Транспорт и хранение АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

УДК 622.692.4
Анализ условий эксплуатации балочных
переходов магистральных газопроводов
Analysis of operational state of trunk natural gas pipeline
joist transitions
The operation conditions of pipelines joist transitions are shown, appraisal of their
technical state is given, cited data of transitions axes on a site and them stressdeformation state, conclusions of an opportunity of the normal further operation
are resulted.
Техническое состояние газопровода зависит
от большого числа факторов, отражающих взаимодействие линейной части с окружающей средой [1]. Техногенные нарушения в притрассовой
зоне сопровождаются заболачиванием, эрозией,
солифлюкцией, осадками грунтовых массивов и
т. п. Сочетание приведенных изменений внешней
среды и внутренних воздействий на трубу за счет
размывов, давления, температуры наружного воздуха и перекачиваемого газа и т. д. может привести
к значительному перераспределению усилий в
трубопроводе по сравнению с расчетной схемой,
предусмотренной проектом. Это, в свою очередь,
вызывает искривление продольной оси балочных
участков трубопровода [2, 3].
Открытые напряженные участки являются
объектом повышенной опасности, особенно на
параллельных нитках газопроводов, что в связи с
разлетом осколков труб при лавинном разрушении
одного из них и возможным возгоранием газа,
может привести к отказу соседних ниток газопровода. Поэтому открытые напряженные участки необходимо исследовать в первую очередь и
при необходимости принимать решения по повышению их эксплуатационной надежности путем
стабилизации или изменения пространственного
положения с последующей фиксацией в этом
состоянии.
Магистральные газопроводы расположены в
предгорье Уральского хребта, где местность изрезана многочисленными оврагами, логами, ручьями
и т. п. препятствиями, на которых периодически
наблюдаются значительные повышения паводковых вод. Строительство газопроводов УренгойПетровск, Н. Тура-Пермь 1,2,3, Пермь-Горький
1,2, Прогресс-Тула, Оханск — Киров, ЧБС-1,2
и др. при пересечении естественных и искусственных преград осуществлялось, в основном,
методом надземной прокладки. Сложный рельеф
местности создавал определенные трудности при
строительстве газопроводов, о чем свидетельствуют значительные отклонения оси газопроводов на
многих участках воздушных переходов от проектных решений и не соблюдение требований строительных норм и правил.
Резкопересеченный рельеф местности, значительное повышение уровня паводковых вод, различие гидрогеологических процессов и свойств
грунтов способствуют активизации оползневых
явлений, обвалов, размывов грунта на концевых
опорах надземных переходов, что часто приводит
к изменению условий закрепления и, следовательно, работы трубопровода на данном участке.
Режим эксплуатации и воздействие природноклиматических условий в значительной степени
оказывают влияние на эксплуатационную прочность и надежность трубопроводов. Натурные
наблюдения и опыт эксплуатации показали, что
потенциальноопасные участки находятся на пересечении естественных и искусственных преград
(всплывшие, оголенные, размытые, открытые и
т. п.), где в большей степени, по сравнению с другими участками, они подвержены механическим
и природно-климатическим воздействиям, а при
изменении температуры трубопровод получает
дополнительные напряжения, которые вызывают в
нем поперечные и продольные деформации.
Из-за сезонных и суточных перемещений трубопровода, зависящих от температуры продукта,
окружающей среды и солнечной радиации, на
балочных участках газопровода возникают циклические напряжения, которые могут представлять
опасность в местах концентраторов напряжений.
При обследовании открытых участков газопроводов с повышенным вниманием необходимо относиться к монтажным косым стыкам и местам
Транспорт и хранение
2007 том 5, №1
Г.Е. Коробков
Уфимский государственный
нефтяной технический
университет
111
сочленения трубной плети с кривыми холодного
гнутья, расположенными на открытых участках
газопровода. Косые стыки при определенных циклических нагрузках становятся местом зарождения и развития трещин.
Натурное обследование балочных переходов
включало в себя следующие виды работ: измерение длины надземной части перехода; определение условий опирания концевых участков пролета
(ж / б плита, грунт); определение состояния изоляционного покрытия, наличия и глубины коррозии
металла труб в местах повреждений изоляции,
выявление других поверхностных дефектов; определение провиса трубопровода геодезическим
методом; замеры расстояния от нижней образующей трубы перехода до земли.
а) Эпюра прогиба
б) Профиль перехода
Рисунок 1. Балочный переход 1977 км
Длина надземной части перехода определялась
по сечениям выхода трубопровода из грунта на
дневную поверхность или, при наличии опор,
по граничным сечениям контакта трубопровода
с опорой. При опирании трубы на грунт учитывалось наличие размыва грунта под опорным
участком трубы, фактическая длина провиса при
этом увеличивалась на величину размыва вдоль
оси трубопровода по обеим размытым опорам.
При опирании трубы на ж / б плиту фиксировалось
наличие зазора между ними, т. е. устанавливались
условия фактического контакта трубы с опорой.
Определение состояния изоляции (антикоррозионное покрытие концевых участков и окраска срединной части пролета) осуществлялось визуально.
Особое внимание уделялось обследованию состояния поверхности трубы в местах разрушения
антикоррозионного покрытия концевых участков
112
трубопровода. Как было установлено при проведении обследований, коррозионные процессы
имеют наибольшую интенсивность в местах контакта трубы с грунтом. Эти участки подлежали
осмотру на предмет обнаружения коррозионных
повреждений особенно тщательно.
Результаты геодезической съемки балочных
переходов представлены в виде эпюр прогиба
трубопровода (рисунок 1). Кривые прогибов получены по фактическим значениям координат высотного положения,представленным в виде точек с
числовыми значениями на кривой, с учетом перепада высотных отметок концевых участков трубопровода. Под эпюрой прогиба дается профиль
перехода с указанием перепада высотных отметок
концевых участков и направлением вогнутости
трубопровода. Кроме этого, показан рельеф местности в продольном сечении трубопровода в
виде расстояния от нижней образующей трубы до
земли.
В описании и таблицах используются следующие обозначения:
1 — я опора (по ходу газа) — в ыход трубопровода из грунта;
2 — я опора (по ходу газа) — вход трубопровода в грунт;
— середина пролета.
Провис трубопровода перехода определяется
геодезической съемкой высотных отметок верхней
образующей трубы при помощи геодезической
рейки и теодолита. Рейка устанавливалась на верхней образующей трубы с шагом измерений 3 м.
Основные характеристики балочных переходов
приведены в таблице 1.
Анализ геодезических данных показал:
1) выход трубопровода из грунта на дневную поверхность и его вход в грунт отличаются
высотными отметками (разность высот достигает
1,5 м);
2) эпюра прогиба не всегда соответствует
продольному профилю перехода. Имеются переходы с симметричным профилем, но эпюра прогиба
является несимметричной.
Измерение напряженно‑деформированного (НДС) состояния балочных переходов проводилось спектрально-акустической системой
«Астрон». Замеры выполнялись в трех сечениях
трубопровода: на опорах и посередине пролета.
Это позволило определить максимальный уровень
напряжений в трубопроводе, вызванных его прогибом, а также передаваемых примыкающими к
переходу подземными участками газопровода.
В таблице 2 приведены основные результаты
измерений изгибных напряжений. Указано точное
расположение измерительных сечений на трубопроводе относительно опорных сечений и середи-
Транспорт и хранение
2007 том 5, №1
Таблица 1 — Основные технические характеристики балочных переходов
Нитка
№ перехода
км
,м
1
2
3
4
, мм
5
, мм
6
,
мм
,
кгс / см2
ТУ;
Сталь
Примечание
7
8
9
10
50
ЧМТУ
Газопровод Нижняя Тура-Пермь
I
I
I
1
87
60
1020
2
89
40.1
— 11
1128‑64;
3
90.5
45.7
— 153
17ГС
4
91
40
— 2
5
98
75
— 15
6
106
61.2
7
118
8
1020
11
— 49
ЧМТУ
15
+2
1128‑64;
133
12
— 10
9
138
34.5
-
10
143
39
— 44
12
152
31.1
13
154
31
+22
14
156.4
37.2
— 12
15
158.6
42.2
+6
16
166
23.3
— 22
17
168.7
39.2
— 58
18
169.7
18
+17
19
171
34
+7
20
178.8
2.5
-
21
184.5
31.2
+8
22
185.6
44
+19
23
186.8
27
— 8
24
188.8
51
— 108
25
190
17.3
-
26
193
29.8
-6
27
194.8
53.2
-36
28
196.9
29.8
-70
29
199.5
30
+4
30
201.5
31.1
-22
31
211.9
31.3
-34
32
215.4
12.4
-1
33
215.8
21
-10
34
217
26
-40
35
220.3
16.2
-16
36
221
13.2
-5
1020
11
— 67
11
+13
Транспорт и хранение
2007 том 5, №1
пром. опора х =
24 м
0‑9 м — н. вставка
пром. опора х =
22 м
переход через
р. Кусинка
пром. опора 28 и 43 м
пром. опора 32 м
0‑12 — н. вставка
46
17ГС
болото, тр-д в воде
35
ЧМТУ
«арка»
1128‑64
«арка»
17ГС
опора х = 23 м
«арка»; риски;
вмятина
н. вставка х = 0
– 12 м
113
ны пролета. Знак (-) относительно
указывает
смещение измерительного сечения от середины
пролета против хода газа (в направлении опоры 1);
знак (+) относительно
указывает смещение
измерительного сечения от середины пролета по
ходу газа (в направлении опоры 2).
Напряжения представлены в их максимальном значении отдельно по растяжению и сжатию
с указанием часовой ориентации. Прочерки в
графах значений напряжений означают, что в
данных сечениях трубопровода замеры напряжений не проводились. Это относится преимущес-
Таблица 2.Значения максимальных изгибных напряжений в балочных перехода газопровода Н. Тура — Пермь I
Километраж, км
Длина про- Расположение
ле-та,
измерительного
,м
сечения, ± м
Опора 1 +1,5
87
1
89
90,5
91
98
130
430
90
130
—8
70
730
90
1200
-7,0
110
1200
150
600
-12,0
70
600
130
130
Опора 2‑1,0
150
430
200
1200
3
4
5
6
7
Опора 1 +3,2
90
730
50
130
90
430
70
1200
Опора 2‑1,5
90
1030
70
430
Опора 1 +9,7
220
600
200
1200
-1, 8
90
600
110
1030
-15,2
70
600
150
1200
Опора 2‑1,9
110
730
170
1200
Опора 1 +2,5
150
130
260
600
50
1200
70
600
Опора 2‑2,4
70
430
130
1200
Опора 1 +4,0
180
430
200
1030
-23,3
70
600
70
1200
-7,8
90
1200
90
600
+4,5
70
130
90
600
21,0
70
730
130
130
90
1030
70
600
60
2
40
0
45,7
40
+1,0
75
Опора 2‑3,5
114
Максимальные напряжения, МПа
Ориентация,
Ориентация,
Растяжение
Сжатие
час
час
Транспорт и хранение
2007 том 5, №1
твенно к балочным переходам малой длины ( =
10‑15 м), на которых измерения ограничивались,
как правило, в середине пролета. Если в процессе проведения измерений устанавливалось, что
напряжения в середине пролета таких переходов
оказывалось незначительным, то в опорных сечениях замеры не проводились, поскольку уровень
напряжений там также не может быть большим
в силу характера распределения напряжений на
коротком участке трубы. Если напряжения в середине пролета фиксировались значительными, то
в опорных сечениях также выполнялись замеры.
В отдельных случаях отсутствие значений напряжений вызвано невозможностью по техническим
причинам осуществить замеры в данных сечениях
перехода.
Анализ НДС по замеренным значениям изгибных напряжений в стенке трубы, а также геодезических данных высотного положения балочных
переходов и профиля земной поверхности не
выявил основных причин значительного изгиба
трубопровода. Остается невыясненным вопрос
деформации примыкающих к надземной части
перехода подземных участков газопровода.
Анализ данных обследования балочных переходов показывает следующее:
1) применены различные конструктивные
решения. Надземная часть находится на двух или
трех опорах, промежуточная опора может быть
жесткой или упругой. Крайние опоры могут и
отсутствовать. Их роль в этом случае выполняют
примыкающие подземные участки;
2) надземная часть однопролетного перехода деформируется несимметрично относительно
середины пролета, что свидетельствует о неравномерной осадке концевых опор, а при отсутствии
последних — о различной степени деформации
примыкающих слева и справа к надземной части
участков;
3) температурные напряжения, воздействующие на надземную часть, обусловлены не только
различием температур замыкания и перекачиваемого газа, но и переменной температурой окружающего воздуха;
Литература
1. Шаммазов А. М., Зарипов Р. М.,
Чичелов В. А. и др. Расчет и обеспечение
прочности трубопроводов в сложных
инженерно-геологических условиях.
Т. 2. Оценка и обеспечение прочности
трубопроводов. — М.: Изд-во «Интер»,
2006. — 564 с.
4) при проектировании надземных переходов не учтены продольные перемещения трубопровода в месте его выхода из грунта и на
участках, примыкающих к переходу (отсутствие
подземных компенсирующих устройств или устройства поворотов вблизи перехода (компенсатора упора)). Прочность и устойчивость обеспечивалась только за счет несущей способности
самого трубопровода;
5) в месте выхода трубопровода из слабосвязанных грунтов не предусмотрены мероприятия
по обеспечению проектного положения (искусственное упрочнение грунта, укладка железобетонных плит и др.);
6) не предусмотрены конструктивные решения, обеспечивающие надежную защиту от тепловых и механических воздействий соседних газопроводов при возможном разрыве на одном из них;
7) не учтен развивающийся смыв обваловки
подземного участка трубопровода талыми водами
и развитие оврагообразования;
8) не учтено дополнительное нагружение
от температурного, ветрового воздействия и вертикальной нагрузки от собственного веса трубы,
транспортируемого газа, возникновение особого
вида нагружения при перемещении по нему очистных устройств и снарядов‑дефектоскопов;
9) признаком неустойчивого нестабильного
положения надземного балочного перехода является зависимость характеристик изгиба трубопровода не только от вертикальной составляющей нагрузки, но и от воздействия внутреннего
рабочего давления и температурных напряжений.
Для газопровода, находящегося в непроектном
положении, воздействие давления и температурных напряжений вызывает значительные продольное и вертикальное (прогиб) перемещения
не только надземной части перехода, но и примыкающих подземных участков. При этом прогиб в
середине пролета надземной части соизмерим с
радиусом трубы, а продольное перемещение соизмеримо с толщиной стенки трубы, т. е. на порядок
меньше величины прогиба.
2. Коробков Г. Е., Зарипов Р. М.,
Хасанов Р. Н. Обоснование условий
переукладки
надземных
балочных в подземные переходы / / Трубопроводный транспорт —
2006. Тез. докл. учебно-научно-прак.
конф. — Уфа: ДизайнПолиграфСервис,
2005. — C. 64.
Транспорт и хранение
2007 том 5, №1
3. Коробков Г. Е., Зарипов Р. М.,
Хасанов Р. Н. Определение границ
проектирования переукладки надземных балочных в подземные переходы / / Трубопроводный транспорт — 2006.
Тез. докл. учебно-научно-прак. конф.
— Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2005.
— С. 65.
115