Евдокимова Я. Ю.

Магистрант, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГАЗОПРОВОДОВ ПРИ БАЛЛАСТИРОВКЕ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

 

Напряженно-деформированное состояние любого несущего элемента линейной части магистрального газопровода (МГ) однозначно определяется характеристиками воздействующих на него нагрузок [1].

Проблема обеспечения устойчивости МГ на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации является важнейшим требующей для своего разрешения проведения комплексных исследований, обобщения мирового и отечественного опыта эксплуатации МГ в разнообразных условиях, анализа созданных технических решений по методам прокладки и закрепления трубопроводов [2].

Цель работы  компьютерное моделирование  напряженно-деформированного состояния линейной части магистрального газопровода «Майя-Табага-Чурапча-Ытык-Кюель» в Республике Саха (Якутия).

Газопровод «Майа-Табага-Чурапча-Ытык-Кюёль»  пролегает  по территории, одной  из характерных особенностей которой  является наличие  многолетней мерзлоты. Многолетнемерзлые породы в Якутии преимущественно прерывистые по площади  и сплошные по глубине. Мощность их изменяется от нескольких до 400 м и более, а средняя годовая температура колеблется от 0 до 6 ͦ С. Специфической чертой региона является очень сложное пространственное сочетание таликов и многолетнемерзлых пород [3].

В проекте предусматриваются: подземная укладка трубопровода, полузаглубленная и наземная в обваловке на участках трассы, сложенных подземными «погребенными льдами».

Выполнение прочностных расчетов с учетом действительных условий работы трубопровода является одним из основных элементов, обеспечивающих поддержание его высоконадежной работы. В этом случае основной задачей расчета трубопровода на прочность является определение напряженно-деформированного состояния, обусловленного нагрузками, возникающими от внешних источников.

Участок магистрального газопровода проходит по территории распространения многолетнемерзлых грунтов с абсолютной минимальной температурой от – 64 до −66  ͦС, поэтому трубы используются северного исполнения.

Для закрепления газопровода на проектных отметках и предотвращения всплытия на обводненных участках, в проекте, в соответствии с требованиями СНиП 2.05.06-85*, ВСН 007-88 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Конструкция и балластировка», предусмотрены следующие способы и средства балластировки: железобетонными грузами; минеральным грунтом разработки.

Железобетонные грузы имеют малое лобовое сопротивление и надежное сцепление (защемление) с трубопроводом, что предохраняет газопровод от всплытия.

Трубопровод должен свободно перемещаться под утяжелителем без разрушения  утяжелителя и  изоляционного покрытия трубопровода. Данное условие хорошо  обеспечивается   с применением  балластировки  газопровода минеральным грунтом.   

Для определения в стенке трубы напряжений и установления диапазона изменения численных характеристик процессов, влияющие на деформацию, проводится расчет напряжений (на прочность), возникающих при балластировке трубопровода в многолетнемерзлых грунтах.

Исследуется участок трубопровода со следующими параметрами: диаметр – 400 мм, толщина стенки – 8 мм, внутреннее давление – 5,5 МПа, марка стали – 09Г2С.

При этом принимаются допущения, соответствующие наиболее простому из возможных вариантов взаимодействия трубы  и контактирующего с ним балластирующего устройства: перемещения по осям Z и Y отсутствуют.

На рисунке 1 показана интерпретация данного результата в графическом виде (кривая 1).   Кривая 2 на том же рисунке  результат расчёта действия касательных сил на участок трубопровода,   полученный  по методике [4], используемой при  проектировании  трубопроводов,  прокладываемых   на обводненных участках   Крайнего Севера.

 

 

Рис. 1. Распределение напряжений σ по длине L трубопровода по оси X

 

Полученные и представленные на рисунке 1 результаты позволяют сделать следующие выводы: результаты, рассчитанные в программе  ANSIS и по методике, используемой при  проектировании  трубопроводов,  прокладываемых   на обводненных участках   крайнего севера,  достаточно схожи; изменение значений напряжений, возникающих при балластировке трубопровода, не достигают  величины предела текучести стали 09Г2С (350 МПа).

В условиях многолетней мерзлоты напряжения в трубопроводе, возникающие при проявлении экзогенных процессов, близки к значению предела текучести стали, что снижает уровень надежности магистрального газопровода, поэтому необходимо применять балластирующие устройства, при этом  напряжения в трубопроводе в несколько раз будет меньше значения предела текучести стали.

 

 

Литература

1.     Рудаченко А.В., Саруев А.Л. Исследования напряженно-деформированного состояния трубопроводов. – Томск: изд. «ТПУ», 2011 г. – с. 135.

2.     П.В. Бурков, С.П. Буркова, А.В. Кузнецов. Исследование напряженно-деформированного состояния трубопроводов в мерзлом грунте на сильно обводненных участках // Горное машиностроение: Сборник материалов. Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011. - №ОВ2. – 448с. – М.: изд. «Горная книга». – с. 166 – 171.

3.     Заболотник С. И., Заболотник П. С.  Сезонное протаивание и промерзание грунтов в Южной Якутии  // Наука и техника в Якутии.  Якутск, 2010 г. – №2. – с. 14-18.

4.     Айбиндер А. Б.,  Камерштейн А. Г.  Расчет магистральных трубопроводов  на прочность и устойчивость.  – М.: «Недра», 1982 г. –  с. 340.