Вопросы анализа чувствительности заглубленных морских трубопроводов при сейсмических воздействиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопросы анализа чувствительности заглубленных морских трубопроводов при сейсмических воздействиях.

Questions of sensitivity analysis of buried offshore pipelines transporting

сейсмический трубопровод подводный

Муравьева Людмила Викторовна

д.т.н., ассистент

Саратовского государственного политехнического университета им.Ю.А. Гагарина

Abstract

Dynamic behaviors of underground pipe lines during earthquakes remain unknown, while the structures in weak ground have suffered damages from large earthquakes. From the aseismic point of view, the problems lie in the fact that the dynamic behaviors' of the structures have little relations to ground acceleration, but to ground deformation, and in the fact that such structures have two dimensional extension along the surface of ground. As many investigations of the earthquake engineering treated ground acceleration such as the one at a point, they give little information's for ground deformation or distnbution of ground displacement along the surface.The article proposes a formula for determining the seismic load of a buried offshore pipeline.

Key word: Blown offshore pipeline, Seismic load, fatigue

Аннотация

Важным фактором, влияющим на безопасность эксплуатации заглубленных подземных трубопроводов, является взаимодействие заглубленного трубопровода и окружающего грунта. Во многих исследованиях землетрясений наземное ускорение, полученное в одной точке, дает неполную информацию о деформациях грунта. Автором предложена методика определения сейсмической нагрузки для заглубленных подводных трубопроводов. В статье предложены формулы по оценке усталости заглубленного трубопровода.

Ключевые слова: загубленный морской трубопровод, сейсмическая нагрузка, усталость

Трубопроводы признаны надежным, экономичным и эффективным средством транспортировки газа и других коммерческих жидкостей [1-4]. Важным фактором, влияющим на безопасность эксплуатации подземных трубопроводов, является взаимодействие подземного трубопровода и окружающего грунта.

Поведение подземных трубопроводов во время землетрясений остается неизвестным. Необходимость заглубления трубопровода определяется требованиями обеспечения надежности и безопасности эксплуатации, вероятностью повреждения трубопровода от внешних и внутренних воздействий [4].

Статья посвящена вопросам определения сейсмической нагрузки для заглубленных морских трубопроводов, при землетрясениях.

Динамическое поведение трубопровода имеет отношение к ускорению грунтов, деформациям грунта. Следует учитывать, что трубопроводы испытывают двухмерныедеформации вдоль поверхности земли. В исследованиях землетрясений анализируется наземное ускорение, полученное в одной точке. Акселерограммы дают неполную информацию о деформациях грунта, смещений грунта вдоль поверхности земли. Увеличение толщины стенки труб, повышение класса стали, защита трубы с помощью геотекстиля- это предлагаемые методы защиты трубопроводов землетрясений.

Расчетная модель заглубленного подводного трубопровода принята в виде цилиндрического стержня с жесткими закреплениями по концам. Масса толщи воды над заглубленным трубопроводом рассматривается как дополнительная присоединенная масса.

В работах японских исследователей [1] отмечено, что в трубопроводах большого діаметра напряжения изгибающих усилий сравнимы с осевыми напряжениями. При движении земной поверхности по закону Y=a0 sin(p(t-x/V)), деформации изгиба трубопровода определяются следующим соотношением;

Осевая деформация трубопровода является преобладающей [1]. Отношение осевой деформации к изгибным деформациям трубопровода запишется в виде [1].

где p - круговая частота движения грунта (равная 2??Т); a0 -амплитуда движения поверхности земли; V-скорость сейсмической волны.

Выразим ускорение поверхности грунта;

Здесь T- период движения земной поверхности.

Максимальная деформация трубопровода равна,

Соотношение (4) подтверждается записями деформации труб в исследованиях [1].

При землетрясении, возникает относительное смещение трубопровода в осевом направлении.

Величина деформации определяется следующим соотношением,

здесь u0-значение предела прочности грунта ;

Va -скорость продольной волны, распространяющейся в трубопроводе (vE??).

При землетрясении развивается сила трения[], по всей линии трубопровода. Деформации прямолинейного трубопровода равны его относительному смещению,

где C0 значениетрения, приходящееся на единицу длины трубы.

Уравнение колебаний трубопроводов в осевом направлении при перемещениях в диапазоне u <u0описываются соотношением,

Решение уравнения (7) представим в виде

Собственные частоты свободных колебаний заглубленного трубопроводатранспортирующего газ, при защемлении по концам определяются,

здесь;

- коэффициент линейной пропорциональности между касательными напряжениями ??х, в окружающем грунте ??х = ??????(??, ??).

Инерционная сейсмическая нагрузка на подводный заглубленный трубопровод, определяется в виде:

здесь ???? - коэффициент учитывающий вероятность сейсмического события в течение назначенного срока службы сооружения;

g - ускорение свободного падения (9.81м/с2);

??*???? = ??????- коэффициент формы;

???? - формы собственных колебаний трубопровода (балочные функции)

x- касательными напряжениями;

А - выраженная в долях ?? расчетная амплитуда ускорения основания, определяется по таблице СП[6].

При определении величины инерционной сейсмической нагрузки учитываем коэффициент, зависящий от степени повреждений, допускаемых в сооружении при землетрясении[6]; значение угла направления сейсмической волны к сооружению[6] коэффициент, учитывающий демпфирующие свойства конструкций [6].

Более точно в виду малой изученности шельфа и отсутствия систематизации сейсмических данных по стране, сейсмическую нагрузку на погруженные трубопроводы необходимо рассчитывать, с помощью спектрального метода, по следующей методике:

1. Выбираются наиболее нагруженные сечениядля анализа напряженно-деформированного состояния трубы.

2. Строятся амплитудно-частотные характеристики, для определения деформаций в выбранных точках ? i(?) (с учетом демпфирующих свойств грунтов), где ? - частота возбуждающего сейсмического воздействия, ?0- частота свободных колебаний трубопровода.

3. Амплитудно-частотная характеристика равна;

4. Спектральные плотности деформаций в i-й точке вычисляются,

Где ???? (??) - расчетная спектральная плотность сейсмического воздействия бальности I [4]( прил.8)

5. Дисперсию деформаций в i-й точке,

6. Искомое расчетное значение деформации определяется как

7. Коэффициент динамичности заглубленного трубопровода равен:

Срок службы подводного трубопровода 50 лет, но сейсмические события не укладываются, не происходят по расписанию. На срок службы трубопровода влияет режим работы, коррозионные повреждения трубопровода.

Заглубленный трубопровод скрыт от глаз наблюдателей. Изменение давлений транспортируемого продукта, малоцикловое нагружение трубопровода, может привести к инициации дефектов конструкции.

Сейсмическое повреждение, нелокально, оно затрагивает всю конструкцию.С учетом низкоциклического нагружения, больших пластических деформаций, наблюдаемых в кольцевых сварных швах трубопроводов, необходимо выполнять оценку появления усталостной трещины в трубопроводе при анализе сейсмостойкости заглубленного трубопровода. Исследования усталостных параметров заглубленных морских трубопроводов не проводились. Предложенный в статье метод учета ресурса конструкции основан на оценке спектра напряжений конструкции.

Усталостные повреждения ассоциируются с полосой циклов напряжений

где п- число циклов напряжений;т- отрицательный наклон кривой усталости Б-И; стг - диапазон напряжений, (разница между максимальным и минимальным напряжением в цикле); А - коэффициент кривой усталости металла трубопровода.

Усталостные повреждения для всех полос циклов напряжений определяется в виде:

Здесь А - коэффициент кривой усталости металла трубопровода.

В статье представлены: методики определения сейсмической нагрузки для заглубленных подводных трубопроводов, соотношения для определения усталости подземных заглубленных трубопроводов, сделан вывод о необходимости проведения испытаний заглубленных трубопроводов на усталость.

Список литературы

Sakurai A., TakahashiT. Dynamic stresses of underground pipe lines during earthquakes, Tokyo, 1967, Technical Laboratory, 15р.

American Lifelines Alliance (ALA), Buried Steel Pipes [Guidelines for the design of buried steel pipe]. Federal Emergency Management Agency (FEMA), American Society of Civil Engineers (ASCE) & Federal Emergency Management Agency (FEMA), 2001-83р.

Muravieva L.V. Otchet o nauchno-

issledovatel'skojrabotepodogovoru № RS- 13/2015/203-03503 “Razrabotkatrebovanij k

sejsmostojkosti stal'nykh morskikh podvodnykh truboprovodov s povrezhdeniyami” [Report on research work under the contract No. РС-13/2015 / 203-03503 "Development of requirements for seismic resistance of steel offshore underwater pipelines with damages"] Saint-Petersburg. 2015.35p.

Russian Maritime Register. Pravilaklassifikatsiiipostrojkimorskikhpodvodnykhtru boprovodov [ND №2-020301-004. Rules for the classification and construction of subsea pipelines]. Saint-Petersburg.Russian maritime register, 2017.164 p.

Napetvaridze SH.G., GekhmanA.S. Sejsmostojkost' magistral'nykhtruboprovodovispetsial'nykhsooruzheni jneftyanojigazovojpromyshlennosti [Seismic

resistance of main pipelines and special structures of the oil and gas industry]. Moscow, Nauka Publ.,1980. 172p.

SR14.13330.2014. Stroitel'stvo v sejsmicheskikh rajonakh. Updated version snip II-7- 81* . Moscow.[Set of rules. Seismic Building Design Code]. Moscow. Federal'noeagentstvopotekhnicheskomuregulirovaniyu imetrologii, 2014. 88p.

SR 36.13330.2012. Magistral'nyetruboprovody. Updated version SNiP 2.05.06-85*. [Set of rules.Trunk pipelines]. Moscow. Federal'noeagentstvopotekhnicheskomuregulirovaniyu imetrologii,2012. 130p.

Chopra A.K. Dynamics of structures, Theory and applications to earthquake engineering. Berkley, Prentice-Hall, Inc., 2001. 450p.

Reference

Sakurai A., TakahashiT. Dynamic stresses of underground pipe lines during earthquakes, Tokyo, 1967, Technical Laboratory, 15р.

American Lifelines Alliance (ALA), Buried Steel Pipes [Guidelines for the design of buried steel pipe]. Federal Emergency Management Agency (FEMA), American Society of Civil Engineers (ASCE) & Federal Emergency Management Agency (FEMA), 2001-83р.

Муравьева Л.В.Отчет НИРподоговору № РС-13/2015/203-03503.- Санкт-Петербург: 2015. - 35с.

Правила классификации и постройки морских подводных трубопроводов[текстНД№2- 020301-004]: Российский морской регистр судоходства - Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2017.- 164с.

Напетваридзе Ш.Г., Гехман А.С. Сейсмостойкость магистральных трубопроводов и специальных сооружений нефтяной и газовой промышленности[Seismic resistance of main pipe lines and special structures of the oil and gas industry]. Москва. Наука. 1980. 172с.

СП 14.13330.2014.Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП11-7-81* .[текст]: нормативнотехнический материал.Москва: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. 2014. 88с.

СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*.[текст]. Москва. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. 2012. 130с.

Размещено на Allbest.ru