость работы, приведены ее краткая аннотация и основные результаты.

В первой главе выполнен анализ причин деформаций и методов контроля деформированного состояния надземных трубопроводов в криолитозоне, сформулированы цель и задачи исследований.

Научные основы в области проектирования, сооружения и эксплуатации надземных трубопроводов, в том числе в сложных инженерно-геологических условиях, были заложены и получили развитие в работах широкого круга ученых. Среди них известные отечественные ученые: А.Б Айнбиндер, Л.А. Бабин, В.Л. Березин, А.И. Березняков, П.П. Бородавкин, В.В. Харионовский и др.

Было установлено, что для газопромысловых надземных трубопроводов в криолитозоне наиболее распространенными и значимыми являются деформации из-за вертикальных перемещений опорных конструкций, вызванных криогенными процессами, протекающими в грунтах оснований.

Анализ работ, посвященных решению проблем теплового и механического взаимодействия трубопроводов с многолетнемерзлыми грунтами с учетом сезонного промерзания-оттаивания, позволяет сделать вывод о том, что наиболее достоверная оценка напряженно-деформированного состояния трубопроводов может быть выполнена с использованием данных о фактических перемещениях элементов конструкций. Этот метод пригоден и может успешно использоваться в случае известного исходного пространственного положения трубопроводов. Однако на практике в большинстве случаев информация о точном пространственном геометрическом положении разветвленных трубопроводов на момент их сдачи в эксплуатацию отсутствует. Часто начало наблюдений за геометрическим положением трубопроводов соответствует моменту прямого или косвенного обнаружения деформационных явлений. Как правило, к этому времени в конструкцию трубопроводов бывают внесены изменения, связанные с плановой заменой технологического оборудования, кранов, обратных клапанов, а также в результате принудительного размыкания трубопроводов с целью снятия чрезмерных деформаций. Поэтому выяснить первоначальное положение сложных разветвленных систем трубопроводов бывает трудно. Ситуация усугубляется наличием значительных перемещений технологического оборудования, примыкающего к трубопроводам. В результате трубопроводы «выходят» из строительных плоскостей и представляют собой сложные пространственные конструкции. Поэтому в качестве параметров, описывающих деформированное состояние трубопроводов, необходимо использовать величины, получаемые на основании геодезической съемки фактического пространственного положения трубопроводов. В случае выявления больших деформаций требуется выполнение расчетной оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов с использованием численных методов.

Разработанные в настоящее время руководящие и нормативные отраслевые документы, касающиеся вопросов технической диагностики трубопроводов, предназначены в основном специализированным предприятиям и не всегда применимы для использования эксплуатирующими организациями. В таких условиях необходима разработка методики обобщенной оценки деформированного состояния, позволяющей оперативно выявлять масштабы и уровень деформированности надземных трубопроводов по результатам периодических геодезических измерений, проводимых собственными специализированными подразделениями.

Вторая глава посвящена разработке методов определения допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния надземных трубопроводов.

Применительно к конструкциям надземных разветвленных трубопроводов изменение напряженного состояния металла труб при постоянном рабочем давлении в основном является следствием их деформации под действием подвижек фундаментов. Это позволяет для определения критериев оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов использовать параметры, описывающие геометрическую форму искривленных участков.

С учетом вышесказанного, деформированное состояние надземных трубопроводов предложено описывать в терминах уклонов и прогибов на прямолинейных участках.

Для этого введены четыре геометрических параметра деформированного состояния :

1) - уклон прямолинейного участка трубопровода;

2) - изменение уклона по сравнению с базовым измерением;

3) - прогиб прямолинейного участка трубопровода;

4) - изменение прогиба по сравнению с базовым измерением.

