Исследование надежности подводных переходов магистральных трубопроводов

В данной работе, был исследован трубопровод в болотистых условиях.
Целью являлось : найти наиболее выгодный и оптимальный способ от всплытия МТ. Дата защиты: 21.06.2016г. Место защиты: УГТУ. Оценка: отлично. ...

Содержание

Введение 3
1. Техническое состояние подводного перехода и анализ исследуемого участка………………………..………………………..……………..…..………..6
1.1. Подводные переходы трубопроводов………………………………..…6
1.2. Устойчивость дна и берегов водоёма………………..………..………....8
1.3. Инженерные решения по обеспечению надежности эксплуатируемых подводных переходов…………………………………………………..……16
1.4. Методы прокладки подводных переходов трубопроводов….………..24
2. Исследование надежности подводных переходов магистральных

Введение

Что бы обеспечить стабильное функционирование, надёжность и безопасность магистральных нефтяной проводов, существует ряд первоочередных задач при любом строительстве и последующей эксплуатации трубопроводных систем. Со стороны эксплуатационной надежности магистральных трубопроводов по отношению к участкам, имеющим повышенный риск эксплуатации выделяются переходы через искусственные и естественные преграды. Повышение риска эксплуатации любого подводного перехода в сравнении с основной частью магистрального трубопровода определяют не только вероятностью возникновения происшествий и ситуаций аварийности, а в большей мере экономическими затратами

37 - 41) система обеспечивает получения продольного профиля трубопровода и его плановое положение относительно русла реки. Кроме того, система позволяет установить отметки дна реки и характер эрозионных явлений.ВНИИГАЗом разработана "Методология оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов", которая может применяться для определения пространственного положения трубопровода и состояния изоляционного покрытия.1.4. Методы прокладки подводных переходов трубопроводовПри проектировании подводных переходов через водные преграды разработчики опираются на информационные данные гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом специфики эксплуатации в данном районе ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, которые могут оказать влияние на режим водной преграды в месте перехода, планируемых дноуглубительных работ, а также на требования по охране водных ресурсов.В мировой практике строительства подводных переходов наиболее широкое применение получили методы их прокладки, которые условно можно разделить на две группы: траншейные и бестраншейные. Одним из самых распространенных методов строительства подводных переходов является траншейный метод (рис. 2.1). Он включает в себя подводную разработку траншеи специальной землеройной техникой (земснаряды, грунтососы, гидромониторы, скреперы и т. д.) и одновременно с этим подготовку дюкера. Применяются три основных метода укладки трубопровода в подводные траншеи: протягивание по дну; погружение с поверхности воды трубопровода полной длины и укладка с плавучих средств и опор.Каждый из перечисленных методов укладки имеет свои недостатки, основным из которых является большой количество подводно-технических и земляных работ, связанных с разработкой траншеи, однако при определенных условиях имеют ряд преимуществ. Чаще всего траншейный метод строительства подводных переходов применяется в случаях невозможности использования бестраншейных методов, характеризующихся рядом ограничений.В настоящее время широкое распространение получили бестраншейные методы строительства подводных переходов магистральных трубопроводов: наклонно направленное бурение, микротоннелирование, тоннелирование, вантовые и др.При использовании бестраншейных технологий строительства подводных переходов отсутствуют недостатки традиционных методов, уменьшается неблагоприятное воздействие на окружающую среду, а так же гидрологию водоемов, повышается надежность трубопровода.Строительство подводных переходов методом наклонно направленного бурения (ННБ), в зависимости от характеристик водных преград, технических характеристик используемых буровых установок, технологии бурения, конструктивных параметров протаскиваемого трубопровода, осуществляется по различным технологическим схемам. Общими для всех технологических схем являются основные этапы ННБ:а) бурение пилотной скважины;б) расширение скважины в один или несколько приемов в различных направлениях;в) протягивание трубопровода в разрабатываемую скважину.