Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния морских газопроводов с бетонным покрытием при укладке

Актуальность работы.

До недавнего времени строительство подводных трубопроводов в России ограничивалось укладкой на сравнительно небольшие глубины, характерные для переходов магистральных нефтеи газопроводов через реки, озера, водохранилища и другие водные преграды (шельф Каспийского моря, Ладожское озеро, Охотское море, Куйбышевское водохранилище, Финский залив и др.) с глубинами до 60 метров.

В последнее десятилетие ситуация изменилась и компанией ОАО «Газпром» осуществляется реализация значительного числа проектов по строительству более глубоководных морских магистральных газопроводов. Первым российским проектом сверхглубоководного газопровода является осуществленный в 1999 -2001 годы проект «Голубой поток» магистрального газопровода РоссияТурция с максимальными глубинами укладки 2100 метров. Далее последовала серия проектов по строительству морских участков магистральных газопроводов: «Бованеково — Ухта», «СахалинХабаровск — Владивосток», «Джубга — Лазаревское — Сочи», «СевероЕвропейский газопровод». На этапе разработки находится проект «Южный поток» магистрального газопровода Россия — Западная Европа, строительство которого планируется выполнить в акватории Черного моря на глубинах до 2000 метров.

При строительстве морских трубопроводов широко используются трубы с бетонным утяжеляющим покрытием, предназначенным для придания трубопроводу отрицательной плавучести и механической защиты трубопровода от повреждения падающим грузом (якоря, сетевая оснастка рыболовных судов и др.). Укладка морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, как правило, осуществляется стингерным методом с применением специализированных трубоукладочных судов (ТУС).

Проектирование, строительство и эксплуатация морских трубопроводов ОАО «Газпром» в настоящее время выполняется в соответствии с требованиями морского стандарта СТО Газпром 2−3.7050−2006 (01Ч/-08-Р101). Согласно требованиям этого стандарта, расчёт напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода для всех режимов укладки при строительстве, включая аварийные, является обязательным элементом проектных работ. По результатам такого расчёта определяется проектная толщина трубопровода, рассчитываются технологические карты укладки и задаются нормы допустимой дефектности монтажных кольцевых сварных соединений. Однако методы и алгоритмы требуемого расчёта НДС при укладке как необетонированных трубопроводов, так и трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием данным стандартом не регламентированы.

В связи с вышеперечисленным представляется актуальной разработка уточнённого и эффективного метода расчёта НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при укладке стингерным методом. Данный метод позволит изучить влияние бетонного покрытия на НДС необетонированных стыков труб, обеспечит оперативный и корректный расчёт технологических карт укладки, необходимых для качественного выполнения строительно-монтажных работ, а также даст возможность увеличить темпы строительства за счет сокращения объемов ремонта монтажных сварных соединений трубопровода по результатам выполнения инженерной оценки критического состояния монтажных сварных соединений.

Цель работы.

Разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния морских газопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием при стингерной укладке для повышения темпов и качества строительных работ при выполнении принципов обеспечения эксплуатационной надёжности.

Основные задачи работы.

1. Исследование влияния натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.

2. Исследование влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.

3. Исследование влияния адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

4. Разработка уточнённого метода определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом, и его программная реализация.

5. Разработка уточненного и эффективного метода расчёта напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающего влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом.

Научная новизна.

Разработан уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе, укладываемом на дно моря стингерным методом, учитывающий наличие бетонного покрытия. Разработанный метод позволяет учесть следующие особенности укладки морских трубопроводов стингерным методом:

— геометрическая нелинейность задачи (большие деформации металла трубы, большие перемещения оси трубы);

— физическая нелинейность задачи (нелинейные свойства металла труб и бетонного покрытия);

— технологические особенности укладки морских трубопроводов с применением стингерных ТУС (особенности деформирования трубы при прохождении по роликовым опорам стингера);

— особенности профиля морского дна, на которое укладывается трубопровод при спуске с ТУС (реализован учет произвольной формы профиля, абсолютно жесткое или упругое основание);

— трехмерность (неплоскость) деформирования оси трубопровода при укладке с учетом заданной формы коридора укладки и неплоского характера ряда действующих природных воздействий (течение, волнение и пр.).

Разработан эффективный уточнённый метод определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом. Разработанный метод позволяет учесть следующие эффекты:

— изменение по длине оси изгибной жесткости трубопровода с бетонным утяжеляющим покрытием;

— краевой эффект от надавливания краем бетонного покрытия на тело трубы;

— отслоение и сдвиг бетонного покрытия при недостатке величины адгезии между защитным противокоррозионным и бетонным покрытиями;

— влияние растрескивания бетонного покрытия при укладке на НДС необетонированных участков труб.

Исследовано влияние натяжения на трубоукладочном судне на напряженно-деформированное состояние трубопровода при укладке стингерным методом.

Исследовано влияние типоразмера труб и толщины бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода в зоне расположения монтажных сварных соединений.

Исследовано влияние адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

Защищаемые положения.

1. Уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом.

2. Уточненный метод оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубопровода при укладке стингерным методом.

3. Методика определения влияния типоразмера труб и толщины бетонного покрытия, а также адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом.

4. Расчётное обоснование выбора величины натяжения на трубоукладочном судне при формировании технологических режимов стингерной укладки морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

— разработан эффективный уточнённый метод определения НДС морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием, позволяющий выполнять корректный расчёт укладки трубопроводом с применением стингерных трубоукладочных судов;

— разработанный метод реализован в виде программного кода на языке APDL для применения в современных версиях программного конечно-элементного комплекса ANSYS, что позволяет повысить оперативность и эффективность выполнения расчётов и визуализации полученных результатов;

— разработанные методы и их программная реализация применены для расчёта морской укладки при разработке компанией ООО «Газпром ВНИИГАЗ» экспертных заключений в рамках научно-технического сопровождения строительства морских участков магистральных газопроводов «Бованенково — Ухта», «СахалинХабаровск — Владивосток», «Джубга — Лазаревское — Сочи» и проекта «Обустройство Киринского месторождения».

— результаты выполненных параметрических исследований влияния характеристик бетонного утяжеляющего покрытия на НДС необетонированных участков труб могут быть использованы при выборе алгоритма расчёта укладки трубопроводов на новых морских проектах.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

— Отраслевом совещании «Состояние и направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа ОАО „Газпром“» (г. Саратов, 2009 г.);

— Ill Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2009, г. Москва, 2009 г.);

— Международной научно-технической конференции «Остаточный ресурс и проблемы модернизации систем магистральных и промысловых трубопроводов» (г. Киев, 2011 г.);

— IV Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2011, г. Москва, 2011 г.);

— VII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (г. Полоцк, 2011 г.).

Публикации.

В процессе работы над диссертацией автором опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, входящих в «Перечень .» ВАК Минобрнауки РФ.

4.5 Выводы по главе.

1. На основе предложенного 2-х уровневого метода расчета НДС морских трубопроводов разработан алгоритм выбора величины технологического натяжения на ТУС при укладке.

2. Разработанные методы расчета напряженно-деформированного состояния морских трубопроводов применимы как для обетонированных, так и для необетонированных трубопроводов.

3. Разработанная методика применена в рамках научно-технического сопровождения строительства морских участков магистральных газопроводов «Бованенково — Ухта», «СахалинХабаровск — Владивосток», «Джубга — Лазаревское — Сочи» и проекта «Обустройство Киринского месторождения».

Заключение

.

1. Разработан уточнённый метод определения перемещений оси и внутренних силовых факторов в морском трубопроводе с бетонным утяжеляющим покрытием, укладываемом на дно моря стингерным методом и его программная реализация на языке АРЭ1 в программном комплексе АМЭУЭ.

2. Разработан уточненный метод определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающий влияние бетонного покрытия на уровень деформирования необетонированных участков трубы при укладке стингерным методом, и его программная реализация на языке АР01.

3. Разработанный 2-х уровневый метод определения напряженно-деформированного состояния газопровода позволяет учесть всю историю нагружения металла трубы в процессе укладки. При этом достигнута его вычислительная эффективность: размерность задачи существенно уменьшена по сравнению с моделированием укладываемого участка трубопровода полностью объёмными элементами, что позволяет использовать для проведения расчётов рабочие станции начального уровня.

4. Выполнено расчётное обоснование принципов определения натяжения на трубоукладочном судне при формировании перечня и параметров технологических режимов укладки стингерным методом морских трубопроводов с бетонным утяжеляющим покрытием.

5. Разработан способ расчётного определения влияния основных характеристик труб и бетонного покрытия (типоразмер и прочностные свойства труб, толщина, прочностные, весовые и адгезионные свойства бетонного покрытия, а также возможность его растрескивания и выкрашивания) на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом.

6. Результаты выполненного параметрического анализа влияния типоразмера труб, толщины бетонного покрытия, адгезионных свойств, растрескивания и выкрашивания бетонного покрытия на напряженно-деформированное состояние необетонированных участков морского трубопровода при укладке стингерным методом могут быть использованы при выборе алгоритма расчёта укладки трубопроводов на новых морских проектах.

7. Разработанный 2-х уровневый метод определения НДС морских трубопроводов при укладке стингерным методом был использован при подготовке Заключений ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в рамках научно технического сопровождения строительства строительства морских участков магистральных газопроводов «Бованенково — Ухта», «Сахалин — Хабаровск — Владивосток», «Джубга — Лазаревское — Сочи» и проекта «Обустройство Киринского месторождения». По результатам выполненных работ были существенно увеличены темпы укладки за счёт снижения объёмов ремонта монтажных сварных соединений при выполнении принципов обеспечения эксплуатационной надёжности.