научная статья по теме МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ Геология

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2015, № 3, с. 280-285

МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 550.8.08

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

© 2015 г. С. В. Бехтерев*, А. А. Гинзбург**, А. Б. Манукин*

*Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Б. Грузинская ул., д. 10, Москва, 123810, Россия. E-mail: amanukin@yandex.ru

**Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Уланский пер., д.13, стр. 2, Москва, 101000 Россия. E-mail: galab3@geoenv.ru

Поступила в редакцию 25.06.2014 г.

В статье рассматривается метод определения уровня напряженно-деформированного состояния нефтегазотрубопровода по величине вариаций его радиуса кривизны. Измерения проводятся с помощью чувствительных наклономеров - акселерометров в нескольких точках на потенциально опасных участках трассы. Оснащение трубопроводов такой измерительной системой позволило бы снизить риск аварийных, экологически опасных ситуаций.

Ключевые слова: нефтегазопровод, мониторинг, наклономерные измерения, деформация, радиус кривизны, механическое напряжение, акселерометр.

Задача мониторинга напряженно-деформированного состояния нефтетрубопровода решается многими методами. В первую очередь это геодезические методы наблюдения за перемещением точек трубопровода относительно "неподвижных" реперных точек. При этом с помощью нивелирования удается следить за вертикальными перемещениями трубы относительно реперов, а классические триангуляционные измерения дают возможность получить информацию о ее горизонтальных подвижках. Такие наблюдения обычно проводят в режиме периодических геодезических измерений. Временной интервал между повторными измерениями при этом выбирают в зависимости от сложности и потенциальной опасности конкретного участка трубопровода, он может варьировать от 3-4 месяцев (сезонные наблюдения) до 1-2-х недель в зависимости от активности геологических процессов на этом участке. Это далеко не единственный метод контроля состояния трубопровода. Применяют и многие другие - от периодического визуального осмотра участков трассы нефтепровода до методов аэрокосмических съемок и спутниковой геодезии.

Большое распространение получили методы измерения коэрцитивной силы трубопровода, связанной с механическими напряжениями в материале трубопровода [2].

В последнее время используют профилометр -специальный снаряд, оснащенный большим количеством приборов, который движется внутри трубы, увлекаемый нефтяным потоком [1].

В число приборов наряду с устройствами, позволяющими проводить диагностику состояния трубы в процессе движения снаряда методами ультразвуковой локации, входят акселерометры, с помощью которых инерционными методами удается измерять в конечном итоге координаты осевой линии трубы в пространстве, а значит и её изгибы, приводящие к механическим напряжениям в трубе. Сложности использования профиломет-ров связаны не только с их высокой стоимостью, но и с необходимостью размещать в трубопроводе специальные устройства для запуска снаряда и последующего извлечения его для считывания и обработки записанной информации и практически с невозможностью организации непрерывного мониторинга напряженно-деформированного состояния трубопровода.

При мониторинге нефтегазопровода необходимо учитывать специфику объекта. Дело в том, что он зачастую пересекает участки со сложными геологическими условиями, в частности по участку с распространением многолетнемерзлых пород. На таких участках не просто найти "неподвижные" точки - реперы, относительно которых можно

было бы вести наблюдения за движением точек трубопровода. Основные процессы, следствием которых может стать изменение напряженно-деформированного состояния трубы, - протаивание грунта и, как следствие, провисание трубы; вспучивание грунта при его промерзании в замкнутом объеме и соответствующие подъем и изгиб трубы. Есть множество других эффектов (проявления карстового процесса, оползни и т.д.), которым подвержены вместе с трубой и "неподвижные" реперные точки.

Неучтенные подвижки самих реперных точек могут породить серьезные ошибки в определении положения точек трубы в пространстве и выводах относительно напряжений в трубе, сделанных на основании этих измерений. Это обстоятельство явилось побудительной причиной поиска других методов, свободных от указанных недостатков.

НАКЛОНОМЕРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА ТРУБОПРОВОДЕ

Под действием тех или иных причин, некоторые из которых уже упоминались, труба деформируется. Заманчиво провести измерения в нескольких точках только на самой трубе, по которым можно было бы сделать заключение о деформациях и соответственно о механических напряжениях в ней.

Геологические методы анализа позволяют выделить на трассе нефтепровода участки, на которых с большой вероятностью могут развиваться опасные природные процессы. На этих участках и предлагается сосредоточить инструментальные наблюдения. Надо отметить, что основные деформационные процессы в трубе, связанные, как уже отмечалось, с протаиванием грунта под трубой или вспучиванием при его замерзании, лежат в вертикальной плоскости. Это значит, что деформированная "осевая" линия трубы также в основном лежит в вертикальной плоскости. Измерив какой-либо параметр этой линии в нескольких точках участка, можно было бы, в идеале, восстановить всю линию и вычислить интересующие нас данные для определения напряжений в трубе. Таким параметром может выступать производная по продольной координате деформированной линии трубы.

Идея предлагаемого метода проста: измеряя вариации наклонов вдоль осевой линии трубы в нескольких точках выбранного участка, мы тем самым измеряем производные кривой деформированной трубы в этих точках. Если форма деформированной кривой оси трубы известна,

то по измерениям наклонов участков трубы в нескольких точках можно восстановить кривую оси трубы и затем, пользуясь известным соотношением, получить радиус кривизны Я или кривизну К = 1/Я в каждой точке рассматриваемого отрезка. Наличие 4-х точек позволяет воспользоваться для моделирования изгиба трубы кривой четвертого порядка. Можно найти участок трубы с максимальной кривизной К, на котором механические напряжения максимальны.

Хорошо известны решения для определения формы прогиба балки разного сечения, в том числе и в виде трубы для разных случаев: балка, опертая на края; балка с защемленными краями, с шарнирным закреплением концов; под действием равномерной или неравномерной нагрузки. Во всех перечисленных случаях форма прогиба -кривая 4-го порядка. В реальном случае, когда труба закопана в землю или, например, даже при протаивании грунта на участке большой протяженности может частично лежать на грунте, форма ее прогиба не всегда будет точно описываться кривой 4-го порядка. Тем не менее и в этом случае можно воспользоваться представлением ее в виде кривой 4-го порядка, поскольку при таких измерениях важна не столько сама форма кривой (хотя кривая 4-го порядка - хорошее приближение к истинной кривой для трубы в грунте), а вариации во времени первой (у') и второй (у'') ее производных, которые определяют изменение напряженного состояния трубы. Кривизна К определяется соотношением [3]:

К = у' ,. (1+(У )2)^

Начальные измерения служат отправной точкой для выявления динамики развития процессов накопления напряжения во времени. Важна не величина кривизны К, а ее изменения во времени.

Таким образом, методика определения изменения напряженно-деформированного состояния в трубе сводится к измерениям начальных наклонов ее точек (т.е. производных кривой) и с помощью простой процедуры - вычисление постоянных коэффициентов в представлении кривой у'(х) полиномом 3-го порядка:

3

У' (х) = 3' = а0 х3 + а 1 х2 + а 2 х + а 3.

I = 0

Восстановить кривую у'(х) по нескольким заданным (измеренным) значениям у'(хг) можно, применив известный метод сплайнов.

Рис. 1. Наклоны относительно вектора g.

Рис. 2. Вертикальные смещения трубы относительно точки с х = 0.

Следующий шаг - вычисление начальной кривизны К0(х) на этом участке трубы. Через время Д? измерения повторяют, вычисляют К(х, Д?), определяют разность ^(х, Д?) = К(х, Д?) - К0(х) и находят экстремум функции ^0(Д?). Эту же операцию повторяют после каждого у-го измерения. Когда ^(х, ? -у) > Ккрит, необходимо "зажечь желтый свет", т.е. обратить внимание на опасное развитие деформационных процессов на данном участке. Если известны радиус трубы г, модуль Юнга материала трубы Е, механическое напряжение в трубе определяется соотношением [4]:

V = К ■ Е ■ г.

При таком подходе причина появления деформации трубы не так важна: это может быть и провисание трубы из-за протаивания многолет-немерзлых грунтов под ней, вспучивания грунта при его промерзании или иные причины (оползни, карстовые процессы и т.п.). Постоянные измерения помогут определить в дальнейшем и возможную причину появления деформации.

Метод восстановления кривой, у'(х), у(х) и V можно проиллюстрировать. Выберем в качестве модели кривую 3-го порядка для у'. Тогда, если в 4-х точках х = 0; 40; 80 и 120 м, значения у' соответственно 0.001; 0.01; -0.03; -0.002 (значения производных в четырех точках, отстоящих друг

Координата вдоль трубы, м

Рис. 3. Механические напряжения.

от друга на 40 м, выбраны произвольно), то кривые наклонов, вертикальных смещений трубы и механических напряжений имеют вид (рис. 1-3). Расчеты сделаны для стальной трубы с модулем Юнга Е = 200 ГПа диаметром 1.2 м. Из последнего графика видно, что при разнице наклонов трубы между ближайшими точками около 0.03 рад или 1.7 градуса дуги, в трубе возникает механическое напряжение, составляющее около 60% от разрывного (0макс = 530-560 МПа).

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ СОСЕДНИМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ТОЧКАМИ УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА

На выбранном потенциально опасном участке трассы нефтепровода необходимо оборудовать несколько точек для измерения вариаций наклонов трубы относительно местной гравитационной вертикали. При этом расстояние между ближайшими измерительными точками должно быть оптимальным, таким, чтобы не пропустить отрезка, где могут возникнуть опасны

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком