Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов




Скачать 27,53 Kb.
НазваниеСовершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов
страница1/3
Дата04.02.2016
Размер27,53 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3


На правах рукописи


Лаптева Татьяна Ивановна



СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ методОВ оценки устойчивости

и эксплуатационной надежности

морских трубопроводов


Специальность: 25.00.18 – «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых»


Автореферат

диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук





Москва – 2008


Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – ВНИИГАЗ»


Научный руководитель: д. т. н. Мансуров М.Н.


Официальные оппоненты: д.т.н. Черний В.П.

к.ф.-м.н. Нагрелли В.Э.


Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов»
(ГУП «ИПТЭР»)


Защита состоится « 23 » апреля 2008 г. в 13 час. 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 511.001.01 при ООО «ВНИИГАЗ»

по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка, ООО «ВНИИГАЗ», ОНТЦ, 2-й этаж, конференц-зал.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ».


Автореферат разослан « 18 » марта 2008 г.


Учёный секретарь

диссертационного совета,

д.г.-м.н. Н.Н. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы. Будущее нефтяной и газовой промышленности России связано с освоением месторождений, расположенных в акваториях морей. Одним из важнейших процессов, определяющих эффективность освоения морских месторождений, является транспортировка нефти и газа по морским подводным трубопроводам.

Межгосударственной научно-технической программой «Высокона­дежный трубопроводный транспорт» и Программой работ ОАО «Газпром» по освоению ресурсов углеводородов на шельфе Российской Федерации до 2030 года предусматривается пересмотр существующих и создание новых норм и правил проектирования и строительства морских трубопроводов. Они должны регламентировать положения, выполнение которых обеспечивает надежное и безаварийное функционирование морских подводных трубо­проводных систем при минимизации рисков.

Наиболее важными являются стандарты, нормирующие прочность и устойчивость, поскольку особенностью расчетов морских подводных трубопроводов, в отличие от сухопутных, является необходимость учета не только внутреннего, но и наружного давления, а также обеспечения устойчивости положения объекта в течение всего жизненного цикла.

Рассматривая проблемы конструктивной прочности трубопроводов, нельзя исключать возможность образования утечек, а в силу трудности доступа к морским подводным трубопроводам и высокой стоимости проведения ремонтных работ, необходимы методы своевременного их обнаружения и локализации. Поэтому важное значение имеют исследования, направленные на создание способов и, соответственно, устройств обнаружения возможных утечек из морских трубопроводов.

Вышесказанное и определяет актуальность темы диссертации.

Цель и задачи. Основной целью работы является совершенствование методов проектирования путем оценки устойчивости морских трубопроводов и оперативного дистанционного обнаружения мест возможных утечек, повышающих их эксплуатационную надежность.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

  1. Исследовать и проанализировать методы проектирования морского подводного трубопровода, основанные на определении напряженно-деформированного состояния при условиях его строительства и эксплуатации.

  2. Разработать программный комплекс оценки условий потери устойчивости морского подводного трубопровода в вертикальной плоскости, позволяющий оценить требуемую глубину его заложения в морское дно.

  3. Разработать метод оперативного дистанционного обнаружения мест возможных утечек, основанный на анализе переходных гидродинамических процессов, возникающих в морском трубопроводе.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке и реализации программного комплекса, определяющего условия потери устойчивости в вертикальной плоскости морского подводного трубопровода, позволяющего оценить необходимую глубину его заложения в морское дно, что обеспечивает прочность и надежность морских подводных трубопроводов, особенно в условиях сейсмоопасных районов. В работе обоснован аналитический метод оперативного дистанционного обнаружения мест образовавшихся утечек в трубопроводе на основе доказательства генерации внутри трубопровода волн разряжения при образовании появившегося отверстия; выполнена оценка условий, при которых развитие отверстия обусловлено гидродинамическими силами; получены аналитические выражения, описывающие переходные процессы в трубопроводе после образования утечки и установлены критерии распознавания образующихся при возникновении утечек волн разряжения.

Защищаемые положения.

  1. Совершенствование методов оценки устойчивости морских трубопроводов для исключения процессов вертикального выпучивания, разработка рекомендаций по их применению при реальном проектировании и дополнению существующей нормативной базы проектирования морских трубопроводов.

