CC BY
6
УДК 69.035:62.032.031 https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-3-4-54-59
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ В УСЛОВИЯХ ДЕГРАДАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
IMPROVING THE DESIGN OF THE FOUNDATION OF A GAS DISTRIBUTION STATION IN THE CONDITIONS OF DEGRADATION OF PERMAFROST SOILS
Некучаев В.О., Семиткина Е.В., Терентьева М.В., Белый Р.Е.
Ухтинский государственный технический университет, 169300, г. Ухта, Россия
ORCID: https//orcid.org/0000-0003-3116-6583, E-mail: ninanek@yandex.ru
ORCID: https//orcid.org/0009-0006-3556-0819,
E-mail: ekaterina-semitkina@mail.ru
ORCID: https//orcid.org/0009-0006-5012-2294,
E-mail: marina_tufyakova@mail.ru
ORCID: https//orcid.org/0000-0003-0986-2734,
E-mail: hjvfy981001@yandex.ru
Резюме: Настоящая работа посвящена совершенствованию конструкции фундамента газораспределительной станции (ГРС) путем объединения отдельных блоков в единую пространственную раму для эксплуатации в условиях таяния вечной мерзлоты. Данное предложение позволит обеспечить эксплуатационную надежность газораспределительной станции в условиях мерзлых грунтов. Для оценки возможности применения предлагаемой фундаментной рамы в качестве опорной конструкции технологических блоков вновь возводимых ГРС выполнено моделирование данного типа фундамента с подбором оптимальных размеров и сечений несущих элементов фундаментной рамы.
Ключевые слова: газораспределительная станция, многолетнемерзлые грунты, опасные геологические процессы, эксплуатационная надежность.
Для цитирования: Некучаев В.О., Семиткина Е.В., Терентьева М.В., Белый Р.Е. Совершенствование конструкции фундамента газораспределительной станции в условиях деградации многолетнемерзлых грунтов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 3-4. С. 54-59.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-3-4-54-59
Nekuchaev Vladimir O., Semitkina EkaterinaV., Terenteva Marina V., Belyy Roman E.
ORCID: https//orcid.org/0000-0003-3116-6583, E-mail: ninanek@yandex.ru
ORCID: https//orcid.org/0009-0006-3556-0819,
E-mail: ekaterina-semitkina@mail.ru
ORCID: https//orcid.org/0009-0006-5012-2294,
E-mail: marina_tufyakova@mail.ru
ORCID: https//orcid.org/0000-0003-0986-2734,
E-mail: hjvfy981001@yandex.ru
Ukhta State Technical University, 169300,Ukhta, Russia
Abstract: This work is devoted to improving the design of the foundation of a gas distribution station by combining individual blocks into a single spatial frame for operation in conditions of thawing permafrost. This proposal will ensure the operational reliability of the gas distribution station in frozen ground conditions. To assess the possibility of using the proposed foundation frame as a supporting structure for technological blocks of newly constructed gas distribution stations, modeling of this type of foundation was performed with the selection of the optimal dimensions and cross sections of the bearing elements of the foundation frame.
Keywords: gas station, permafrost soils, harmful geological processes, operational reliability.
For citation: Nekuchaev V.O., Semitkina E.V., Terenteva M.V., Belyy R.E. IMPROVING THE DESIGN OF THE FOUNDATION OF A GAS DISTRIBUTION STATION IN THE CONDITIONS OF DEGRADATION OF PERMAFROST SOILS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2023, no. 3-4, pp. 54-59.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-3-4-54-59
Согласно [1], Россия занимает первое место по количеству запасов природного газа, на данный момент это около 38,94 трлн м3 Если брать количество добываемого газа в процентах по округам и регионам, то можно обнаружить следующую зависимость (рис. 1).
Однако значительное количество объектов газовой промышленности в России расположено в зоне распространения опасных техногенных процессов, связанных с изменением грунтовых и гидрогеологических условий много-летнемерзлых грунтов (ММГ), в особенности на Дальнем Востоке и в Сибири (рис. 2).
Такие участки обусловлены развитием следующих неблагоприятных экзогенных инженерно-геологических процессов:
- термокарстовые процессы;
- криогенное оползание грунтов на участках распространения залежей подземных льдов;
I Рис. 1. Добыча газа по округам, %
Сибирский ФО Приволжский ФО
Уральский ФО 86,20
I Рис. 2. Карта распространения многолетнемерзлых грунтов на территории РФ
I Рис. 3. Виды свай по способу работы
СЬая- стойка
Висячая свая
Слабые ерунты
Грунт с Высокой несущей способностью
- просадки грунтов, связанные с протаиванием сильнольдистых ММГ в результате изменения поверхностных условий, а также за счет недостаточной обратной засыпки траншеи по объему и плотности после протаива-ния и уплотнения;
- эрозионные процессы с образованием промоин и оврагов;
- процессы подтопления с последующим заболачиванием;
- комплекс процессов, связанных с транспортировкой теплого газа.
Сооружение и эксплуатация объектов газораспределения в этих районах является трудоемким, но экономически выгодным направлением развития газовой промышленности РФ.
Согласно [2], в связи с климатическими и инженерно-геологическими условиями для обеспечения надежной эксплуатации газораспределительных станций (ГРС) требуется осуществление особых мероприятий:
- использование стали с высокой прочностью (хладостойкой) для объектов трубопроводного транспорта;
- теплоизоляция для сохранения высокой положительной температуры внутри газопроводной системы;
- использование сезонно действующих охлаждающих устройств (СОУ);
- термостабилизация грунта, с целью обеспечения состояния пород в мерзлом состоянии;
- подбор требуемых геометрических и прочностных характеристик фундаментных конструкций.
При проектировании площадочных сооружений газораспределения на сложных инженерно-геологических участках большое внимание уделяется выбору конструкции фундамента, так как именно фундамент является элементом распределения нагрузки от сооружения на нестабильное основание.
С учетом условий строительства и дальнейших условий эксплуатации объекта возведение фундаментов сооружений газовых объектов в многолетнемерзлых грунтах осуществляется по двум основным принципам:
- сохранение многолетнемерзлых грунтов в мерзлом состоянии весь период эксплуатации;
- эксплуатация в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).
При проектировании сооружений в условиях залегания вечной мерзлоты основанием служит именно мерзлый грунт, но в сегодняшних условиях, согласно данным [3], ежегодно происходит повышение среднегодовой температуры грунтов, что влечет за собой процесс растепления вечной мерзлоты. Это грозит потерей несущей способности грунтов и как следствие - разрушением фундаментов. Поэтому сам принцип, как и конструктивные решения поверхностного типа фундамента по этому принципу, не нашел большого распространения в условиях таяния мерзлоты.
В качестве основания для зданий и сооружений, находящихся в зоне распространения ММГ, используют фундаменты глубокого заложения. Они устраиваются при глубоком заложении грунта с высокой несущей способностью или при полном его отсутствии. Такие фундаменты чаще всего представляют собой сваи или куст свай, отсюда свайные фундаменты по способу работы различают на два типа: сваи-стойки и висячие сваи (рис. 3).
В современной практике строительства, согласно [4], типовыми решениями фундаментов площадочных объектов
газораспределения в условиях неблагоприятных экзогенных инженерно-геологических процессов являются фундаменты глубокого заложения в виде свай (свайного поля) с железобетонным ростверком ленточного или сплошного типа (рис. 4), на который устанавливается технологическое оборудование.
В качестве основания для вновь возводимых технологических блоков газораспределительных станций устраивается свайное поле для каждого узла ГРС по отдельности, после чего устраивается ростверк и ригель, непосредственно на ригель устанавливается оборудование и возводятся боксы.
Согласно авторам [4, 5], сваи для фундаментов глубокого заложения можно разбить на следующие виды по способу изготовления и заглубления в грунт (табл. 1).
Ввиду условий таяния многолетнемерзлых грунтов идентифицирована опасность неравномерной просадки фундаментов, как следствие отклонения основных точек контроля от проектной величины, что приводит к возникновению внештатных ситуаций и выходу фундамента из работоспособного состояния.
Предлагаемым решением фундаментной конструкции для основных узлов газораспределительной станции является общая рамная конструкция ростверка, на которой будут установлены основные блоки, а именно блок переключений, блок технологический № 1 и 2 (рис. 5).
Пространственная рама представляет собой цельнометаллическую или цельную железобетонную раму (рис. 6).
Основанием данной конструкции является свайный фундамент. Предполагается, что нагрузка приложена на верхний пояс рамы, позиционирование свай располагается по краям конструкции с шагом 6 м.
Принцип работы объединенной пространственной конструкции фундамента заключается в передаче нагрузки от общего веса технологических блоков на грунт через сваи, а рамная конструкция ростверка перераспределяет эту нагрузку между сваями, что позволяет избежать неравномерной осадки одного из основных блоков ГРС и, как следствие, снижения количества точек напряжения в системе газораспределительной станции.
Также планируется, что данная конструкция поможет избежать отклонения от проектных величин точек контроля оборудования, установленного в основных блоках ГРС, что снизит риск возникновения внештатных и аварийных ситуаций.
Такого рода объединение трех основных блоков ГРС на одном фундаменте позволяет рассчитывать на то, что в процессе таяния многолетнемерзлых грунтов несущая способность свайного фундамента будет достаточна, так как конструкция, имея пространственную жесткость, будет перераспределять нагрузку на сваи.
Рис. 4. Схема куста свай с ростверком
I
Таблица 1
Виды свай
Сборные Забивные С уплотненным забоем
Монолитные Вдавливаемые Набивные в пробивных
Буронабивные Завинчиваемые скважинах
Буроопускные Виброштампованные
■ Рис. 5. Схема посадки основных блоков на раму
■ Рис. 6. Схематизация предлагаемой пространственной рамы
Для оценки возможности использования предлагаемой фундаментной конструкции в реальной практике строительства ГРС, определения расчетных параметров сечений и критически нагруженных узлов предлагаемой фундаментной рамы для основных блоков ГРС проведено
I Рис. 7. Размеры структуры в плане, мм
I Рис. 8. Генерация планировочной сетки
моделирование и расчет пространственной плиты в ПК «ЛИРА САПР 2013».
Первоначально задаемся размерами проектируемой конструкции с учетом реальных размеров технологических блоков и коммуникаций между ними (рис. 7).
Принимаем для каждого узла фундаментной рамы шесть степеней свободы и генерируем планировочную сетку (рис. 8).
Далее в точках пересечений строим узлы, соединяя их стержнями. Такую же сетку строим со смещением на 1,5 м по оси Z и со смещением на 1,5 м по осям X и Y. Соединяем раскосами верхний и нижний пояса конструкции, вырезаем лишние узлы, получаем требуемую конструкцию рамы.
Задаем жесткость конструкции в зависимости от материала, используемого при возведении структуры. Принимаем металлическое исполнение пространственной рамы с профилем в виде бесшовной горячекатаной трубы со следующими размерами (рис. 9).
Далее задаем нагрузки на раму, учитывая постоянные и временные нагрузки согласно [7]. Для типовой ГРС к постоянным нагрузкам относим
I Рис. 9. Задание жесткости
■ Рис. 10. Расчетное сочетание нагрузок
I
вес конструкций и собственный вес блоков. К временным - снеговые и ветровые нагрузки.
Блоки ГРС имеют заводское исполнение со следующими характеристиками: блок переключений имеет вес 44,5 кН/м, технологические блоки № 1 и 2 весят каждый по 36,3 кН/м. Задается эта нагрузка как постоянная. Снеговую нагрузку определяем согласно [8].
Создаем расчетное сочетание нагрузок (РСН) (рис. 10), производим упаковку схемы и отправляем конструкцию на расчет геометрических параметров и подбора сечений элементов, где из обозначенных РСН выбираем с наибольшей нагрузкой, и получаем следующие эскизы распределения усилий в предлагаемой фундаментной раме (рис. 11, 12).
Согласно рис. 12, определяем максимальное усилие N, равное 1665,34 кН, минимальное, равное 1664,07 кН. Также определяем максимальное усилие Му = 61,4 кН-м.
Далее программа производит автоматизированный подбор сечения элементов конструкции, который основывается на общепринятых законах механики.
Работа каждого элемента конструкции осуществляется на сжатие либо растяжение. Подбор сечения таких элементов осуществляется по продольным видам деформации. Подбор сечения для растянутых элементов рассчитывается из условия прочности
N
I Рис. 12. Схематизация распределения усилий в узлах пространственной рамы
Таблица 2
Подбор раскосов и сечений верхнего и нижнего поясов
Наименование пояса Диаметр, мм Сечение Марка стали
Верхний пояс 69 ТБ70х13 09Г2С
Нижний пояс 156 ТБ95х12 09Г2С
Раскосы
224
ТБ95х13
09Г2С
Для любых сжатых и сжато-изгибаемых элементов фактические значения гибкостей не должны превышать предельно допустимых значений 1тах < 1и. Предельно допускаемая гибкость для элементов верхних поясов ферм
1,, = 180-60а.
(3)
Определяем коэффициент а по следующей формуле:
N
АЯу 1с
<1.
(1)
А-Ну-ф'Тс
(4)
Подбор сечения для сжатых элементов рассчитывается из условия устойчивости
N
АФНу 1с
-< 1,
(2)
где N - расчетное усилие в элементе, кН; А - площадь поперечного сечения элемента, см2; ф - коэффициент продольного изгиба; Ну - расчетное сопротивление стали по пределу текучести, МПа; ус - коэффициент условий работы.
В целях упрощения и повышения технологичности конструкции для сечений элементов производят унификацию. В нашем случае производится расчет наиболее загруженных элементов поясов структуры, после чего для всех элементов конструкции выбирается сечение с наибольшей площадью поперечного сечения из подобранных.
Для обеспечения запаса прочности конструкции в дальнейших расчетах принимаем максимальное напряжение N пространственной рамы фундамента согласно моделированию.
Верхний пояс конструкции находится в сжатом состоянии, следовательно, подбор сечения производим по (2).
Подбор сечения нижнего пояса происходит по условию растянутого элемента (1).
Для определения правильности подобранного сечения должно выполнятся следующее условие:
^тах <
В результате выполненного автоматизированного расчета получили следующие значения для сечений элементов пространственной рамы (табл. 2):
Выводы
В результате исследования изучена проблематика проектирования и сооружения фундаментных конструкций площадочных объектов газораспределения в сложных инженерно-геологических условиях и условиях деградации мно-голетнемерзлых грунтов, при этом получены следующие результаты:
- выявлены виды и особенности типовых конструктивных решений фундаментов объектов нефтегазового комплекса, эксплуатируемых на участках с наличием неблагоприятных экзогенных инженерно-геологических процессов;
- установлено, что существующие конструктивные решения фундаментных конструкций площадочных сооружений систем газораспределения в условиях деградации мерзлых грунтов не обеспечивают безаварийного функционирования в полной мере, поскольку в современной
практике уже зафиксированы случаи возникновения неравномерной осадки типовых решений фундаментов ГРС вследствие потери несущей способности грунтов;
- предложено техническое решение фундаментной конструкции под основные узлы газораспределительной станции для участков с наличием подтаявших мерзлых грунтов, которое заключается в объединении отдельно стоящих фундаментных блоков в единую пространственную раму определенной жесткости, которая будет воспринимать нагрузки и воздействия от эксплуатационных условий
ГРС и сопротивляться деформационных воздействиям при деградации мерзлых грунтов;
- проведено моделирование пространственной конструкции усовершенствованного фундамента ГРС с целью определения критических усилий его нагружения, на основании чего предложен оптимальный подбор параметров сечения верхнего и нижнего поясов предлагаемой пространственной рамы для обеспечения надежной и безаварийной эксплуатации объектов газораспределения при деформации грунтов основания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
4.
5.
Перфилов В.А., Дмитриенко И.А. Особенности строительства свайных фундаментов в зонах вечной мерзлоты на объектах нефтегазовой отрасли: обзор // Инженерный вестник Дона. 2019. № 8 (59). С. 1-13. Игошева Л.А., Гришина А.С. Обзор основных методов укрепления грунтов основания // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2016. Т. 7. № 2. С. 5-21.
