А. А. Филатов, И. И. Велиюлин, А. С. Доброе (ДОАО «Оргэнергогаз»), Э.И. Велиюлин (000 «Экcиком»)
Речные подводные переходы предcтавляют cобой учаcтки магиcтральных трубопроводов, экcплуатация и обcлуживание которых проиcходят в уcловиях значительных воздейcтвий природного и техногенного характера. Природные факторы, такие как подвижки и эрозия речного дна, размыв руcла при его вертикальной и плановой деформации и др., cпоcобны cущеcтвенно изменять морфологию дна. Такие еcтественные процессы создают реальные условия для размывания подводного трубопровода даже при глубинах подводной траншеи, рассчитанных с учетом прогнозируемого предельного профиля размыва. Появлению лишенных поддержки грунта свободных пролетов подводного трубопровода способствуют также особенности взаимодействия перекачиваемого газа с телом трубопровода. В силу специфики конструкции речных подводных переходов реализуются такие механизмы взаимодействия «перекачиваемый газ - трубопровод», которые приводят к выпучиванию трубопровода [1].
Возникающие локальные свободные пролеты могут достаточно быстро развиваться вдоль трубопровода, в результате чего возможно образование пролетов значительной длины. Появление свободных пролетов большой протяженности может повлечь за собой опасные для целостности трубопроводной линии изменения НДС в локальных зонах трубопровода, особенно на краях пролета и в его середине. На НДС размытого участка перехода прямое влияние оказывают интенсивность балластировки и скорость течения речного потока.
Разработанные с учетом этих факторов для труб трех сортаментов нормативные рекомендации по критическим длинам «провисающих» участков подводного трубопровода приведены в таблице (РД 51-3-96). В качестве критериев в РД 51-3-96 выбраны условия, при которых еще не могут возникнуть резонансные колебания трубопровода или напряжения еще не превышают расчетного сопротивления материала трубы.
В последнее время доминирует технология строительства речных подводных переходов на базе равнопроходных подземных (береговых) и подводных участков. Это предполагает в большинстве случаев применение для русловой части перехода труб большого диаметра, в частности 1220 и 1420 мм, для которых в РД 51-3-96 нет данных о критических длинах размытых участков.
Критические длины (в м) «провисающих» участков подводного трубопровода*
*Приведенные данные относятся к прямолинейным участкам при балластировке бетонными грузами и скорости течения реки 1 м/с.
В данной работе на основе расчетов НДС оценена предельная протяженность свободного пролета речного подводного перехода для трубопровода 1220 х 12,9 мм. Ограничивающими критериями при расчетах выбраны нормативное предельное напряжение не более 0,4 от предела текучести материала тела трубы и нормативный минимальный радиус кривизны размытого участка трубопровода. Расчеты НДС проведены для двух состояний подводного перехода - рабочего с забалластированной по действующим нормам (ВСН 010-88) подводной частью - и ремонтного при снятых на размытом участке балластирующих устройствах в целях ремонта участка трубопровода.
Рис. 1. Расчетная схема участка трубопровода
На размытый участок речного подводного перехода в вертикальной плоскости действует распределенная нагрузка qна единицу длины:
где qm, gг, qиз, qоб, qф, qут, qA, qдоп - равномерно распределенные нагрузки соответственно от сил тяжести трубы, газа, изоляции, защитной обертки, футеровки, утяжелителей, архимедовой силы и дополнительной подъемной силы, связанной с разностью гидродинамических давлений над трубопроводом и под ним [2].
Размытый участок длиной Lможно представить как балку, защемленную с двух концов (рис. 1).
Данная система статически неопределима, неизвестные реакции опор и силовые факторы на концах нельзя найти из уравнений статики. Для расчета НДС можно применить метод начальных параметров [3], а уравнение изогнутой оси балки после небольших преобразований примет следующий вид:
Здесь w0, θ0, Мо, Q0 - соответственно прогиб, угол поворота, изгибающий момент и перерезывающая сила в левом сечении; Е - модуль Юнга; Jx - осевой момент инерции; х - координата вдоль недеформированной оси балки.
При условии жесткого закрепления балки по краям перемещение и угол поворота в конечных точках равны нулю. Тогда общее решение данного уравнения имеет вид:
Максимальный прогиб соответствует середине балки и является функцией длины в четвертой степени.
Входящий в это выражение осевой момент инерции Jх вычисляется по формуле из[3]:
Для вычисления напряжения σ(х) воспользуемся формулой [3]:
Здесь М(х) - изгибающий момент в сечении; Wx - осевой момент сопротивления сечения трубы. Изгибающий момент М(х) достигает на краях максимального значения Мо.
а осевой момент сопротивления вычисляется по формуле:
После подстановки выражений для Мо и Wx, получаем итоговую формулу для вычисления напряжения ?о на краях:
При нахождении допустимой длины размытого участка газопровода исходим из двух критериев:
1) радиус кривизны при изгибе не должен быть менее 2000 м (принимаем не предельно допустимый радиус кривизны 1200-1500 м, а рекомендуемый с учетом коэффициента условий работы 0,75) [4];
2) возникающее максимальное напряжение не должно превышать 0,4 от предела текучести, равного 353 МПа.
Связь между радиусом Я кривизны размытого участка, его длиной Lи изгибом wmaxможно представить выражением:
Рис. 2. Эпюры характеристических параметров размытого участка забалластированного подводного трубопровода:
а - изгибающих моментов; б - перерезывающих сил; в – прогибов
Рис. 3. Зависимости радиуса кривизны (/) и напряжения на краях размытого участка (2) от его длины:
а - с утяжелителями; б - при снятых утяжелителях; 1'и 2' - соответственно радиус кривизны и критическое напряжение
Размытый участок трубопровода с утяжелителями 2-УТК-242-2.
Для такого случая рассчитанная по формуле (1) некомпенсированная нагрузка на единицу длины составляет 0,3 кН/м и направлена вверх. Опорные расчеты проведены для принятой длины размытого участка L = 25 м. На рис. 2 представлены результаты расчетов характеристических параметров, проведенных в программной среде MATLAB, которая использовалась для аналогичных расчетов и для второго рассмотренного случая.
Для определения критической протяженности размытого участка по двум принятым критериям в программной среде MathCAD построены зависимости ?o(L) и R (L) (рис. 3, а). Из рисунка видно, что критический радиус кривизны трубопровода достигается при длине размытого участка 375 м, а максимально допустимое напряжение соответствует длине размытого участка 290 м.
Размытый участок трубопровода при снятых утяжелителях.
Такая ситуация возможна при необходимости ремонта участка трубопровода, а также при срыве утяжелителей водным потоком. Направленная вверх некомпенсированная нагрузка в этом случае составляет 10,5 кН/м, и соответствующие эпюры характеристических параметров для него представлены на рис. 4.
Зависимости ?0(L) и R (L), аналогичные представленным на рис. 3, а, приведены на рис. 3, б. Для рассматриваемого случая критический радиус кривизны трубопровода достигается при длине размытого участка 63 м, а максимально допустимое напряжение - при длине 49 м.
Так как величина предела текучести является более точным и строгим критерием допустимых напряжений в трубопроводе, в качестве предельно допустимых протяженностей свободных пролетов речных подводных переходов следует рекомендовать длину L < 290 м (для забалластированных утяжелителями 2-УТК-24-2) и L< 49 м (в случае отсутствия утяжелителей по какой-либо причине).
Рис. 4. Эпюры характеристических параметров размытого участка подводного трубопровода без балластирующих устройств:
а - изгибающих моментов; б - перерезывающих сил; в – прогибов
Такое значение предельно допустимой протяженности свободных пролетов оказалось несколько неожиданным. Однако в практике работы подводных переходов на широких и глубоких реках известны случаи достаточно протяженных участков размыва. Так, приведенная в [5] динамика размыва резервной нитки газопровода Ямбург - Елец I через р. Обь показала последовательное во времени образование двух участков размыва длиной около 165 м каждый. При этом трубопровод не претерпевал чрезмерных напряжений, приводящих к необходимости ремонта. Вместе с тем в рассмотренном случае отмечалось повышение отметок верха трубопровода примерно в середине размытого участка. В [5] это связывалось с недостаточностью балластировки, проведенной по нормативным требованиям. Если повысить интенсивность балластировки за счет сближения утяжелителей, то можно избежать повышения положения размытого участка трубопровода в вертикальной плоскости. Но такая балластировка дает меньшую (с учетом подъемных сил) некомпенсированную поперечную нагрузку на трубопровод, и тогда предельно допустимая протяженность размытого участка, рассчитанная по данной методике, окажется еще больше. Поэтому следует принять во внимание, что полученные в данной работе результаты относятся только к случаю балластировки речного подводного перехода утяжелителями 2-УТК-24-2 по нормативным требованиям ВСН 010-88 с учетом дополнительной подъемной силы, возникающей из-за разности гидродинамических давлений в потоках над размытым трубопроводом и под ним.
Для более полного решения задачи определения предельно допустимой длины размытого участка речного подводного перехода необходимо рассмотреть еще два ограничивающих фактора - допустимые продольные напряжения и напряжения, вызываемые гидродинамическим давлением на размытый трубопровод со стороны водного потока.
Список литературы
1. Велиюлин И. И. Унификация технологических и конструкционных параметров подводного перехода МГ/ И.И. Велиюлин, В.А. Поляков, Э.И. Велиюлин и др. // Газовая промышленность. - 2009. - № 9. -С. 63-65.
2. Алимов С.В. Расчет плавучести магистральных газопроводов на речных подводных переходах /С.В. Алимов, И.И. Велиюлин, Э.И. Велиюлин и др.//Газовая промышленность. - 2009. - № 2. - С. 33-36.
3. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев; [Отв. ред. Г.С. Писаренко]. - 2-е изд., перераб. и доп. -Киев: НауковаДумка, 1988.-352с. А.МазурИ.И., ИванцовО.М. Безопасность трубопроводных систем. -М.: Елима, 2004. - 1097 с.
5. Алимов С. В. К вопросу о плавучести магистральных газопроводов в условиях речных потоков /С.В. Алимов, С.А. Ермолаев, И.И. Велиюлин и др. -IV Международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов». - Геленджик, 2008. -С.265-271.