Пусть - абсолютная отметка деформационной марки при k-ом измерении в опорном сечении трубопровода, - положение деформационной марки на прямом участке трубопровода в локальной системе координат (рис. 1, ось х совпадает с осевой линией трубы). Тогда уклон прямолинейного участка в точке вычисляется шагом вперед или шагом назад по формулам

или . (1)

Прогиб прямолинейного участка в точке предложено характеризовать стрелой прогиба, которая вычисляется по формуле

. (2)

Изменения уклонов и прогибов вычисляются соответственно следующим образом

, (3)

, (4)

где и значения уклонов и прогибов, вычисленные при базовом геометрическом нивелировании.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема продольного профиля прямолинейного участка трубопровода

Существуют два варианта определения допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния:

1) инженерная оценка, приведенная в ведомственных нормах и инструкциях;

2) расчетная оценка, основанная на результатах аналитического расчета или математического моделирования механического поведения конкретной рассматриваемой конструкции.

По первому варианту в настоящее время для всех компрессорных цехов ОАО «Газпром» в обязательном порядке установлены инструкции по проведению диагностического обследования (паспортизации) надземных технологических трубопроводов обвязок. Один из разделов указанных инструкций включает формализованное описание деформированного состояния в терминах уклонов и прогибов на прямолинейных участках трубопроводов. Для величин уклонов, прогибов и их изменений с учетом принятых обозначений специалистами ИТЦ «Оргтехдиагностика» экспертным путем установлены допустимые значения параметров деформации:

1) для уклона прямолинейного участка трубопровода ;

2) для изменения уклона по сравнению с базовым измерением ;

3) для прогиба прямолинейного участка трубопровода ;

4) для изменения прогиба по сравнению с базовым измерением .

В целом, методика позволяет выявить масштабы и уровень деформированности трубопроводов. Однако, в методической части этих инструкций не рассматривается эффект увеличения интенсивности напряжений в тройниковых соединениях и отводах, а также не учитывается сложное напряженно-деформированное состояние разветвленной трубопроводной системы. Данные вопросы вынесены в объем расширенных обследований. В инструкциях отсутствует информация, касающаяся контроля положения прямолинейных участков трубопроводов с запорной арматурой. Кроме того, установленные инструкциями допустимые значения применимы в основном к трубопроводам Ду 700 мм.

Поэтому выполнено расчетное определение допустимых значений геометрических параметров деформированного состояния с использованием расчетной модели, отражающей механизм деформирования при изменении высотного положения точек опирания прямолинейного трубопровода.

В качестве расчетной модели выбрана бесконечная балка с кольцевым поперечным сечением, лежащая на жестком основании, нагруженная кинематическим сосредоточенным воздействием в вертикальной плоскости (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.Расчетная модель бесконечной балки на жестком основании

Кинематическое воздействие в точке 0 вызывает перемещение балки в вертикальной плоскости, величина которого, уменьшаясь по нисходящей, достигает нуля в точке 1 на некотором удалении L от точки 0. Для точки 1 кроме нулевого перемещения характерно отсутствие искривления оси и поворота касательной к осевой линии. Расстояние L в такой постановке задачи зависит от жесткости балки и перемещения 0. Полученные аналитическим способом зависимость между величиной кинематического воздействия 0 и расстоянием L и уравнение перемещения осевой линии балки при распределенной нагрузке qТР имеют вид

, (5)

. (6)

Критические величины расстояния Lкр и перемещения 0кр определяются допускаемой величиной изгибающего момента , имеющего наибольшее значение в точке 0:

; . (7)

С использованием формул (1), (2) и уравнения (6), при переносе начала координат в точку j, получены выражения для определения допустимых уклонов и прогибов в произвольной опорной точке j (рис. 1)

, (8)

, (9)

где , .

Из полученных выражений легко видеть, что допустимые уклоны и прогибы зависят от длин участков, на которых вычисляются.

В случае симметричных участков при x = y допустимые уклоны и прогибы связаны зависимостью

. (10)

Допустимые значения изменения уклона и прогиба определяются как половина соответствующих допустимых значений .

