Повышение безопасности эксплуатации трубопроводов с использованием геосинтетиков
На правах рукописи
МИРОНОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ГЕОСИНТЕТИКОВ
Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная
безопасность (нефтегазо-
вая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Уфа – 2004 2
Работа выполнена в Тюменской государственной архитек турно-строительной академии.
Научный консультант доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Новосёлов Владимир Викторович;
доктор технических наук, профессор Гумеров Риф Сайфуллович;
доктор технических наук, доцент Шарафиев Роберт Гарафиевич.
Ведущая организация ЗАО «Институт Сибнефтегазпроект».
Защита состоится "14" октября 2004 года в 14 - 30 на засе дании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском го сударственном нефтяном техническом университете по адресу:
450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфим ского государственного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан "" _ 2004 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы Современные промышленные объекты, в том числе системы трубопроводного транспорта углеводородов, достаточно совер шенны. Однако полностью устранить аварии на объектах трубо проводного транспорта углеводородов зачастую бывает практи чески невозможно ввиду множества факторов, вызывающих по явление нештатных ситуаций на их линейной части (износ обо рудования, человеческий фактор, природные явления и др.). По этому вопросы совершенствования трубопроводных систем и, тем самым, повышения их пожарной, промышленной и экологи ческой безопасности всегда остаются актуальными и постоянно привлекают к себе внимание ученых и практиков всего мира.
До недавних пор при выполнении строительных работ, на правленных на обеспечение безопасности функционирования трубопроводов, применялись традиционные строительные мате риалы и техника. Однако это было связано со значительными капиталовложениями и транспортными расходами. Сегодня для указанных целей всё шире применяются геосинтетические мате риалы (геосинтетики) в совокупности с местным грунтом.
В настоящее время существует множество технических ре шений, в том числе с применением геосинтетических материа лов, которые позволяют снизить опасность функционирования трубопроводов для окружающей среды, промышленных и граж данских объектов. Благодаря своим уникальным физическим свойствам геосинтетики могут быть использованы в различных конструкциях на объектах трубопроводного транспорта, позво ляющих предотвратить повреждения трубопроводов от внешних воздействий, а в случае нарушения их герметичности сократить ущерб от аварийного разлива жидких углеводородов.
Вместе с тем известно, что технические решения, относящиеся к трубопроводному транспорту углеводородов, предполагают применение геосинтетиков при "сухом" способе производства земляных работ с использованием привозного грунта. Последнее увеличивает объём грузоперевозок в несколько раз, повышает трудоёмкость работ, а соответственно и стоимость защитных конструкций и, зачастую, делает невозможным их сооружение в обводнённой местности со слабой несущей способностью грун та.
Современные условия хозяйствования выдвигают актуаль ные требования эффективного применения новых материалов и технологий с максимальным использованием местных ресурсов.
Совместное применение геосинтетиков в виде оболочек (геотубов) и местных грунтов путём использования средств гид ромеханизации земляных работ даёт возможность объединить в единый технологический процесс разработку грунта, его транс портировку и укладку в тело сооружаемых защитных конструк ций, что немаловажно для трубопроводов, прокладываемых в сложных геогидрологических условиях.
Цель работы – повышение безопасности трубопроводного транспорта углеводородов путём совместного применения гео синтетиков в виде геотубов и средств гидромеханизации для предотвращения аварий и сокращения ущерба, вызванного ава риями.
Основные задачи исследований Разработка технических решений по повышению безопасно 1.
сти трубопроводного транспорта углеводородов на основе при менения геосинтетиков в виде геотубов и средств гидромехани зации.
Экспериментальное определение характеристик геосинтети 2.
ков, необходимых для расчёта параметров цилиндрических обо лочек (геотубов).
Построение математической модели и выявление законо 3.
мерностей, описывающих пространственное изменение формы геотубов, как основных элементов новых технических решений, в зависимости от давления жидкой среды внутри и степени за полнения геотубов намывным грунтом, с учетом фильтрации во ды в грунте и геосинтетике, необходимых для расчета процесса гидронамыва грунта в оболочку и размеров готовых конструкций из геотубов.
Получение аналитических зависимостей для расчёта основ 4.
ных параметров конструкций из геотубов, предназначенных для использования в практике сооружения и реконструкции трубо проводов.
Математическое описание основных технологических пара 5.
метров заполнения геосинтетических оболочек и их размеров в конструкциях, предназначенных для применения в практике ли квидации аварий на линейной части трубопроводов, по которым перекачиваются жидкие углеводороды.
Поставленные задачи решались с использованием теории моделирования физических процессов, теории напряженного со стояния мягких оболочек, эмпирических исследований и методов математического анализа. Эксперименты проведены на модель ных установках, а их результаты обработаны с применением вы числительной техники и методов математической статистики.
Научная новизна Предложен новый концептуальный подход к повышению 1.
безопасности функционирования трубопроводов, заключающий ся в совместном применении геосинтетиков в виде геотубов и средств гидромеханизации при возведении защитных конструк ций для предотвращения повреждений трубопроводов от внеш них воздействий и сокращения ареала растекания транспорти руемого продукта при нарушении их герметичности.
Разработана математическая модель, описывающая про 2.
странственное изменение формы геотубов в зависимости от дав ления жидкой среды внутри них и степени заполнения намыв ным грунтом с учётом фильтрации воды в грунте и материале геосинтетика, позволяющая построить любую пространственную форму геотубов, заполненных намывным грунтом, используемых во всех запатентованных автором конструкциях.
Впервые на основе теории подобия физических процессов и 3.
разработанной математической модели пространственной формы геотубов получены зависимости, связывающие основные геомет рические и гидравлические характеристики поперечного сечения грунтонаполненных геотубов, такие как площадь и периметр по перечного сечения геотуба, его высота, длина контакта с осно ванием, максимальный поперечный размер, толщина геосинтети ка и другие с учётом фильтрационных свойств намываемого грунта и материала оболочки, необходимые для расчёта разме ров готовых конструкций из геотубов.
Установлены аналитические зависимости для оценки несу 4.
