WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

т Величина h/ () характеризует толщину оттаявшего суглинка на т большом расстоянии (z L) от входа шлейфа. Параметры А1, А2, А и 0 в зависимостях (12) искались методом наименьших квадратов, что дало для шлейфа №115 следующие результаты:

0,535 - exp- h (z;) = т 1 0,95, 0 3,5мес z 1 + 38 (13) h/ () = 5,00 10-2 - exp- т 1 0,95, 0 3,5мес [ hт (z;) и h/ () измеряются в метрах].

т Длина участка растепления Lт() является корнем следующего определяющего уравнения:

0,95hт[Lт ();] = h/ (), (14) т что дает для шлейфа №115 следующее соотношение:

Lт() = 350 - 388 exp (0,5 3,5).

- 0, Для определения осадки s(z;) оттаявшего суглинка в работе используется формула Н.А.Цытовича:

s(z;) = sот (z;) + sр (z;) = s0 hт (z;) + sр (z;), (15) где sот(z;) - осадка оттаивания грунта при переходе его из мерзлого состояния в талое;

s0 - безразмерный коэффициент оттаивания, определяемый экспериментально;

sр(z;) - компрессионная составляющая осадки.

Значение величины s0 определяется по формуле Н.И.Вотякова:

к5wtot s0 =, (16) 2,7wtot + 0,где к5 - безразмерный коэффициент, зависящий от вида грунта;

wtot - суммарная влажность вечномерзлого грунта.

Осадка sр(z;) напрямую зависит от времени через величину hт (z;) и косвенно через консолидацию оттаявшего грунта.

С учетом того обстоятельства, что оттаявший суглинок имеет высокую водонасыщенность IW 1,0, была поставлена задача прогноза протекания компрессионной части осадки во времени.

В рамках фильтрационной теории консолидации грунтов было найдено приближенное решение для осадки оттаявшего грунта на основе метода, известного в теплофизике как интегральный метод теплового баланса.

Полученное решение отличается от известного решения Ю.К.Зарецкого по следующим причинам:

1. закон движения фронта оттаивания (13) рассматриваемого процесса лишь асимпотически соответствует движению фронта в указанном решении (hт ~ );

2. найденное компактное решение в квадратурах выгодно отличается от указанного решения, полученного с помощью рядов.

Анализ найденного решения показал, что даже при предельно низких значениях коэффициента фильтрации для суглинков характерное время к консолидационного процесса на порядок меньше характерного времени t перестройки температурного поля талого грунта. Это позволяет использовать при расчете компрессионной составляющей осадки ее полное стабилизированное значение, пропорциональное hт (z;).

В главе четвертой рассматривается силовое взаимодействие шлейфового газопровода с оттаявшим грунтом. Изменение высотного положения шлейфа w(z;) описывается уравнением его упругой линии:

dw4 d2w EI + N = ql - pl, (17) dz4 dzгде EI - изгибная жесткость трубопровода;

N - сжимающая сила, определяемая тепловым режимом шлейфа и рабочим давлением газа;

ql = q(гр) + q(тр)- нагрузка, определяемая суммой погонного веса l l грунта над трубопроводом и его собственного погонного веса вместе с транспортируемым газом;

р - погонный отпор оттаявшего грунта.

Значение силы N находится через кольцевое напряжение в стенке трубы p Dвн 1 = (18) по следующей формуле:

2 N = 20 F = (µ1 - Et) (Dн - Dвн), (19) где p - рабочее давление газа;

Dн и Dвн - наружный и внутренний диаметры трубы;

=0,5(Dн - Dвн) - толщина стенки трубы;

µ, и Е - коэффициент Пуассона, коэффициент линейного расширения и модуль упругости материала труб;

t = tэ - t0 - разность между температурой эксплуатации и температурой замыкания шлейфа в плеть.

Для всех изучаемых шлейфов начальное продольное напряжение 20 = µ1 - Еt (20) является отрицательным, что объясняется строительством их в зимний период времени и существенно положительной температурой эксплуатации tэ в течение всего года.