Полученные выражения (8-10) применимы на участках, где отсутствуют конструктивные концентраторы напряжений. При наличии на концах прямолинейного участка крутоизогнутых отводов, переходов, тройников должен приниматься во внимание эффект концентрации напряжений.

Допускаемый изгибающий момент , действующий в нулевом сечении, определяется с помощью допускаемого изгибного напряжения по формуле простого изгиба балки кольцевого поперечного сечения

, (11)

где - номинальный наружный диаметр трубы (принимается по сертификатам на трубы в соответствии с исполнительной документацией);

J - момент инерции площади поперечного сечения балки относительно нейтральной оси;

- допускаемое изгибное продольное напряжение.

Значение допускаемого изгибного продольного напряжения получается из условия прочности Мизеса, которое при плоском напряженном состоянии стенки трубопровода имеет вид

, (12)

Где , - соответственно кольцевое и продольное напряжения;

- предельная интенсивность напряжений (предел текучести или расчетное сопротивление по соответствующим строительным нормам).

Так как надземные системы трубопроводов проектируются с учетом компенсации продольных температурных деформаций, то продольные напряжения, вызванные температурным перепадом, вносят пренебрежимо малый вклад в общее напряженное состояние трубы. С учетом этого, разрешение условия (12) относительно позволяет получить выражение для допускаемого изгибного продольного напряжения

, (13)

где - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние; - кольцевые напряжения от внутреннего давления p; - номинальный наружный диаметр трубы;

- номинальная толщина стенки трубы; n - коэффициент надежности по внутреннему давлению.

С целью инженерной оценки допустимых значений параметров деформации выполнен расчет числовых значений рассматриваемых величин для ряда наиболее распространенных поперечных сечений газопромысловых трубопроводов и условий эксплуатации.

Для газопромысловых трубопроводов севера Западной Сибири наиболее распространенным материалом являются стали конструкционные низколегированные для сварных конструкций (марки 09Г2С, 15ХСНД и т.п.) класса прочности 345 по ГОСТ 19281-89. Прокат стальной повышенной прочности. По сертификатам на трубы в соответствии с исполнительной документацией типичное значение предела текучести стали труб составляет = 340 МПа.

Наиболее распространены стальные трубы следующих сечений: 108х6 мм, 159х8 мм, 219х8 мм, 325х10 мм, 426х14 мм, 720х16 мм, 1020х16 мм. Трубы большего диаметра применяются в основном на магистральных газопроводах и газопроводах подключения.

Получены числовые значения расчетных величин при типичных рабочих давлениях 5,4 МПа и 7,4 МПа. Результаты расчета для коэффициента условий работы m = 0,6 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения расчетных величин, m = 0,6

	Параметр	qтр, Н/мм	кц, МПа	[0и], МПа	Lкр, м	0кр, мм
	p, МПа	-	5,4	7,4	5,4	7,4	5,4	7,4	5,4	7,4
Dн?н, мм	108x6	0,148	47,5	65,1	171	164	18,0	17,6	414	378
	159x8	0,292	53,1	72,8	169	160	21,8	21,2	408	365
	219x8	0,408	75,4	103,3	159	142	25,1	23,7	368	295
	325х10	0,761	90,6	124,1	150	126	29,9	27,4	333	237
	426х14	1,394	84,4	115,7	154	133	34,6	32,2	348	261
	720х16	2,722	127,7	175,0	123	71,9	40,7	31,1	229	78
	1020х16	3,882	183,4	251,3	59,1	-*	33,7	-*	53	-*

*) указанное сечение не рассчитано на соответствующее рабочее давление

Анализ результатов расчета (табл. 1) позволяет сделать вывод о том, что типовые газопромысловые трубопроводы допускают достаточно большую длину пролета свободного провисания Lкр от 18 м до 40 м и более. На практике же трубопроводы обвязок газопромысловых объектов редко имеют прямолинейные участки такой длины. В основном длина прямолинейных участков ограничена условиями компактности расположения, компенсации продольных деформаций, а также технологическими особенностями. Все это увеличивает влияние граничных условий, характеризующих особенности сопряжения прямолинейных участков с оборудованием и остальными трубопроводами.

Допустимые уклоны, соответствующие различным рабочим давлениям, приведены на рис. 2.

Таким образом, использование допустимых значений геометрических параметров деформации, рассчитанных индивидуально для каждого прямолинейного участка, позволяет получить общую картину деформированного состояния трубопроводных обвязок на этапе экспресс-оценки.

Полученный способ описания деформированного состояния и метод определения допустимых значений геометрических параметров деформации разветвленных трубопроводов дают инструмент для оперативной критериальной оценки деформированного состояния.



m = 0,6, p = 5,4 МПа m = 0,6, p = 7,4 МПа

Рис. 3. Зависимость допустимого уклона от длины участка

Дальнейшее развитие методики расчетного определения допустимых значений геометрических параметров деформации основано на использовании подробных конечно-элементных моделей трубопроводных систем. Для этого на основании результатов серии расчетов при возможном кинематическом нагружении опорных сечений определяются допустимые перемещения фундаментов, а также допустимые уклоны и прогибы прямолинейных участков трубопроводов.

В третьей главе рассмотрена методика экспресс-оценки деформированного состояния надземных трубопроводов.

Предложено для исследования деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов использовать метод сравнения геометрических параметров с их допустимыми значениями, полученными расчетно-экспериментальным методом.

Для экспресс-оценки деформированного состояния разветвленных надземных трубопроводов в качестве диагностического признака использован безразмерный обобщенный коэффициент деформированного состояния, рассчитываемый по разработанной методике. Суть методики заключается в следующем.

Пусть на прямолинейных участках трубопроводов заданы геометрические параметры деформированного состояния и соответствующие допустимые значения .

Введен коэффициент перегрузки по параметру

, (14)

как отношение максимального по всем прямолинейным участкам значения данного параметра к соответствующему допустимому значению .

Введены доли прямолинейных участков

, (15)

определяемые отношением количества участков с недопустимыми величинами параметра к общему количеству участков системы трубопроводов, для которых регламентируется данный параметр.

Путем умножения долей прямолинейных участков с недопустимыми величинами параметра на коэффициенты перегрузки по данному параметру определены взвешенные доли прямолинейных участков

. (16)

Деформированное состояние системы трубопроводов описано обобщенным вектором состояния

, (17)

где - взвешенная доля участков с недопустимыми уклонами ;

- взвешенная доля участков с недопустимыми изменениями уклонов ;

- взвешенная доля участков с недопустимыми прогибами ;

- взвешенная доля участков с недопустимыми изменениями прогибов .

Обобщенный коэффициент деформированного состояния определен как евклидова норма обобщенного вектора деформированного состояния :

. (18)

С помощью введенного коэффициента деформированное состояние трубопроводной системы каждого газопромыслового объекта характеризуется одним числом и облегчает сравнительный анализ однотипных объектов, оценку общего технического состояния и увеличивает наглядность представления результатов (рис. 4).

Коэффициент IN равен нулю в случае отсутствия участков с недопустимыми значениями контролируемых величин. В других случаях коэффициент всегда отличен от нуля. Он содержит сводную информацию о количестве участков с недопустимыми величинами и изменениями величин уклонов и прогибов трубопроводов, а также учитывает долю перегруженных участков по отношению к общему количеству участков на каждом объекте.



Рис. 4. Обобщенный коэффициент деформированного состояния трубопроводов технологических обвязок газоперекачивающих агрегатов, вычисленный для девяти промыслов месторождения «Медвежье»

Обобщенный коэффициент деформированного состояния может быть вычислен индивидуально для всех трубопроводов рассматриваемой системы (рис. 5). Это позволяет видеть подробную картину деформированного состояния системы трубопроводов.