  2. Теоретическое обоснование метода оперативного дистанционного обнаружения утечек, позволяющего повысить эксплуатационную надежность и экологическую безопасность морских трубопроводов на континентальном шельфе.

Практическая ценность и реализация работы.

Разработанный программный комплекс оценки условий потери устойчивости в вертикальной плоскости морских подводных трубопроводов и рекомендации по совершенствованию нормативной базы проектирования, обосновывающих принятие на их основе технических решений, позволяет обеспечить конструктивную надежность морских подводных трубопроводов, особенно прокладываемых в слабонесущих грунтах и сейсмоопасных районах, в течение всего жизненного цикла.

Независимо от других применяемых методов технической диагностики дефектов, предложенный метод обнаружения утечек в морском трубопроводе, основанный на анализе переходных гидродинамических процессов, позволяет оперативно принимать адекватные решения по их ликвидации и может эффективно использоваться в линейно-производственных управлениях по эксплуатации трубопроводов.

Результаты работы использованы при:

  • разработке Обоснования инвестиций в освоение Штокмановского газоконденсатного месторождения;

  • составлении проекта разработки Северо-Каменномысского газового месторождения;

  • аудите проекта морских участков газопровода Барбакоа – Маргарита в Боливарианской Республике Венесуэла.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на:

  • 1-ой Международной конференции «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток (ROOGD-2006)» (Москва, 2006);

  • 4-ой Международной конференции «Освоение шельфа: бизнес-аспекты разработки нефтегазовых месторождений России и Каспийского региона» (Москва, 2007);

  • научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса» (Уфа, 2007);

  • международной конференции «Безопасность морских объектов (SOF-2007)» (Москва, 2007);

  • заседаниях секции Ученого Совета ООО «ВНИИГАЗ».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 1 в издании, включенном в «Перечень…» ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура диссертационной работы

Диссертационная работа содержит введение, три главы, основные результаты с выводами, список использованной литературы из 92 наименований. Содержание изложено на 130 страницах машинописного текста и включает 30 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения.

Содержание работы

Во введении приводится общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и главные задачи исследований, научная новизна и основные защищаемые положения.

В первой главе приведен анализ современных методов проектирования трубопроводов с последующей постановкой задач исследования.

Значительный вклад в развитие трубопроводного, в частности, морского, транспорта внесли российские ученые и специалисты В.М. Агапкин, А.Б. Айнбиндер, Р.А. Алиев, П.П. Бородавкин, А.Г. Гумеров, Р.С. Гумеров, М.А. Гусейнзаде, Н. М. Гусейнов, И. А. Искендеров, И. П. Кулиев, Д. Д. Лаппо, С. И. Левин, М.Н. Мансуров, С. А. Оруджев, Р. А. Рустамов, А. М. Синюков, П.И. Тугунов, В.В. Харионовский, В.П. Черний, В.А. Юфин, Э.М. Ясин и другие. В то же время, приведенный в первом параграфе обзор методов расчета морских трубопроводов показывает, что в них рассматривается только устойчивость местоположения морских трубопроводов, и они, по существу, не учитывают распространенные и малоизученные процессы потери устойчивости морских трубопроводов вследствие вертикального выпучивания.

Материалы второго параграфа показывают, что для сухопутных трубопроводов разработаны методики расчетов вертикального выпучивания, основанные на энергетическом подходе, которые позволяют приближенно оценить запас прочности по продольной устойчивости. Расчетные формулы для определения сопротивления грунта вертикальным перемещениям трубопровода, как правило, являются эмпирическими. Поэтому на практике они могут использоваться лишь для предварительных оценок общего напряженного состояния трубопроводной конструкции. В работах А.М. Шаммазова, Р.М. Зарипова, В.А. Чичелова, А.М. Ильгамова и др. приводятся алгоритмы определения нагрузок и модели реакции грунта на перемещение трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях; также рассматривается малоизученное явление, связанное с воздействием внутреннего давления в сечении трубы «в свету», приводящее к выпучиванию, и, соответственно, к потере устойчивости.

