CC BY
23
© К.Г. Калмыкова, П.В. Бурков, С.П. Буркова 2012
К.Г. Калмыкова, П.В. Бурков, С.П. Буркова
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА В УСЛОВИЯХ ОСАДКИ СЛАБОСВЯЗАННЫХ ГРУНТОВ
Проведено исследование напряженно-деформированного состояния участка магистрального газопровода в условиях осадки слабосвязанных грунтов с использованием программного комплекса А^УБ. Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, газопровод, осадка грунта.
Объективными особенностями газопроводной сети России являются сложные природно-климатические условия эксплуатации, оказывающие негативное воздействие на функционирование газопроводов, что увеличивает риск экологической и технической безопасности. В процессе эксплуатации газопроводов в результате действия нагрузок, не предусмотренных проектом, могут возникать различные, в том числе и существенные, отклонения напряженно-деформированного состояния (НДС) от проектного. К существенному изменению НДС может приводить изменение пространственного положения газопровода [1]. Этому способствует осадка грунта, которая возникает за счет заполнения пустот, оставшихся после завершения возведения насыпи: уплотнение за счет оттока излишней влаги; уплотнение — под действием веса самого грунта и вибрации газопровода. Это, в свою очередь, приводит к большему искривлению труб, их перенапряжению и в итоге — к повреждению газопровода в виде разрывов сварных стыков и свищей в стенках трубы, для устранения которых необходимо проведение ремонтных работ с остановкой газопередачи. Кроме того, каждое такое повреждение, в зависимости от его характера, может привести к значительным потерям газа [2]. Отказы по этой причине наиболее часты на газопроводах, уложенных в так называемых слабых грунтах [3]. Определение НДС подземных магистральных газопроводов от эксплуатационных нагрузок и воздействий неминуемо будет развиваться с
использование расчета совместной работы трубы и грунтового основания [4].
Целью данной работы является изучение поведения газопровода в условиях осадки слабосвязанных грунтов, а также исследование его напряженно-деформированного состояния.
Рассмотрим участок подземного прямолинейного газопровода. Допустим, что он уложен в сухой грунт, который в период расчетного срока эксплуатации не будет обводнен. В этом случае вертикальное перемещение (осадка) происходит в результате уплотнения грунта под трубой. Она, как показывают расчетные данные, оказывается ничтожной, так как давление на грунт, определяемое массой трубы, не превышает 0,5 Н/см2, и учитывать ее влияние на изменение положения газопровода по сравнению с первоначальным его положением нет необходимости.
Допустим, что газопровод уложен в слабом водонасыщен-ном грунте или периодически затапливаемой территории. В водонасыщенном грунте осадка определяется в предположении уплотнения грунта под трубой. Из механики грунтов известно, что полностью водонасыщенный грунт можно рассматривать как двухфазную систему, уплотняемость которой определяется отфильтровыванием воды из пор скелета грунта под воздействием уплотняющей нагрузки [3].
а
б
\у
х
Рис. 1. Перемещение типа осадки: а — общий вид; б — схема
Пусть предельная осадка газопровода 5пр. Эта осадка называется стабилизированной. На рис. 1 Бпр по длине трубопровода показана пунктирной линией. Если бы слабый грунт равномерно распределялся по всей длине газопровода, то и осадка была бы по всей длине одинакова. Однако на практике наиболее характерно чередование слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несущей способностью. На последних, как уже отмечалось, осадка практически равна нулю. В середине участка слабого грунта осадка могла бы достичь предельного значения Бпр. Газопровод на участке 1 изгибается, как показано на рис. 1. Поскольку удлинение труб возможно только вследствие их растяжения на участке 1 и прилегающих к нему участках 11 и 12, то в трубах появляется растягивающая продольная сила Р, и участок 1 начинает работать как жесткая нить. Действительная осадка Б оказывается существенно меньше Бпр [3]. В трубах появляются напряжения от продольной силы, изгиба под действием давления вышележащего грунта, веса самой трубы с изоляцией и перекачиваемого продукта, действующего внутреннего давления и температурного перепада стенок трубы.
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 осадке газопровода, с помощью программного продукта ДИБУБ.
Исследуется схема опускания участка газопровода со следующими параметрами: наружный диаметр — 530 мм, толщина стенки трубы — 11 мм, длина — 12 м, рабочее давление — 9,0 МПа. Газопровод изготовлен из стали 17Г1С со следующими механическими характеристиками: предел кратковременной прочности ов — 490 МПа, предел текучести для остаточной деформации от — 350 МПа [5]. На газопровод, кроме рабочего давления, действуют следующие нагрузки: распределенная нагрузка от веса самой трубы с изоляцией, перекачиваемого газа и давления вышележащего грунта — яобщ, давление грунта снизу на газопровод —
Нагрузки, действующие на газопровод, рассчитываются согласно СНиП 2.05.06—85* «Магистральные трубопроводы» [6].
Рис. 2. Расчетная схема газопровода
Рис. 3. Напряжения, возникающие в газопроводе при осадке грунта
Принимаются допущения, соответствующие наиболее простому из возможных вариантов взаимодействию трубы и контактирующего с ней грунта: в начале и конце газопровода отсутствуют перемещения по оси X, давление грунта принято 20 % от действующей нагрузки сверху, не учитывается температурный перепад стенок трубы [7].
С учетом принятых допущений и схемой, изображенной на рис. 1, расчетная схема представлена на рис. 2.
На рис. 3 и 5 показан результат расчета участка газопровода, полученный с помощью программы ДИБУБ, а на рис. 4 и 6 показана интерпретация данного результата в графическом виде.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: • изменение значений напряжений, возникающих при осадке газопровода, может достигать величин, близких к пределу текучести стали, что снижает надежность газопровода;
Рис. 4. Распределение напряжений (а) по длине (I) участка газопровода
Рис. 5. Деформации, возникающие в газопроводе при осадке грунта
23456739 10 12
ы
Рис. 6. Распределение деформаций (Б) по длине (I) участка газопровода
• величина напряжений переменна по длине газопровода. Участки газопровода, расположенные в зоне перехода слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несушей способностью, характеризуются повышением напряжения;
• полученные результаты не дают полную картину для принятия проектного решения, необходимо детальные исследования напряженно-деформированного состояния газопровода с учетом физико-механических свойств грунта.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаркин Ф.И., Фомин В. А. Определение напряженно-деформированного состояния участков МГ, находящихся в непроектном положении // Газовая промышленность — 2008 №12 — с.40—43.
2. Балсон Ф.С. Заглубленные сооружения Статическая и динамическая прочность. — М.: Стройиздат, 1991. — 239 с.
3. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство). — М.: Недра, 1982, 384 с.
4. Димов Л.А. Деформационная способность грунтов и расчет подземных МГ // Газовая промышленность — 2008 №2 — с.82—85.
5. Марочник стали и сплавов (Ьй://шшш.Бр1ау.кЬагкоу.сот)
6. СНиП2.05.06—85*. Магистральные трубопроводы. — М: ГУП ЦПП, 1997.
7. Бурков П.В., Буркова С.П., Вертинская О.В. Исследование силовых факторов системы среда — трубопровод // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, — № 2. — с. 153—157. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Калмыкова Ксения Георгиевна — магистрант,
Бурков П.В. — доктор технических наук, профессор,
Буркова С.П. — кандидат технических наук, доцент, burkovpv@mai1.ru,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
