Магистральные трубопроводы являются объектами повышенной опасности. Автоматизированная система контроля герметичности газопроводов позволит предотвратить такие последствия аварий на всех участках трубопроводов, как большие экономические потери и загрязнение окружающей среды.
Ключевые слова: температурный перепад, газопровод, внутреннее давление, окружающая среда, напряженно-деформированное состояние.
Магистральные газопроводы прокладываются на разных участках земли, которые характеризуются широким рядом климатических, почвенных, гидрогеологических и других факторов, в разной степени влияющих на прочность и устойчивость трубопроводов. Данные воздействия во многих случаях имеют большое значение в общей проблеме обеспечения надежности трубопроводов. [1]
Обеспечение устойчивости, многолетней эксплуатационной пригодности газопроводов, надежности, несущей способности, а также экологической безопасности окружающей территории является важной проблемой в настоящее время, что определило актуальность работы.
Практика эксплуатации магистральных газопроводов показывает, что именно трубопроводы являются наиболее уязвимым звеном в системе транспортировки газа. Большая часть газопроводов независимо от схемы их прокладки во время эксплуатации подвергается внешнему воздействию, вследствие чего образуется деформация, которая может стать причиной нарушения целостности и эксплуатационной пригодности трубопроводов.
Целью данной работы является проведение анализа воздействия горно-геологических и природно-климатических факторов на устойчивость газопроводов при их надземной и подземной прокладке.
Для выполнения выше указанной цели была поставлена и решена следующая задача: на основе проведенного анализа литературных источников и данных по эксплуатации газопроводов определить основные причины, отрицательно влияющие на надежность эксплуатации и экологическую безопасность газопроводов.
Расчет трубопроводов на внутреннее давление является не единственным условием безопасного использования трубопроводов, поскольку в процессе эксплуатации магистральные газопроводы поддаются воздействию многих факторов.Во время эксплуатации магистрали, находящейся в сложных горно-геологических и климатических условиях, возникает опасность влияния на трубопроводы непроектных кинематических нагрузок. Такие нагрузки приводят к следующим неблагоприятным последствиям:
− отклонение фактического положения оси трубопровода от проектного;
− возникновение в трубопроводе дополнительных продольных напряжений;
− потеря устойчивости трубопроводов в определенных местах.
Аварии и даже локальные отказы на отдельных участках трубопроводов приводят к большим экономическим потерям и серьезным последствиям для окружающей среды. К основным причинам аварий относят брак строительно-монтажных работ и механические повреждения. В северных регионах вклад данных причин в общую интенсивность аварий на газопроводах, естественно, больше. Значительная часть аварий при этом происходит из-за неправильной установки (отклонений от проектных решений), а также из-за отклонений от норм при монтаже, из-за воздействия внутренних (изменение давления среды) и внешних факторов, а именно сейсмовоздействие, большой перепад температуры окружающей среды.
Такие участки подвергаются дополнительным воздействиям, которые при изменении нагрузки на трубопроводы и по мере накопления усталости в металле труб приводят к изменению напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов, и при критических значениях НДС в конечном итоге вызывают аварийные последствия.
Рассмотрим влияние внешних факторов на НДС трубопроводов более подробно.
Являясь линейным сооружением, трубопровод проходит по длине в различных мерзлотно-грунтовых условиях и по различным климатическим зонам. Для оттаивающих и замерзающих грунтов характерно наличие в них значительных сжимающих продольных нагрузок. Действуя на газопровод во время эксплуатации в теплое время года, данные нагрузки приводят к значительным поперечным перемещениям упругой оси газопровода, в частности, в местах искривления, и как результат, эти перемещения приводят к выходу газопровода из траншеи. В зимнее время газопроводы подвергаются большим продольным усилиям растяжения, и в обводненных участках часто происходит всплытие газопровода. Сезонные промерзания и оттаивания из-за неоднородности условий среды по диаметру и длине подземного трубопровода приводят к двум ситуациям, вследствие чего возникают деформации изгиба (см. рис. 1). [3]
Рис. 1. Схема возникновения напряжений изгиба трубопровода в период промерзания-оттаивания
Нагрузки, испытываемые газопроводом, по характеру воздействия и длительности следует делить на временные, постоянные и особые. К постоянным нагрузкам относятся давление грунта засыпки, собственная масса трубопровода, выталкивающая сила воды и силы, вызванные монтажом. К временным нагрузкам принято относить массу продукта, внутреннее давление среды, деформационные силы грунта и прочие воздействия климата. Внутреннее давление является главным силовым воздействием, определяющим НДС газопровода [2]. В большинстве случаев в трубах возникают кольцевые растягивающие напряжения под воздействием внутреннего давления. Продольные напряжения вносят следующий по значимости вклад в НДС, они возникают как при воздействии внутреннего давления продукта, так и при перепаде температур и других взаимодействий трубопровода с окружающей средой. В первую очередь при расчете газопроводов на прочность и устойчивость учитывается перепад температур, так как температура газопровода меняется во времени в широком диапазоне. Для газопроводов, проложенных в климатических условиях северного региона, важно иметь во внимании факторы взаимодействия трубы со средой, где она находится. Например, на подземный газопровод, который находится на обводненных участках, кроме массы засыпки действует и выталкивающая сила, увеличивающаяся с увеличением диаметра трубы. Вызванные температурными изменениями деформации при подземной укладке достигают больших значений. Такие деформации возникают в результате увеличения продольной силы в газопроводе, во время сезонных изменений характеристик грунтов как для подземной укладки, так и для обвалованного участка газопровода.
Учитывая вышеперечисленные факторы, влияющие на НДС газопроводов, при достижении предельных значений, приводящих к аварийному исходу, предлагается создание автоматизированной системы контроля прочностных и геометрических параметров трубопроводов. Применение системы датчиков для каждого участка магистрали с отслеживанием измерительных параметров, в частности расхода продукта, в режиме реального времени является важным условием эффективной и безопасной эксплуатации трубопроводных систем.
Литература:
- Гусейнов К. Б., Егоров С. И., Завьялов А. П., Лопатин А. С. Опыт применения программных комплексов на основе метода конечных элементов для оценки напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов, проложенных в особых климатических условиях // Проблемы сбора, подготовки, транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 1. С. 67–70.
- СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06–85*. — Москва: Стандартинформ, 2013.– 97с.
- Эксплуатационные особенности газопроводов в условиях Крайнего Севера // Томский политехнический университет. URL: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/26609/1/TPU161152.pdf