щей способности и устойчивости конструкций из грунтонапол ненных геотубов с учётом относительного удлинения и анизо тропности геосинтетического материала, а также времени выса чивания жидких углеводородов под геотубами.
Впервые на основе созданной математической модели полу 5.
чены аналитические зависимости для инженерных расчётов но вых способов применения грунтонаполненных геотубов в прак тике сооружения и реконструкции трубопроводов, используемых для транспорта углеводородов, позволяющие определять пара метры конструкций из геотубов, с учётом обеспечения ими за щитного эффекта.
Впервые предложены аналитические зависимости для инже 6.
нерных расчётов новых способов применения геотубов в практи ке ликвидации аварий на линейной части нефтепродуктопрово дов и сокращения ущерба от аварий в трубопроводном транспор те жидких углеводородов, позволяющие определять основные параметры конструкций из геотубов, с учётом их функциональ ной принадлежности.
Практическая ценность и реализация работы Разработан комплекс новых технических решений, предпо лагающих использование геосинтетической цилиндрической оболочки как базового элемента при берегоукреплении створов подводных переходов трубопроводов, сооружении самих пере ходов, возведении защитных обвалований трубопроводов при прокладке и ремонте в сложных геогидрологических условиях, сооружении быстровозводимых ёмкостей для сбора и временно го хранения аварийно разливающейся нефти, возведении защит ных дамб-обвалований, предотвращающих попадание аварийно растекающихся углеводородов в открытые водоёмы, несгорае мых боновых заграждений и средств локализации пожаров на суше. Представленные технические решения запатентованы в РФ, часть из них отнесена Федеральным институтом промыш ленной собственности к наиболее перспективным изобретениям страны. Изобретения направлены на повышение пожарной, про мышленной и экологической безопасности объектов трубопро водного транспорта углеводородов, позволяют существенно сни зить стоимость строительства за счёт сокращения объёма грузо перевозок автотранспортом (для ряда технических решений) и дают возможность осуществлять его в летний период времени на заболоченных территориях.
Теоретические и практические результаты выполненных исследований используются при проектировании нефтегазопро водов в институте "Нефтегазпроект", а также на предприятиях "Сургутгазпром", "Сибнефтепровод" и "Сургутподводтрубопро водстрой". По результатам исследований совместно с ВНИИСТ разработаны и доведены до строительных подразделений техни ческие решения по применению геотекстильных синтетических материалов при берегоукреплении подводных переходов магист ральных трубопроводов.
Теоретические и практические результаты исследований используются также при чтении лекций для студентов Тюмен ской государственной архитектурно-строительной академии и Тюменского государственного нефтегазового университета на специальностях 290810 – "Автомобильные дороги и аэродромы", 330500 – "Безопасность технологических процессов", 090701 – "Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонеф техранилищ".
Апробация полученных результатов Основные и наиболее важные результаты, полученные в работе, докладывались: на третьей Республиканской научно технической конференции специалистов по проблемам сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопро водам (Уфа, 1978 г.);
на Республиканской межвузовской конфе ренции "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири" (Тюмень, 1979 г.);
на Республиканской межвузовской конференции "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов За падной Сибири" (Тюмень, 1979 г.);
на Всесоюзной научно технической конференции по комплексной программе Минвуза РСФСР "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1985 г.);
на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы тру бопроводного транспорта нефти и газа" (Ивано-Франковск, 1985 г.);
на IV Всесоюзной конференции "Проблемы трубопро водного транспорта нефти и газа" (Москва, 1988 г.);
на Между народной научно-практической конференции "Проблемы эколо гии и энергосбережения в условиях Западной Сибири" (Тюмень, 1999 г.);
на Международном совещании " Проблемы магистраль ного и промыслового транспорта углеводородов" (Тюмень, г.);
на IV-ой Всероссийской научно-практической конференции "Окружающая среда " (Тюмень, 2001 г.);
на Международном со вещании "Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазо вой промышленности России" (Тюмень, 2001 г.);
на научно технической конференции "Нефть и газ: Проблемы недропользо вания, добычи и транспортировки", посвящённой 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко (Тюмень, 2002 г.);
на специали зированном совещании по применению геосинтетических оболо чечных защитных конструкций в Главном управлении по делам ГО и ЧС Тюменской области (Тюмень, 2004 г.).
Результаты работы по использованию геотубов отражены в Большой Тюменской Энциклопедии, посвящённой шестидесяти летию области, 2004 г.
Результаты исследований по применению геотекстильных материалов в транспортном строительстве отмечены в 1988 г.
серебряной медалью ВДНХ СССР и в 2004 г. – серебряной меда лью международного салона промышленной собственности "Ар химед 2004" (Москва) – за разработку мягких оболочечных кон струкций.
Публикации Основное содержание работы
отражено в 61 публикации, в том числе 24 в ведущих журналах и изданиях в соответствии с требованиями ВАК РФ.
Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы, приложений и содержит 235 страниц текста без приложений, включая 16 таблиц и 56 иллюстраций. Библио графия включает 198 наименований работ отечественных и зару бежных авторов.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертацион ной работы, сформулированы цель и основные задачи исследо ваний, показана научная новизна и практическая ценность рабо ты.
В первой главе дан обзор работ по обеспечению промыш ленной безопасности трубопроводного транспорта углеводоро дов. Среди отечественных ученых, внесших значительный вклад в решение этой актуальной проблемы, следует отметить Антипьева В.Н., Бабина Л.А., Байкова И.Р., Березина В.Л., Бо родавкина П.П., Быкова Л.И., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., За белу К.А., Земенкова Ю.Д., Зоненко В.И., Ибрагимова И.Г., Иванова В.А., Иванова И.А., Кершенбаума В.Я., Кима С.И., Ку зеева И.Р., Коваленко Н.П., Коршака А.А., Крамского В.Ф., Лы щенко Л.З., Мавлютова Р.М., Малюшина Н.А., Махутова Н.А., Минаева В.И., Мокроусова С.Н., Морозова Е.М., Москвичёва В.В., Назарова В.П., Новосёлова В.В., Ращепкина К.Е., Сидоро ва А.И., Смирнова В.А., Сощенко А.Е., Столярова Р.Н., Тугуно ва П.И., Хретинина И.С., Челомбитко С.И., Черняева В.Д., Чер няева К.В., Шабарова А.Б., Шаммазова А.М., Шарафиева Р.Г., Юфина В.А., Ясина Э.М., Яковлева Е.И. и др. авторов многочис ленных публикаций, посвященных этим вопросам.
