Чепрасов А.Е, Афанасьев К.Ю, Бурков П.В

Национальный исследовательский Томский

Политехнический Университет

Исследование напряженно-деформированного состояния участка магистрального газопровода в условиях осадки слабосвязанных грунтов

В процессе эксплуатации газопроводов в результате действия нагрузок, не предусмотренных проектом, могут возникать различные, в том числе и существенные, отклонения напряженно-деформированного состояния (НДС) от проектного. К существенному изменению НДС может приводить изменение пространственного положения газопровода [1]. Этому способствует осадка грунта, которая возникает за счет заполнения пустот, оставшихся после завершения возведения насыпи. Это, в свою очередь, приводит к большему искривлению труб, их перенапряжению и в итоге - к повреждению газопровода в виде разрывов сварных стыков и свищей в стенках трубы.

Целью данной работы является изучение поведения газопровода в условиях осадки слабосвязанных грунтов, а также исследование его напряженно – деформированного состояния.

Рассмотрим участок подземного прямолинейного газопровода. Допустим, что он уложен в сухой грунт, который в период расчетного срока эксплуатации не будет обводнен. В этом случае вертикальное перемещение (осадка) происходит в результате уплотнения грунта под трубой. Она, как показывают расчетные данные, оказывается ничтожной, так как давление на грунт, определяемое массой трубы, не превышает 0,5 Н/см², и учитывать ее влияние на изменение положения газопровода по сравнению с первоначальным его положением нет необходимости.

Пусть предельная осадка газопровода S_np. Эта осадка называется стабилизированной. На рис. 1 S_np по длине трубопровода показана пунктирной линией. Если бы слабый грунт равномерно распределялся по всей длине газопровода, то и осадка была бы по всей длине одинакова. Однако на практике наиболее характерно чередование слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несущей способностью. На последних, как уже отмечалось, осадка практически равна нулю. В середине участка слабого грунта осадка могла бы достичь предельного значения S_np. Газопровод на участке l изгибается, как показано на рис. 1. Поскольку удлинение труб возможно только вследствие их растяжения на участке l и прилегающих к нему участках l₁ и l₂, то в трубах появляется растягивающая продольная сила Р, и участок l начинает работать как жесткая нить. Действительная осадка S оказывается существенно меньше S_np [3]. В трубах появляются напряжения от продольной силы, изгиба под действием давления вышележащего грунта, веса самой трубы с изоляцией и перекачиваемого продукта, действующего внутреннего давления и температурного перепада стенок трубы.

Рис. 1. Перемещение типа осадки: а — общий вид; б — схема

Для определения в стенке трубы напряжений, превышающих допустимые, и установления диапазона изменения численных характеристик процессов, влияющих на деформацию, проводится расчет напряжений (на прочность), возникающих при осадке газопровода, с помощью программного продукта ANSYS.

Исследуется схема опускания участка газопровода со следующими параметрами: наружный диаметр - 530 мм, толщина стенки трубы – 11 мм, длина - 12 м, рабочее давление - 9,0 МПа. Газопровод изготовлен из стали 17Г1С [5]. На газопровод, кроме рабочего давления, действуют следующие нагрузки: распределенная нагрузка от веса самой трубы с изоляцией, перекачиваемого газа и давления вышележащего грунта – q_общ, давление грунта снизу на газопровод – q_г.

Нагрузки, действующие на газопровод, рассчитываются согласно СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы» [6].

Рис. 2. Распределение напряжений (σ) по длине (l) участка газопровода	Рис. 3. Распределение деформаций (S) по длине (l) участка газопровода

Принимаются допущения, соответствующие наиболее простому из возможных вариантов взаимодействию трубы и контактирующего с ней грунта: в начале и конце газопровода отсутствуют перемещения по оси Х, давление грунта принято 20% от действующей нагрузки сверху, не учитывается температурный перепад стенок трубы.

Интерполяция результата расчета в графическом виде, полученная в программе ANSYS, представлена на рисунках 2 и 3.

Однако полученные результаты расчета не полностью удовлетворяют требованиям СНиП 2.05.06-85* (п. 8.26). Произведя расчет согласно СНиПа предельно допустимых продольных и кольцевых напряжений (σ_пр^н и σ_кц^н), которые соответственно равны 196, 3 и 350 МПа. Полученный результат накладывает определенные ограничения и обязывают вводить корректировки при расчете в программном продукте ANSYS.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

· изменение значений напряжений, возникающих при осадке газопровода, может достигать величин, близких к пределу текучести стали, что снижает уровень надежности газопровода. Программный продукт ANSYS не поддерживается НТД РФ, следовательно необходимо проверять (или вводить корректировки) при расчете согласно СНиП 2.05.06-85 «Трубопроводы стальные магистральные»;

· величина напряжений переменна по длине газопровода. Участки газопровода, расположенные в зоне перехода слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несущей способностью, характеризуются повышенным уровнем напряжения;

· полученные результаты не дают полную картину для принятия проектного решения, необходимо детальные исследования напряженно-деформированного состояния газопровода с учетом физико-механических свойств грунта.

библиографический список

1. Захаркин Ф. И., Фомин В. А. Определение напряженно-деформированного состояния участков МГ, находящихся в непроектном положении // Газовая промышленность – 2008 №12 – с.40-43.

2. Балсон Ф.С. Заглубленные сооружения Статическая и динамическая прочность. - М.: Стройиздат, 1991. — 239 с.

3. Бородавкин П. П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство). – М.: Недра, 1982, 384 с.

4. Димов Л. А. Деформационная способность грунтов и расчет подземных МГ // Газовая промышленность – 2008 №2 – с.82-85.

5. Марочник стали и сплавов URL: http://www.splav.kharkov.com (дата обращения 5.08.2012)

6. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. - М: ГУП ЦПП, 1997.