CC BY
79
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2018, №3, Том 10 / 2018, No 3, Vol 10 https://esj.today/issue-3-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/88SAVN318.pdf Статья поступила в редакцию 10.07.2018; опубликована 28.08.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:
Баширзаде С.Р., Овчинников И.Г. Прогнозирование поведения трубопроводных конструкций в сложных грунтово-геологических условиях. Часть 4. О взаимодействии трубопроводов с грунтом в сейсмически опасных зонах // Вестник Евразийской науки, 2018 №3, https://esj.today/PDF/88SAVN318.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Bashirzade S.R., Ovchinnikov I.G. (2018). Predicting the behavior of pipeline structures in complex soil and geological conditions. Part 4. About the interaction of pipelines with soil in seismically hazardous areas. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(10). Available at: https://esj.today/PDF/88SAVN318.pdf (in Russian)
УДК 539.3:539.4
Баширзаде Самир Рафаил оглы
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
Аспирант кафедры «Транспортное строительство» E-mail: [email protected]
Овчинников Игорь Георгиевич
ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Пермь, Россия ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», Пенза, Россия ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
Профессор кафедры «Транспортное строительство»
Доктор технических наук E-mail: [email protected]
Прогнозирование поведения трубопроводных конструкций в сложных грунтово-геологических условиях. Часть 4. О взаимодействии трубопроводов с грунтом в сейсмически опасных зонах
Аннотация. Данная статья, являющаяся четвертой частью серии статей, направленных на изучение поведения трубопроводных конструкций в сложных грунтово-геологических условиях, представляет собой обзор работ, направленных на изучение динамического поведения трубопроводных конструкций в сейсмически опасных зонах. В работе описан алгоритм нахождения рисков трубопроводных аварий в сейсмически опасных зонах; представлено уравнение сейсмической волны, которая распространяется в грунте, выражение для продольных и изгибных деформаций, формула для нахождения продольных динамических напряжений по требованиям существующих норм, зависимость для оценки деформаций грунтового массива; проанализированы работы отечественных и зарубежных ученых, занимающиеся данным направлением; приведена информация по отечественной и зарубежной нормативных базах. Учитывая большое количество влияющих на трубопроводную конструкцию факторов, для осуществления прогноза поведения необходимо применять обобщенную модель трубопровода. Она представляет собой совокупность моделей: трубопровода, как конструктивного элемента; влияния агрессивной среды; материала трубопровода; наступления предельного состояния; взаимодействия трубопровода с грунтом; нагружения трубопровода. Такой способ рассмотрения поведения трубопроводной
конструкции является реализацией подхода, когда трубопровод представлен в качестве сложной системы с рядом подсистем.
Ключевые слова: обобщенная модель трубопровода; аварийное состояние; сейсмическое воздействие; землетрясение; тектонический разлом
Введение
В первой статье данной серии статей [1] вопрос конструирования обобщенной модели трубопровода был представлен в качестве набора моделей (взаимодействие трубопровода с грунтом, воздействие агрессивной среды и т. д.). Анализ аварийности трубопроводов показал, что, согласно данным Ростехнадзора, основными причинами аварийных отказов магистральных трубопроводов (МТ) являются внешнее воздействие (17 %), дефекты оборудования/материала (30 %), коррозия (50 %). Требования к обобщенной модели трубопровода были изложены на базе изучения этих обстоятельств.
Модели, использующиеся при описании работы системы «грунт-трубопровод» описаны во второй статье, которая также относится к этому направлению [2]. Обычно взаимодействие грунта с трубопроводом происходит при продольном, поперечном горизонтальном, поперечном вертикальном движениях и закручивании. Эти перемещения описаны расчетными схемами с необходимой корректностью, которая описывает взаимодействие грунта с трубопроводом.
Проблемы учета коррозионного износа при построении моделей деформирования трубопроводов рассмотрены в работе [3]. Исследование предсказательной возможности рассмотренных моделей коррозионного износа показало, что все эти модели предсказывают приблизительно одинаковую глубину коррозии. Логистическая модель предсказывает несколько большую глубину коррозионного износа. Для прогнозирования коррозионного износа трубопроводных конструкций рекомендуется использовать различные модели. Для обеспечения надежности в расчет необходимо принимать модель с наибольшей глубиной коррозионного износа в конце периода прогноза.
Данная статья представляет обзор работ, направленных на изучение динамического поведения трубопроводных конструкций в сейсмически опасных зонах.
1. Оценка риска аварий в сейсмически опасных зонах
При установлении сейсмических нагрузок на трубопроводы существует значительная неопределенность, приводящая к неопределенности в величине и скорости потенциального смещения трубопроводов. Из-за этого при проектировании каждого конкретного участка пересечения трубопроводом тектонических разломов и сейсмически опасных зон необходимо учитывать индивидуальные особенности места пролегания МТ.
При проектировании и расчете подземного трубопровода также необходимо учитывать климатические особенности района, характер воздействия окружающей среды, грунтово-геологические и сейсмические условия. Вопросы динамического взаимодействия трубопроводов с грунтом при сейсмических воздействиях актуальны как для отечественной, так и зарубежной практики.
Развитие трубопроводной системы невозможно без высокого уровня надежности объектов. К необходимости совершенствования расчетного аппарата приводит совершенствование технологий проектирования и строительства трубопроводов, использование новых материалов, строительство в сейсмоопасных зонах [4].
В работе [5] представлен методический подход к оценке риска аварий МТ, пересекающих зоны сейсмической активности, основанный на необходимости корреляции вероятности возникновения на сейсмически опасных зонах аварий с частотой происхождения ущербообразующих землетрясений. В случае возникновения землетрясений, вероятность возникновения аварий на трубопроводах зависит от интенсивности событий. С помощью карт ОСР-97 (общего сейсмического районирования территории России) производится нахождение на анализируемых зонах частоты появления землетрясений различной интенсивности. Для иллюстрации в таблице 1 приведены данные о частоте аварий МТ на сейсмоопасных участках за пятилетний период.
Таблица 1
Аварии на МТ (2011-2015 гг.)
2011 2012 2013 2014 2015 Всего
Кол-во аварий, ед. 2 5 2 0 1 10
Протяженность, тыс. км 51,0 54,9 55,0 54,9 54,9 270,7
Важные факторы риска трубопроводных конструкций исследованы в научной, нормативной и методической литературе [6, 7, 8].
Процесс нахождения рисков трубопроводных аварий в сейсмически опасных зонах подразделяется на следующие этапы [5]: по картам ОСР-97 определяется частота появления землетрясений с разной степенью интенсивности (табл. 2) ^ по интенсивности события (табл. 3) [9] находится вероятность аварии на трубопроводе ^ в соответствии с картами ОСР-97 трубопровод делится на части с различными интенсивностями землетрясения ^ на участках с потенциальными аварийными ситуациями при интенсивностях по картам А, В и С определяется математическое ожидание длин участков ^ при реализации событий по картам ОСР-97 происходит вычисление условных вероятностей аварий на рассматриваемом трубопроводе ^ производится оценка риска аварий на трубопроводной конструкции с учетом возможной опасной ситуации по картам А, В, С ^ аварийные риски трубопроводов при сейсмическом воздействия равняется наибольшему значению ^ предполагая независимость событий вычисляется интегральный риск аварий МТ на сейсмоопасных участках.
Таблица 2
Частота возникновения землетрясений
Карты ОСР-97 А В С
Повторяемость сейсмического события, лет 500 1000 5000
Частота землетрясений, земл./год fA = 0,002 fB = 0,001 fc = 0,0002
Вероятность аварий на трубопроводах при землетрясениях Таблица 3
Интенсивность землетрясения, балл (MSK-64) 7 8 9 10
Вероятность Р(Т/С7) = 0,05 Р(Т/С8) = 0,15 Р(Т/С9) = 0,75 Р(Т/С10) = 0,95
Примечание: условные вероятности Р(Т/С7), Р(Т/С8), Р(Т/С9), Р(Т/С10) - вероятности наступления события Т (авария на трубопроводе при условии, что событие С (интенсивность землетрясения 7-10 баллов) уже произошло.
2. Обзор работ, направленных на изучение взаимодействия трубопроводных конструкций с грунтом на сейсмически опасных территориях
В 1937 году Герсеванов Н.М. публикует работу "Основы динамики грунтовой массы" [10], в которой подробно рассматриваются теоретические и экспериментальные аспекты процесса, происходящего в грунтах при динамических нагружениях. Приведены данные о
различном проявлении свойств грунтов при статических и динамических нагрузках. Эта работа вышла в свет во время бурного роста промышленного и гидротехнического строительства в стране и отвечала на многие вопросы, возникавшие при устройстве оснований и земляных сооружений. После ее появления коренному пересмотру подверглись учебные программы строительных вузов по курсу оснований и фундаментов. Механика грунтов представлена в виде синтеза теории упругости, теории сыпучих тел, теории фильтрации и физической теории грунтов, которая основана на экспериментальных исследованиях сил связности и гидродинамических явлений в грунте.
В 1957 году Клейн Г.К. издает книгу [11], посвященную основным вопросам расчета уложенных в земле труб из разных материалов. В ней рассмотрено действие различных нагрузок и влияние условий укладки, а также методика расчета труб по предельным состояниям в соответствии со СНиП. В основе предлагаемых методов были заложены современные для того времени достижения науки за рубежом и в СССР.
Взаимодействие грунтов и сооружений рассматривалось в работах Флорина В.А. [12] и Цытовича Н.А. [13], в которых опубликованы основные положения, зависимости и методы расчета напряжений по подошвам сооружений при заданной внешней нагрузке с учетом реологических особенностей грунтов. Однако в них не рассматривалось скоростное поведение системы «трубопровод-грунт при подвижках в зонах с тектоническими разломами.
На необходимость учета влияния скорости передачи нагрузки в грунте на подземную конструкцию, а также учета изменения реологических свойств грунта указано в 1968 году в работе Быховского В.А., Завриева К.С. и Медведева С.В. [14]. Рассмотренные в этой работе модели наиболее полно отражают различные свойства грунтов, приведены примеры негативных последствий не учета таких свойств грунтов как вязкость, динамические, релаксационные свойства и т. д. Коллектив авторов рассмотрел проблемы сейсмостойкого строительства и взаимодействия грунта и различных сооружений при сейсмическом (динамическом) взаимодействии.
Изучению взаимодействия грунтов и трубопроводных конструкций посвящен труд Бондаря Н.Г. [15], опубликованный в 1972 году. В этой работе автор подчеркивает невозможность расчета трубопровода вне связи их с грунтами, и что не учет действительных условий работы трубопроводов в грунтах приводит к заниженным расчетным нагрузкам и, как следствие, к аварийным ситуациям. На сегодняшний день трубопроводы не сооружаются без предварительных оценок продольных и поперечных перемещений труб в грунте, осадок, их изменений во времени. Отметим, что эти оценки не относятся к трубопроводам, подверженным динамическим воздействиям в зоне тектонических разломов ввиду отсутствия соответствующих методик расчета.
Рашидов Т.Р. в 1973 году предложил «сейсмодинамическую» теорию сейсмостойкости, которая была необходима для расчета сложных систем подземных трубопроводов с ответвлениями и включениями [16]. В монографии рассмотрено взаимодействие трубопровода и грунта вне зоны тектонического разлома при воздействии сейсмических волн, а также воздействие грунта на напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода при сейсмических воздействиях. При этом Рашидов Т.Р. не касается задачи взаимодействия грунта и трубопровода в зонах тектонических разломов при поперечных скоростных подвижках грунта.
Проблемы, схожие с проблемами, возникающими при рассмотрении взаимодействия трубопровода и грунта, появляются и при расчете тоннелей. В 1974 году в работе Львовского В.М. [17] рассматриваются колебания тоннеля в грунте и указывается на необходимость учета
вязкоупругого взаимодействия. Показано, что игнорирование подобного взаимодействия при расчете сооружения привело к несчастным случаям в подземных тоннелях Бостона.
В книге Самарина А.А. [18] изложены расчеты вибрации трубопроводов энергетических установок, рассмотрены источники вибрации трубопроводов, а также способы снижения колебаний трубопроводов до допустимых величин. В работе отмечено, что из-за высокоскоростного распространения волн по сооружению отдельные участки трубопровода, которые больше подвержены воздействию вибрации, могут выступать генератором колебаний.
В 1980 году в монографии Напетваридзе Ш.Г., Гехмана А.С. и Спиридонова В.В. [19] были обобщены и проанализированы материалы о последствиях ряда землетрясений. Рассмотрено воздействие грунтовых условий и капитальности объекта строительства на выбор расчетной сейсмичности, приведены сведения о механизме возникновения колебаний в рассматриваемых сооружениях. В то же время в данной работе не рассмотрены случаи строительства данных сооружений в зонах тектонических разломов.
Информация по сейсмическому влиянию на НДС трубопроводов, находящихся вне зоны с тектоническими разломами, представлена в работе Гехмана А.С., Зайнетдинова Х.Х. [20] (1988). В работе было отмечено, что наибольшую опасность при пересечении линий тектонических разломов представляют воздействующие на трубопровод поперечные нагрузки.
Во второй половине 20 века, как мы уже отметили, вопросами сейсмостойкости занимались Рашидов Т.Р., Хожметов Г.Х. [21, 22], Гехман А.С. [23], Болотин В.В., Напетваридзе Ш.Г., Мардонов Б., Мукурдумов Р.М., Спиридонов В.В., Ильин В.П. и другие ученые. По данным аналитического метода расчета, основанного на гипотезе «замороженной волны» [20], магистральные подземные и наземные трубопроводы представлены в качестве стержней, неподвижных по отношению к грунту, воспринимающих сейсмические волны в грунтовой среде, при динамических воздействиях. Уравнение сейсмической волны, которая распространяется в грунте, принимается в виде:
и — итахФ (t - X), (1)
где и - смещение точек грунта (трубопровода), итах - максимальное смещение грунта во время землетрясения, Ф - гармоническая функция, удовлетворяющая волновому уравнению, V - скорость движения фронта волны или фазовая скорость, t - время, х - координата рассматриваемой точки вдоль пути распространения волны.
Дифференцированием (1) можно получить выражение для продольных и изгибных деформаций. Так, для случая синусоидальной волны с круговой частотой ю, для описания продольных деформаций получаем:
ди ш
£ — — — — COS Ш ( t
дх тах V
(2)
поперечных
О д2и О Л х\ /оч
£ = = -и™* О Ы 5Ш (3)
здесь D - наружный диаметр трубопровода.
После преобразований (2) получим формулу для нахождения продольных динамических напряжений по требованиям существующих норм [24]:
±0,04т0к0кпасЕ0Т0 =---, (4)
С р
где m0 - коэффициент защемления трубопровода в грунте; к0 - коэффициент, учитывающий степень ответственности трубопровода; кп - коэффициент повторяемости землетрясения; ас - сейсмическое ускорение, см/с2; Е0 - модуль упругости, МПа; Т0 -преобладающий период сейсмических колебаний грунтового массива, с; ср - скорость распространения продольной сейсмической волны вдоль продольной оси трубопровода, см/с.