Для морских трубопроводов, хотя и указывается на необходимость расчета при особых сочетаниях нагрузок и воздействий на трубопроводы, к которым можно отнести и выпучивание, но обычно методы расчета этого явления не приводятся. Только нормы Германского Ллойда (Germanischer Lloyd) предусматривают расчеты на пространственное выпучивание.

Результатом анализа нормативной и технической литературы является вывод о том, что методы расчета устойчивости трубопроводов требуют дальнейшего развития. Это особенно важно для морских подводных трубопроводов, поскольку потеря их устойчивости и связанная с ней эксплуатационная надежность приводят к рискам финансовых и экологических потерь, существенно больших по сравнению с подземными трубопроводами.

В третьем параграфе приведен анализ методов и результатов исследований по обнаружению утечек из морских подводных трубопроводов. Причины возникновения аварий определены по статистике аварийности трубопроводов Северного моря. Методы детектирования утечек могут быть самыми разными, но среди них можно выделить несколько типов решений, используемых и предлагаемых к применению в настоящее время, в частности, методы: отрицательных ударных волн; сравнения расходов; линейного баланса; радиоактивный; ультразвуковой (зондовый); акустический; акустической эмиссии; лазерный газоаналитический; визуальный; вихревых токов; магнитные методы контроля; комбинированный электромагнитный контроля; ударных волн Н. Е. Жуковского и другие, а также их комбинации. Приведен опыт их практического применения в России и за рубежом.

Анализ существующих методов и средств обнаружения утечек показал, что они требуют дальнейшего совершенствования и развития. Основным их недостатком является невозможность достоверно зафиксировать утечку, если она возникла в период нестационарного режима перекачки (отключение - включение насосного агрегата, регулирование давления на выходе насосной станции и т.п.).

Завершается первая глава определением области исследований и постановкой задач диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке методов оценки условий потери устойчивости морских подводных трубопроводов в вертикальной плоскости.

Потеря устойчивости в вертикальной плоскости обусловлена взаимодействием между осевым усилием сжатия и неровностями типа “бугра” на профиле трубопровода. При эксплуатации трубопровода, возникающие в нем внутренние давление и температура, оказываются выше, чем в период укладки, так что осевое усилие становится усилием сжатия. Действующее осевое усилие в зажатом со всех сторон трубопроводе имеет две составляющие, каждая из которых способствует потере устойчивости. Осевое усилие в стенке является результатом взаимодействия сжимающей составляющей, обусловленной температурным расширением зажатого трубопровода, и растягивающей составляющей Пуассона, причем помимо этого имеется составляющая сжимающего усилия, обусловленная действием заключенной в трубопроводе текучей среды. В период выполнения монтажно-укладочных работ на трубопроводе его вертикальное выпучивание не предвидится, поскольку отсутствует избыточное внутреннее давление и перекачиваемый продукт. После подготовки траншеи под трубопровод необходимо определить параметры высот неровностей. Стабильность положения трубопровода зависит от профиля трассы и самого трубопровода, который находится в контакте с основанием, а так же достаточной силы, направленной вниз, которая удерживает трубопровод в равновесном положении. Для неподвижного трубопровода определяющими факторами являются сжимающая осевая сила и жесткость к изгибу трубы, а другие параметры не имеют значения.

При наличии внутреннего давления в трубопроводе касательное напряжение по окружности определяется по формуле Барроу

, (1)

где Р – внутреннее давление; t – толщина стенки; R – радиус.

Продольная деформация L определяется по соотношению напряжение-деформация для линейно упругого изотропного материала:

, (2)

где L - продольная деформация; sL - продольное напряжение; sH - кольцевое напряжение; E – модуль упругости; - коэффициент Пуассона; - коэффициент линейного температурного расширения; - изменение температуры.

Пренебрегая величиной радиального напряжения в стенке трубы, как принято в теории тонкостенных оболочек (когда отношение толщины стенки к внутреннему диаметру менее 1/20), и ограничивая продольные перемещения (L = 0), можно определить продольное напряжение по формуле:

. (3)

Как видно, продольное напряжение зависит от двух составляющих: первое слагаемое связано с давлением, а второе – с температурой. Первая составляющая давления положительная (при растяжении), температурная составляющая для морских трубопроводов обычно отрицательная (при сжатии).

Суммарная продольная сжимающая сила определяется уравнением:

, (4)

которое имеет два слагаемых - давления и температуры. В большинстве случаев и р положительны, а (1-2) всегда положительна. Следовательно, оба слагаемых в уравнении (4) отрицательные и, таким образом, носят сжимающий характер. Наличие слагаемого сжимающего давления подтверждает, что давление вносит исключительный вклад в вертикальное выпучивание.

Рассмотрим напряженно-деформированное состояние элемента трубопровода на произвольно выбранном участке вертикального выпора. Положение этого элемента определяется высотой у, являющейся функцией горизонтального расстояния х; трубопровод моделируется упругим стержнем, на который воздействует осевая сжимающая сила F, с заданной жесткостью к изгибу EI. На рисунке 1 приведена схема нагрузок на элемент трубы dx.



Рисунок 1 - Схема нагрузок на элемент трубопровода.


На рисунке 1 F - продольная сила, при сжатии имеющая положительное направление; S – поперечная сила; W – внешняя вертикальная сила на единицу длины, направленная вниз и необходимая для удержания трубопровода в равновесии в данном положении; M - изгибающий момент. Изменения S, M по длине и высоте трубопровода определяются следующими соотношениями:

(5)

(6)

(7)

Если трубопровод остается упругим, то изгибающий момент М пропорционален изгибу

, (8)

где Br - жесткость к изгибу, определяемая как .

Тогда

. (9)

Таким образом, видно, что W зависит от конфигурации профиля через вторую и четвертую производные.

Исходя из профиля трубопровода, по уравнениям (7) и (9) можно определять силы, необходимые для удержания его в равновесном положении. Для различных видов неровностей профиля, каждый из которых характеризуется высотой и длиной L, математически форму профиля можно определить по формуле:

, 0<x<L, (10)

где х – абсцисса; у – ордината.

Направленная вниз сила, необходимая для удержания профиля по (10), определяется как


(11)


и имеет наибольшее значение на вершине неровности:


. (12)


Уравнение (12) определяет направленную вниз силу на единицу длины, требуемую для стабилизации трубопровода на вершине профиля неровности.

Введем безразмерные параметры: Фw - направленный вниз максимальный параметр заложения, определяемый как


(13)


и параметр длины неровности ФL, определяемый как


, (14)


где I – момент инерции; F - продольная сжимающая сила, представленная уравнением (4).

Тогда уравнение (12) может быть переписано как


. (15)


Эндрю Палмер и другие, исследуя нестабильное состояние морских трубопроводов, получили универсальную кривую в координатах указанных выше безразмерных параметра заложения Фw и длины неровности ФL, показанную на рисунке 2, которая получена путем усреднения результатов множества численных вычислений и натурных экспериментов и, в частности, отражает характер реального вертикального выпучивания трубопровода.



Рисунок 2 - Универсальная кривая зависимости Фw от ФL


По аналогии с уравнением (15) функциональное соотношение между Фw и ФL можно представить как:


, (16)


где c и d - константы, которые определяются численно.

На универсальной кривой зависимости Фw от ФL можно выделить три участка, которые в дальнейшем используются для оценки стабильности трубопроводов:

1 участок - ,

2 участок - ,

3 участок - .

Поскольку первый участок, как видно из рисунка 2, представляет собой прямую линию, практически параллельную оси абсцисс, то для этого участка достаточно определить значение соответствующей ординаты, а на 2-ом и 3-ем участках необходимо определить численные значения констант из уравнения (16).

В диссертации показано, что аппроксимации Палмера недостаточно точно описывают универсальную кривую (рис. 2). Для повышения точности аппроксимации кривой Фw от ФL на 2-ом и 3-ем участках диссертантом были вычислены константы с помощью метода наименьших квадратов, тогда универсальную кривую можно представить следующим образом:


при , ; (17)

при , ; (18)

при , . (19)


Для расчета требуемого усилия придавливания Wd при различных значениях безразмерного параметра L используются уравнения, полученные соответственно из (17), (18), (19) путем перехода от безразмерных параметров Фw и ФL к размерным, учитывая, что длина неровности определяется как :

, если ; (20)


, если ; (21)


, если . (22)


При этом

, (23)


, (24)


где W1 - погонный погружной вес установленной трубы; F -максимальное действующее осевое усилие; Aст - площадь сечения трубы без учета наружных покрытий; Aвнутр - площадь сечения внутренней полости трубы; P - расчетное давление; B - остаточное натяжение по низу трубопровода, вызванное его прокладкой.

