CC BY
29
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ НА УЧАСТКАХ ДЕЙСТВИЯ НАЗЕМНОЙ НАГРУЗКИ
Анализ условий эксплуатации трубопроводов нефтегазовой отрасли показывает, что в результате антропогенной деятельности и изменения ситуации в местах их прокладки принятые в годы его сооружения конструктивные решения зачастую не отвечают современным требованиям надежности и безопасности. Специфика указанных изменений обусловлена, прежде всего, возникновением значительных дополнительных нагрузок на подземный трубопровод от транспортной техники и всевозможного тяжелого наземного оборудования.
Под действием наземной нагрузки подземный трубопровод изгибается, что приводит к появлению в стенке труб продольных механических напряжений, в ряде случаев превышающих нормативные значения. Высокие механические напряжения повышают вероятность возникновения аварий с потерей герметичности трубопровода и выходом перекачиваемого продукта в окружающую среду с тяжелыми экологическими последствиям и возникновением пожароопасности.
Отметим некоторые особенности трубопроводной сети нефтегазовой отрасли. Трубопроводы являются линейно-протяженными сооружениями. Диаметры трубопроводов достигают до 1 420 мм. По трубопроводам перекачиваются жидкие и газообразные продукты, в т.ч. продукты, вредные для окружающей среды. В ряде трубопроводов внутреннее давление продукта достигает 10,0 МПа и более. Температура перекачиваемого продукта может иметь разные значения, достигающие в ряде случаев 80 С°. Основной конструктивной схемой укладки трубопроводов является подземная. Трубопроводы прокладываются в самых разнообразных топографических, геологических, гидрогеологических и климатических условиях. Они пересекают значительное количество железных и автомобильных дорог. Трубопроводы укладываются также под проезда-
ДУДНИКОВ Юрий Владимирович,
кандидат технических наук, руководитель Росприроднадзора РБ
ми, на территориях заводов и других промышленных предприятий.
В последние годы интенсивно развивается сеть трубопроводов газоснабжения в сельских населенных пунктах. Имеется большая сеть промысловых трубопроводов в подземном исполнении. Они часто пересекают автомобильные дороги без специальных несущих покрытий, по которым движется тяжелая колесная и гусеничная транспортная техника. При выполнении работ по техническому обслуживанию и ремонту подземных трубопроводов производится вскрытие экскаваторами; тяжелая ремонтная техника переезжает подземный трубопровод. Все это требует исследования и решения проблем обеспечения целостности и сохранности подземных трубопроводов в условиях действия наземных нагрузок.
Следует отметить, что подземные переходы магистральных трубопроводов через кате-горийные автомобильные дороги, согласно действующим нормам и правилам [1], относятся к участкам первой или второй категории и сооружаются из труб с увеличенной толщиной стенки с целью обеспечения их прочности и надежности. Несмотря на это, иногда возникают про-
24
Ю.В. Дудников
блемы обеспечения прочности трубопроводов на указанных переходах из-за высоких механических напряжений в стенке труб, что связано с увеличением масс транспортных средств по сравнению с данными, заложенными при проектировании трубопровода, и сооружением новых дорог, пересекающих действующие магистральные трубопроводы, которые не учитывались на стадиях проектирования и строительства. Во всех вышеуказанных случаях требуется оценка уровня продольных механических напряжений в стенке подземного трубопровода с учетом действия не учтенных при проектировании наземных нагрузок. С целью решения указанной задачи были проведены исследования напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов под действием наземных нагрузок.
Трубопровод рассматривается как достаточно длинная гибкая балка, находящаяся под действием вертикального усилия от наземной нагрузки, изменяющейся с ростом перемещения усилий продольного и отпора грунтового основания.
Задача решена с использованием дифференциального уравнения четвертого порядка изгиба трубопровода [2]. При этом учтен тот факт, что изгиб трубопровода приводит к возникновению дополнительных продольных растягивающих усилий. Продольное усилие N в равновесном состоянии трубопровода после его прогиба зависит от начального продольного усилия Х0, возникающего из-за разности температур металла трубопровода при сооружении и эксплуатации, давления перекачиваемого продукта, величины прогиба трубопровода и продольных перемещений участков, прилегающих к нагруженному участку. В зависимости от значений начального продольного усилия и прогиба трубопровода суммарное продольное усилие может быть растягивающим, сжимающим и равным нулю. Проведены исследования всех этих возможных вариантов.
По результатам решения задачи получены аналитические выражения для максимального изгибающего момента М, продольного усилия N и максимального прогиба у трубопровода в виде
V =
Чо
а4 ЕЕ
V,
(3)
где Ч о - максимальное значение распределенного усилия, возникающего в результате действия наземной нагрузки и действующего на единицу длины трубопровода;
@ - модуль упругости материала трубы;
Е - момент инерции сечения трубы;
ш, а , — , - соответственно, безразмерные параметры изгибающего момента, продольного усилия и прогиба, определяемые в зависимости от нагрузок, действующих на трубопровод, геометрических характеристик трубопровода и свойств грунта.
Максимальное значение усилия, действующего на подземный трубопровод , определяется в зависимости от значений и вида наземной нагрузки (сосредоточенной или полосовой), характера распределения напряжения в грунте, возникающего от действия наземной нагрузки, глубины заложения и диаметра трубопровода. Параметр определяется в зависимости от вида и параметров наземной нагрузки, глубины заложения трубопровода. С учетом рекомендаций работ [3, 4] нами получены расчетные формулы для определения Ц0 и а.
Получены также расчетные формулы для определения параметров изгибающего момента ш, прогиба V и продольного усилия а . В зависимости от знака суммарного продольного усилия N (растягивающего или сжимающего) расчетные формулы для параметров ш, V и а будут различны. Так, для случая действия продольных сжимающих усилий X, выражения для
определения параметров а и — имеют вид
1
ф
1 + а + к
1
1 + к
0,5
(05 _ а)
-1
V 2
1 + а + к
1 + а - к
0,5
'к(к°'5 - а)]
+1
(4)
(5)
М = ^ © 0 а
N = аа ЕЕ
(1)
(2)
где к - безразмерный параметр сопротивления грунтового основания поперечным перемещениям (прогибу) трубопровода.
Охрана окружающей среды при проектировании..
25
В формулах (4) и (S) параметр X > 0,25 a2 и определяется по формуле
k =
К 9
a # EJ '
(6)
где к0 - коэффициент пропорциональности при сжатии грунтового основания; О - наружный диаметр трубы. Параметр продольного усилия в условиях действия сжимающего усилия N будет
a 2 р0 - zv ,
где
Д) =
I o
a2 EJ '
(U)
(8)
безразмерный параметр, определяемый в зависимости от исходных параметров наземной нагрузки, геометрических характеристик труб и физико-механических характеристик грунта, окружающего подземный трубопровод. Для определения 2 получена расчетная формула.
В соответствии с требованиями [I] на основе полученных нами аналитических зависимостей разработана методика расчета на прочность подземного трубопровода, находящегося под действием наземной нагрузки.
Разработанная методика расчета позволяет анализировать закономерности влияния исходных данных по нагрузкам и параметрам укладки трубопровода на перемещения и изгибающий момент, а также определять продольные напряжения в трубопроводе, находящемся под действием наземной нагрузки.
Анализ показал, что изгиб подземного трубопровода от действия наземных нагрузок значительно повышает уровень суммарных продольных напряжений, в ряде случаев превышающих нормативные. На напряжения и прогиб трубопровода при конкретно заданной наземной нагрузке существенное влияние оказывает коэффициент пропорциональности к0, т.е. сопротивление грунта перемещениям трубопровода. Наибольшие перемещения характерны для трубопроводов, уложенных в слабонесущих грунтах.
Подземные трубопроводы, если это допустимо из условия прочности, укладывают с упругим изгибом по рельефу местности. Анализ показывает, что на вогнутых участках под действием наземной нагрузки на проездах через подземные трубопроводы происходит повышенный прогиб с появлением значительных напряжений изгиба по сравнению с прямоли-
нейными участками. Причем уменьшение радиуса упругого изгиба приводит к росту прогиба и напряжений в трубопроводе. В случае больших значений сопротивления грунтового основания прогибу трубопровода начальная кривизна влияет на напряжения и прогиб в меньшей степени, чем в слабонесущих грунтах. Наличие начальных продольных растягивающих усилий в трубопроводе уменьшает его прогиб под действием наземной нагрузки. Наличие же начальных продольных сжимающих усилий приводит к росту прогиба трубопровода.
Увеличение глубины заложения подземного трубопровода значительно снижает напряжения и прогиб трубопровода. При этом имеется определенная закономерность. Так, в среднем увеличение глубины заложения от 60 до 80 см снижает напряжение в 1,2 раза, а от 100 до 120 см - в 1,1 раза.
Эффективным мероприятием по снижению напряжений изгиба является размещение сосредоточенных наземных нагрузок на несущих плитах. Например, размещение тяжелого оборудования или механизма на несущих плитах размером ЗхЗ м позволяет снизить напряжения изгиба в подземном трубопроводе в 1,4 раза и более.
Разработанная методика расчета на прочность подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок с использованием полученных нами аналитических зависимостей позволит установить влияние параметров наземных нагрузок, условий сооружения и эксплуатации трубопроводов на их прочность. На основе установления влияния указанных параметров на прочность подземных трубопроводов возможно принятие таких конструктивных решений, при которых достигаются нормативные требования по прочности, обеспечиваются сохранность и целостность трубопровода, тем самым охрана окружающей среды.
Литература
1. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы / Минстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1997.
2. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. -М.: Недра, 1970.
3. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. -М.: Издательство литературы по строительству, 1969.
4. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. - М.: Недра, 1976.
