CC BY
9
Сравнительный анализ устойчивости стального и полимерного трубопроводов на сейсмическое воздействие
В.И. Воляник, А.В. Переверзев, Е.А. Сиятсков, И.А. Томарева
Институт архитектуры и строительства (ИАиС) Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ)
Аннотация: Сейсмическая активность зон, через которые проложены трубопроводы, всегда вызывала серьезную озабоченность. Анализ аварийных ситуаций на трубопроводных системах, вызванных землетрясением, выявил факторы, влияющие на их устойчивость: продольное и поперечное смещение грунта, эффект разжижения грунта, разломы, в результате которых возникают открытые трещины и сдвиговые деформации. Для предотвращения повреждения трубопроводов при сейсмическом воздействии необходимо учитывать характер воздействия на конструкцию трубопровода, требуемый уровень безопасности для данного сейсмического воздействия. В настоящее время особое внимание уделяется конструктивным решениям и материалам, из которых выполнены трубопроводы. Проведенные исследования позволяют сформировать подход к оценке работоспособности полиэтиленовых и стальных трубопроводов в сейсмоопасных районах, и на основе сравнительного анализа их устойчивости дать рекомендации по применению трубопроводов в заданных условиях.
Ключевые слова: углеводороды, анализ, трубопровод, надежность, сейсмическое воздействие, деформация, композитные материалы.
Обеспечение надежности трубопроводных систем является задачей многофакторной. Необходимо учесть климатические, топографические, инженерно-геологические, гидрологические условия строительства, материал труб, методы укладки и т.д. [1].
Проведенный анализ аварийных ситуаций на трубопроводах, транспортирующих углеводороды в сейсмоактивных зонах, позволил выявить ряд причин, влияющих на устойчивость конструкции. На надежность конструкции влияние оказывают возникающие напряжения, вызывающие такие деформации трубы, как смятие, продольный изгиб и гофрообразование, а также пластические свойства материала труб [2, 3].
В таблице 1 представлены некоторые статистические данные о причинах возникновения аварий, повреждений и внешнего воздействия на трубопроводы в сейсмоопасных районах [4].
Таблица 1
Повреждения трубопроводов в результате сейсмического воздействия
Район землетрясения Год Магнитуда Последствия сейсмического воздействия
Аляска (США) 1964 9.2 Произошел разрыв газопроводов в зонах разл омов. Большая часть по вр ежд е ний тру о опр овода пр о из опи аиз-заоползнейи растрескивания грунта
Эквадор 1987 6.9 Землетрясение привело к разрушению более 40 км Трансэквадорского газопровода,с доказ ательствам и з нач иге ль но го ущерба из-за оползней и разжижения грунта
Чн Чи (Тайвань) 1999 7.7 Подземные газопроводы подверглись заглубленной деформации изгиба из-за смещения грунта
Вэньчуань (Китай) 2008 8.0 Сталь ные труб о пр оводы тр а не порта газа были сильно повреждены оползнями и селями б результате землетрясения
Актуальность исследования обусловлена необходимостью предотвратить возникновение аварийных ситуаций, способных нанести большой экономический и экологический урон [5, 6].
В настоящее время нефтегазовые компании по всему миру все больше внимания уделяют внедрению трубопроводных систем из композитных материалов (табл. 2) [7,8]. Трубы из полимеров обладают рядом преимуществ перед стальными: коррозионная стойкость, стойкость к циклическим нагрузкам, низкая стоимость производства и затрат на эксплуатацию, сниженный риск загрязнения окружающей среды. Однако, анализируя данные, представленные в таблице 2, необходимо отметить, что на данный момент полимерные трубы, выпускаемые в России, отстают по техническим характеристикам от зарубежных аналогов. Но заинтересованность в
применении трубопроводных систем из композитных материалов у российских нефтегазовых компаний возрастает с каждым годом, а это значит, что в самое ближайшее время данные трубопроводы смогут составить конкуренцию стальным.
Таблица 2
Основные производители композитных труб
Компания Ассортимент Давление, МПа Температура^
NOV-Fiberspar NOV-Fiberspar (США) Диаметр 50-254мм: армирование еысоко лрочными нитями до 13,8 до 104,4
Flex Steel (США) Диаметр 50-203 мм, стальное армирование от 5,0 до 20,6 до 80
America Flex (США) Днаметр 50-157мм, армирование ннтямннтн сталью от 0,2 до 0,3 до 45
Poly flow (США) Днам етр 101-152 мы: армирование ннтямн ДО 3,5 до 65
Soluforce (Нидерланды) Днам етр 101-177 мм, армирование ннтямн до S,0 до 100
Airborne (Нидерланды) Диаметр 25-101 мм. широкий ассортимент до 20,2 до 95
IVG (Италия) Инновационные материалы до 1,0 до 70
ANACONDA (Россия) Диаметр 74-160мм: армирование трубы полнэфнрньвш малоусадочными ннтямн с повышенной адгезией от 1,2 до 4,0 до 65
Геотехнологии (Россия) Диаметр 22-59 мм, армирование ннтямн с наружной полимерной оболочкой от 1,0 до 2,0 до 70
Снб МашП олнмер (Россия) Диаметр 50-600мм, армирование с металлическим каркасом до 4,0 от 1=0 до 80
и
В нашем исследовании мы провели сравнительный анализ трубопроводов, выполненных из стали и полимера, на устойчивость к сейсмическому воздействию, а именно, взаимодействию конструкции «трубопровод-грунт» при возникновении остаточного смещения и разжижения грунта, прохождения через разломы в сейсмоактивных зонах. Данные сейсмические нагрузки приводят к возникновению открытых трещин и сдвиговых деформаций, что особенно опасно для трубопроводов, уложенных под землей [9, 10].
Одна из задач, решаемая в рамках исследования, - это определение деформаций стального и полимерного трубопроводов с учетом эксплуатационных и сейсмических нагрузок.
Условием устойчивости трубопроводных систем в данном случае является:
£сейсм "" £эксп — £допуст ( % ), (1)
где £допуст - допустимая деформация трубы (10 %); £сейсм - деформация трубы из-за сейсмического воздействия (%); £эксп - эксплуатационная деформация трубы (%), которая равна:
£р " " £нагр , (2)
где £р - деформация трубы из-за внутреннего давления (%); £с -температурная деформация трубопровода (%); £нагр - деформация трубопровода от внешних нагрузок (%).
Для сравнительного исследования были приняты трубы диаметром 90 мм с толщиной стенки 8,2 мм при прочих равных условиях. Результаты расчетов представлены в таблице 3.
Проведенные исследования позволяют сформировать подход к оценке работоспособности полиэтиленовых и стальных трубопроводов в условиях землетрясений.
Таблица 3
Деформации трубопроводов из стали и композитного материала
(полиэтилен) с учетом эксплуатационных и сейсмических нагрузок
Стальной трубопровод Полиэтиленовый трубопровод
Нагрузки Деформация от нагрузки, % Полная деформация (^эксп ^сейсм), % Деформация от нагрузки, % Полная деформация (^эксп ^сейсм), %
Эксплуатационные 0,039 2,52
Сейсмические:
- продольное остаточное смещение 0,015 0,054 3,5 6,02
грунта;
- поперечное
остаточное смещение 0,11 0,149 0,11 2,63
грунта
- разжижение грунта; 0,008 0,047 1,2 3,72
- сдвиговый разлом; 6,25 6,289 6,25 8,77
- разлом сброса 4,47 4,509 4,47 6,99
Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что условие устойчивости трубопроводных систем выполняется, т.е. £сейсм + £эксп < 10%. Следовательно, композитные трубопроводы в сейсмоопасных зонах обладают достаточной гибкостью и, наравне со стальными, не подвергаются разрушению под воздействием динамических нагрузок.
При сопоставимости результатов воздействия динамических (сейсмических) нагрузок со стальными трубопроводами, полиэтиленовые обладают рядом достоинств: экономичность, экологичность (существенное снижение риска загрязнения окружающей среды), высокая скорость и разнообразие используемых методов укладки, что позволяет рекомендовать их к применению в таких ответственных районах строительства, как сейсмоопасные зоны.
Литература
1. Онищенко А.О., Аль-Машвали С.М., Томарева И.А. Анализ технологий строительства подземных нефтегазопроводов в сейсмически опасных районах // Инженерный вестник Дона. 2021. № 6. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2021/7042.
2. Напетваридзе Ш.Г., Гехман А.С. и др. Сейсмостойкость магистральных трубопроводов и специальных сооружений нефтяной и газовой промышленности. М.: Наука. 1980. 170 с.
3. Котляревский В.А. Оценка прочности и надежности сейсмостойкости магистральных трубопроводов как упругих и упругопластических систем // Наука и безопасность. 2012. № 3. С. 127-152.
4. Baum R.L., Devin L.G., Edwin L.H. Landslide and Land Subsidence Hazards to Pipelines: open-file report. U.S. Geological Survey, 2008. 202 p.
5. Александров А.А., Ларионов В.И., Гумеров Р.А. Методы анализа сейсмического риска с учетом вторичных техногенных аварий на объектах нефтегазового комплекса // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 4 (98). С. 165-175.
6. Honegger D.G., Wijewickreme D. Seismic risk assessment for oil and gas pipelines // Handbook of Seismic Risk Analysis and Management of Civil Infrastructure Systems, 10.1533/9780857098986.4.682, 2013, рр. 682-715.
7. Гулин Д.А., Карпова К.Е., Глазков А.С., Насибуллин Т.Р. О применении труб из полимерных материалов для промысловых трубопроводов // Нефтегазовое дело. 2020. Т. 18, № 6. С. 107-115.
8. Габова М.А. Применение композиционных материалов при добыче нефти и газа // Вестник университета. 2012. № 10. С. 88-92.
9. Гехман А.С., Зайнетдинов Х.Х. Расчёт, конструирование трубопроводов в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1988. 184 с.
10. Андреева Е.В. Разработка методики оценки несущей способности подземных магистральных трубопроводов в сейсмически опасных зонах: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19. М., 2009. 24 с.
References
1. Onishhenko A.O., Al'-Mashvali S.M., Tomareva I.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2021. № 5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2021/7042.
2. Napetvaridze Sh.G., Gehman A.S. i dr. Sejsmostojkost' magistral'nyh truboprovodov i special'nyh sooruzhenij neftjanoj i gazovoj promyshlennosti [Seismic resistance of main pipelines and special structures of the oil and gas industry]. M.: Nauka. 1980. 170 р.
3. Kotljarevskij V.A. Nauka i bezopasnost'. 2012. № 3. рр. 127-152.
4. Baum R.L., Devin L.G., Edwin L.H. Landslide and Land Subsidence Hazards to Pipelines: open-file report. U.S. Geological Survey, 2008. 202 p.
5. Aleksandrov A.A., Larionov V.I., Gumerov R.A. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov. 2014. № 4 (98). рр. 165-175.
6. Honegger D.G., Wijewickreme D. Handbook of Seismic Risk Analysis and Management of Civil Infrastructure Systems. 10.1533/9780857098986.4.682. 2013. рр. 682-715.
7. Gulin D.A., Karpova K.E., Glazkov A.S., Nasibullin T.R. Neftegazovoe delo. 2020. T. 18, № 6. рр. 107-115.
8. Gabova M.A. Vestnik universiteta. 2012. № 10. рр. 88-92.
9. Gegman A.S., Zaynetdinov H.H. Raschet, konstuirovanie i ekspluatacia truboprovodov v seismicheskih rayonah [Calculation, design and operation of pipelines in seismic areas] M.: Stroyizdat, 1988. 184 р.
10. Andreeva E.V. Razrabotka metodiki ocenki nesushhej sposobnosti podzemnyh magistral'nyh truboprovodov v sejsmicheski opasnyh zonah [Development of a methodology for assessing the bearing capacity of underground
main pipelines in seismically hazardous areas]: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk: 25.00.19. M., 2009. 24 р.