Согласно СП 36.13330.2012 поперечные деформации допускается не учитывать. В нормах США и Японии [6; 7], действующих на сегодняшний день, используется аналогичный подход к расчету трубопроводов на сейсмическое воздействие. Помимо продольных, производится учет поперечных волн и волн Рэлея.
Зависимость для оценки деформаций грунтового массива [8]:
где Vg - пиковая скорость грунта при землетрясении; а - коэффициент, зависящий от типа волн; С - скорость распространения волны. Соответствующие напряжения, обусловленные деформациями, вычисленными согласно выражению (5), эквиваленты напряжениям, вычисленным по выражению (4).
В работах Фотиевой Н.Н. [24] и Дормана И.Я. [25] данный волновой подход для расчета других протяженных сооружений, таких как тоннели мелкого и глубокого заложения.
В дальнейшем, были выполнены работы по совершенствованию указанной методики в части учета различного рода нелинейностей, например, деформация стыков, проскальзывание по грунту и т. п. [22, 26]. Отметим, что для решения задачи в нелинейной постановке необходимо использование численных методов, которые без специальных программных средств труднодоступны для большей части расчетчиков.
В работе Беляева А.К. [27] (2001 год) отмечается, то такая постановка задачи актуальна в случае однородных линейных участков сооружений. Локальные колебания могут появиться при различиях в геологических свойствах грунтов основания и при наличие конструктивных включений.
Среди зарубежных исследователей, занимающихся изучением динамических свойств грунтов, можно отметить работы японского ученого Ионина М.Ф. [28]. В его работе показано, что сопротивление грунтов динамическим нагрузкам превышает 1,5-2 раза сопротивляемость статическим нагрузкам.
Алгоритм проведения расчета подземных трубопроводных конструкций при наличии контактного взаимодействия с грунтовым массивом при конструктивной нелинейности излагается в работе Петрова В.А. [29]. Решение конструктивно нелинейной динамической задачи в объемной постановке методом прямого пошагового интегрирования по времени является основой методики. Проанализировано воздействие различных нелинейностей (структурные, физические) на кинематические характеристики и НДС трубопровода, находящимся под воздействием продольных сейсмических волн.
Проблема изучения поведения подземных трубопроводов при сейсмических воздействиях и в зонах активных тектонических разломов (АТР), была рассмотрена в линейной постановке за рубежом: Yu X. [30] (2004 г.), Jeffrey R.K., Douglas GH. [31] (2008 г.), Baum R.L., Devin L G., Edwin L H. [32] (2008 г.), Arya A.K., Shingan B., Prasad Ch. Vara [33] (2008 г.). В этих работах не были изучены вопросы изменения реологических свойств грунта и их влияние на величину нагрузок, передающихся на трубопровод. В зарубежной нормативной документации ASCE [34] (2001 г.), BS EN 1998 Eurocode 8 [35] (2004 г.), DNV-RP-D101 [36] (2008 г.), ASME
B31.4 [37] (2009 г.), ASME B31.8 [38] (2012 г.) так же, как и в отечественной, не рекомендуется подземная прокладка в зонах тектонических разломов, и отсутствуют методики определения НДС подземного трубопровода в зонах АТР.
В работе Пшеничкиной В.А., Муравьевой Л.В. и Овчинникова И.Г. [39] рассмотрены вопросы надежности трубопроводов с эксплуатационными повреждениями, особенностей работы трубопроводов в северных районах, дефекты и повреждения МТ, модели оценки техсостояния и ресурса газопроводов с учетом коррозионных эффектов.
Теоретические исследования Kouretzis G.P. [40] (2006 г.), Соколова В.Г. [41] (2011 г.), Соколова В.Г., Разова И.О. [42] (2013 г.) направлены на разработку методов расчета трубопровода в рамках методов теории оболочек. Это позволяет расширить круг рассматриваемых задач, ограниченных стержневой схематизацией, в том числе вопросы обеспечения устойчивости [43], актуальные для тонкостенных труб большого диаметра [30].
Анализ статических и динамических испытаний песчаного грунта представлен в IITK-GSDMA [44] (2007 г.) При сравнении статического упругого модуля из испытаний штампом с динамическим модулем при сейсмических испытаниях было выявлено, что отношение динамического модуля при малых деформациях к статическому упругому модулю равно 8,015. Из результатов исследований видно, что при высоких скоростях приложения нагрузок (динамическое нагружение) в первую очередь проявляются упругие характеристики грунта, что оказывает существенное влияние на нагрузки, передающиеся на сооружения, в том числе и на трубопроводы, и приводит к результатам, отличным от полученных при статическом нагружении.
A.M. Halabian, S.H. Hashemolhosseini, M. Rezaei в работе [45] (2008 г.) с помощью метода конечных элементов разработали 3D модель «грунт-трубопровод». Разработанная модель позволяет наблюдать полный цикл взаимодействия грунта с трубопроводом при землетрясении (рис. 1).
Рисунок 1. Деформация системы «грунт-трубопровод» при землетрясении [45] Страница 7 из 14
88SAVN318
Первые 7 секунд землетрясения связаны со статической нагрузкой. Видно, что после 8 секунды происходит значительное повышение напряжения грунта, что приводит к сильным деформациям в системе грунт-трубопровод. Значения максимальных напряжений при сдвиге грунта показано на рис. 2.
50
0 5 10 15 20 25 30 35
Время секунды
Рисунок 2. Максимальные напряжения при сдвиге грунта [45]
Одна из методик, используемая для расчета перемещений подземного трубопровода, приведена в работе Автахова З.Ф., Пионта П.Ю., Трушина Р.С., Галкина В.А. [46]. В соответствии с этой методикой грунт моделируется в виде упругого основания, при котором перемещения пропорциональны нагрузкам. Сопротивление ограничивается постоянной величиной, равной величине предельного сопротивления грунта. Аналогичный подход для статических и квазистатических задач также используется в некоторых зарубежных работах [34, 44].
Использованный в этих работах метод пригоден для статических расчетов трубопроводов в грунте. Однако этот метод не учитывает динамические нагрузки, возникающие при скоростных подвижках в зонах тектонических разломов, что вносит существенные погрешности в расчет трубопроводов, проложенных в этих зонах.
В публикации Мурзаханова Г.Х., Олейникова С.С. [47] (2008 г.) рассматривается методика оценки остаточного ресурса трубопровода. Эти же авторы в работе [48] (2008 г.), с использованием передовых численных методов подтвердили повышенную опасность указанных выше особых участков сооружений. Совместно с этим, не было получено каких-либо аналитических зависимостей, а только доказана обоснованность нормативных требований по недопущению жесткого примыкания к зданиям и массивным сооружениям [49].
Поведение трубопроводных систем в зонах АТР рассмотрено в работе Андреевой Е.В. [50] (2009 г.). В работе произведен анализ передовых технологий и нормативных требований к сооружению МТ, прокладываемых в сейсмически опасных зонах. Также выявлены недостатки существующих подходов достижения надежности трубопроводного транспорта и сформулированы главные задачи оценки несущей способности конструкций подземных МТ.
Работа Литовченко И.Н. [51] (2009 г.) была направлена на изучение грунтовых свойств под воздействием динамических нагрузок. В ней для различных типов грунтов показаны значения динамических и статических модулей упругости. Эти значения были получены по имеющимся экспериментальным данным. Отмечено, что под воздействием динамических нагрузок самые точные значения передачи нагрузки от грунта на сооружение дают упруго-вязкая и упруго-вязкопластическая модели.
В монографии Овчинникова И.Г., Наумовой Г.А. и Снарского С.В. [52] разрабатываются модели и методики расчета трубопроводов с различными эксплуатационными повреждениями. По приведенной в работе модели найдено решение вопроса косвенного контроля напряжений по интерпретации имеющихся натурных измерений с учетом априорной информации о деформации трубопроводной конструкции. Вопрос моделирования гофрообразования на трубопроводе также был рассмотрен.
Публикация Бережного Д.В., Кузнецовой И.С., Секаевой Л.Р. [53] (2009 г.) посвящена взаимодействию грунтов с деформируемыми телами. Работа Котова В.Л., Баландина В.В., Ломунова А.К. [54] (2010 г.) направлена на изучение динамического воздействия песчаного грунта, характера его трансформирования и передачи на подземные сооружения нагрузок. Практические задачи взаимодействия при динамическом влиянии конструкций с упруго -вязкопластическими грунтами показаны в работах [54, 55, 56]. В статье Готцева Д.В., Стасюка А.Н. [57] (2010 г.) приведены количественные данные, иллюстрирующие необходимость использования в сеймически опасных зонах упруго-вязкопластической модели грунта.
Курбацкий Е.Н. и Баев Л.В. в работе [58] (2013 г.) рассмотрели пространственные модели сейсмических колебаний грунта, модели мостов для расчета на сейсмические воздействия, методы расчета систем с конечным числом степеней свободы на сейсмические воздействия. Для учета более реальной реакции мостов на сейсмические воздействия приводится теория построения спектров реакций, учитывающих нелинейное поведение сооружений. Для учета нелинейного поведения мостов при умеренных и сильных землетрясениях используется коэффициент поведения, как это принято в Европейских Нормах.
В 2014 году Денисовым Г.В. в работе [59] была рассмотрена проблема расчета подземных МТ при сейсмическом воздействии с учетом локальных колебаний. В том же году Фигаров Э.Н. предложил методику оценки НДС трубопровода в зонах АТР с целью обеспечения его безопасной эксплуатации [60].