Основные природные и социально-экономические последствия изменения климата в районах распространения многолетнемерзлых пород: прогноз на основе синтеза наблюдений и моделирования: оценочный отчет. URL: https://www.researchgate.net/publication/295525767 (дата обращения 10.05.2023). Ботвинева Н.Ю., Буракова И.С., Фоменко О.Г. Фундаменты на структурно-неустойчивых грунтах // Современная наука и инновации. 2016. № 2 (24). С. 133-139.
Рясков А.В. Особенности строительства фундаментов в многолетних мерзлых грунтах // Школа науки. 2020. № 6 (30). С. 11-13.
Ребров С.А., Смирнов С.А., Машковцев А.А. и др. Определение основных причин возникновения аварий на опасных производственных объектах газораспределения и газопотребления // Безопасность труда в промышленности. 2015. № 9. С. 62-64.
Мустафин Ф.М., Быков Л.И., Мохов В.Н. и др. Строительные конструкции нефтегазовых объектов. СПб.: Недра, 2008. 758 с.
СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия.
REFERENCES
1. Perfilov V.A., Dmitriyenko I.A. Features of the construction of pile foundations in permafrost zones at oil and gas industry facilities: a review. Inzhenernyy vestnik Dona, 2019, no. 8 (59), pp. 1-13 (In Russian).
2. Igosheva L.A., Grishina A.S. Review of the main methods of strengthening the foundation soils. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo iarkhitektura, 2016, vol. 7, no. 2, pp. 5-21 (In Russian).
3. Osnovnyye prirodnyye i sotsial'no-ekonomicheskiye posledstviya izmeneniya klimata v rayonakh rasprostraneniya mnogoletnemerzlykh porod: prognoz na osnove sinteza nablyudeniy imodelirovaniya: otsenochnyy otchet (The main natural and socio-economic consequences of climate change in permafrost areas: forecast based on the synthesis of observations and modeling: assessment report) Available at: https://www.researchgate.net/publication/295525767 (accessed 10 May 2023).
4. Botvineva N.YU., Burakova I.S., Fomenko O.G. Foundations on structurally unstable soils. Sovremennaya nauka i innovatsii, 2016, no. 2 (24), pp. 133-139 (In Russian).
5. Ryaskov A.V. Peculiarities of foundation construction in permafrost soils. Shkola nauki, 2020, no. 6 (30), pp. 11-13 (In Russian).
6. Rebrov S.A., Smirnov S.A., Mashkovtsev A.A. Determination of the main causes of accidents at hazardous production facilities of gas distribution and gas consumption. Bezopasnost truda vpromyshlennosti, 2015, no. 9, pp. 62-64 (In Russian).
7. Mustafin F.M., Bykov L.I., Mokhov V.N. Stroitel'nyye konstruktsii neftegazovykh ob'yektov [Structural structures of oil and gas facilities]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2008. 758 p.
8. SP 20.13330.2016. Nagruzki i vozdeystviya [SP 20.13330.2016. Loads and impacts].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Некучаев Владимир Орович, д.ф.-м.н, проф. завкафедрой физики и высшей математики, Ухтинский государственный технический университет.
Семиткина Екатерина Владимировна, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации магистральных газонефтепроводов, Ухтинский государственный технический университет. Терентьева Марина Владимировна, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации магистральных газонефтепроводов, Ухтинский государственный технический университет. Белый Роман Евгеньевич, аспирант, Ухтинский государственный технический университет.
Vladimir O. Nekuchaev, Dr. Sci. (Ph.-m.), Prof., Head of the Department of Physics and Higher Mathematics, Ukhta State Technical University. Ekaterina V. Semitkina, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Design and Operation of Main Gas and Oil Pipelines, Ukhta State Technical University.
Marina V. Terenteva, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Design and Operation of Main Gas and Oil Pipelines, Ukhta State Technical University.
Roman E. Belyy, Postgraduate Student, Ukhta State Technical University.
3
7.