Таким образом, разработанная методика менее трудоемка по сравнению с конечно-элементным моделированием и может эффективно применяться на этапах обработки результатов периодического геометрического нивелирования для получения оперативной экспресс-оценки деформированного состояния трубопроводов.

Для оценки технического состояния надземных разветвленных трубопроводов с использованием обобщенного коэффициента деформированного состояния обоснована следующая классификация с использованием положений ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения и РД 51-4.2-003-97. Методические рекомендации по расчетам конструктивной надежности магистральных газопроводов.

Техническое состояние трубопроводов оценивается как работоспособное в случае .

Техническое состояние трубопроводов оценивается как ограниченно работоспособное в случае .

Техническое состояние трубопроводов оценивается как аварийно-опасное в случае .

Техническое состояние трубопроводов оценивается как предельное в случае .

Рис. 5. Обобщенный коэффициент деформированного состояния трубопроводов технологической обвязки газоперекачивающих агрегатов ГП-7 месторождения «Медвежье»

Использование результатов экспресс-оценки деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов позволяет планировать последовательность и объемы ремонтно-восстановительных работ.

Четвертая глава посвящена вопросам численного моделирования состояния наиболее деформированных трубопроводов.

В случае высокого уровня деформаций, полученного на основании результатов экспресс-оценки, выполняется расширенный анализ с использованием математических моделей трубопроводных систем. При этом оценивается картина напряженно-деформированного состояния модели конструкции и степень силового воздействия на оборудование, что дает возможность выявить наиболее нагруженные участки трубопроводов.

Построение математических моделей трубопроводных систем действующих объектов является этапом реверс-инжиниринга, когда выполняется переход от реальной конструкции (прототипа) к ее модели. При этом свойства модели выбираются и корректируются таким образом, чтобы ее поведение повторяло поведение прототипа в реальных условиях. Деформации модели должны совпадать с деформациями прототипа.

Для построения математической модели реальной трубопроводной системы выполняется измерение ее геометрического положения в пространстве с привязкой к абсолютным геодезическим отметкам.

На основании геометрических измерений и данных толщинометрии с использованием проектной и исполнительной документации назначаются диаметры, толщины и геометрические характеристики деталей трубопроводов.

Физико-механические характеристики материалов выбираются из сертификатов на трубы и соединительные детали.

Также задаются весовые и геометрические характеристики запорной арматуры, температура замыкания конструкции, температура и давление газа.

В ходе строительных работ или в процессе эксплуатации систем надземных трубопроводов могут появляться несовершенства формы в виде косых стыков, небольшой несоостности, искривления и т.п. Поэтому выполняется корректировка начальной формы трубопроводов с учетом механизма нагружения и особенностей работы опорных конструкций.

Для этого введен вектор фактических превышений осевой линии трубопроводов над строительной плоскостью в опорных сечениях, рассчитанный по данным геодезических измерений .

Численное моделирование трубопроводной системы при кинематическом нагружении перемещениями с учетом условий опирания позволяет вычислить вектор вертикальных перемещений опорных точек модели относительно строительной плоскости .

Значения начальных отклонений трубопроводов от строительной плоскости определяются вектором

. (19)

Моделирование поведения трубопроводов с использованием результатов нескольких периодических измерений геометрического положения позволяет более точно определить начальную геометрическую форму.

Если известны измеренные превышения , то с использованием вектора начальных отклонений кинематическое нагружение конструкции определяется следующим образом

. (20)

С использованием вектора кинематического нагружения делается уточняющий расчет напряженно-деформированного состояния трубопроводов.

Вектор начальных отклонений позволяет выполнить корректировку математической модели трубопроводов для проведения последующих расчетов с учетом начального несовершенства. Кроме того, вектор может быть задан как самостоятельное начальное кинематическое воздействие на систему разветвленных трубопроводов с целью выявления участков пластической деформации, косых стыков и потенциально опасных участков, на которых требуется проведение расширенных диагностических обследований методами неразрушающего контроля.

Проведение серии расчетов математических моделей позволяет получить предельные перемещения опор и элементов трубопроводов в соответствии с критериями прочности и надежности. Также построенные модели дают возможность выполнять оценку сложно деформированных трубопроводных систем в случае отрывов от опор, оценивать и прогнозировать нагрузки на технологическое оборудование (газоперекачивающие агрегаты, емкости и т.п.).

Пятая глава посвящена вопросам разработки рекомендаций по проведению ремонтно-восстановительных работ на трубопроводах, а также обоснованию необходимости выполнения стабилизационных мероприятий.

Результаты экспресс-оценки и численного моделирования деформированного состояния трубопроводов позволяют качественно и количественно определить степень опасности происходящих деформационных процессов (пучение, осадка), выявить основные закономерности деформирования контролируемой конструкции, выполнить прогноз изменения технического состояния трубопроводной системы в ходе ее дальнейшей эксплуатации.

В большинстве случаев деформационные процессы на строительной площадке объекта в течение одного сезона (осень-зима-весна) являются территориально обособленными. При этом изменение грунтовых условий из года в год сопровождается небольшими локальными отличиями и зоны интенсивных деформаций трубопроводов в различные годы меняют свое положение. Таким образом, за несколько лет история нагружения трубопроводной системы приобретает сложный характер. Все это учитывается при разработке ремонтно-восстановительных мероприятий.

Фактические конструкции разветвленных трубопроводов имеют большую изгибную жесткость. Расчетное расстояние между опорами таких трубопроводов, полученное из условия действия собственного веса, больше фактического расстояния, принятого в проекте. Уменьшение расстояния между опорами обусловлено необходимостью восприятия сочетаний постоянных, временных, кратковременных и особых внешних воздействий. В практике эксплуатации это приводит к особенности механического поведения жесткого на изгиб трубопровода при вертикальных перемещениях опор, расположенных на небольшом расстоянии друг о друга. При изначально равномерной загрузке соседних опор небольшое вертикальное поднятие одной из них приводит к резкому снижению и даже исчезновению вертикального давления на соседние опоры.

В результате серии расчетов с использованием построенной математической модели выявляются основные силовые опоры, которые в реальных условиях воспринимают статические нагрузки и определяют фактическое пространственное положение системы трубопроводов. На этих опорах проводится цикл подрезки-наращивания свай с целью выравнивания деформированных трубопроводов и снятия опасных деформаций. Остальные опоры на время проведения работ убираются путем снятия регулируемых проставок или срезания оголовков свай. Весь объем работ разделяется на этапы. На каждом этапе выполняются работы по назначенным группам опор. Величины подрезки-наращивания свай подбираются в ходе численного моделирования процесса разгрузки деформированных трубопроводов.

Использование основных силовых опор при планировании этапов выравнивания деформированных трубопроводов позволяет существенно сократить объемы и время проведения ремонтно-восстановительных работ. Содержание этих работ оформляется в виде технологических карт, которые содержат подробную информацию о последовательности и величинах подрезки-наращивания опорных конструкций с учетом перемещений расположенных на них трубопроводов.

Предложенные технологические карты используются с 2004 г. при проведении работ по выравниванию трубопроводов в периоды плановых остановов газовых промыслов месторождения «Медвежье». Опыт их использования показал высокую эффективность выполнения большого количества работ, проводимых ремонтными бригадами. Исключаются возможные длительные и неоптимальные операции подгонки опор под выравниваемые трубопроводы. Это объясняется тем, что в основу рекомендаций заложены результаты расчета математической модели, отражающей поведение физического прототипа. Кроме того, технологические карты позволяют планировать оптимальное управление несколькими параллельно работающими бригадами, что существенно сокращает сроки завершения ремонтных работ.

Предложены технические решения по адаптированию конструкций опор трубопроводов к восприятию возможных подвижек фундаментов.