После определения расчетной величины усилия придавливания, минимально требуемая глубина заложения до верхней образующей трубы H может быть вычислена приравниванием требуемого усилия придавливания с учетом коэффициента запаса выпора fd , равного, например, 10%, направленному вверх противодействию погружному весу трубы и реакции сопротивления выпиранию со стороны грунта следующим образом:

, (25)

где W2 - погонный погружной вес установленной трубы в условиях эксплуатации; - погружной удельный вес грунта обратной засыпки, к которому переходят при расчетах нагрузок на морской трубопровод и напряжений от собственного веса грунта; f n - коэффициент реакции выпирания грунта, определенный экспериментально, обычно принимаемый равным 0,7 для каменистого грунта и 0,5 – для песчаников, но иногда может быть принятым много меньшим для рыхлого песчаного грунта.

Если глубина заложения морского трубопровода определена на основе других предпосылок, например, защиты от ледовых пропахиваний, а сумма усилий сопротивления выпиранию и погружного веса трубы превышает вычисленное значение усилия придавливания, величину заглубления морского трубопровода для предотвращения вертикального выпучивания задавать не требуется.

На основании уравнений (20-25) был разработан метод оценки условий потери устойчивости в вертикальной плоскости морского трубопровода и требуемой минимальной глубины заложения, с использованием методов компьютерной алгебры с привлечением стандартных операторов и пакетов среды Mathematica 5.1.

Далее приведен практический пример определения требуемой глубины заложения морского трубопровода, необходимой для предотвращения вертикального выпучивания морских промысловых трубопроводов для конкретного международного проекта по предложенному методу, и результаты сравнения вычисленных величин со значениями, определенными проектной компанией при разработке проекта этих трубопроводов. Из сравнения результатов видно, что разница значений усилий придавливания и глубин заложения, полученные проектной компанией и по предлагаемому методу, не превышают 0,003 %. Поскольку по двум независимым методам получены практически одинаковые результаты, то делается вывод, что предложенный диссертантом метод оценки устойчивости и требуемой глубины заложения морского подводного трубопровода применим для практического проектирования и может быть положен в основу разработки соответствующей нормативной документации.

  1   2   3

Похожие:

Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов icon«Совершенствование методов оценки и переоценки основных средств на примере ОАО «Калугамежрайгаз» Содержание
Теоретические основы применения методов оценки и переоценки основных средств 5
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconСписок использованных источников
Критерии эксплуатационной надёжности коррозионно-повреждённых лопаток цнд паровых турбин / Резинских В. Ф., Лебедева А. И., Богачев...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconПовышение эксплуатационной надежности двигателей дорожных и строительных машин трибологическим контролем состояния и активацией моторных масел
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно строительном университете
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconПовышение надежности грузовых автомобилей путем применения системы эксплуатационной самодиагностики
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловский...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconМоделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях

Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconПрограмма дисциплины Теория надежности горных машин и оборудования Направление подготовки 130400 «Горное дело»
Целью дисциплины является системное изучение методов и средств обеспечения качества и надежности технологических машин и агрегатов...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconРабочая программа дисциплины «диагностика и надежность автоматизированных систем»
Целью изучения дисциплины является изучение методов обеспечения надежности и безопасности автоматизированных систем, их диагностики,...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconСовершенствование системы управления подбором персонала в корпорации ОАО «Гамма» Содержание
Решение этих задач может быть достигнуто путем качественного совершенствования систем и методов подбора и оценки персонала
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconРазработка научных основ оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом условий эксплуатации

Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconЭкономика и управление
Макова М. М. Проблемы количественной оценки экономической устойчивости нефтяных компаний
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница