CC BY
175
---------------------------------- © П.В. Бурков, С.П Буркова,
А.В. Кузнецов, 2011
УДК 622.692.4
П.В. Бурков, С.П. Буркова, А.В. Кузнецов
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ В МЕРЗЛОМ ГРУНТЕ НА СИЛЬНО ОБВОДНЕННЫХ УЧАСТКАХ ТРАССЫ
Целью работы является изучение поведения и исследование напряженно-деформированного состояния трубопровода в мерзлом грунте на сильно обводненных участках трассы. Под действием сил морозного пучения, действующих вертикально снизу вверх, трубопровод меняет свое геометрическое положение. Результаты исследований показали, что в трубопроводе возникают напряжения, которые переменны по длине трубы. Участки трубопровода, прилегающие к участкам плотного грунта, характеризуются повышенным уровнем напряжения.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, пучение грунта, мерзлый грунт, сильно обводненные участки, напряжение.
И И ри определении работоспособности трубопроводов За-
-Ж.Л. падной Сибири необходимо проанализировать механическое взаимодействие трубы с вечномерзлым грунтом. При этом требуется количественно оценить пучение мерзлых грунтов на напряженно-деформированное состояние конструкции[1].
Целью данной работы является изучение поведения трубопровода в мерзлом грунте на сильно обводненных участках трассы, а также исследование его напряженно-деформиро-ванного состояния.
Оттаивание и неравномерные осадки, кареты, провалы - лишь одна группа неблагоприятных для работы трубопровода факторов. Вторая группа - это факторы, обусловленные вмерзанием труб в замерзающий - оттаявший грунт.
Часто возникают вертикальные перемещения конструкции, причем как в зимнее, так и в летнее время на сильно обводненных участках трассы наблюдается вспучивание грунта и появление равномерно распределенных вдоль газопровода - сил морозного пучения, действующих на газопровод вертикально снизу вверх, как показано на рис. 1 [2].
При образовании ледяного покрова 3 вокруг газопровода капиллярные силы и силы адсорбции на поверхностях минеральных частиц приводят к тому, что лед в капиллярах образуется при более высоком давлении, чем в «свободной» воде. Разность между этими двумя давлениями тем выше, чем меньше размеры пор. Это означает что разность давления между льдом и водой в замороженном грунте тем выше, чем ниже температура грунта.
Таким образом, давление льда фактически обусловливает давление вспучивания, воздействующее на весь объем грун-та.Давлению льда противодействует сила веса грунта 1и сопротивление разрыву и сжатию грунта. Основная особенность процесса вспучивания это результатразности высокого давление во льду 3 и низкого давления в «свободной» воде 6, а именно процессов в мелкопористой структуре, а также специальных свойствах льда и воды в порах грунта и вокруг них. Ограниченная поверхность раздела фаз вода-лед-грунт обусловливает более высокое давление льда, когда в смежной фазе, т.е. в воде, поддерживается более низкое давление. Более низкое давление в воде, соседствующей со льдом в порах грунта, обеспечивает постоянный приток воды. Причем силы, способные вытянуть адсорбированную воду из водонасыщенного грунта даже при температуре -1 °С, очень велики и способны вытолкнуть воду на высоту 120 м [3].
Максимальную величину нормальных сил морозного пучения можно оценить исходя из величин давления, которые развивают кристаллы льда при стесненном замерзании воды. Как известно, максимальное давление будет развиваться лишь в условиях полной невозможности расширения воды при ее замерзании. Это давление,
Рис. 1. Зависимость касательных напряжений и перемещений: 1 - силы веса грунта, 2 - трубопровод с природным газом с температурой 3°С, 3 - образование льда в замерзшем грунте, 4 - граница замерзшего грунта = 0°С), 5 - силы расширения, образовавшиеся при втягивании воды в зону замерзания и ее замораживании, 6 - грунтовая вода, 7 - сила морозного пучения
по данным физики, при температуре 1 = -22 °С измеряется величиной, порядка 211 МПа. При температуре же выше -22 °С давление будет значительно меньше. Для оценки величин давления, которые могут возникать при замерзании воды без возможности ее объемного расширения при температурах выше -22 °С, можно воспользоваться эмпирической зависимостью Бриджмена-Таммана[4]: p = 1 +12,7* - 0,159*2, (1)
где р - давление в толще льда, МПа; * - абсолютное значение величины отрицательной температуры, °С.
Однако отмеченные давления могут сформироваться лишь при замораживании воды в жестком закрытом со всех сторон сосуде. При замерзании же воды в грунтах фактическое возникающее давление будет меньше приведенных величин. Как показывают расчеты (даже в условиях, благоприятных для развития нормальных сил пучения), если замерзание грунтов будет происходить при температуре, близкой к -0,01 °С, что имеет место в песчаных и вообще в крупнозернистых грунтах, то, учитывая величину атмосферного давления, уже при добавочном внешнем давлении на грунт, равном примерно 0,127 МПа, теоретически не должно возникать нормальных сил морозного пучения, так как грунт не будет промерзать. Для других же грунтов (дисперсных глинистых), имеющих более низкую температуру замерзания перовой воды, давление растущих кристаллов льда (при благоприятных условиях) может достигать значительной величины
- до 2...8 МПа.
Поставленная задача об определении нормальных сил морозного пучения в настоящее время в полном объеме не имеет аналитического решения, поэтому решается экспериментально. Чтобы получить равномерно распределенную нагрузку на газопровод от сил морозного пучения, направленную вертикально, снизу вверх, необходимо величину нормальной силы умножить на наружный диаметр оболочки. Касательные силы морозного пучения являются результатом действия грунтов, замерзающих у боковых граней конструкции, и имеют направление по касательной к поверхности, соприкасающейся с замерзающим грунтом.
Изменение геометрии трубопровода при длительной эксплуатации в условиях мерзлых грунтов меняет напряженно-деформированное состояние (НДС), что предопределяет необходи-
мость полного анализа величины НДС с учетом физической и геометрической нелинейности системы «труба-грунт».
Для определения в стенке трубы напряжений, превышающих допустимые, и установления диапазона изменения численных характеристик процессов, влияющих на деформацию, проводится расчет напряжений (на прочность), возникающих при выпучивании трубопровода, с помощью программного продуктаANSYS применительно к эксплуатации трубопроводов в мерзлых грунтах на сильнообводненных участках.
Исследуется схема подъема участка трубопровода со следующими параметрами: наружный диметр 1020 мм, толщина стенки -12 мм, длина -12 м. Трубопровод изготовлен из трубной стали 17Г1С. При этом принимаются допущения, соответствующие наиболее простому из возможных вариантов взаимодействию трубы и контактирующего с ней грунта:в начале и конце трубопрово-даотсутствуют перемещения по осиY.
На рисунках2 и 3 показан результат расчета действия касательных сил научасток трубопровода, полученный с помощью программы ANSYS, а на рисунках 4 и 5 показана интерпретация данного результата в графическом виде.
у
. 1 I
Рис. 2. Напряжения по Мизесу
о „ш><)У4 .:го>!П ..гит. -'л'льт*
кумгм .. «и *»л.х ..:мшм .хч»!*» -й!»5зя
Рис. 3. Деформации по оси У, возникающиепри выпучивании участка трубопровода
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ц м
Рис. 4. Распределение деформаций (Ь) по длине (Ь)участка трубопровода
О 2 4 б 8 10 12 14
им
Рис. 5. Распределение напряжений (о) по длине (Ь)участка трубопровода
Полученные и представленные на рис. 5 результаты позволяют сделать следующие выводы:
- изменение значений напряжений, возникающих при выпучивании трубопровода, может достигать величин, близких к пределу текучести стали, что снижает уровень надежности трубопровода;
- величина напряжений переменна по длине трубы. Участки трубопровода, прилегающие к участкам плотного грунта, характеризуются повышенным уровнем напряжения;
- изменение условий взаимодействия трубы с грунтом усложняют процессы деформации, что вызывает необходимость более детального исследования напряженно-деформирован-ного состояния нефтепровода с учетом различных физико-механических свойств грунта.
Статья выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» НА 2009-2013 гг. ГК № П1404 от 03.09.2009 г. проект «Исследование физико-механичес-ких процессов взаимодействия породоразрушающего инструмента с обрабатываемой средой при бестраншейной прокладке трубопроводов методом наклонно-направленного бурения».
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федоров Ю.Ю., Савнина А.В. Напряженно-деформированное состояние подземных газопроводов в условиях многолетней мерзлоты / Ю.Ю. Федоров, А.В. Савнина // Нефтегазовое дело. - 2008. - № 1 - (http://www.ogbus.ru).
2. Механика грунтов /Текст]: В.Е. Шутов, Г.Г. Васильев, Ю.А. Горяинов, А.Д. Прохоров, Л.С. Чугунов. - М.: из-во «ЛОРИ», 2003. - 128 с.
3. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения [Текст]. - М.: Наука, 1974. - 640 с.
4. Будзуляк, Б.В. и др. Ремонт линейной части магистральных газопрово-дов[Текст] / Б.В. Будзуляк// Газовая промышленность. - 1999. - № 11. - с.33-36.
И'.ГЛИ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------
Бурков П.В. - доктор технических наук, профессор,
Буркова С.П. - кандидат технических наук, доцент,
Кузнецов А.В. - магистрант,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, e-mail: burkovpv@mail.ru