В случае сезонного циклического деформирования трубопроводов компенсация деформаций, вызываемых циклическими перемещениями опорных конструкций, возможна при помощи упругих регулируемых опор. Предложена методика расчета характеристик упругих регулируемых опор для использования на трубопроводах среднего диаметра.

При необходимости компенсации ежегодно нарастающих деформаций разработана специальная конструкция опоры с быстроразъемным смещаемым креплением опорной балки.

В случае ежегодного увеличения деформаций принимается решение о расширенном обследовании грунтовых условий на площадке трубопроводов с целью разработки мероприятий по стабилизации геокриологических, гидрогеологических условий грунтов основания и реконструкции фундаментов.

Таким образом, разработана и внедрена в производственную практику ООО «Газпром добыча Надым» комплексная методика контроля деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов (см. рис. 6).

Рис. 6. Последовательность и содержание этапов реализации методики контроля деформированного состояния надземных трубопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Разработана комплексная методика контроля деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов в условиях Крайнего Севера, включающая: способ обобщенного описания деформированного состояния трубопроводов по данным геометрического нивелирования; методику экспресс-оценки деформированного состояния трубопроводов; методику математического моделирования конструкции трубопроводов; метод планирования этапов и объемов ремонтно-восстановительных работ.

Разработанная методика контроля деформированного состояния надземных разветвленных трубопроводов позволяет:

- определять допустимые значения геометрических параметров деформации;

- планировать периодичность измерений и конфигурацию геодезических сетей для проведения периодических инструментальных измерений геометрического положения трубопроводов;

- проводить экспресс-оценку результатов режимных измерений;

- проводить расширенный анализ наиболее деформированных трубопроводов;

- разрабатывать рекомендации по выравниванию трубопроводов;

- обосновывать необходимость и объемы стабилизационных мероприятий, а также разрабатывать технические решения по адаптированию конструкций опор трубопроводов к восприятию возможных подвижек фундаментов.

Предложенный способ обобщенного описания деформированного состояния, разработанный метод определения допустимых значений геометрических параметров деформации и методика экспресс-оценки деформированного состояния трубопроводов алгоритмизированы и реализованы в расчетно-аналитическом модуле в программе обработки данных периодических инструментальных измерений.

Разработана методика моделирования конструкции разветвленных надземных трубопроводов, позволяющая выполнять оценку напряженно-деформированного состояния с учетом начального искривления трубопроводов, прогнозировать механическое поведение физического прототипа трубопроводной системы. Сформулированы требования, предъявляемые к программному комплексу конструкционного моделирования трубопроводов.

Обоснован метод планирования этапов и объемов ремонтных работ с использованием технологических карт, указывающих последовательность действий по разгрузке и приведению опасно деформированных конструкций разветвленных трубопроводов к проектному или наименее деформированному положению.

Предложена методика расчета характеристик упругих регулируемых опор для использования на трубопроводах среднего диаметра с целью механической компенсации деформаций, вызываемых циклическими перемещениями опорных конструкций. При необходимости компенсации подвижек фундаментов нарастающего характера предложена специальная конструкция опоры для надземных трубопроводов среднего диаметра.

Результаты работы внедрены в производственную практику газодобывающего предприятия ООО "Газпром добыча Надым" и используются для проведения геотехнического мониторинга газопромысловых объектов.

Основные результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях

1. Витченко А.С. К вопросу о конструктивных решениях при строительстве трубопроводных обвязок в условиях криолитозоны севера Западной Сибири // Новые технологии в газовой промышленности: Тез.докл. Пятой Всеросс. конф. молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. 23-26 сентября 2003 г. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. - С.28.

2. Витченко А.С., Бендас П.А., Галактионов Э.Ю., Осокин А.Б. Комплексный подход к мониторингу состояния геотехнических систем на примере крановых узлов магистральных газопроводов // Тез.докл. Ежегодной конф. молодых специалистов и новаторов производства. 2003 г. - Югорск: ООО «Тюментрансгаз», 2003. - С.31-32.

3. Витченко А.С., Бендас П.А., Галактионов Э.Ю., Осокин А.Б. Комплексный подход к мониторингу состояния геотехнических систем // Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири: Тез.докл. XIII науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. 2004 г. - Тюмень: ООО «ТюменНИИгипрогаз», 2004. - С.321-323.

4. Витченко А.С., Смолов Г.К., Осокин А.Б., Галактионов Э.Ю. Технология и опыт реализации системы геотехнического мониторинга // Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири: Тез.докл. XIII науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. 2004 г. - Тюмень: ООО «ТюменНИИгипрогаз», 2004. - С.324-325.

5. Витченко А.С., Мазарчук К.А., Галактионов Э.Ю., Бендас П.А. Геотехнический паспорт объекта как инструмент контроля и управления эксплуатационной надежностью фундаментов газопромысловых сооружений в криолитозоне // Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири: Тез.докл. XIII науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. 2004 г. - Тюмень: ООО «ТюменНИИгипрогаз», 2004. - С.325-326.

6. Витченко А.С., Осокин А.Б., Коротеев П.С. Обобщенный коэффициент интенсивности деформаций трубопроводных обвязок ГПА ДКС и АВО газа // Инф. бюлл./ ИТЦ «Оргтехдиагностика». - 2005. - №1-2/92. - С.8-11.

7. Витченко А.С., Березняков А.И., Галактионов Э.Ю., Осокин А.Б., Смолов Г.К. Система геотехнического мониторинга газопромысловых объектов ООО «Надымгазпром» // Тез.докл. науч.-практ. конф. молодых специалистов. 2006 г. - М.: ФГУП ПНИИИС, 2006. - С.15-19.

8. Витченко А.С., Бендас П.А., Галактионов Э.Ю., Осокин А.Б. Комплексный подход к мониторингу состояния геотехнических систем // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений: Науч.-техн.сб. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2006. - № 2. - С.56-62.

9. Березняков А.И., Витченко А.С., Гаврилов А.К., Коротеев П.С., Осокин А.Б. Обобщенная оценка деформаций и планирование ремонтных работ трубопроводных обвязок дожимных компрессорных станций, эксплуатирующихся в районах Крайнего Севера // Транспорт и подземное хранение газа: Науч.-техн.сб. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2006. - № 4. - С.69-72.

10. Витченко А.С. Методика оценки деформаций технологических трубопроводов ДКС месторождения «Медвежье» // Новые технологии в газовой промышленности: Тез.докл. Седьмой Всеросс. конф. молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. 2007 г. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007. - С.25-26.

11. Березняков А.И., Витченко А.С., Гаврилов А.К., Коротеев П.С., Осокин А.Б. Обобщенная оценка деформаций трубопроводов дожимных компрессорных станций в криолитозоне // Нефть и газ: изв. вузов России. - Тюмень. - 2007. - №4. - С.44-47.

12. Витченко А.С., Березняков А.И. К вопросу о контроле деформированного состояния надземных газопроводов в криолитозоне // Нефть и газ Западной Сибири: Тез.докл. Всеросс. науч.-техн. конф. 2007 г. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. - Т. 1. - С.183-185.

13. Витченко А.С., Березняков А.И. Определение допустимых значений параметров деформации трубопроводных обвязок газопромысловых объектов, эксплуатирующихся в районах Крайнего Севера // Наука и техника в газовой промышленности. - М. : ИРЦ Газпром, 2008. - № 4. - С. 104-109.

14. Пат. (пм) 74997 РФ. Опора смещаемая быстроразъемная / Витченко А.С., Галактионов Э.Ю., Осокин А.Б., Смолов Г.К., Березняков А.И.; заявл. 06.12.2007; опубл. 20.07.2008; Бюл. №20.

Размещено на Allbest.ru

...