CC BY
15
УДК 699.841
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-1-35-38
СЕЙСМОЗАЩИТА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ С ЗАДАННОЙ СИЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
SEISMIC PROTECTION OF MAIN PIPELINES BASED ON ROD SYSTEMS WITH A GIVEN POWER CHARACTERISTIC
Зотов А.Н., Демушкин Е.В., Кармышев И.И.
Уфимский государственный нефтяной технический университет,
450062, г. Уфа, Россия
ORCID:https://orcid.org/0000-0002-6410-3792,
E-mail: anz21963@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5662-730X,
E-mail: demushkinevg@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9221-103X,
E-mail: decoldwot228@gmail.com
Резюме: Статья посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме повышения сейсмической защиты магистральных трубопроводов. В качестве решения предлагается сейсмозащитная установка на основе стержневых систем с заданной силовой характеристикой. Предложенное устройство позволяет безопасно эксплуатировать магистральный трубопровод посредством быстрого гашения колебаний.
Ключевые слова: сейсмозащита, заданная характеристика, стержневая система, упругий элемент, жесткость.
Для цитирования: Зотов А.Н., Демушкин Е.В., Кармышев И.И. Сейсмозащита магистральных трубопроводов на основе стержневых систем с заданной силовой характеристикой // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 1. С. 35-38.
D0I:10.24412/0131-4270-2023-1-35-38
Zotov Alexey N., Demushkin Evgeniy V., Ilya I. Karmyshev
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID:https://orcid.org/0000-0002-6410-3792,
E-mail: anz21963@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5662-730X,
E-mail: demushkinevg@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9221-103X,
E-mail: decoldwot228@gmail.com
Abstract: Article is devoted to the current problem of improving the seismic protection of main pipelines. As a solution, a seismic protection installation based on rod systems with a given power characteristic is assumed. The proposed device allows safe operation of the main pipeline, by quickly damping of oscillations.
Keywords: seismic protection, given characteristic, rod system, elastic element, coefficient of stiffness.
For citation: Zotov A.N., Demushkin E.V.,Karmyshev I.I. SEISMIC PROTECTION OF MAIN PIPELINES BASED ON ROD SYSTEMS WITH A GIVEN POWER CHARACTERISTIC. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2023, no. 1, pp. 35-38.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-1-35-38
На сегодняшний день практически невозможно избежать прокладки магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов в сейсмически активных районах, которые составляют около 30% территории Российской Федерации [1]. Землетрясение является одним из самых опасных катаклизмов из-за своих разрушительных последствий. Именно поэтому появляется необходимость в разработке методов, конструкций, способов защиты магистральных трубопроводов, прокладываемых в активных тектонических зонах, для предотвращения серьезных последствий, таких как разрушение трубопровода, загрязнение окружающей среды, появление очагов пожаров и взрывов, травматизм или гибель людей.
За последние десятилетия было предложено большое количество способов защиты магистральных трубопроводов, были разработаны нормативные документы, которые также предусматривают меры по защите трубопроводов, прокладываемых в сейсмически активных зонах, от разрушения и потери устойчивости.
В работах различных ученых предлагаются технические решения, такие как установка демпферных устройств на
надземные трубопроводы, разработка прямоугольных траншей с упругопластичными элементами при подземной прокладке трубопроводов, использование специальных опор и т.д. [2]. В данной работе представлена новая методика обеспечения сейсмозащиты трубопровода. Примером послужил магистральный газопровод Сахалин-Хабаровск-Владивосток, проложенный на территории, имеющей мощность землетрясений, достигающую 10 баллов [3]. Предлагаемое устройство (рис. 1), монтируемое к магистральному трубопроводу с помощью хомуто-вого соединения, представляет собой стержневую сейсмо-защитную систему на основе упругих шарниров с заданной характеристикой (рис. 2), работающую в горизонтальном направлении и отличающуюся от классической скользящей опоры тем, что на трубопровод действует постоянная сила, задаваемая конструктором. Также в системе задействованы фрикционные диски, создающие силы сухого трения. Фрикционной диск предназначается для получения сил сухого трения, которые, в свою очередь, необходимы для создания силовой характеристики с петлями гистерезиса (рис. 3). Колебания трубопровода с данным
1
• 2023
35
Рис. 1. Схема сейсмозащитной установки с упругими шарнирами: 1 - магистральный трубопровод; 2 - фрикционный диск; 3 - упругий шарнир
Рис. 2. Схемы упругих шарниров с заданной силовой
характеристикой: а, б - варианты использования упругого шарнира с упругим элементом - пружиной
а (р ^ ,,, _ч б
Рис. 3. Силовая характеристика сейсмозащитной системы: Ь =1000; Н - постоянная сила; q - коэффициент, определяющий высоту петель ^ « 0,8)
сейсмозащитным устройством, имеющим такую силовую характеристику, описываются следующим дифференциальным уравнением:
тх = ^ • Ь • sign (х) - Ь • ^ (к2 • х),
(1)
где т - масса участка трубопровода, приходящегося на одно предлагаемое сейсмозащитное устройство; q -коэффициент, учитывающий ширину петель гистерезиса (см. рис. 3); Ь - параметр, от которого зависит усилие, передаваемое на трубопровод; к2 - коэффициент, учитывающий форму петель гистерезиса.