Рис. 2.1 - Строительство подводных переходов траншейный методом и методом микротоннелированиемДанный метод позволяет обеспечить высокую надежность построенного объекта; сохранение природного ландшафта и экологического баланса в месте проведения работ, исключение техногенного воздействия на флору и фауну, размыва берегов и донных отложений водоемов; значительное уменьшение риска происшествийных ситуаций и, как следствие, гарантию длительной сохранности трубопроводов в рабочем состоянии.Применение ННБ имеет ряд ограничений: сложные инженерно-геологические условия, большая протяженность перехода и диаметр укладываемой трубы.В России были построены единичные переходы протяженностью более 1000 м с диаметром труб не более 1020 мм. Основная масса построенных переходов диаметром труб 1020–1420 мм имеет протяженность не более 500–700 м. Другим ограничением метода ННБ являются сложные геологические условия: галечниковые грунты, грунты с включением валунов, карстовых полостей, скальные, илистые грунты. Эти факторы в совокупности с конструктивными параметрами буровых установок и технологии бурения определяют возможность или невозможность строительства того или иного объекта методом ННБ.Метод микротоннелирования (рис. 2.1) основан на строительстве тоннеля с помощью дистанционного управляемого проходческого щита. Микротоннельный щит работает из заранее подготовленной стартовой шахты в прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из приемной шахты.Преимуществами микротоннелирования (так же как и метода ННБ) является отсутствие отрицательного воздействия на русловые ходы пересекаемой водной преграды; надежная предохранение руслового участка подводных переходов трубопровода от размыва и высокая степень защиты трубопровода от механических повреждений, обеспечиваемая прокладкой трубопровода на глубине не менее 7 м от дна и значительно ниже линии предельного размыва русла реки; сохранение экологического баланса в месте проведения работ; отсутствие воздействия на режим судоходства и пр.Однако микротоннелирование имеет следующие сложности при проходке:а) в трещиноватых доломитах есть большой риск заклинивания трубного става, в связи с относительно высокой прочностью породы и опасностью возникновения неравномерного горного давления;б) на границе перехода из прочных пород в зону карстового образования при малейшем отклонении щита от заданной траектории резко возрастают усилия продавливания всего трубного става (заклинивание), при превышении которых будет происходить разрушение секций трубного става;в) при преодолении карстовых участков возникает большая степень риска отклонения трубного става от проектной траектории прокладки микротоннеля, что повлечет за собой изменение проектного положения и расчетной схемы трубопровода;г) стандартная конструкция труб не предусматривает связи растяжения в стыках, поэтому заклинивание может привести к раскрытию стыка и прорыва грунта в микротоннель при проходке в слабых грунтах.При возведении подводных переходов тоннельным методом используют щитовую проходку защитного кожуха-обделки, состоящего из отдельных колец, которые, в свою очередь, собираются из блоков – сегментов (или тюбингов) под предохранением проходческого щита. Для продвижения проходческого комплекса в конструкции щита предусматриваются щитовые домкраты, которые отталкиваются от каждого вновь собранного кольца обделки, тем самым разрабатывая грунт и освобождая место для монтажа следующего кольца обделки. При проходке тоннеля производится первичное и контрольное нагнетание, в результате которого заполняются возможные трещины и пустоты вокруг обделки тоннеля.Преимущества тоннельного метода прокладки схожи с преимуществами метода микротоннелирования, но при сравнении этих двух методов оказывается, что у первого отсутствуют недостатки, присущие методу микротоннелирования. Тем не менее негативное воздействие на подводный переход окружающего грунта, изменение инженерно-геологических условий, к примеру, образование или развитие карстовых полостей, может нарушить целостность сооружения и привести к серьезным экологическим последствиям. Во избежание возможных негативных последствий требуется разработка специальных мероприятий и технических решений, предотвращающих происшествийные ситуации при строительстве и способствующих нормальной эксплуатации сооружения и сохранению окружающей среды.