Проектирование и эксплуатация подземных трубопроводов в местах распространения многолетнемерзлых грунтов является сложной инженерной задачей. Для обоснования возможности эксплуатации необходимо проводить прочностные расчеты с учетом воздействия внешних негативных факторов. В данной работе рассматривается выполнение прочностных расчетов подземных трубопроводов и моделирование процессов взаимодействия их с окружающими грунтами с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Предложены подходы к выполнению расчетов на этапах проектирования и эксплуатации трубопровода. Разработаны автоматизированные алгоритмы расчетов с использованием МКЭ, значительно снижающие трудоемкость и требования к квалификации расчетчика, что делает разработанные методики удобными в практическом применении. Показана практическая значимость применения данных расчетов.
Повышение надежности и безопасности трубопроводного транспорта является одной из наиболее актуальных задач в нефтегазовой промышленности. Особую роль играет обеспечение надежности (прочности) трубопроводов, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях, например таких, как зоны прохождения трубопровода через многолетнемерзлые породы, термокарсты, бугры пучения. Возникает сложное механическое и тепловое взаимодействие собственно трубопроводов с геологической и гидрогеологической средой на многолетнемерзлых и пучинистых грунтах, заболоченных территориях. Часто происходит нарушение динамического равновесия, сопровождающееся активизацией опасных природных процессов с их негативным влиянием на техническое состояние трубопроводов, нередко приводящим к аварийным ситуациям.
Одним из основных элементов обеспечивающих конструктивную надежность трубопровода, является выполнение прочностного расчета трубопровода, отражающего действительные условия его работы.
Основная задача расчета трубопроводов на прочность включает два этапа:
- определения напряженно-деформированного состояния (НДС) обусловленного нагрузками и воздействиями;
- оценка уровня этого состояния по отношению к предельно допустимому, утвержденному нормативно-технической документацией.
В практике прочностных расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких. Они применяются, как правило, к телам простой конфигурации и зачастую оказываются бессильными, если требуется найти распределение напряжений в сложной реальной конструкции.
Расчет на прочность подземных магистральных трубопроводов является сложной и трудоемкой задачей. Помимо трудностей, возникающих при описании нагрузок действующих на подземный трубопровод, изменение свойств окружающего трубопровод грунта вдоль трассы трубопровода и изменение геометрии самого трубопровода требуют учета большого количества исходных данных.
На данном этапе существуют аналитические методики, регламентированные действующей нормативно-технической документацией (НТД), позволяющие в приближенном значении определить НДС подземного трубопровода, однако ни одна из них не касается непосредственного описания взаимодействия трубопровода с грунтом. Это обстоятельство препятствует учету многих действующих на трубопровод нагрузок, возникающих при его взаимодействии с окружающим грунтом, что может значительно отразиться на надежности проектируемых трубопроводов. Поэтому для более точного определения напряженного состояния трубопровода необходимо рассматривать новые современные методы прочностных расчетов – численные методы моделирования. В отличие от аналитических методов они не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки и хорошо приспособлены для расчетов с использованием электронно-вычислительной техники.
Среди множества различных численных методов в последнее время предпочтение все больше отдается методу конечных элементов (МКЭ) как наиболее гибкому и универсальному.
Целью данной работы является разработка методики моделирования трубопроводов позволяющей определять напряженно-деформированное состояние (НДС) протяженных трубопроводов, вызванное разнообразными воздействиями, обусловленными протеканием различных негативных процессов в окружающей среде.
Для выполнения указанной задачи используются конечно-элементные модели, отражающие действительные условия работы трубопровода. Данные модели можно разделить на два типа: модели, используемые для анализа взаимодействия трубопровода с окружающей средой (тепловой анализ, расчет ореолов оттаивания вокруг трубопровода) и модели, используемые для расчета НДС трубопровода.
Решение задачи по определению НДС трубопроводов должно проводиться в геометрически и физически нелинейной статической постановке, т.е. с учетом больших перемещений, пластических деформаций и нелинейности поведения окружающего трубу грунта.
Использование МКЭ-пакетов для расчета позволило учитывать нелинейные зависимости: «напряжение – деформация» – для материала трубопровода и «усилие–перемещение» – для грунта засыпки. Данные зависимости представлены на рисунках 1 и 2.
Для аппроксимации диаграммы «напряжение – деформация», а также расчета жесткостных характеристик грунтов в настоящей работе используются методики, предложенные А.Б.Айнбиндером [4], однако возможно применение и других методик.
Для решения задачи определения НДС трубопровода была создана конечно-элементная модель взаимодействия модели трубопровода с грунтом – балочная модель на упругом основании. Упругопластические свойства грунта в трех взаимно перпендикулярных направлениях моделировались пружинными элементами. (Рисунок 3).
Одним из основных достоинств использования МКЭ-пакета является возможность учета совместного действия факторов обуславливающих напряженно-деформированное состояние трубопровода. В расчете были учтены следующие стандартные действующие на трубопровод нагрузки:
- гравитационные нагрузки от массы трубопровода, продукта и грунта засыпки,
- внутреннее давление в трубопроводе,
- нагрузки, вызванные температурным перепадом,
- дополнительные нагрузки от утяжелителей,
- действие выталкивающей силы на обводненных участках.
Создание модели взаимодействия трубопровода с грунтом позволила так же учесть вклад в напряженное состояние таких факторов нагружения как:
- напряжения упругого изгиба,
- нагрузки, вызванные смещениями грунтового основания (просадка, пучение).
Для определения смещений грунтового основания используются модели другого типа ‑ используемые для анализа взаимодействия трубопровода с окружающей средой. Применение разработанных методик позволило решить задачу теплового взаимодействия трубопровода с участками сложенными многолетнемерзлыми породами. Для определения ореолов оттаивания грунта, окружающего трубопровод были разработаны программные алгоритмы, моделирующие теплофизические процессы, происходящие в грунте.
При моделировании распространения тепла от подземного нефтепровода в зоне ММГ необходимо учитывать следующие факторы:
- возможный фазовый переход в грунте и связанные с этим изменения теплофизических свойств грунта;
- различные теплофизические параметры грунтов;
- сезонное изменение температуры воздуха;
- наличие снегового покрова в зимний период;
- различные теплоизолирующие материалы трубопровода;
- реальная инженерная инфраструктура трубопровода (наличие термостабилизаторов).
В качестве входных данных используются теплофизические свойства окружающих трубопровод грунтов, грунта засыпки, материала трубопровода и теплоизоляции, данные о системе термостабилизации (при наличии), климатические данные, характеристики продукта и режимов перекачки.
Расчётная схема теплового взаимодействия представлена на рисунке 4.
Процесс является нестационарным во времени, происходит изменение температуры окружающего воздуха и транспортируемого продукта, коэффициентов конвективной теплоотдачи с поверхности грунта в зависимости от скорости ветра и наличия снегового покрова, учитываются процессы таяния и кристаллизации содержащейся в грунтах влаги. Нестационарный тепловой анализ используется для получения распределения температуры как функции времени и для определения тепловых потоков при передаче и аккумулировании тепла в системе. Для расчета, аккумулируемого в системе тепла, используется удельная теплоемкость, которая вводится как свойство материала.
При моделировании необходимо учитывать фазовый переход содержащейся в льдистых грунтах влаги. Анализ фазовых превращений представляет собой особый вид теплового нестационарного анализа, при котором моделируется затвердевание или расплавление материала в процессе теплообмена. При фазовом анализе требуется учитывать энергию (скрытую теплоту), которая выделяется или поглощается при фазовых превращениях. Выделение или поглощение теплоты, сопровождающее фазовый переход, рассматривается как скрытая теплота, поскольку изменение температуры при этом незначительно или не наблюдается вовсе.
Пример полученного в результате расчета температурного поля представлен на рисунке 5.
Полученные величины ореолов оттаивания ММГ используются для определения величин просадок грунта, которые в свою очередь, учитываются в прочностном расчете трубопровода [5, 8]. Результаты такого расчета позволяют спрогнозировать надежность работы трубопровода, в случае оттаивания ММГ в процессе эксплуатации трубопровода.
Для анализа полученных результатов прочностного расчета используются графики и цветовые поля действующих напряжений. Пример поля распределения эквивалентных напряжений приведен на рисунке 6.
Реализация предложенных методик расчета позволила оценивать НДС трубопровода на этапах его проектирования и эксплуатации.
В первом случае для определения надежности трубопровода и выдачи необходимых рекомендаций по ее обеспечению требуется наличие проектной документации, такой как чертежи трубопровода; полный перечень требующихся инженерных изысканий, содержащих данные о физических свойствах грунта, климатических условиях района строительства и т.п.
В случае, если в ходе анализа результатов расчетов обнаруживается нарушения требований НТД касающиеся прочности конструкции, могут быть разработаны рекомендации позволяющие обеспечить надежную эксплуатацию проектируемого трубопровода, такие как: частичная перетрассировка, дополнительная балластировка трубопровода, использование иного грунта засыпки, мероприятия по температурной стабилизации окружающего грунта и т.п.
Для определения НДС фактического состояния трубопровода на этапах его эксплуатации помимо проектной документации требуются данные внутритрубной диагностики – координаты фактического положения трубопровода и данные по дефектам.
Моделирование перехода трубопровода из состояния на момент окончания строительства в состояние, соответствующее его фактическому положению, полученному по результатам диагностики, позволяет проанализировать НДС и определить предполагаемые причины изменения его положения. На основании полученных результатов могут быть приняты решения о необходимости мероприятий, обеспечивающих дальнейшую безаварийную эксплуатацию – ремонт и замена отдельных участков, перетрассировка, частичный вынос на надземную прокладку и т.п.
Основными трудностями использования универсальных МКЭ пакетов, таких как ANSYS являются высокие требования, предъявляемые к квалификации расчетчика, а так же сложный и трудоемкий процесс создания самой математической модели. Поэтому для практического применения все алгоритмы построения модели и расчета были автоматизированы с использованием встроенного в ANSYS языка программирования APDL.
Так же для удобного и быстрого анализа полученных в расчете результатов был автоматизирован процесс передачи данных из ANSYS в Excel и представление в виде удобных для пользователя графиков. Пример такого графика представлен на рисунке 7, со следующими цифровыми обозначениями:
1 – Продольное растягивающее напряжение;
2 – Продольное сжимающее напряжение;
3 – Допускаемое растягивающее продольное напряжение согласно СНиП 2.05.06-85;
4 – Допускаемое сжимающее продольное напряжение согласно СНиП 2.05.06-85;
5 – Предельное напряжение по критерию пластических деформаций;
6 – Предельное напряжение по критерию гофрообразования.
Все разработанные программные приложения были успешно использованы в ОАО «Гипровостокнефть» при выполнении ряда проектов, среди которых можно отметить проект 0386 – «Систематизация и математическая интерпретация внутренних и внешних процессов, обуславливающих износ, изменение пространственного положения и развитие напряженного состояния магистрального нефтепровода «Ванкорское месторождение - НПС «Пурпе»». В ходе работ по данному проекту проводилось сравнению расчетных методик с данными полученными в ходе натурных обследований и вскрытий траншеи трубопровода, в результате чего был сделан вывод, что разработанные математические модели обладают приемлемой точностью в части прогнозирования изменения несущей способности грунтов и определения местоположения критических напряжений (погрешность порядка 20%).
Выводы
Разработанные в Институте методики моделирования подземных трубопроводов позволяют рассчитывать НДС трубопровода и прогнозировать его изменение в ходе эксплуатации под воздействием различных внешних факторов, обусловленных сложными условиями районов прокладки, позволяют определить необходимость дополнительных инженерных мероприятий по защите трубопровода и определить их эффективность, способствуют повышению надежности и безопасности конструкции. Также разработанные модели позволяют проводить расчеты НДС существующих трубопроводов, выделять наиболее опасные участки с целью их своевременной реконструкции и служить инструментом для принятия решения о безопасности эксплуатации конструкции.
Эффективное использование данного метода осложнено его трудоемкостью при практическом применении. Однако, разработанные в результате этой работы программные алгоритмы позволяют снизить трудоемкость расчетов по данному методу, повысить его эффективность и сделать его удобным для практического применения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВСН 013 88. «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов в условиях вечной мерзлоты»;
2. РД 39-30-139-79. «Методика теплового и гидравлического расчета магистральных трубопроводов при стационарных и нестационарных режимах перекачки ньютоновских и неньютоновских нефтей в различных климатических условиях»;
3. СНиП 2.05.06 85*. «Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция»;
4. Айнбиндер А.Б. Расчёт магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Справочное пособие. М.: Недра, 1991. 287 с.;
5. Бородавкин, П. П. Механика грунтов: учебник для вузов. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. 349 с.;
6. Моделирование трубопроводных систем с помощью МКЭ–пакета «Ansys» /Ю. В. Скворцов [и др.]. Самара: Гипровостокнефть, 2000. 84 с.
7. Ворков В.А. Тепловой расчет растепления грунтов в приустьевых зонах скважин/ В.А. Ворков, С.А. Овчинникова, М.А. Федотенко// Известия Самарского научного цента Российской академии наук, 2013. №4(2). С. 323-326.
8. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов: Учебное. пособие. – М.: «Высш. школа», 1973. – 448 с.;
9. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. – Киев: Изд-во «Сталь», 2002. – 600с.;