Характеристики упругих шарниров таковы, что силовая характеристика системы на рис. 1 имеет вид, представленный на рис. 3, и определяется по формуле (1). Получение таких характеристик рассмотрено в статье [4]. В данной работе этот вопрос не рассматривается.
Проведем анализ колебаний трубопровода при использовании сейсмозащитного устройства на основе стержневой системы с заданной силовой характеристикой и традиционного устройства, содержащего пружину и демпфер (рис. 4). Наружный диаметр рассматриваемого магистрального газопровода равен 1220 мм, толщина стенки - 17,8 мм, масса 12-метрового участка, приходящаяся на каждое сейсмозащитное устройство данного трубопровода, равна 569,5 кг.
Дифференциальное уравнение, описывающее колебания традиционной сейсмозащитной системы, включающей в себя демпфер, представляющий собой поршень, перемещающийся в жидкости, следующее (причем сила сопротивления в этом случае пропорциональна скорости):
т (?) = —сх (?) — цх (?), (2)
где с - жесткость пружины; ц - коэффициент сопротивления.
На рис. 5 представлена акселерограмма табасского землетрясения, произошедшего в 1978 году в Иране [5]. На сегодняшний день оно является крупнейшим в истории Ирана, его магнитуда достигла 8 баллов по шкале Рихтера. Моделируем подобные колебания уравнением (3), по которому получена зависимость на рис. 6. Размах колебаний данного землетрясения достигает 50 см (см. рис. 6а). Ускорение достигает 25 м/сл2 (это условная величина, см. рис. 6б).
х* =1 0,26 — 0,26-(1 — е
(1 — е~°'04г)] • sin(100/) • эт(400,
(3)
где ? - время в секундах.
Взяв вторую производную от этого выражения, получаем вертикальное ускорение фундамента (см. рис. 6б):
а* = 100 (0,26— 0,26 (1 — е—а04?)) ^ [100? 40? ] -+40(0,26— 0,26 (1 — е—а04? [40? 100? ] — —0,0104е—а04^п [40? рп[ 100? ]
(4)
Для определения колебаний трубопровода при кинематическом возбуждении, вызванного сейсмовоздействием, которое моделируется формулами (2) и (3), необходимо в дифференциальном уравнении (1) добавить переносную силу инерции (—та*):
тх = — q • Ь • sign (х) — Ь • ?h (к2 • х) — т • а*.
(5)
Рис. 4. Схема традиционного сейсмозащитного устройства:1 ■ пружина; 2 - демпфер
| Рис. 5. Акселерограмма табасского землетрясения
I Рис. 6. Колебания, полученные по формулам (2) и (3)
б а„м/с2
X,, м
Б !, с
Рис. 7. Зависимости перемещения трубопровода от времени при воздействии ударного импульса (а) и при кинематическом возбуждении (б): а - т = 569,5 кг, с = 18 000 Н/м, ц = 500 Нс/м, Ь = 3000 Н, q = 0,8, х0 = 0, х0 = V0 = 3 м/с; б - Ь = 3000 Н, q = 0,8, Т1 и 1,8 с - время затухания для функции гашения колебаний с помощью стержневой системы с заданной характеристикой, Т2 и 10 с - время затухания для функции гашения колебаний с помощью линейной пружины и демпфера
а х, м
Решаем дифференциальные уравнения (1), (2), (5) и строим зависимости перемещения трубопровода от времени для обоих методов защиты магистральных трубопроводов от сейсмических воздействий (рис. 7).
На рис. 7а рассмотрено воздействие единичного импульса (по формулам (1) и (2)). Коэффициент жесткости с и коэффициент р выбирались из условия равного максимального смещения. Начальные условия для формул (1) и (2): х0 = 0;
х0 = У0 = 3 м/с. Как видно из рисунка, время затухания после единичного импульса в случае предлагаемого сейсмозащитного устройства (Г,) меньше времени затухания в случае применения традиционного сейсмо-защитного устройства (Т2) более чем в 5 раз. На рисунке 7б рассмотрено кинематическое возбуждение, колебания определялись по формуле (5). Как видно из рисунка, смещения трубопровода значительно меньше (в среднем в десятки раз) задаваемых смещений фундамента (3).
Полученные результаты позволяют надеяться на успешное внедрение предлагаемых систем сейсмозащиты в нефтегазовом деле благодаря преимуществам данного устройства над ныне используемыми.
х, м
Для моделирования колебаний трубопровода с предлагаемой сейсмозащитной установкой на основе стержневой системы с заданной силовой характеристикой (см. рис. 3) будем пользоваться дифференциальными уравнениями (1) и (5).
Выводы
Гашение колебаний при помощи ( с предлагаемых сейсмозащитных устройств с силовыми характеристиками, имеющими прямоугольные петли гистерезиса, происходит в несколько раз быстрее (в рассмотренном здесь случае более чем в 5 раз) по сравнению с известными на сегодняшний день установками.
Сила, действующая на защищаемый объект от предлагаемого сейсмозащитного устройства, неизменна при сейсмо-воздействии и может быть задана конструктором.
б
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Сейсмическое районирование территории России URL: http://seismos-u.ifz.ru/personal/zoning.htm (дата обращения: 22.12.2022).
Патент РФ № 2648179 МПК F16L 3/20 Сейсмостойкая четырехсвайная подвижная опора трубопровода и демпферное устройство для сейсмостойкой четырехсвайной подвижной опоры трубопровода / Бонаренко В.В., Броников В.А., Жуков В.В., Ибрагимов Э.Р. и др. Опубл. 22.03.2018, Бюл. № 9.
2023
37
3. Газотранспортная система «Сахалин-Хабаровск-Владивосток» URL:https://www.gazprom.ru/projects/skhv/ (дата обращения: 22.12.2022).
4. Табасское землетрясение URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1644999 (дата обращения: 22.12.2022).
5. A. Zotov, A. Sviridov, A. Tokarev Two-stroke single-cylinder engine with elastic hinges with preset force characteristics, ENOC 2020, 10th European Nonlinear Dynamics Conference, July 27-22, 2022 / Lyon (France).
REFERENCES
1. Seysmicheskoye rayonirovaniye territoriiRossii(Seismic zoning of the territory of Russia) Available at: http://seismos-u. ifz.ru/personal/zoning.htm (accessed 22 December 2022).
2. Bonarenko V.V., Bronikov V.A., Zhukov V.V., Ibragimov E.R. Seysmostoykaya chetyrekhsvaynaya podvizhnaya opora truboprovoda i dempfernoye ustroystvo dlya seysmostoykoy chetyrekhsvaynoypodvizhnoy opory truboprovoda [Earthquake-resistant four-pile movable pipeline support and damper device for earthquake-resistant four-pile movable pipeline support]. Patent RF, no. 2648179, 2018.
3. Gazotransportnaya sistema «Sakhalin-Khabarovsk-Vladivostok» (Sakhalin-Khabarovsk-Vladivostok Gas Transportation System) Available at: https://www.gazprom.ru/projects/skhv/ (accessed 22 December 2022).
4. Tabasskoye zemletryaseniye (Tabas earthquake) Available at: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1644999 (accessed 22 December 2022).
5. Zotov A., Sviridov A., Tokarev A. Two-stroke single-cylinder engine with elastic hinges with preset force characteristics. Proc. of ENOC 2020, 10th European Nonlinear Dynamics Conference. Lyon, 2022.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Зотов Алексей Николаевич, д.т.н., проф. кафедры механики и конструирования машин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Демушкин Евгений Васильевич, студент, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Кармышев Илья Игоревич, студент, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Alexey N. Zotov, Dr. Sci (Tech.), Prof.of the Department of Mechanics and Machine Design, Ufa State Petroleum Technical University. Evgeniy V. Demushkin, Student, Ufa State Petroleum Technical University. Ilya I. Karmyshev, Student, Ufa State Petroleum Technical University.