Целесообразность применения того или иного метода строительства подводных переходов определяется с учетом анализа всех возможных факторов, существенно влияющих на надежность и безопасность трубопровода. Причем в рамках одного проекта строительства могут применяться практически все методы прокладки подводных переходов трубопровода.Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов необходимо уделять особое внимание сооружаемым подводным переходам, учитывать срок их эксплуатации, изменения микроструктуры металла во времени, воздействие циклических нагрузок на изменение физико-механических свойств стали; разрабатывать методы и способы, повышающие надежность подводных переходов трубопровода, что увеличит срок их безотказной работы.2. Исследование надежности подводных переходов магистральных трубопроводов2.1 Нахождение устойчивости против всплытия подводного трубопровода с учетом гидродинамического воздействия потока воды на трубуПовышение надежности трубопроводов становится важной проблемой на всех этапах: инженерного конструирования, сооружения и эксплуатации трубопроводных систем. Весьма необходимо оценить адекватность поведения сооруженного трубопровода под воздействием эксплуатационных и внешних воздействий расчетной схеме, принятой в нормах и правилах, т.е. необходимо исследовать конструктивную надежность трубопроводов.На первый план решения проблемы о надежности выдвигаются задачи расчета на прочность, устойчивость, долговечность. Для их решения необходимы: информация о нагрузках и воздействиях на трубопровод, анализ напряженно – деформированного состояния, что в итоге позволит сделать подсчёты надежности и ресурса.В настоящее время широкое развитие получают численные методы, позволяющие значительно расширить класс и постановку решаемых задач за счет более полного учета реальных условий нагружения и свойств используемых материалов. Среди этих методов наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). К достоинствам МКЭ следует отнести и минимум требований к исходной информации, и оптимальную форму результатов. Учет температурного влияния и работы конструкции не вносит в реализацию метода принципиальных затруднений.Исходные информационные данные: участок категории 1; мм; = 1024 мм; мм; ; ; =2000 м; =9466 Н/м; =19 Н/м; = 3620 Н/м; = 0; ; ; ; L=350м; глубина водоема =7,4м; = 1,0м; грунт суглинистый, k=0,4.При расчете устойчивости против всплытия подводного трубопровода, пересекающего реки, желательно учитывать вертикальную и горизонтальную составляющие силового гидродинамического воздействия потока воды на трубу в ходе укладки трубопровода на дно траншеи.Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия на единицу длины трубопровода:,(3.1)где - гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным потоком; - средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, м/с.Коэффициент определяется в зависимости от числа Рейнольдса:(3.2)где v – кинематическая вязкость воды, v =.,для офутерованного трубопровода:.И в том, и другом случае, = 1,0; = 0,66.Вертикальная составляющая воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода рассчитывается по формуле:,(3.3)где - гидродинамический коэффициент подъемной силы, остальные параметры те же, что и в формуле (3.1). Коэффициент зависит от числа Рейнольдса и определяется (для гладких труб) по графику, приведенному вТребуемый вес балластировки в воде будет определятся по следующей формуле:(3.4)где - коэффициент надежности по нагрузке (0,9 – для железобетонных грузов);- коэффициент надежности устойчивости положения трубопровода против всплытия. принимаемый равным для участков перехода через болота. поймы. водоемы при отсутствии течения. обводненные и заливаемые участки в пределах ГВВ 1%-й обеспеченности – 1,05.- расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод, = 9466 Н/м; - расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода соответственно рельефу дна траншеи, = 19 Н/м; - расчетный вес единицы длины трубопровода в воздухе с учетом изоляции при коэффициенте надежности по нагрузке, 3620 Н/м; - нагрузка от веса перекачиваемого продукта, = 0;Вес балластировки в воздухе определяется по формуле:(3.5)где - удельный вес материала пригрузки.Значение коэффициента k для трубопровода, покрытого сплошной деревянной футеровкой приведены в таблице 3.1. Для суглинистого грунта, k = 0,40.Таблица 3.1 - Значения коэффициентов трения трубы о грунтХарактеристика грунтаkХарактеристика грунтаkСкальные грунты0,65Пески мелки и супеси0,45Пески крупные и гравелистые0,55Илистые и суглинистые грунты0,40При укладке подводных трубопроводов необходимо производить проверку устойчивости трубы против смятия под действием внешнего гидростатического давления воды по формуле:(3.6)где - средний диаметр трубы, - глубина водоёма; - глубина заложения трубопровода до верхней образующей.,соответственно, устойчивость трубы против смятия обеспечивается.2.2. Нахождение параметров балластировки трубопроводаБалластировка подводных трубопроводов в пределах участка подводно-технических работ выполняется кольцевыми чугунными и железобетонными грузами, жестко фиксируемыми на трубопроводе или сплошным обетонированием.Расстояние между одиночными чугунными и железобетонными грузами рассчитывается по формуле:где - средняя масса одного груза.При балластировке одиночными кольцевыми железобетонными грузами УТК 1020-24-2, масса одного груза на воздухе составляет 4048 кг.м.Число пригрузов, необходимое для балластировки участка трубопровода длиной L, определяется по формуле:Дробное число N округляется в большую сторону до ближайшего целого числа.Если предусматривается балластировка сплошным слоем бетона, то диаметр обетонированного трубопровода можно рассчитывать по формуле:Толщина слоя бетона:2.3. Нахождение параметров укладки подводного трубопровода на дно траншеи протаскиванием на первой и четвертой стадияхИсходные информационные данные берем из первого примера. Дополнительно: ; = 12 кПа; балластировки произведена кольцевыми железобетонными пригрузами УТК 1020-24-2, толщина груза (t = 0,2 м; м; м; ; .Существует несколько открытых способов и схем укладки трубопроводов в подводные траншеи. Отметим три основных способа: протаскиванием по дну, погружение с поверхности воды или с поверхности льда зимой и погружение с плавучих средств последовательным наращиванием секций трубопровода.Данная курсовая работа предусматривает рассмотрение и расчет параметров укладки подводного трубопровода на дно траншеи методом протаскивания по дну.Основным параметром укладки трубопровода в проектное положение протаскиванием по дну подводной траншеи с помощью заранее уложенного в неё троса является усилие протаскивания . Оно зависит от способа балластировки, вида спусковой дорожки, стадии протаскивания и др.Первая стадия: трогание трубопровода с места по грунтовой дорожке.В случае если балластировка выполняется одиночными пригрузами:(5.1)где f – коэффициент трения трубопровода о грунт при продольном перемещении, который можно в первом приближении принять равным тангенсу угла внутреннего трения грунта , f =;G – общий вес офутерованного трубопровода в воздухе, равный:(5.2)L – длина протаскиваемого трубопровода, 350м;- расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода, = 3620 Н/м ;- расчетная интенсивность балластировки в воздухе, = 7569 Н/м- расчетная нагрузка от собственного веса футровки:,(5.3)где - удельный вес деревянной футеровки, - 7600 ;Н/м.Определим вес офутерованного трубопровода в воздухе по формуле 5.2:С – сопротивление трубопровода сдвигу, обусловленное сцеплением грунта:,(5.4)- длина части трубы, врезавшейся в грунт, ориентировочно принимаемая равной ;кН. - пассивный отпор грунта движению пригрузов.Пассивный отпор грунта найдем из выражения:(5.5)где N – число пригрузов на трубопроводе, N = 136;i – длина хорды той части пригруза, которая погружена в грунт:(5.6)t – толщина пригруза, t =0,2 ;- удельный вес грунта в воздухе,;- сцепление грунта, = 12 кПа ;Определим пассивный отпор грунта по формуле 5.5 :Определим усилие протаскивания по формуле 5.1:Переходим к четвертой стадии: трогание трубопровода с места после временной (более одного часа) остановки протаскивания.Принимаем При балластировке одиночными грузами :(5.7)где - коэффициент трения трубопровода о грунт в воде ориентировочно; - общий вес протаскиваемого трубопровода в воде(5.8)Определим общий вес протаскиваемого трубопровода в воде по формуле 3.8: - площадь поверхности контакта трубопровода и пригрузов с грунтом; - пассивный отпор грунта в воде, находимый по формуле:(5.9)Определим усилие протаскивания по формуле 5.7:Результаты подсчётов усилия протаскивания по формулам 5.1 и 5.7 показывают, то на первой стадии протаскивания по грунтовой дорожке значение превышает технические возможности самой мощной лебедки ЛП -15, даже при использовании подвижного блока. Для уменьшения используем рельсовую спусковую дорожку ОСД-3 с собственным весом одной, тележки =13 кН, коэффициентом трения качения = 0,0012 м; радиусом колеса тележки = 0,4 м, радиусом оси тележки = 0,09 м, грузоподъемностью 250 кН.Значительного уменьшения можно добиться, используя рельсовую спусковую дорожку. В этом случае усилие протаскивания определяется по формуле,(5.10)где kТм – коэффициент трогания трубопровода с места, равен 1,5-2,0;Т1 – сопротивление, создаваемое трением качения колеса тележки по рельсам;Т2 – сопротивление, создаваемое трением скольжения в подшипниках осей тележки;Т3 – дополнительное сопротивление, создаваемое трением реборд колес о рельсы при движении;Т4 – сопротивление, создаваемое тернием тягового каната о грунт.Определим сопротивление, создаваемое трением колеса тележки по рельсам(5.11)где Gт – вес тележки;Gг.т – грузоподъёмность тележки;fк – коэффициент трения качения;Rт – радиус колеса тележки;Определим сопротивление, создаваемое трением скольжения в подшипниках осей тележки(5.12)где fc – коэффициент трения скольжения, fc = 0,05;rТ – радиус оси тележки;Определим дополнительное сопротивление, создаваемое трением реборд колес о рельсы при движении(5.13)Т3= 0,5(0,06173+0,2527)= 0,1572 кН/м.Определим сопротивление, создаваемое трением тягового колеса о грунт, принимая канат для лебедки ЛП-151 диаметром 60,5 мм:,(5.14)где qк – погонный вес тягового каната, qк = 140 Н/м;fк.н – коэффициент трения каната о грунт, fк.н = 1,0.Определим усилие протаскивания по формуле 3.10:Определим расчетной тяговое усилие Тр: (5.15)где - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1, при протаскивании лебедкой;Для четвертой стадии протаскивания по той же формуле:Очевидно теперь, можно заменить лебедку ЛП -151 на ЛП – 1А с тяговым усилием Ттяг=720 кН. В обоих случаях условие .2.4 Исследование надёжности напряжённо-деформированного состояния перехода Для решения данной задачи в программе ANSIS принимается ряд допущений: - учитываются только постоянные нагрузки;- погодные условия не учитывают;- скорость течения реки не учитывается. После принятия допущений на рассматриваемом подводном переходе действуют следующие силы:- нагрузка, возникающая от собственного веса трубопровода;- нагрузка, возникающая от веса изоляции;- нагрузка, возникающая от веса перекачиваемого продукта;- нагрузка, вызванная давлением выше лежащего слоя воды,- архимедова сила.[3]Действие всех сил можно представить как равномерно распределенную нагрузку (рис. 10), что позволяет упростить задачу и провести расчет напряженно-деформированного состояния в программе ANSIS.[4]^ Рис.10 – Равномерно распределенная нагрузка. Изменение геометрии трубопровода при длительной эксплуатации в условиях предельного состояния подводного перехода меняет напряженно-деформированное состояние (НДС), что предопределяет неоходимость полного анализа величины НДС с учетом физической и геометрической нелинейности системы «труба-вода».Для определения в стенке трубы напряжений, превышающих допустимые, и установления диапазона изменения численных характеристик ходов, влияющих на изменения формы, проводится расчет напряжений (на прочность), возникающих при предельной эксплуатации трубопровода, с помощью программного продукта ANSIS применительно к эксплуатации трубопроводов подводных переходов. При этом принимаются допущения, соответствующие наиболее простому из возможных вариантов взаимодействию трубы и контактирующего с ней воды: в начале и конце трубопровода отсутствуют перемещения по оси У.