В первой главе также проведён анализ существующих на учных знаний и технических решений, основанных на использо вании геосинтетиков. В области применения геосинтетиков в трубопроводном транспорте углеводородов значительных науч ных и практических результатов по применению геосинтетиков в строительстве добились учёные институтов ВНИИСТ, Гипротю меньнефтегаз (Камышев М.А., Караваев С.С., Ничевилов Г.В., Ратнер А.Г., Соколов С.М., Яблонский Ю.П.) и др. Однако все известные технические решения по использованию геосинтети ков в трубопроводном транспорте углеводородов предполагают "сухой" способ производства работ. Это значительно удорожает их применение в сложных геогидрологических условиях из-за необходимости использования тяжёлой строительной техники, работа которой на грунтах со слабой несущей способностью крайне затруднена. Анализ существующих технических реше ний, базирующихся на использовании геосинтетиков в различ ных областях техники и строительства, и анализ аварий на объ ектах трубопроводного транспорта показал, что в зависимости от своих свойств геосинтетики с успехом могут применяться для повышения промышленной и пожарной безопасности трубопро водных систем при их сооружении и реконструкции в сложных геогидрологических условиях с применением средств гидроме ханизации земляных работ, а также при ликвидации аварий для сокращения ущерба, вызванного аварийными утечками углево дородов из повреждённого трубопровода (рис. 1).
Рис. 1. Геосинтетики для повышения безопасности трубопроводного транспорта углеводородов Кроме того, в данной главе рассмотрены некоторые суще ствующие в настоящее время виды геосинтетиков, их свойства и области применения.
Во второй главе описаны все разработанные с непосредст венным участием автора новые технические решения использо вания геосинтетиков в трубопроводном транспорте углеводоро дов и отмечены недостатки существующих. Технические реше ния предполагают использование геосинтетического материала в виде геотуба как основного элемента всех конструкций. Новые технические решения подразделяются на превентивные, направ ленные на предотвращение повреждений трубопроводов от внешних воздействий, и используемые при ликвидации аварий.
Таблица №1.
Защитные конструкции из геотубов № Принципиальная схема Название 1 2 Превентивные защитные 1.
обвалования берегоукрепитель 2.
ные маты Продолжение табл. 1 2 3. защитные дамбы технологические 4.
проезды Используемые при ликвидации аварий 5. аварийные емкости несгораемые боно 6.
вые заграждения несгораемые средства 7. предотвращения распространения пожаров на суше технологические 8.
проезды противопаводковые 9. защитные сооруже ния Превентивные меры реализуются в период строительства и реконструкции трубопроводов путём сооружения защитных грунтозаполненных геотубов с использованием средств гидро механизации земляных работ. Грунтозаполненные геотубы вы полняют функции обвалований над трубопроводами, защищаю щих их от внешних воздействий и способных аккумулировать некоторый объём утечек углеводородов в случае нарушения гер метичности трубопроводов, берегоукрепления створов подвод ных переходов трубопроводов, дамб, предотвращающих попада ние аварийно разливающихся углеводородов в открытые водо ёмы. Технические решения, используемые при ликвидации ава рий, предназначены для сокращения ущерба от аварий на объек тах трубопроводного транспорта углеводородов. Геотубы в этом случае заполняются однородной жидкостью в зависимости от назначения конструкции, в которой используется геотуб. Обо лочки несгораемых заграждений для локализации горящих угле водородов на поверхности акватории или суши заполняются во дой. Геотубы аварийных емкостей для сбора и временного хра нения аварийно разливающихся углеводородов заполняются во дой или вытекающим из трубопровода продуктом.
При всём многообразии технических решений, в которых используются геосинтетики, недостаточно изучен вопрос расчё та процесса заполнения геотубов намывным грунтом, а также отсутствуют какие-либо расчётные зависимости, характеризую щие форму геотубов в различных конструкциях. Выявлено, что отсутствуют сведения о некоторых свойствах геосинтетических материалов, не указываемых производителями, но необходимых для практической реализации технологии гидромеханизирован ного заполнения геотубов намывным грунтом, в частности отно сительное удлинение под растягивающей нагрузкой, коэффици ент фильтрации и другие.
В третьей главе рассмотрены различные существующие в настоящее время теории расчёта оболочечных конструкций. Из вестны работы в этой области таких отечественных и зарубеж ных учёных, как Новожилов В.В., Тимошенко С.П., Черных К.Ф., Сергеев Б.И., Кларк Р., Нофф Н. и др. Однако все извест ные теории расчёта мягких оболочек посвящены расчёту либо пневматических, либо заполненных однородной жидкой средой, без учёта фильтрации жидкости в материале оболочки и напол нителе. На основе использования известной теории мягких обо лочек разработана и описана математическая модель расчёта геометрических и гидравлических параметров сечения с учётом фильтрации воды в грунте и геосинтетическом материале, а так же степени наполнения геотубов намывным грунтом. Суть мате матической модели заключается в том, что вся кривая периметра напряжённого геотуба разбивается на элементы равной высоты, представляющие собой части окружностей с различными радиу сами и центрами расположения этих окружностей (рис.2).
Уравнения окружностей задаются в параметрическом виде, где параметром является угол между горизонтальной осью и радиусом в рассматриваемой точке на кривой.
Далее для каждого элемента кривой периметра поперечного сечения геотуба записывается система уравнений, которая реша ется последовательно для каждого j-го элемента поверхности геотуба, и определяются координаты всех j-х точек от 1 до j.
h lФj-1 T ц ц xj- xj xj x j-1 lФj n x j - yj- j yj lФj+ j + rj H rj- rj+1 Px H i i T j- y Рис 2. Форма сечения оболочки H + x j x j i ц x j = r j 1 cos j 1 + + x j 1 ;
(1) r j H x x + j j 1 i ц x j = r j cos j 1 + + xj;
(2) r j H yj = j;
(3) i 1 j i, ;
где x j ;
y j - координаты j-й точки поверхности оболочки, м;
r j элементарный радиус для j-й точки, м;
x ц j - абсцисса цен тра окружности, на которой лежит j-я точка поверхности оболочки геотуба, м;
i - количество одинаковых по высоте разбиений сечения;
- угол – параметр, соответствующий j-й точке, рад.;
H - высота сечения оболочки, м;
N – высо та слоя намытого грунта, м;
h – пьезометрический напор воды, м;
Т – растягивающее поперечное усилие в оболоч ке, Н;
P x – горизонтальная составляющая силы давления жидкой среды в оболочке на её внутреннюю поверхность, Н;
l ф – длина пути фильтрации воды в оболочке, м.
Чтобы решить эту систему уравнений для j-го элемента по верхности геотуба, необходимо знать значения радиусов кривиз ны на рассматриваемом и близлежащем элементе поверхности геотуба, а также координаты точек и центра элемента окружно сти, предыдущего рассматриваемому элементу. Радиусы кривиз ны поверхности геотуба определяются по формуле, полученной автором из условия равенства скоростей фильтрации воды в грунте и материале вдоль линии фильтрационного тока:
k м lФj H i pj 1 + k гр 2i j =1 kl 1 + м Фj k гр, rj = (4) pj где k м ;
k г р - коэффициенты фильтрации геосинтетического ма териала, контактирующего с грунтом, и намытого в обо лочку грунта соответственно, м/с;
- толщина геосинте тического материала оболочки, м;
p j - избыточное давле ние в геотубе, под действием которого происходит фильт рация воды в системе грунт – геосинтетический материал в j-й точке, Па;
l Ф j - длина пути фильтрации воды в намы том грунте в j-й точке поверхности геотуба, м.
Давление p j зависит от пьезометрического напора h в верх ней точке поверхности геотуба;
высоты оболочки H;
слоя намы того в неё грунта N, а также физических свойств пульпы и об воднённого грунта внутри геотуба;
рассчитывается оно по из вестным формулам гидравлики.
Длина пути фильтрации воды в j-й точке поверхности гео туба в результате несложных геометрических расчётов (рис. 1) может быть определена по формуле yj H +N 2 lФj = + yj xj. (5) yj Растягивающее поперечное усилие в материале геотуба на единице длины находится как половина горизонтальной состав ляющей силы гидростатического давления P x жидкой среды в оболочке на её внутреннюю поверхность:
H i pj Tп =. (6) kl 2i j = 1 + м Фj k гр Периметр поперечного сечения оболочки L, площадь живо го сечения, площадь поперечного сечения, занятого намытым грунтом г р, а также гидравлический радиус R определяются из выражений H + x j x j i L = 2 xi + 2 ;
(7) i j = = 2 xj ;
H n (8) j =1 i гр = 2 x j ;
H i (9) j =n i R=, (10) H + x j x j n 2 xn + 2 i j = где n - рассматриваемая точка на поверхности геотуба, соот ветствующая высоте N намытого в геотуб грунта;
x n - абс цисса точки поверхности геотуба, соответствующей высо те N намытого в геотуб грунта, м.
Расчёт по вышеописанным зависимостям на ЭВМ с исполь зованием общепринятых математических программных продук тов показал, что количество слоёв разбиения оболочки при j при прочих равных условиях практически не влияет на форму оболочки. Расхождение при этом по площади поперечного сече ния геотуба и его периметру не превышает 5% для различных значений j.
Адекватность математической модели экспериментальным данным, полученным на модельной установке, проверена по критерию Фишера при 90% доверительной вероятности. Воспро изводимость эксперимента оценивалась по критерию Кохрена при той же доверительной вероятности.
В результате анализа физических свойств геосинтетиков выявлено, что большинство из них не обладают упругими свой ствами в области действующих нагрузок и не восстанавливают свои размеры после снятия нагрузок. Автором экспериментально установлено, что для ряда геосинтетических материалов спра ведливо выражение lк lн b = a м exp м, (11) T lн где l н - длина материала до приложения нагрузки T, м;
l к длина материала после приложения нагрузки T, м;
a м, b м эмпирические коэффициенты, зависящие от вида геосин тетика и направления приложения силы T для анизотроп ных материалов;
T р - разрывное усилие в материале, Н/м.
Растягивающие усилия в геосинтетическом материале ци линдрических оболочек различны в продольном и поперечном направлениях. Растягивающее усилие T на единице длины в по перечном направлении определяется по формуле (6), а в про дольном T п р – с использованием разработанной автором матема тической модели пространственной формы напряжённых геоту бов из выражения 1 i H pj = x j.
Tпр (12) k м lФj L j =1 i 1+ k гр Силы T п и T п р не должны превышать значения разрывного усилия в геосинтетическом материале, указываемого производи телем. Для определения удлинения (как в продольном, так и в поперечном направлении) геосинтетического материала напря жённого геотуба, контактирующего с поверхностью грунтового основания, в формуле (11) необходимо учитывать силы трения, возникающие на поверхности контакта геотуба с грунтовым ос нованием и рассчитываемые по формулам:
TСп = K п B p д ;
(13) TСпр = K пр l г pд, (14) где T С п - сила поперечного трения на единице длины поверх ности контакта геотуба с грунтовым основанием, Н/м;
K п коэффициент трения геосинтетического материала с по верхностью грунтового основания оболочки в поперечном направлении;
B - площадь контакта геотуба с поверхно стью грунтового основания на единице длины оболочки и равная 2x i, м 2 /м;
p д - давление внутри оболочки в центре тяжести поверхности её контакта с грунтовым основани ем, Па;
T С п р - сила продольного трения на единице шири ны поверхности контакта геотуба с основанием, Н/м;
l г длина геотуба, м;
K п р - коэффициент трения геосинтетиче ского материала с поверхностью грунтового основания оболочки в продольном направлении.
Формулы (6, 11-14) позволяют определить действительные размеры геотубов с учётом их удлинения, в том числе предель ные, соответствующие разрывным усилиям в геосинтетическом материале, в результате воздействия нагрузок от намываемого грунта и пульпы.
Разработанная автором математическая модель даёт воз можность построить любую пространственную форму геотубов с учётом физических свойств пульпы, обводнённого грунта и гео синтетического материала и оценить её несущую способность.
В четвёртой главе рассмотрены аналитические зависимости для расчётов оболочечных конструкций из геосинтетиков, за полненных намывным грунтом в практике сооружения и рекон струкции систем трубопроводного транспорта углеводородов.
Расчёт защитных обвалований трубопроводов при их на земной прокладке на слабых основаниях, сплавом с образовани ем канала из геотубов или протаскиванием (рис. 3), а также при прокладке трубопровода со льда на дно водоёма (рис. 4) предпо лагает определение размеров геотубов и количества намытого грунта, обеспечивающих защитные свойства геотубов. С этой целью с использованием математической модели пространствен ной формы геотубов были получены аналитические зависимости, характеризующие форму поперечного сечения оболочки при N=H и нулевом пьезометрическом напоре в верхней её части (окончание намыва).
hз H dТ Рис. 3. Способ наземной прокладки трубопроводов про таскиванием: 1 – трубопровод;
2 – мягкие геосинтетические оболочки;
3 – намытый в оболочку грунт;
4 – салазки водопропуски;
5 – сминаемые элементы, предотвращающие размораживание водопропусков в зимний период;
6 – поверхность, по которой проходит трасса;
h з - высота защитно го слоя грунта над трубопроводом;
d Т - диаметр трубопровода Рис. 4. Способ прокладки трубопровода со льда на дно водоёма: 1 – геотуб с намытым грунтом;
2 – трубопровод;
3 – направляющие;
4 – ледовое покрытие;
5 – прорези во льду;
6 – грунт;
7 – эрлифтная установка k L H = 0,131 + 0,005 м ;
(15) k гр L гр k L = 0,049 + 0,001 м ;
(16) k L2 гр k L A = 0,439 0,003 м ;
(17) k гр L k L B = 0,386 0,001 м, (18) k L гр где г р - объём грунта на единице длины геотуба без учёта проложенного внутри него трубопровода, м 3 /м;
А - макси мальный поперечный размер сечения геотуба, м;
B - пло щадь контакта геотуба с поверхностью основания на еди нице длины горизонтальной поверхности, м 2 /м.
Расчёт размеров поперечного сечения геотубов, наполнен ных намывным грунтом при подземной или полуподземной про кладке трубопроводов (рис. 5) с учётом зависимости (15) сво дится к совместному решению уравнения кривой геотуба в попе речном сечении, полученного на основе использования матема тической модели пространственной формы оболочки при N=H и нулевом пьезометрическом напоре в верхней её точке и уравне ния прямой, проходящей по боковой стенке траншеи:
kмH kмH y = 0,038 + 4,439 1,772 x k + 1,194 k + L L гр гр (19) k H k H y + 25,211 15,587 м + 9,754 м ;
k k L гр гр c y = H + tg x tg, (20) где c - ширина дна траншеи, м;
- угол заложения откосов траншеи.
Рис. 5. Подземная прокладка трубопровода:
1 – геотуб;
2 – намытый грунт;
3 – трубопровод Далее, зная координаты x и y точки пересечения функций (19-20), определяются все необходимые параметры сечения с использованием несложных геометрических зависимостей.
В этой же главе представлены аналитические зависимости для нахождения параметров заполнения намывным грунтом со единённых между собой геосинтетических матов, состоящих из геотубов, уложенных параллельно урезу воды, предназначенных для берегоукрепительных работ в створах подводных переходов трубопроводов (рис. 6). Заполнение матов намывным грунтом осуществляется через водонепроницаемый геосинтетический коллектор, расположенный перпендикулярно урезу воды. Кол лектор представляет собой геосинтетический трубопровод с рав номерным путевым расходом жидкости. Подача пульпы осуще ствляется в коллектор сверху с таким расходом, который обес печивает параллельность пьезометрической линии откосу бере гового склона. При этом выполняется равенство избыточного давления во всех точках коллектора по длине и соответственно достигается равномерная раздача пульпы в геотубы мата.
Рис. 6. Конструкция геосинтетического мата, заполняемого грунтом методом гидронамыва: 1 – мягкие геосинтетические оболочки, сшитые в мат;
2 – мягкий коллектор;
3 – отверстия для отвода осветлённой воды;
4 – поверхность воды При условии равенства пьезометрического и геометриче ского уклонов и отсутствии транзитного расхода пульпы в кол лекторе путевой расход Q П, который обеспечивает равномерное заполнение мата намывным грунтом, можно определить сле дующим выражением, полученным автором с использованием уравнения для определения потерь давления в трубопроводе с равномерным путевым отбором жидкости:
в 4 R 3 sin( 0 ) = QП, (21) п n где a 0 - угол наклона берегового откоса к горизонту, рад.;
R гидравлический радиус геосинтетического коллектора, м;
n - коэффициент гидравлической шероховатости геосинте тического материала;
в - удельный вес воды Н/м 3 ;
п удельный вес пульпы Н/м 3.
Диаметр оболочек мата принимается бльшим диаметра коллектора для обеспечения условий осаждения в них твёрдой составляющей пульпы.
В данной главе исследована конструкция неразмываемых защитных геосинтетических грунтозаполненных дамб, распола гаемых на наклонной поверхности местности, предназначенных для предотвращения попадания аварийно разливающейся нефти из повреждённого трубопровода в открытые водоёмы (рис. 7).
Рис. 7. Дамбы обвалования: 1 – мягкие геосинтетические оболочки, заполненные грунтом методом гидронамыва;
2 – разлившиеся углеводороды;
3 – откос;
4 – противофильтраци онный экран Потенциальный аварийный сток нефти из повреждённого трубопровода относится к базовым данным для нахождения раз меров дамб, их количества и расстояния между ними.
В результате проведённых исследований установлено, что на нефтепроводах, по которым перекачиваются нестабильные углеводороды, потенциальный аварийный сток нефти в несколь ко раз превышает аналогичный показатель для стабильных угле водородов. В работе показано, что при определении размеров защитных геосинтетических грунтонаполненных дамб обвалова ний применима модель аварийного опорожнения трубопровода от нестабильных углеводородов, заключающаяся в опорожнении от нефти только нисходящих по отношению к месту разрыва участков трубопровода. Расчёт непроницаемых защитных дамб обвалований, размещаемых на наклонной поверхности, сводится к определению их основных геометрических характеристик, обеспечивающих необходимый защитный эффект и устойчивость на откосе, а также времени высачивания жидких углеводородов под геотубами. При нахождении размеров дамб обвалования ре комендуется использовать некоторую величину К д а м б ы, характе ризующую объём аварийного стока нефти на единице длины, за держиваемый одной оболочкой, зависящего при прочих равных условиях от стабильности перекачиваемых углеводородов. Раз меры дамб рассчитываются по формулам K дамбы H укл = ;
(22) 0,04 0,33 0 + 0,79 2tg 0 0,13 0,14 H укл BФ = ;
(23) 0,32 0,46 BФ L= (0,39 + 0,42 0 0,85 02 );
(24) H укл H укл l мд = + ;
(25) sin 0 0,64 cos 0 sin 0 0 0,27, где B Ф - площадь контакта геотуба с поверхностью основания на единице длины, м 2 /м;
H у к л - высота геотубов дамбы, уложенных на откосе, м;
l м д - расстояние между дамбами, м;
0 - угол заложения откосов, рад.
Аналитические зависимости, представленные в главе, по зволяют определять основные технологические параметры за полнения геотубов конструкций намывным грунтом, а также рассчитывать их основные размеры с учётом функциональной принадлежности.
В пятой главе представлены аналитические зависимости для практических расчётов новых способов использования гид ромеханизировано заполненных геотубов при ликвидации аварий на линейной части систем трубопроводного транспорта углево дородов, снижающих ущерб от аварий. Очевидно, что величина ущерба от аварии зависит от того, как быстро отреагируют соот ветствующие службы на внезапное повреждение трубопровода.
На основании ранее проведённых автором исследований извест но, что в случае аварийного истечения нестабильных углеводо родов из повреждённого трубопровода процесс опорожнения происходит более интенсивно. По истечении некоторого проме жутка времени после разрыва трубопровода объём нестабильной нефти, который окажется на поверхности земли, значительно превышает аналогичный показатель для стабильных углеводоро дов. В главе предложен один из методов быстрого реагирова ния – это сооружение геосинтетических аварийных емкостей (рис. 8). Представлен расчёт необходимых размеров быстровоз водимых геосинтетических аварийных емкостей для сбора и временного хранения нефти в зависимости от объёма её аварий ного стока.
rКОЛЬЦ nОБ DОБ sin() D ОБ ОБ D Б nО nОБ DОБ Рис. 8. Принципиальная схема сечения быстровозводимой геосинтетической ёмкости для сбора и временного хранения аварийно растекающихся жидких углеводородов: 1 – мягкие не проницаемые оболочки из геосинтетического материала, запол ненные жидкостью;
2 – поверхность грунта;
3 – нефть;
4 – не проницаемый для нефти экран Общий объём углеводородов, который может быть закачан в быстровозводимую геосинтетическую аварийную емкость, оп ределяется выражением nоб Dоб 12 rкольц rкольц N а.е. + nоб Dоб 3 rкольц, (26) W = 3 3 где N а. е. - коэффициент, учитывающий степень заполнения ава рийной ёмкости;
r к о л ь ц - радиус кольца, образованного обо лочками аварийной ёмкости, м;
n о б - количество оболочек в нижнем ряду;
D о б - диаметр оболочки, м.
В случае если аварийная ёмкость имеет ограниченную в плане ширину установки (наличие лесного массива, инженерных объектов и др.), последняя принимает форму эллипса. Вмести мость её определяется по формуле D D nоб W = Dоб a1 + (J Р 1) об b1 + (J Р 1) об, (27) J =1 Р где a 1 ;
b 1 - размер полуосей эллипса первого внутреннего ря да оболочек аварийной ёмкости, м;
J Р - нумерация рядов оболочек по вертикали.
При заполнении аварийной ёмкости жидкими углеводоро дами, чтобы достичь максимальной высоты ограждения при за данном количестве геотубов в сечении конструкции, необходимо соблюдать условие, обеспечивающее круглость оболочек:
hвх 10 Dоб + hдл, (28) где h в х - напор нефти на входе в геотуб, м;
h д л - потери напора в геотубах конструкции при заполнении, м.
В этой же главе представлены аналитические зависимости для расчёта времени высачивания жидких углеводородов под геотубами, полученные с использованием результатов исследо ваний предыдущих глав, а также проверка конструкций на ус тойчивость.
(Bф + lп ) tв = k ф (H ф l П sin 0 + x sin 0 ) ;
(29) x dx x x x1 = 0,01 (Bф + l п );
(30) x 2 = Bф + l п ;
(31) Fтр = k тр (G cos 0 + Pв cos 0 + PП Pг sin 0 ) ;
(32) Fсд = G sin 0 + Pв sin 0 + Pг cos 0 ;
(33) Fтр Fсд, где G - вес единицы длины геотуба, Н/м;
P в - вертикальная со ставляющая силы давления жидких углеводородов на еди нице длины поверхности геотуба, Н/м;
P г - горизонтальная составляющая силы давления жидких углеводородов на единице длины поверхности геотуба, Н/м;
P П - сила дав ления жидких углеводородов на единице длины непрони цаемого экрана, Н/м;
F т р - сила трения геотуба о поверх ность откоса на единице длины оболочки, Н/м;
F с д - сдви гающая сила на единице длины геотуба, Н/м;
l П - ширина непроницаемого экрана, м;
H ф - высота столба жидкости перед дамбой, м;
k т р - коэффициент трения геотуба о по верхность основания;
k ф - коэффициент фильтрации жид ких углеводородов, м/с;
t в - время высачивания жидких углеводородов, с.
Для случаев, когда аварийно разливающаяся горящая нефть всё же попадает в открытый водоём и необходима экстренная ликвидация нефтесодержащего загрязнения, автором предложе ны и запатентованы термостойкие геосинтетические боновые за граждения. Для обеспечения защиты от огневого воздействия боновых заграждений, выполненных из геосинтетического мате риала, по всей их длине толщина слоя омывающей боны охлаж дающей водой должна быть достаточна во всех точках конструк ции. Это необходимое условие может быть выполнено путём ис пользования геосинтетического трубопровода с равномерным путевым отбором жидкости по длине вследствие фильтрации её в малопроницаемом материале оболочки.
Возможна также другая конструкция термостойкого боно вого заграждения, разработанная автором. Охлаждение поверх ности бона в этой конструкции осуществляется за счет испаре ния кипящей воды при 100 о С, что обеспечивает защиту материа ла, из которого изготовлены боны, от термического разрушения.
Охлаждающая вода подводится к поверхности бона за счёт ка пиллярного поднятия влаги в пористом гидрофильном материале бона. Высота капиллярного поднятия воды в гидрофильном ма териале зависит от его свойств. Известно, что она может быть увеличена в десятки раз под воздействием ультразвука на фильтрующуюся в материале жидкость.
Конструкции с принудительным охлаждением поверхности геотуба водой могут также использоваться для локализации го рящих углеводородов на суше.
Приведённые в главе аналитические зависимости дают воз можность находить необходимые параметры конструкций, дос таточные для реализации описанных технических решений в практике ликвидации аварий на линейной части трубопроводов.
В шестой главе описаны экспериментальные установки и методики определения не всегда указываемых производителями свойств геосинтетических материалов, таких как коэффициенты гидравлической шероховатости, коэффициенты фильтрации. Ус тановки позволяют моделировать реальные условия заполнения геотубов намывным грунтом. При определении коэффициента гидравлической шероховатости геосинтетиков моделируется ре жим движения жидкости. При определении коэффициента фильтрации материала оболочки моделируется влияние на его значение консистенции пульпы, напора, толщины слоя грунта перед геосинтетиком и времени фильтрации. Произведена оцен ка влияния вышеперечисленных факторов на коэффициент фильтрации. Установлено, что консистенция пульпы в рабочем диапазоне её изменения 0,1 k 0,25 практически не влияет на коэффициент фильтрации геосинтетиков. Коэффициент фильт рации геосинтетика значительно уменьшается только в первые минуты, вследствие кольматации материала, в дальнейшем его значение стабилизируется во времени. Представлена также ме тодика и экспериментальная установка для определения относи тельного удлинения геосинтетиков под нагрузкой. Установлено, что для ряда геосинтетиков закон изменения относительного уд линения под растягивающей нагрузкой носит экспоненциальный характер. Произведена оценка погрешностей проводимых испы таний. Получены численные значения вышеуказанных парамет ров для ряда геосинтетических материалов.
Основные выводы и рекомендации На основании изучения свойств геосинтетиков и анализа 1.
существующих технических решений, базирующихся на их ис пользовании, разработан комплекс новых эффективных способов повышения безопасности трубопроводного транспорта углеводо родов, в том числе для защиты трубопроводов от внешних воз действий, предотвращения попадания аварийно разливающихся углеводородов в открытые водоёмы, сооружения быстровозво димых аварийных ёмкостей для сбора и временного хранения жидких углеводородов, локализации горящих углеводородов на поверхности акватории и другие.
Изучены характеристики геосинтетиков, необходимые для 2.
расчёта параметров геотубов. Установлено, что для наиболее применяемых нетканых геосинтетических материалов конси стенция пульпы при заполнении оболочек намывным грунтом в рабочем диапазоне её изменения 0,1 k 0,25 практически не влияет на коэффициент фильтрации геосинтетиков. Коэффици ент фильтрации материала значительно уменьшается только в первые минуты фильтрации вследствие кольматации пор, в дальнейшем его значение стабилизируется во времени. Показа но, что некоторые геосинтетики обладают относительным удли нением до 100% под действием растягивающей нагрузки без раз рушения, этого вполне достаточно для аккумулирования геоту бами защитных конструкций удельного объёма утечек углеводо родов, соизмеримого с вместимостью единицы длины повреж дённого участка трубопровода, что позволяет снизить ущерб от их распространения.
На основе теории напряжённого состояния мягких оболочек 3.
построена математическая модель пространственной формы гео туба, основного элемента всех новых технических решений, за полняемого намывным грунтом, учитывающая физические свой ства грунта, пульпы, геосинтетического материала, степени за полнения геотуба грунтом и пьезометрического напора. Показа но, что эти параметры существенно влияют на пространствен ную форму оболочек при пьезометрическом напоре менее десяти высот геотуба в поперечном сечении и их необходимо учитывать при конструировании защитных сооружений.
Получены аналитические зависимости для расчёта геомет 4.
рических и гидравлических параметров конструкций из геоту бов, предназначенных для защиты трубопроводов от внешних воздействий, предотвращения попадания аварийно разливаю щихся жидких углеводородов в открытые водоёмы, берегоукреп ления створов подводных переходов трубопроводов.
Выполнено аналитическое описание основных технологиче 5.
ских параметров заполнения геотубов и их размеров в конструк циях, предназначенных для применения в практике ликвидации аварий на линейной части трубопроводов, по которым перекачи ваются жидкие углеводороды. Обоснованы параметры, обеспе чивающие несгораемость ограждений из геотубов, предназна ченных для локализации горящих углеводородов. Установлены закономерности для определения вместимости аварийных ёмко стей сбора и временного хранения жидких углеводородов, а также начального напора на входе в геотуб, обеспечивающего максимальную вместимость ёмкости.
Основное содержание диссертации опубликовано в 61 научных работах, в том числе 24 в ведущих журналах и изданиях в соот ветствии с требованиями ВАК РФ:
Антипьев В.Н., Миронов В.В. Расчёт процесса истечения 1.
нефти через порывы трубопровода при упругом режиме //Нефтя ное хозяйство.- М., 1978.- №9.- C.55-56.
А.С. №712745 СССР. Способ определения коэффициентов 2.
объемного сжатия и температурного расширения жидкости / В.Н. Антипьев, В.В. Миронов. Опубликовано в Б.И. № 4, 1980.
А.С. 1198149 СССР. Способ намыва узкопрофильных соору 3.
жений / В.В. Миронов, М.С. Чудинов, С.П. Вельчев, А.С. Тро фимов. Опубликовано в Б.И. № 46, 1985.
А.С. 1222742 СССР. Способ намыва узкопрофильных со 4.
оружений / В.В. Миронов, С.Н. Стрижков, А.С. Трофимов.
Опубликовано в Б.И. №13, 1986.
А.С. 1222965 СССР. Способ сооружения подводного участ 5.
ка трубопровода / В.В. Миронов, С.Н. Стрижков, М.С. Чудинов, А.С. Трофимов. Опубликовано в Б.И. № 13, 1986.
А.С. 1296779 СССР. Способ прокладки трубопровода на 6.
грунтах со слабой несущей способностью/В.В. Миронов, С.Н.
Стрижков, В.С. Станев. Опубликовано в Б.И. № 10, 1987.
А.С. 1335626 СССР. Способ намыва узкопрофильных со 7.
оружений / В.В. Миронов, С.Н. Стрижков, В.С. Станев. Опубли ковано в Б.И. №33, 1987.
А.С. 1541458 СССР. Блок сборных строительных конструк 8.
ций / В.В. Миронов, Г.В. Ничевилов, Ч.Д. Скворцов, С.М. Соко лов, С.Н. Стрижков, С.С. Караваев. Опубликовано в Б.И. № 5, 1990.
А.С. 1613353 СССР. Устройство для сварки полимерных 9.
материалов / В.В. Миронов, А.П. Неволин, В.Н. Кривохижа, А.Ш. Саммигулин, В.В. Бочкарёв. Опубликовано в Б.И. № 46, 1990.
А.С. 1724806 СССР. Устройство для защиты водоёма от 10.
нефтяных загрязнений при утечке нефти из нефтепровода / В.В.
Миронов, А.П. Неволин, В.Н. Чепурский, Т.В. Большакова.
Опубликовано в Б.И. № 13, 1992.
А.С. 1742091 СССР. Устройство для сварки полимерных 11.
материалов / В.В. Миронов, А.П. Неволин, В.В. Салюков, Ю.Н.
Дубяга. Опубликовано в Б.И. № 23, 1992.
Миронов В.В., Антипьев В.Н., Неволин А.П. и др. Экспери 12.
ментальное изучение утечек газонасыщенной нефти при порывах трубопровода // Известия вузов. Нефть и газ. – 1978. – № 10. – С. 70-72.
Миронов В.В., Земенков Ю.Д., Миронов Д.В. Определение 13.
длины заполнения геосинтетических конструкций некруглого поперечного сечения намывным грунтом при наземной проклад ке трубопроводов // Известия вузов. Нефть и газ.- 2001. – № 3. – С.47-50.
Миронов В.В. Гидромеханизированные способы применения 14.
геосинтетиков в трубопроводном транспорте углеводородов. – СПб.: Недра, 2002. – 175с.
Миронов В.В., Миронов Д.В. Строительство дамб, предот 15.
вращающих попадание нефтесодержащих загрязнений в откры тые водоёмы с использованием грунтонаполненных геотубов // Известия вузов. Строительство.- 2003. – № 2. –С.113-115.
Миронов В.В. Математическая модель пространственной 16.
формы водопроницаемого геотуба с намывным грунтом // Извес тия вузов. Нефть и газ.- 2003. – № 4. –С.59-63.
Миронов В.В. Математическая модель движения пульпы в 17.
водопроницаемых геотубах // Известия вузов. Нефть и газ. 2003. – № 6. – С.54-58.
Миронов В.В. Оценка несущей способности, устойчивости 18.
защитных дамб в виде геотубов и времени высачивания жидких углеводородов под ними // Известия вузов. Строительство. 2004. – № 4. – С.66-69.
Пат. 1804524 РФ. Зарегистрирован в гос. реестре изобрете 19.
ний 09.10.1992. Способ предотвращения попадания нефтяных за грязнений в русло водотока / В.В. Миронов, С.Н. Стрижков, В.Н. Чепурский, В.П. Штоф, В.В. Салюков. Опубликовано в Б.И. № 11, 1993.
Пат. 2049201 РФ. Зарегистрирован в гос. реестре изобрете 20.
ний 27.10.1995. Способ очистки поверхности водоёма от загряз нений нефтепродуктами / В.В. Миронов, Б.А. Клюк. Опублико вано в Б.И. № 33, 1995.
Пат. 2073081 РФ. Зарегистрирован в гос. реестре изобрете 21.
ний 10.02.1997. Способ очистки поверхности водоёма от загряз нений нефтепродуктами / В.В. Миронов, Б.А. Клюк, В.В. Салю ков. Опубликовано в Б.И. № 4, 1997.
Пат. 2175039 РФ. Зарегистрирован в гос. реестре изобрете 22.
ний 20.10.2001. Способ очистки водоема от загрязнений нефте продуктами / Д.В. Миронов, А.Ф. Шаповал, В.В Миронов.
Опубликовано в Б.И. № 29,2001.
Пат. 2191945 РФ. Зарегистрирован в гос. реестре изобрете 23.
ний 27.10.2002. Способ прокладки трубопровода на грунтах со слабой несущей способностью / Д.В. Миронов, В.В. Миронов, Ю.Д. Земенков, А.Ф. Шаповал. Опубликовано в Б.И. № 30,2002.
Пат. 2209271 РФ. Зарегистрирован в гос. реестре изобрете 24.
ний 27.07.2003. Способ защиты местности от загрязнений вред ными жидкими веществами при аварийных выбросах / В.В. Ми ронов, Д.В. Миронов. Опубликовано в Б.И. № 21,2003.