Нахождение полного значений погонной нагрузки q не вызывает затруднений и проводится для q(тр) по известной геометрии шлейфа и l уравнению Клапейрона-Менделеева для газа, а величина q(гр) вычисляется l по известной формуле геостатики:

q(гр) = H0 Dн (21) l ( - удельный вес грунта; Н0 = Нш - расстояние от оси шлейфа до открытой поверхности).

Основная сложность рассматриваемого процесса заключается в нахождении отпора грунта р, для чего используются результаты второй и третьей главы.

В работе используются два подхода к определению второго слагаемого в формуле (15). Первый из них основывается на результатах компрессионных испытаний грунтов, а во второй опирается на экспериментальные данные, полученные А.Б.Айнбиндером. Для обоих подходов диаграмма «осадка-погонная сила» имеет вид, показанный на рис.5.

Rгр tg = к(s1 - sот ) Рис.5. Зависимость погонной нагрузки р от осадки s Участок ОА диаграммы соответствует процессу перехода грунта из мерзлого состояния в талое, участок АВ - упругому отпору оттаявшего грунта, а участок ВС описывает пластическое взаимодействие шлейфа с талым грунтом, имеющим несущую способность Rгр.

Аналитическая зависимость графика рис.5 имеет следующий вид:

0 s < sот ql = (s - sот ) Dн sот s < s1 (22) к R Dн s1 s.

гр Отличие двух способов подхода к взаимодействию шлейфа с оттаявшим грунтом состоит в различии определения коэффициента к, который фактически является коэффициентом постели. Если для первого варианта отпора грунта величина к определяется по формуле Егр к =, (23) hт (z;) то для второго - по формуле 0,12 Егр к =, (24) (1- µгр) Dн l 2µгр где = 1- - коэффициент стеснения поперечной деформации;

1- µгр Егр, µгр - модуль деформации и коэффициент Пуассона талого грунта;

0 = 1м - единичная длина трубопровода.

Величина предельной осадки упругого отпора грунта s1 находится по известному значению к:

Rгр s1 = sот +. (25) к Первая пара граничных условий задачи (17) относится к сечению z = 0 и определяется технологическими условиями закрепления шлейфа:

dw w = = 0, при z = 0. (26) dz Вторая пара привязана к концу участка растепления:

dw w = w = s0 h/ (); = 0, при z = Lт(). (27) т dz Последнее замыкающее соотношение связывает между собой прогиб трубопровода w(z;) в некотором сечении с осадкой грунта s(z;) в этом сечении:

w(z;) s(z;). (28) Неравенство (28) обусловлено граничными условиями (26), вследствии чего появляется участок провисания шлейфа длины L0(), на котором погонный отпор грунта р = 0.

Для определения величины L0() находилось решение w1(z;) более простой задачи:

d4w1 d2wEI + N = ql (29) dz4 dzс граничными условиями (26)-(27), после чего величина L0() находилась как корень следующего уравнения:

w1[L0 (); ]= s0 hт[L0 (); ]. (30) Полученное значение L0() позволило избавиться от неравенства (28) и перейти к следующей системе уравнений, описывающих прогиб трубопровода на участке растепления:

d4w1 d2w0 z < L0 ();

EI dz4 + N dz2 = ql (31) EI d4w2 + N d2w2 = ql - pl; L0 () z Lт ().

dz4 dzw1 = w2;

w/ = w2;

/ w1(0) = 0; w2[Lт ()]= w ();

при z = L0().

/ / // // (0) = 0 [Lт ()]= w1 w2 w = w2 ;

/// /// w = w2.

Последняя четверка краевых условий отражает равенство перемещений, углов поворота, изгибающего момента и поперечной силы в сечении z = L0().

Основная система (31) решалась численными методами как для двух вариантов отпора грунта, так и с учетом взвешивающего действия воды, приводящего к уменьшению q(гр) и появлению архимедовой силы, l действующей на трубопровод и вызывающей уменьшение значения q(тр).

l Предварительно были проведены исследования потери устойчивости формы трубопровода, находящегося под действием сжимающей силы N.

Выполненные расчеты показали, что даже при минимальном коэффициенте постели, соответствующем зависимости (24), имеется большой запас по величине N:

N < 0,1Nкр (32) ( Nкр = 2 к Dн EI - критическая сила, вызывающая потерю формы шлейфа).

