Д.т.н. Бурков П.В., Карзанов Д.Г.

Национальный Исследовательский Томский Политехнический Университет

Конечно-элементное моделирование бестраншейной прокладки трубопроводов

Бестраншейные способы прокладки трубопроводов на сегодняшний день имеют очень широкое распространение. Они являются экономичными и эффективными. Традиционный, траншейный способ укладки трубопроводов и кабельных сетей, характеризуется не просто большим объемом земляных работ, большим количество рабочей силы и длительными сроками строительства, но, прежде всего, тяжелейшим воздействием на окружающую среду в полевых условиях и созданием серьезных неудобств людям в городских условиях.

Горизонтально-направленное бурение  как способ бестраншейной прокладки трубопроводов под водными преградами, имеет целый ряд преимуществ перед традиционными способами. Основное преимущество – это надежность и долговечность построенного перехода. Прокладка трубы методом горизонтально-направленного бурения производится ниже русла реки. В процессе строительства на судоходных реках не меняется график навигации.

Не менее важен экономический эффект прокладки трубопроводов горизонтально-направленным бурением. Ощутимо меньший объем земляных и иных работ делает этот метод выгодной альтернативой традиционным траншейным способам прокладки трубопроводов через водные преграды. На стадии выбора методов производства работ не менее важно учитывать денежные средства, которые будут сэкономлены в процессе эксплуатации трубопровода, проложенного методом горизонтально-направленного бурения [1].

Важным этапом прокладки трубопровода способом горизонтально направленного бурения является расширение ранее пробуренной пилотной скважины. На сегодняшний день существует большое многообразие конструкций расширителей для горизонтально-направленного бурения, позволяющих осуществлять работы в разных условиях [2].

В практике строительства подводных переходов методом горизонтально-направленного бурения для расширения скважины до требуемого диаметра, применяются лопастные или пальцевые расширители, бочкообразные расширители, шарошечные расширители. Бочкообразные расширители выполняют в различных модификациях в зависимости от свойств разбуриваемых пород и диаметра прокладываемого трубопровода.

При бурении в твердых породах скорость бурения сильно зависит от диаметра данного расширителя. Щитовая конструкция способна осуществлять эффективное бурение до диаметра 838 мм. Увеличение диаметра расширителя сверх этого значения приводит к снижению скорости бурения (0,05-0,5 м/час), а также износу и слому бурильных труб. Подобные факты уже отмечались при строительстве подводных переходов через реки. Таким образом, можно констатировать, что в строительстве подводных переходов не решена проблема создания эффективных расширителей диаметром более 1000 мм для работы в условиях залегания пород средней и высокой группы прочности, а также пород малой прочности, характеризующихся присутствием высокоабразивных включений.

Особое значение приобретает такой элемент в конструкции расширителя как расстановка элементов вооружения. Выбор оптимального вооружения и количества разрушающих элементов на расширители возможен из оценки усилий, возникающих в процессе бурения.

В геомеханике и при проектировании подземных сооружений приходится выполнять расчет напряженно-деформированного состояния массива горных пород, который в большинстве случаев включает поиск решения краевой задачи теории упругости в постановке плоской деформации. При этом наличие полостей неправильной формы, сложная конфигурация расчетной области, физическая неоднородность и анизотропия свойств материала исключительно затрудняют либо делают невозможным нахождение решения в аналитическом виде. Поэтому при решении таких задач получили в настоящее время интенсивное развитие получают численные методы, позволяющие значительно расширить класс и постановку решаемых задач за счет более полного учета реальных условий нагружения и свойств используемых материалов. Среди этих методов наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). К достоинствам МКЭ следует отнести и минимум требований к исходной информации, и оптимальную форму результатов [4].

В данной работе рассматривается конечно-элементная модель расширения скважины при прокладке подводного перехода магистрального нефтепровода «Александровское - Анжеро-Судженск» через р. Панинский Еган. Данный переход двухниточный основная нитка диаметром 1220 мм и резервная нитка диаметром 1000 мм проложены в одном техническом коридоре. Большая часть подводного перехода пролегает через неоднородные песчаные грунты средней плотности с включениями валунов до 10-15 см [4].

Целью данной работы является определение напряжений в грунте при расширении скважины. Для моделирования напряженно-деформированного состояния грунта использовалась упруго-пластическая модель Друкера-Прагера. Характеристики грунта приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры модели грунта Друкера-Прагера	Обозначение	Значение	Размерность
Плотность	ρ	1800	кг/м3
Модуль Юнга	E	56	МПа
Коэфф. Пуассона	ν	0,2	д.ед.
Угол внутреннего трения	β	55	град.
Угол дилатансии	ψ	6	град.
Коэффициент трения	f	0,5	д.ед.

Расчет производился в программном пакете ANSYS. Расчетная схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Расчетная схема конечно-элементной модели

Итогом конечно-элементного моделирования является карта напряжений (Рисунок 2), наглядно демонстрирующая распределение напряжений в грунте при протаскивании расширителя.

Рисунок 2. Карта напряжений

Максимальные напряжения выделены красным цветом и локализованы в области начала внедрения расширителя в грунт, величина напряжения составляет 424950 Па.

Таким образом можно сделать вывод, что для повышения эффективности расширения все усиливающие и разрушающие элементы должны быть сосредоточены возле вершины конуса расширителя.

Литература:

1. Крец В.Г. Машины и оборудование газонефтепроводов: учебное пособие / В.Г.Крец, А.В.Рудаченко, В.А.Шмурыгин. – Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011. – 328 с.

2. ООО ТД «БурСвязьКомплект» – оборудование для горизонтально-направленного бурения: Расширители [Электронный ресурс]: сайт компании / ООО ТД «БурСвязьКомплект» / URL: http://gnb-ustanovki.ru/produkcia/burovoy-instrument/rasshiriteli.html (дата обращения: 16.06.2013)

3. Зенкевич О., Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 541 с.

4. Проект производства работ по горизонтально-направленному бурению через реку Панинский Еган / ООО «Управляющая компания Томскподводтрубопроводстрой». – Томск, 2006. – 39 с.