авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Разработка методов повышения устойчивости северных газопроводов

-- [ Страница 2 ] --

Недостатки применения ЖБУ состоят в их высокой стоимости и недостаточной надежности для пучинистых грунтов вечной мерзлоты. В системе магистральных газопроводов на участке Ямбург – Ныда выявлены сотни всплывших участков газопроводов, забалластированных железобетонными утяжелителями типа УБК, УБО. То же можно сказать о вмораживаемых АУ. Общее растепление вечной мерзлоты в первые годы работы газопровода привело к массовым всплытиям его участков. Жесткие связи в системе "трубопровод – закрепляющая конструкция – грунтовое основание" в период пучения промерзающего грунта не выдерживают усилий, возникающих при подъеме трубопровода и разрываются в силу того, что не способны компенсировать вертикальные перемещения трубопровода и перераспределить их между отдельными закрепляющими устройствами. Кроме того, взаимодействие этих устройств с трубопроводом создает значительные локальные нагрузки, повреждающие изоляционное покрытие и вызывающие повышение напряжений изгиба в стенке труб.

В начале 80-х годов были начаты исследовательские и практические работы по освоению нового метода балластировки газопроводов с использованием грунтозаполняемых гибких материалов – технических тканей, пленок, геотекстильных полотен. Массовое применение нетканых синтетических материалов (НСМ) произошло на МГ Ямбург – Ныда. С течением лет данное направление быстро развивалось.

К настоящему времени сложился перспективный класс утяжелителей из грунтозаполняемых гибких материалов и устройств из них, а также способов балластировки с использованием этих материалов (рис.1).


Рис. 1 Блок схема утяжелителей из грунтозаполняемых гибких

материалов и способы их установки на трубопровод

Выделены три группы. Это способы прокладки с гибкими коврами, способы и устройства прокладки с гибкими полосами, устройства – контейнеры с гибкими стенками.

Наиболее распространенным способом балластировки является применение грунтозаполняемых гибких ковров из геотекстильных, в том числе нетканых синтетических материалов. Этот способ, а также грунтозаполняемые мешки из технической ткани типа КТ (контейнер текстильный) вошли в состав действующих нормативных документов.

Научное обоснование работоспособности разных методов и устройств закрепления (балластировки) трубопроводов на вечной мерзлоте может быть получено в результате экспериментальных, в т.ч. натурных исследований ряда параметров состояния системы "трубопровод – закрепляющая конструкция – грунтовое основание": температуры стенки трубы и грунтового массива, очертаний и максимальных глубин ореолов оттаивания, характеристик средств и методов закрепления газопроводов.

Во второй главе разработана методика и приведены результаты экспериментальных исследований теплового взаимодействия магистральных газопроводов с вечномерзлыми грунтами на головном участке Ямбург-Ныда. Исследования проводили в начальный период эксплуатации после сооружения газопроводов на протяжении 35 лет, когда процессы тепловлажностного и механического взаимодействия трубопровода с грунтом протекают наиболее интенсивно.

Эффективным методом прогнозирования состояния грунтового основания и его несущей способности является контроль температуры и ореолов оттаивания грунта, окружающего газопровод, потому что температура - один из решающих факторов, определяющих свойства грунтового основания. Регулярные объективные данные по температурам и ореолам оттаивания грунта позволяют определить тенденции изменения условий эксплуатации газопровода, работоспособности средств закрепления, обеспечивающих его устойчивость.

В ходе исследований были поставлены и решены следующие задачи:

- подготовлены, проверены и установлены средства измерений температуры грунта и стенки трубы в выбранных сечениях газопроводов;

- определены сезонные изменения температуры грунта по глубине на различных расстояниях от оси газопровода;

- оценена взаимосвязь температуры стенки трубы с температурой окружающего основания;

- определены температурное и агрегатное состояние грунта в объеме траншеи с трубопроводом при эксплуатации в течение 35 лет;

- установлены максимальные сезонные температуры грунта и их изменения по годам эксплуатации;

- разработана методика численного моделирования зависимости глубины оттаивания от ряда факторов и получено разрешающее выражение этой зависимости;

- проведены экспериментальные исследования ореолов оттаивания по сечениям МГ и сопоставлены значения максимальных глубин с расчетными данными.

Температуру поверхности трубы и окружающего грунта определяли в термопоперечниках трассы первых трех ниток МГ Ямбург-Елец с помощью термокос.

Ореолы оттаивания вокруг МГ Ямбург-Елец определяли экспери-ментально с помощью металлического щупа, а также расчетными методами: численным и аналитическим. Выполнена оценка вклада основных факторов, определяющих глубину ореолов оттаивания, а именно температуры стенки трубы; толщины снежного покрова в течение зимнего периода; высоты обваловки над дневной поверхностью грунта; ширины основания обваловки; влажности грунта обваловки (торф); влажности массива грунта в траншее (минеральный грунт). Использована теория планирования эксперимента, на базе которой получена зависимость:

y=x0+0,2666x1+0,015x2+0,0313x3+0,0022x4+0,7x5+ ( 1 )

+0,1385x60,1813 x1x6 0,046 x5x6,

где x1 – толщина снегового покрова; x2 – высота обваловки; x3 – ширина обваловки; x4 – влажность обваловки (торфа); x5 – температура трубы;
x6 – влажность минерального грунта в траншее; x0 = 2,4917 м – глубина оттаивания по средним значениям факторов.

Выделено два температурных режима работы газопроводов по изменению среднегодовой температуры стенки трубы. Так, система МГ Ямбург-Елец работала в режиме компрессорной подачи газа (кроме летних месяцев), а, например, пятая нитка МГ Ямбург-Тула 1 - в бескомпрессорном режиме, когда газ, минуя компрессорную станцию, непосредственно поступал с промыслов в магистральный газопровод.

Среднегодовая температура стенки трубы по ходу газа от КС «Ямбург» дает возможность определить границы «горячих», «теплых», «холодных»

участков газопроводов Ямбург-Елец и Ямбург-Тула 1 в соответствии с известной классификацией.

Определен также «горячий» участок для МГ Ямбург-Елец, на котором температура трубы tтр>0 в течении всего года. Длина его для самого холодного периода года составляет xгор= 60 км. «Теплые» и «горячие» участки трассы характерны тем, что на них с годами развиваются ореолы оттаивания, нарушающие устойчивость газопроводов при недостаточном его закреплении.

Экспериментальные исследования температурного состояния грунтового основания вокруг газопроводов Ямбург-Елец, Ямбург-Тула 1 в период максимального развития ореолов оттаивания и потепления нижележащих слоев вечномерзлого грунта (сентябрь - октябрь каждого года эксплуатации) показали повышение температуры с годами в начальном периоде эксплуатации. Данный факт установлен по всем термопоперечникам МГ Ямбург-Елец на 2-ом, 75-ом, 130-ом, 142-ом км трассы (см. рис. 2).

Рис. 2 Изменение температуры грунта (toС) по годам 1987...1992 г.г. (а….е) на расстояниях 1,66 м (А); 4,66(Б) от оси газопровода Ямбург Елец 2, км 2 на различных глубинах в диапазоне 0,53,5 м, максимальной температуры грунта под трубой (tпт) на расстоянии 1,2 м от оси и температуры трубы (tтр).

Наблюдается рост температуры грунта на расстояниях 1,66 м; 4,66 м; 1,2 м (под трубой) от оси газопровода.

Потепление вечномерзлого грунта с годами отмечено и для «холодного»

участка МГ Ямбург-Тула 1, км 149. Термокоса установлена по окружности трубы и по периметру нижней части траншеи.

Измерения, проведенные в августе-сентябре, показали определенный рост температуры мерзлого массива грунта с годами. Так, температура массива грунта, окружающего газопровод, в течение 4-х лет наблюдений возросла от минус 1,0 0С до минус 0,1 0С.

По ореолам оттаивания установлено, что экспериментальные данные характеризуются значительным разбросом по сравнению с расчетными результатами (см. рис. 3).



Рис. 3 Ореолы оттаивания вокруг газопровода Ямбург Елец,
км 2. Справа экспериментальные данные: 05.07.88 г (1), 24.09.88 г (2), 18.06.89 г (3), 07.09.89 г (4), 12.09.91 г (5); слева расчетные: июнь (6), июль (7), сентябрь (8).

Разброс экспериментальных кривых нулевой изотермы весьма значителен как по максимальной глубине под трубой, так и по очертанию кривых. Это объясняется главным образом режимом работы КС.

Расчетные очертания ореолов получены на базе среднегодовой температуры численным методом по конечно – разностной схеме, без учета режимов работы КС. Расчет продолжался до стабилизации положения нулевой изотермы (примерно три года), при этом значение имеет рассматриваемый месяц, для которого производился расчет.

Соотношение максимальных значений глубины оттаивания под трубой, определенных различными методами для МГ Ямбург-Елец, км 2, км 75 по годам, показывает их медленный рост.

В целом, результаты исследования теплового взаимодействия системы «газопровод-грунт» в первые годы эксплуатации показывают растепление грунтов околотрубного пространства как верхних слоев массива, испытывающих циклы сезонного оттаивания - промерзания, так и нижних слоев ненарушенной вечной мерзлоты в области отрицательных температур. Установленное нарастающее с годами повышение температуры вечномерзлого грунта и развитие ореолов оттаивания вызывает нарушение устойчивости газопроводов и средств их закрепления, работающих на принципе смерзания с грунтом, к которым относятся вмораживаемые анкерные устройства.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям методов закрепления газопроводов с помощью железобетонных утяжелителей, вмораживаемых анкеров и геотекстильных грунтозаполняемых ковровых материалов.

Объективная оценка работоспособности методов закрепления МГ может быть получена по результатам их практического применения. Опыт строительства и эксплуатации системы МГ с Ямбургского ГКМ на участке вечной мерзлоты Ямбург-Ныда дал возможность оценить работоспособность ряда проектных решений по закреплению (балластировке) газопроводов в сложных геокриологических условиях данного региона.

Первоначальные проектные решения по первой нитке МГ Ямбург-Елец предусматривали сплошную балластировку железобетонными утяжелителями (ЖБУ) типа УБО-1, УБК-1,4, а также теплоизоляционных экранов. Всего на участке Ямбург-Ныда протяженностью 185 км было заложено 118700 ед. ЖБУ и 81 км экранов. В процессе согласований количество утяжелителей было снижено на 17%. Параллельно по ведомости возможной замены на МГ Ямбург-Елец 1 была включена балластировка грунтом с НСМ в объеме 5,9 км и закрепление вмораживаемыми стержневыми анкерами без компенсаторов в объеме 9,75 км (1554 пары). Экраны повсеместно были исключены. На последующих нитках стали широко использовать взамен ЖБУ вмораживаемые АУ и НСМ с грунтом.

Рассмотрим результаты натурных исследований состояния газо-проводов, закрепленных разными способами. Так, через 1,5 года после сооружения головного отрезка трассы Ямбург-Елец 2 всплыло в общей сложности 11 участков протяженностью 2740 м, закрепленных однодисковыми и стержневыми АУ, установленными без компенсаторов пучения.

Установка в цепь стержневого анкера компенсатора непрерывного действия конструкции Киевского филиала ВНИИПКтехоргнефтегазстроя на участке км 57-77 лупинга Ямбург-Елец 1 в объеме 3 км позволила повысить работоспособность АУ. После двух лет эксплуатации всплывших участков не зафиксировано.

В первые годы эксплуатации на сложных отрезках трассы первых ниток системы МГ Ямбург-Елец проявились недостатки применения ЖБУ. Зафиксирован ряд размытых участков с железобетонной пригрузкой по причине вымывания мелкодисперсного грунта и протекания процесса солифлюкции (скольжения) на уклонах трассы. При интенсивном оттаивании структурно-нарушенного грунта засыпки в траншее утяжелители и трубопровод обнажаются, траншея размывается, частицы грунта выносятся потоками воды.

Ненадежно ведут себя утяжелители на обводненных поворотных участках трассы. При взаимодействии выталкивающей силы и продольных усилий сжатия газопровод смещается в сторону, при этом даже такие устойчивые утяжелители как УБО или сходят с трубы, или наблюдается отрыв силовых поясов. Так, на одном из всплывших участков МГ Ямбург-Елец-1 (лупинг) длиной 150 м, из 80 установленных УБО на всплывшем участке сохранилось только 15 комплектов. У 21 комплекта оторвались пояса, которые утонули в разжиженном грунте вместе с блоками. На другом прямолинейном в плане участке длиной 160 м сохранились 45 комплектов УБО, из них только 15 комплектов были исправными.

По данным облета трассы Ямбург-Елец в пределах 19-186 км объем всплывших и оголенных участков, закрепленных вмораживаемыми АУ и ЖБУ, составил 2,04 % общей протяженности МГ.

Обследование технического состояния всего девятиниточного коридора системы МГ Ямбург-Ныда, выполненное ВНИИГАЗом в 2003-05 г.г., показало, что объем всплывших участков составил 6,5 % от общей протяженности газопроводов, а количество всплывших участков достигло 580 ед. В основном отказали анкерные системы, железобетонные пригрузы. Практически отсутствовали всплывшие участки, забалластированные грунтом с НСМ.

Для проверки работоспособности вмораживаемых АУ был проведен эксперимент на модели устройства в полевых условиях. Цель эксперимента – оценка ползучести мерзлого грунта при воздействии длительной вертикальной выдергивающей нагрузки на анкерный стержень, установленный в мерзлый грунт.

Анкер завинчивали в мерзлый грунт с температурой минус 1,5 – 2,0 0С, затем прикладывали постоянную выдергивающую нагрузку, равную 63 кН.

Данная нагрузка соответствует выталкивающей силе воды, действующей на один анкерный стержень при расстановке анкерных пар с

шагом 10 м на трубопроводе диаметром 142015,7 мм и создает среднее напряжение сдвига на границе «сталь – грунт», равное 0,13 МПа.

В течение первых суток перемещений не зафиксировано, в дальнейшем скорость выхода анкера стабилизировалась на уровне 0,59 мм/сутки. После 10 суток вследствие резкого потепления скорость возросла до 1,1 мм/сутки. На 13 сутки перемещение анкера достигло критического значения, равного 10 мм.

Результаты испытаний говорят о том, что если в трассовых условиях обводненных грунтов на трубопровод с анкерами воздействует выталкивающая сила, то фактор ползучести мерзлого грунта приводит к постепенному выходу анкеров и всплытию газопровода.

Развитие метода балластировки с использованием НСМ требовало экспериментального обоснования. С целью расширения области применения НСМ для балластировки трубопроводов были поставлены и решены собственные задачи, основные из которых состояли в следующем:

- исследование особенностей взаимодействия системы «труба-НСМ-грунт» при недостаточной массе грунта засыпки и возможности повышения ее балластирующей способности;

- исследование балластирующего эффекта смеси минерального грунта с торфом;

- исследование эффективности НСМ для повышения устойчивости грунта засыпки на уклонах трассы свыше 30 против уноса водными потоками;

- постановка и проведение натурных экспериментов по определению перемещений трубопровода, забалластированного грунтом с НСМ, на вечной мерзлоте (на участке Ямбург-Ныда).

Первые три задачи решали методом лабораторных исследований на специальной установке в виде металлического лотка с измерительными средствами.

По результатам лабораторных испытаний с перенесением на натурный размер газопровода диаметром 10209 мм показана возможность обеспечения устойчивости газопровода против всплытия, если использовать в качестве балласта смесь торфа и песка, в которой содержание торфа по объему достигает 70 % (взв = 0,31 кг/дм 3), при этом смесь засыпается в ковры НСМ. Предложена новая зависимость удерживающей способности песка с НСМ:

( 2 )

где qгрНСМ – удерживающая способность грунта с НСМ, Н/м; qгр – то же без НСМ; взв – удельный вес грунта во взвешенном состоянии, Н/м3;DН – наружный диаметр трубы, м; Н - глубина траншеи; В – ширина траншеи по низу, м.

Формула (2) дает более близкие значения к экспериментальным результатам, чем аналогичная зависимость в действующих ВСН 39-1.9- 003-98. Для исследования процесса грунтоуноса на уклонах трассы лоток устанавливали под разными углами и пропускали расчетное количество воды. Исследовали три варианта балластировки: а) песок без НСМ, б) песок в НСМ с открытой полостью, в) песок в НСМ с закрытой полостью по вновь разработанному комбинированному способу балластировки (рис. 4). Результаты приведены в таблице 1.


Рис. 4 Схема комбинированного способа балластировки:1 трубо-провод; 2 полотно НСМ; 3 балластирующий минеральный грунт;
4 утяжелитель типа УБО; 5 грунт отвала (торф); 6 уровень воды.

Таблица 1

Результаты массоуноса для углов л = 30 и 60




Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.