Результаты проведенных расчетов иллюстрируются рис.6 и рис.7, где приведены графики изгиба шлейфа №115 и дополнительного продольного напряжения в его стенке, рассчитываемого по формуле:

d2w 2 = ±0,5EDн. (33) dz(знак «+» соответствует растяжению, знак «-» - сжатию).

Указанные на рис.6 и рис.7 зависимости получены для обоих вариантов отпора грунта при следующих расчетных параметрах:

Dн = Dш = 325мм; Dвн = 301мм; = 12мм;

Е=2,61011Па; EI = 2,99 107 Н м2; µ = 0,3; = 1,210-5(1/К);

// р = 10,8МПа; tэ = t = 14,10 С; t0 = -200C;

г 1 = 135МПа; 20 = -43,8МПа; N = 5,16 105 Н; Егр = 5МПа;

кг кг µгр = 0,37; = 0,57; гр = 1,9 103 ; w = 103 ;

м3 мН Rгр= 2105Па; Rгр Dн = 6,50 104 ; wtot= 0,43; к5= 0,23; s0= 4,7510-2;

м Н q(гр) = 6,66 103 - без учета взвешивающего действия воды;

l м Н q(гр) = 3,15103 - с учетом взвешивающего действия воды;

l м Н q(тр) = 0,95103 - без учета взвешивающего действия воды;

l м Н q(тр) = 0,14 103 - с учетом взвешивающего действия воды.

l м 1-ый вариант отпора грунта 2-ой вариант отпора грунта 0 0 z, м z, м = 0,5мес; LТ =121м; = 0,5мес; LТ =121м;

W=0,17см W=0,17см W, мм W, мм 0 0 z, м z, м 20 = 2,5мес; LТ =322м; = 2,5мес; LТ =322м;

W=0,38см W=0,38см 40 W, мм W, мм 0 0 z, м z, м = 3,5мес; LТ =340м; = 3,5мес; LТ =340м;

W=0,45см W=0,45см 20 40 W, мм W, мм Рис.6. Изменение высотного положения шлейфа №115 (без учета взвешивающего действия воды) 1-ый вариант отпора грунта 2-ой вариант отпора грунта МПа 2, МПа 2, = 0,5мес = 0,5мес 67.63.60 30 0 м z, 0 м z, -30 --21.-30.-60 -0 5 10 15 20 0 5 10 15 МПа 2, МПа 2, 147.148. = 2,5мес = 2,5мес 60 30 0 м z, 0 м z, -48.-46.-30 --60 -0 5 10 15 20 0 5 10 15 МПа 2, МПа 2, 163.165. = 3,5мес = 3,5мес 60 30 0 м z, 0 м z, -52.-53.-30 --60 -0 5 10 15 20 0 5 10 15 Рис.7. Изменение добавочного продольного напряжения по длине шлейфа №(без учета взвешивающего действия воды) В таблице 1 приведены значения дополнительного 2 и полного продольного напряжения 2 = 20 + 2 в опасных сечениях шлейфа №(координата z1 соответствует глобальному минимуму величины 2).

Таблица Значения дополнительного и полного продольного напряжения в стенке шлейфа по второму варианту отпора грунта (в квадратных скобках с учетом взвешивающего действия воды), мес. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,2 при z = 0 67,2 94,8 118 134 148 157 [34,7] [49,8] [62,9] [72,5] [78,7] [84,2] [88,1] 2 при z = z1 30,7 37,1 40,2 45,1 48,3 50,8 52,[10,3] [15,7] [19,3] [22,9] [24,5] [27,1] [29,0] 2 при z = 23,4 51,0 74,2 90,2 104 113 (верхняя [-9,1] [6,0] [19,1] [28,7] [34,9] [40,4] [44,3] образующая) 2 при z = -111 -139 -162 -178 -192 -201 -(нижняя [-78,5] [-93,6] [-107] [-116] [-122] [-128] [-132] образующая) 2 при z = z-74,5 -80,9 -84 -88,9 -92,1 -94,6 -96,(верхняя [-54,1] [-59,5] [-63,1] [-66,7] [-68,3] [-70,9] [-72,8] образующая) 2 при z = z-13,1 -6,7 -3,6 1,3 4,5 7,0 8,(нижняя [-33,5] [-28,1] [-24,5] [-20,9] [-19,3] [-16,7] [-14,8] образующая) Расчеты по 1-ому варианту отпора грунта дают аналогичные результаты, осадка для обоих отпоров не превышает значения s1.