В работе Гумерова Р.А. [61] (2017 г.) разработаны рекомендации по применению расчетных данных системы автоматизированного мониторинга МТ на сейсмоопасных участках и действию специалистов для увеличения защищенности трубопровода. Найдены закономерности воздействия поперечных нагрузок от влияния сейсмических волн, направленных нормально к продольной оси трубопровода, на прочность трубопровода в зависимости от диаметра и толщины стенки, интенсивности землетрясения и типа грунта. Эти данные позволяют рассмотреть возможности улучшения нормативной документации по расчетам трубопроводных конструкций в сейсмически опасных зонах.
На сегодняшний день проблема анализа поведения трубопроводов в сложных геологических условиях является всё более актуальной. Учитывая большое количество влияющих на трубопроводную конструкцию факторов, для осуществления прогноза поведения необходимо применять обобщенную модель трубопровода. Она представляет собой совокупность моделей:
• трубопровода, как конструктивного элемента;
• влияния агрессивной среды;
• материала трубопровода;
• наступления предельного состояния;
• взаимодействия трубопровода с грунтом;
Страница 9 из 14
Заключение
88SAVN318
• нагружения трубопровода.
Такой способ рассмотрения поведения трубопроводной конструкции является реализацией подхода, когда трубопровод представлен в качестве сложной системы с рядом подсистем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников И.Г., Овчинников И.И., Баширзаде С.Р. Прогнозирование поведения трубопроводных конструкций в сложных грунтово-геологических условиях. Часть 1. Обобщенная модель деформирования трубопровода // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (2016) http://naukovedenie.ru /PDF/60TVN416.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
2. Баширзаде С.Р., Овчинников И.Г. Прогнозирование поведения трубопроводных конструкций в сложных грунтово-геологических условиях. Часть 2. Модели взаимодействия грунта с трубопроводом // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №1 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/99TVN117.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. с. 1-18.
3. Баширзаде С.Р., Овчинников И.Г., Овчинников И.И. Прогнозирование поведения трубопроводных конструкций в сложных грунтово-геологических условиях. Часть 3. Учет влияния коррозионного износа // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №5 (2017) https://naukovedenie.ru/PDF/79TVN517.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
4. Потапов А.Д., Ревелис И.Л. Землетрясения. Причины и последствия. М.: Высшая школа, 2009. 248 с.
5. Ларионов В.И., Гумеров Р.А., Новиков П.А., Фролова Н.И., Зайнуллина С.Р. Анализ риска аварий магистральных трубопроводов на сейсмоопасных участках. Нефтегазовое дело. Транспорт, хранение нефти и газа 2016 т. 14, №4, стр. 82-86.
6. Окамото Ш. Сейсмостойкость инженерных сооружений: Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1980. 342 с.
7. Seismic analysis of safety-related nuclear structures and commentary on standard for analysis of safety-related nuclear structures // ASCE Standard, 1986.
8. Antaki G.A. Piping and pipelines engineering: design, construction, maintenance, integrity and repair. New York: Marcel Dekker, 2003. 555 p.
9. Уязвимость инженерных сооружений при землетрясениях / В.И. Ларионов, В.А. Котляревский, С.П. Сущев, В.А. Акатьев // Энциклопедия безопасности: строительство, промышленность, экология: в 3-х т.: Сейсмостойкость и теплозащита сооружений / В.А. Котляревский, В.И. Ларионов, С.П. Сущев; под ред. В.А. Котляревского. М.: АСВ, 2010. Т. 3. С. 165-184.
10. Герсеванов, Н.М. Основы динамики грунтовой массы / Н.М. Герсеванов. - Л.: Стройиздат, 1937. - 242 с.
11. Клейн, Г.К. Расчет труб, уложенных в земле / Г.К. Клейн. - М.: Госстройиздат, 1957. - 147 с.
12. Флорин, В.А. Основы механики грунтов: в 2 т. / В.А. Флорин. - М.: Государственное издательство литературы, 1959. - 1 т.
13. Цытович, Н.А. Механика грунтов / Н.А. Цытович. - М.: Высшая школа, 1983. -288 с.
14. Быховский, В.А. Сейсмостойкие сооружения за рубежом / В.А. Быховский, К.С. Завриев, С.В. Медведев. - Москва: Издательство литературы по строительству, 1968. - 224 с.
15. Бондарь, Н.Г. Нелинейные автономные системы строительной механики / Н.Г. Бондарь. - Москва: изд. Стройиздат, 1972. - 128 с.
16. Рашидов, Т.Р. Динамическая теория сейсмостойкости сложных систем подземных сооружений / Т.Р. Рашидов. - Ташкент: ФАН, 1973. - 179 с.
17. Львовский, В.М. Установившиеся колебания цилиндрической оболочки в упругой среде под действием подвижной нагрузки / В.М. Львовский, В.И. Онищенко, В.И. Пожуев // Сб.: Вопросы прочности пластичности. -Днепропетровск. - 1974. - С. 98-110.
18. Самарин А.А. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. М.: Энергия, 1979. 288 с.
19. Напетваридзе, Ш.Г. Сейсмостойкость магистральных трубопроводов и специальных сооружений нефтяной и газовой промышленности / Ш.Г. Напетваридзе, А.С. Гехман, В.В. Спиридонов. - М.: Наука, 1980. - 171 с.
20. Гехман, А.С. Расчет, конструирование и эксплуатация трубопроводов в сейсмических районах / А.С. Гехман, Х.Х. Зайнетдинов. - М.: Стройиздат, 1988.
- 182 с.
21. Рашидов Т.Р., Хожметов Г.Х., Мардонов Б. Колебания сооружений, взаимодействующих с грунтом. Ташкент: Фан, 1975. 715 с.
22. Рашидов Т.Р., Хожметов Г.Х. Сейсмостойкость подземных трубопроводов. Ташкент: Фан, 1985. 152 с.
23. Гехман А.С. Научные основы сейсмостойкости магистральных и промысловых трубопроводов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.15.13 / Гехман Анатолий Савельевич. М., 1993. 316 с.
24. Фотиева Н.Н. Расчет крепи подземных сооружений в сейсмически активных районах. М.: Недра, 1980. 222 с.
25. Дорман И.Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей. 2-е доп. и перераб. изд. М.: ТИМР, 2000. 307 с.
26. Мухидинов С.С. Воздействие сейсмической волны на подземные трубопроводы с сосредоточенными параметрами: автореф. дис. . канд. техн. наук: 01.02.04 / Мухидинов Султан Сабирович. Ташкент, 1995. 13 с.
27. Беляев А.К. Высокочастотная динамика сложных инженерных конструкций: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.02.04 / Беляев Александр Дмитриевич. СПб., 2001. 232 с.
28. Ионина, М.Ф. Численное исследование задачи об ударе упругих цилиндрических оболочек о воду / М.Ф. Ионина // Вычислительные технологии. - 1999. - Т. 4 №3.
- С. 84-94.
29. Петров В.А. Развитие методики решения задачи о контактном взаимодействии подземного трубопровода с упругопластичным грунтом при сейсмической нагрузке // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2004. Т. 244. С. 184-194.
30. Yu X. Field evaluation of ground stiffness by static and dynamic tests / X. Yu. - West Lafayette: School of Civil Engineering, 2004. - P. 1-6.
31. Jeffrey, R.K. Geotechnical challenges for design of a crude oil pipeline across an active normal fault in an urban area / R.K. Jeffrey, G.H. Douglas // 7th International Pipeline Conference. - 2008. - September 29-October 3. - P. 1-6.
32. Landslide and Land Subsidence Hazards to Pipelines: open-file report / R.L. Baum, L.G. Devin, L.H. Edwin. - U.S. Geological Survey, 2008. - 202 p.
33. Arya, A.K. Seismic design of continuous buried pipeline / A.K. Arya, B. Shingan, Ch. Vara Prasad // International Journal of Engineering and Science. - 2008. - V.1 Issue 1. - P. 6-17.
34. ASCE Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline System. - New York: American Society of Civil Engineers, 2001. - 473 p.
35. BS EN 1998 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Foundations, retaining structures and geotechnical aspects. - Brussels: BSI, 2004. - 230 p.
36. DNV-RP-D101 Structural analysis of piping system. - Hovik, Norway: Det Norske Veritas, 2008. - 42 p.
37. ASME B31.4 Pipeline Transportation System for Liquid Hydrocarbons and Liquids. -New York: The American society of mechanical engineers, 2009. - 97 p.
38. ASME B31.8 Gas Transmission & Distribution Piping Systems. - New York: The American society of mechanical engineers, 2012. - 224 p.
39. Муравьева Л.В., Овчинников И.Г., Пшеничкина В.А. Оценка надежности трубопроводной конструкции с эксплуатационными повреждениями. Изд-во СГТУ. Саратов, 2004. 255 с.
40. Kouretzis G.P., Bouckovalas G.D., Gantes C.J. 3-D shell analysis of cylindrical underground structures under seismic shear (S) wave action // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2006. Vol. 26, Is. 10. Pp. 909-921.
41. Соколов В.Г. Колебания, статическая и динамическая устойчивость трубопроводов большого диаметра: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.17 / Соколов Владимир Григорьевич. СПб., 2011. 36 с.
42. Соколов В.Г., Разов И.О. Свободные колебания наземных газопроводов, обжатых продольной силой, с учетом упругого основания грунта // Вестник гражданских инженеров. 2013. № 1(36). С. 29-31.
43. Улитин В.В. Современный подход к анализу устойчивости строительных конструкций // Вестник гражданских инженеров. 2006. № 4. С. 38-43.
44. IITK-GSDMA Guidelines for Seismic design of buried pipelines. - Kanpur (India): National information center of earthquake engineering, 2007. - 104 p.
45. A.M. Halabian, S.H. Hashemolhosseini, M. Rezaei Nonlinear seismic analysis of buried pipelines during liquefaction. (2008). International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. 11. http://scholarsmine.mst.edu/icchge/6icchge/ session04/11.
46. Автахов, З.Ф. Безопасность магистральных трубопроводов на участках перехода тектонических разломовт / З.Ф. Автахов, П.Ю. Пионт, Р.С. Трушин, В.А. Галкин // Трубопроводный транспорт (теория и практика). - 2007. - №3(9). - С. 108-112.
47. Мурзаханов Г.Х., Олейников С.С. Оценка остаточного ресурса трубопровода при сейсмическом воздействии // Бурение и нефть. 2008. № 4. С. 19-22.
48. Мурзаханов Г.Х., Олейникова А.О. Анализ трубопровода на сейсмическое воздействие // Бурение и нефть. 2008. № 11. С. 20-23.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60. 61.
Муравьева Л.В. Расчет подземных трубопроводов, проложенных в сейсмических районах // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. 2008. Вып. 10(29). С. 184187.
Андреева Е.В. Разработка методики оценки несущей способности подземных магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19 / Андреева Елена Владимировна. М., 2009. 138 с.
Литовченко, И.Н. Физические параметры очаговых зон сильных землетрясений земной коры Северного Тянь-Шаня и прилегающих территорий / И.Н. Литовченко // Известия НАК РК. Серия геологическая. - 2009. - №5. - С. 59-67.
Наумова Г.А., Овчинников И.Г., Снарский С.В. Расчет трубопроводных конструкций с эксплуатационными повреждениями. Волгоград. Научное издание. ВолгГАСУ, 2009. 184 с.
Бережной, Д.В. Моделирование процессов нелинейного деформирования грунтов, взаимодействующих с деформируемыми конструкциями / Д.В. Бережной, И.С. Кузнецова, Л.Р. Секаева // Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела: Труды Второй международной конференции. -Казань: Казан. гос. ун-т, 2009. - С. 64-67.
Котов, В.Л. Оценка эффектов поверхностного трения при нестационарном контакте элементов конструкции с песчаным грунтом / В.Л. Котов, В.В. Баландин, А.К. Ломунов // Проблемы прочности и пластичности. - 2010. - вып. 72. - С. 137-141.
Васенин, В.А. Оценка параметров колебаний грунта при ударном погружении свай. Основные следствия / В.А. Васенин // Реконструкция городов и геотехническое строительство. Научные доклады. - 2007. - №7. - С. 210-224.
Баландин, В.В. Экспериментально-теоритическое изучение процессов проникания сфероконических тел в песчаную среду / В.В. Баландин, А.М. Брагов, С.В. Крылов, Е.В. Цветкова // Вычислительная механика сплошных сред. - 2010. - Т. 3. № 2. - С. 15-23.
Готцев, Д.В. Устойчивость цилиндрических горных выработок в пористых массивах со сложной реологией сжатого скелета / Д.В. Готцев, А.Н. Стасюк // Механика предельного состояния. - 2010. - №2(66). - С. 31-40.
Курбацкий Е.Н., Баев Л.В. Оценка максимальных продольных и поперечных смещений пролетных строений мостов при сейсмических воздействиях / Отчет БФ Основание, Москва, 2013. 93 с.
Денисов Г.В. Аналитический метод расчета заглубленных магистральных трубопроводов при сейсмическом воздействии с учетом локальных колебаний: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.17 / Денисов Григорий Валентинович, Санкт-Петербург, 2014. 99 с.
Фигаров Э.Н. Разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации: дис. ... канд. техн. наук: 05.26.02 / Фигаров Эльдар Намикович, Москва, 2014. 127 с.
Гумеров Р.А. Научно-методическое обоснование системы автоматизированного мониторинга магистральных нефтепроводов на сейсмоопасных участках: дис. . канд. техн. наук: 05.26.03 / Гумеров Рустам Анрикович, Москва, 2017. 174 с.
Bashirzade Samir Rafail ogly
Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Saratov, Russia
E-mail: [email protected]
Ovchinnikov Igor Georgievich
Perm national research polytechnic university, Perm, Russia Penza state university of architecture and construction, Penza, Russia Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Saratov, Russia
E-mail: [email protected]
Predicting the behavior of pipeline structures in complex soil and geological conditions. Part 4. About the interaction of pipelines with soil in seismically hazardous areas
Abstract. This article, which is the fourth part of a series of articles aimed at studying the behavior of pipeline structures in complex soil-geological conditions, is a review of the work aimed at studying the dynamic behavior of pipeline structures in seismic hazardous areas. The paper describes an algorithm for finding the risks of pipeline accidents in seismic hazard zones; the equation of a seismic wave which extends in soil, expression for longitudinal and bending deformations, a formula for finding longitudinal dynamic stresses according to the requirements of the existing norms, dependence for an assessment of deformations of a soil massif is presented; works of the domestic and foreign scientists engaged in this direction are analyzed; information on domestic and foreign regulatory bases is given. Given the large number of factors affecting the pipeline design, a generalized model of the pipeline should be used to predict the behavior. It is a set of models: the pipeline as a structural element; the influence of aggressive environment; the material of the pipeline; the onset of the limit state; the interaction of the pipeline with the soil; the loading of the pipeline. This method of considering the behavior of the pipeline structure is the implementation of the approach when the pipeline is presented as a complex system with a number of subsystems.
Keywords: generalized model of pipeline; accident condition; seismic impact; earthquake; tectonic fault