Проверка шлейфов на прочность проводилась в работе по энергетической теории, согласно которой эквивалентное напряжение экв связано с пределом текучести т следующим соотношением:

экв = 1 - 12 + 2 т. (34) Результаты расчетов шлейфа №115 на прочность приведены в таблице 2.

Таблица Эквивалентные напряжения в опасных сечениях шлейфа №(1 = 135МПа), мес. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,экв при z = 210 236 257 273 284 294 (нижняя [187] [195] [203] [213] [222] [230] [237] образующая) экв при z = z177 182 187 191 196 199 (верхняя [169] [173] [176] [178] [179] [181] [182] образующая) Примечания: 1. В квадратных скобках приведены значения экв с учетом взвешивающего действия воды.

2. Предел текучести материала труб т = 420МПа.

Начальное эквивалентное напряжение, одинаковое для всех сечений и любых образующих, равняется:

(нач) = 1 - 120 + 2 = 160МПа. (35) экв Достаточно большой запас позволяет, на первый взгляд, говорить о надежной эксплуатации шлейфов. Однако полученные в работе результаты не учитывают стохастичность большого числа факторов, заложенных в расчетные уравнения и зависимости, коррелирующие вводимые коэффициенты по работе и надежности трубопровода, по материалу труб и т.д.

Тем не менее, на основании результатов работы, можно утверждать, что на участках растепления в конце теплого периода времени в стенках шлейфов может наблюдаться значительное увеличение продольного и эквивалентного напряжений, что требует, по крайней мере, организации мониторинга на указанных участках.

Основные выводы по работе 1. Поставлена и решена численными методами задача оттаивания мерзлого грунта вокруг системы «метанолопровод-шлейфовый газопровод» в теплый период времени года.

2. Определены расчетные параметры, связывающие эксплуатационные характеристики шлейфовых газопроводов и вдольтрассовых грунтов.

3. Для конкретных эксплуатируемых шлейфов определены длины участков растепления, изучена динамика оттаивания грунта и найдены регрессионные уравнения для толщины и осадки оттаявшего грунта.

4. На основе предложенной силовой модели получена система дифференциальных уравнений, описывающая продольно-поперечный изгиб газопровода на участках провисания и растепления.

5. Найденные уравнения упругой линии трубопроводов позволяют выделить опасные по максимальной величине эквивалентного напряжения участки шлейфового газопровода.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах автора:

1. Кушнир С.Я. Проблемы эксплуатации газопроводных систем в условиях Тюменского Заполярья / Кушнир С.Я., Горелов А.С. // Сборник научных трудов: «Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России». – Тюмень: ТюмГНГУ, 2000г.-С.160-162с.

2. Кушнир С.Я. Грунтовый фактор в надежности надземной прокладки трубопроводов на вечномерзлых грунтах / Кушнир С.Я., Горелов А.С. // Материалы международного семинара: «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли»; под общей редакцией профессора, д.т.н. С.Я.Кушнира. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.-С.95-96.

3. Кушнир С.Я. О способах прокладки газопроводов на шельфах Заполярного месторождения / Кушнир С.Я., Горелов А.С. // Материалы международного семинара: «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли»; под общей редакцией профессора, д.т.н.

С.Я.Кушнира. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.-С.108-111.

4. Карнаухов Н.Н. Исследование интенсивности деструкции мерзлых грунтов при подземной прокладке газопровода в условиях Чукотки / Карнаухов Н.Н., Кушнир С.Я., Горелов А.С., Качур В.М., Громов В.Н. // Известия вузов, «Нефть и газ». – Тюмень: ТГНГУ, 2003. - №1. – С.76-83.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.