1 стр. из 1

При строительстве и эксплуатации трубопроводов в арктических условиях существуют две главные проблемы — многолетняя мерзлота на суше и ледовое пропахивание в море. Методы проектирования и оценки с учетом надежности (ПОН) позволяют количественно оценить неопределенности, связанные с этими факторами опасности, и могут быть использованы для разработки экономически эффективных проектных решений или для определения случаев, когда сбор дополнительных данных является экономически оправданным.

В данной статье изложены вероятностные методы обеспечения надежности, которые использовались при проектировании трубопроводов для условий многолетней мерзлоты в коридоре трубопровода вдоль р. Маккензи и для условий ледового пропахивания в Татарском проливе между материковой частью России и островом Сахалин.

Методы ПОН были предложены для проектирования как сухопутных, так и морских трубопроводов. Одно из преимуществ этих методов заключается в том, что проекты, обеспечивающие максимальную надежность, могут быть разработаны для трубопроводов, где применяются новые материалы и технологии в отсутствие каких-либо данных по опыту эксплуатации, и для трубопроводов, строящихся в районах, где существуют риски, связанные с многолетней мерзлотой, сейсмической активностью и льдами.

Для обоснования увеличения запасов прочности по сравнению с действующими в настоящее время нормами проектирования трубопроводов также применялись принципы проектирования, обеспечивающие максимальную надежность, с расчетами по предельным состояниям. Эти методы использовались для определения соответствующих расчетных коэффициентов в таких нормах, как DnV OSF-101.

Предельное состояние трубо­провода определяется как условие, при превышении которого трубопровод не будет удовлетворять проектным требованиям. Это может быть предельное состояние по прочности (ПСП), которое обычно определяется как разрушение конструкции трубопровода, ведущее к утечке его содержимого, или предельное состояние по эксплуатационной надежности (ПСЭН), что приводит к невозможности обеспечения функциональных требований, но не приводит к нарушению герметичности. Разрыв трубопровода является предельным состоянием по прочности, в то время как излишняя овальность трубопровода считается предельным состоянием по эксплуатационной надежности. К типичным ПСП для трубопровода относятся разрыв, смятие, разрушение при растяжении кольцевого сварного шва или утечка в результате коррозии, в то время как к типичным ПСЭН относятся избыточная овализация, глобальное смятие и вмятина.

Для каждого предельного состояния существует вероятность того, что нагрузка на трубопровод может превысить его прочностные характеристики, т. е. вероятность выхода трубопровода из строя. Эта вероятность зависит от распределения нагрузок, которые возникают во время эксплуатации, а также от распределения прочностных характеристик в построенном трубопроводе. В методах ПОН эти виды распределения используются скорее для обеспечения приемлемой вероятности выхода трубопровода из строя, чем для учета детерминистских величин. Преимущества этого подхода следующие.

Он позволяет провести рацио­нальное сравнение альтернативных вариантов проекта, так как может быть допущена более высокая вероятность превышения ПСЭН в сравнении с ПСП. Если реальные условия не соответствуют тем, которые были использованы при проектировании, влияние на вероятность выхода трубопровода из строя может быть определено с некоторой степенью достоверности.

Измерение прочности в лаборатории не является сложной операцией, хотя она может оказаться достаточно дорогостоящей и трудоемкой, если речь идет о крупных строительных конструкциях, таких как сварные трубы. Получение хороших результатов распределения нагрузок зачастую оказывается более сложной задачей, поскольку для ее выполнения требуется провести крупномасштабный эксперимент, который достаточно трудно воспроизвести в лабораторных условиях (сейсмическая активность, движение грунта, льда и т. д.).

Все дело в том, что природные условия (свойства грунтов, низкие температуры, частота сейсмических событий, скорость течения и т. д.) имеют большую изменчивость, чем свойства конструкционных материалов. Данная статья в основном сфокусирована на определении требований, устанавливаемых окружающей средой, хотя компания «ЭксонМобил» также изучает возможность использования методов для измерения и оценки прочности на разрыв на кольцевых сварных швах трубопроводов.
Компания использовала методы ПОН на нескольких проектах. Приведенные в этой публикации примеры взяты из проектов трубопровода вдоль р. Маккензи (Канада), в районе развития многолетнемерзлых пород, и трубопроводного перехода через Татарский пролив (Россия), который может подвергаться периодическому ледовому пропахиванию.

Трубопровод в долине р. Маккензи

Проект по добыче газа в северо-западной части Канады охватывает три основных месторождения в районе дельты реки Маккензи: Ниглинтгак, Таглу и Парсонс Лейк; систему сбора и транспортировки пластовых флюидов с месторождений на установку очистки рядом с населенным пунктом Инувик; трубопровод для транспортировки жидкой фазы с врезкой в существующий трубопровод у Норман Уэлс и трубопровод, транспортирующий газ в существующую систему трубопроводов у северной границы провинции Алберта. В данной статье рассматривается магистральный газопровод диаметром 762 мм, называемый далее «трубопровод Маккензи».

На проекте трубопровода Маккензи (ТМ) будут применены передовые методы вследствие высокого проектного давления (18,7 МПа), применения высокопрочной стали марки 550, низких рабочих температур (среднегодовая температура –7,5° C) и большой протяженности трубопровода в многолетнемерзлых грунтах (1200 км) с возможной продольной деформацией до 2%.

Низкие рабочие температуры обусловлены тем, что трубопровод полностью проходит по зонам сплошного и прерывистого распространения многолетнемерзлых грунтов, что может привести к морозному пучению на участках развития талых грунтов. Трубопровод также будет испытывать осадку в результате оттаивания грунтов, но ранее были сконструированы другие трубопроводы, учитывающие просадку грунтов в результате оттаивания. Трубопровод Маккензи станет первым трубопроводом, который будет испытывать значительные нагрузки от пучения на участках в сотни километров.

Определение требуемой величины деформации

Для ограничения величины требуемых деформаций применяются предельные температуры на всасывании и нагнетании компрессорной станции. В результате процесса охлаждения по закону Джоуля-Томпсона наблюдается падение температуры трубопровода между компрессорными станциями. Разница между температурами нагнетания на входе и всасывания на выходе составляет около 10° C. При такой большой разнице невозможно устранить эффект пучения и осадки.

Текущие температурные ограничения для ТМ в условиях прерывистой многолетней мерзлоты определяют среднегодовую температуру на нагнетании ниже 2° C и среднегодовую температуру на всасывании выше –7,5° C. В результате пучение будет происходить на гораздо более протяженном участке трубопровода, чем осадка. Как пучение, так и осадка могут вызывать высокую деформацию. Перемещение происходит на протяжении проектного срока службы. Максимальная показанная деформация в результате как пучения, так и осадки составляет приблизительно 1%.

Однако смещение при осадке приблизительно в два раза больше смещения при пучении. Эта разница в определенной степени обусловлена температурным режимом грунта, ограничивающего перемещение трубопровода. При пучении вмещающий грунт находится в мерзлом состоянии, а при осадке в талом. Мерзлый грунт прочнее, а большее ограничение приводит к более высоким напряжениям и деформациям при заданном перемещении. Отклонения кривой пучения вызваны сезонными изменениями прочности грунта.

Вероятностная оценка деформаций

Распределение напряжений от пучения в значительной степени зависит от условий вдоль трассы трубопровода. Для газопровода практически нецелесообразно выполнить сбор полных данных по трассе, чтобы точно закартировать все участки потенциально высоких напряжений. Вероятность сильного пучения грунта может быть определена на основании статистических данных по скважинным образцам, используя данные, установленные при картировании.

Для улучшения качества эмпирических корреляций степени пучинистости и сопротивления вспучиванию были проведены новые лабораторные испытания. Для определения деформации изгиба сопротивление вспучиванию является не менее важной величиной, как и перемещение от пучения. Особое внимание было уделено испытанию образцов, отобранных вдоль трассы. Испытания включали одномерное замораживание образцов диаметром 100 мм и высотой 100 мм, испытания центрифугированием на одномерное замораживание грунта вокруг отрезка трубы диаметром 16 мм, уложенного в ящик с грунтом длиной 1 м (полномасштабная модель), с моделированием периода в 10 лет, а также испытания на поднятие трубы диаметром 150 мм в таком же ящике.

Вдоль трассы трубопровода наблюдается местное потепление климата, но при расчете деформаций от пучения данный феномен подробно не рассматривается. В ранее выполненных проектных проработках было показано, что оно мало влияет на величину деформации от пучения, хотя наблюдается некоторое уменьшение глубины промерзания грунта. Потепление климата учитывается при расчете величин деформаций при просадке.

Сильные деформации пучения возникают на коротких участках трассы (менее 10 м), сложенных талыми грунтами, поэтому для моделирования образования зоны промерзания применялось трехмерное температурное моделирование. Начальные и граничные температурные условия для коротких участков принимаются одинаковыми для всех участков прерывистой многолетнемерзлой породы. Региональные изменения климата и температура ненарушенных грунтов не имеют большого влияния для коротких участков, но они могут повлиять на частоту этих участков.

При проектировании с учетом деформаций большее значение имеет расчет параметров труб, нежели проектирование с учетом напряжений, так как допускается большая деформация неупругой трубы. Была использована более точная зависимость деформаций от напряжения, чем для предыдущих проектов, и рассматривалось большое количество кривых зависимости деформаций от напряжения, чтобы учесть весь возможный спектр параметров трубы.

Каждое семейство кривых включает кривые продольного растяжения, продольного сжатия и кольцевого растяжения. Изменения параметров и геометрии трубы в каждом соединении могут привести к концентрации напряжений.

Программное обеспечение, используемое для расчета деформационных напряжений трубы, имеет уникальное свойство моделировать морозное пучение. Программа использует результаты трехмерного температурного моделирования для пошагового анализа изменений, происходящих во времени, который включает все важные зависимости времени и интенсивности. Некоторые из зависимостей сила — перемещение, использованные для моделирования мерзлых грунтов, также зависят от скорости перемещения и температуры.

Деформация большой неупругой анизотропной трубы смоделирована до достижения максимального момента. Для разработки матрицы деформаций было выполнено более 25000 расчетов конструкций. Независимые переменные поделены на группы более высокой и более низкой приоритетности. В матричную таблицу включены все комбинации переменных высокой приоритетности и только некоторые комбинации переменных низкой приоритетности.

Из переменных более высокой приоритетности детерминистскими переменными являются время и температура трубы. Случайными величинами являются длина участка с непромерзлым грунтом, параметры пучения грунта, кривые зависимости деформаций от напряжения. Деформационные нагрузки увеличиваются с увеличением времени, снижением температуры трубы, сокращением протяженности участка с непромерзлым грунтом, увеличением содержания мелкой пылеватой и глинистой составляющих грунта, снижением продольной прочности трубы и деформационного упрочнения.

Мониторинг трубопровода и ремонтно-восстановительные работы во время эксплуатации являются важными аспектами процесса проектирования и учитываются при анализе надежности трубопровода. Предусматривается проводить мониторинг всего трубопровода для определения деформации, используя диагностические устройства, позволяющие измерять деформации, а на выбранных участках будут установлены измерительные приборы для мониторинга изменений грунтовых условий, вызванных замерзанием. Знание того, что во время эксплуатации будут проводиться мониторинг и ремонтные работы, позволяет снизить уровень консерватизма при проектировании и повысить допустимый уровень неопределенности для данных по трассе.

Устойчивость к деформации и расчет надежности

Для трубопровода Маккензи устойчивость к деформации сварной трубы характеризовалась испытаниями широких листовых образцов и полноразмерными испытаниями труб. Подробное описание программы испытаний не входит в объем данной работы. Полученная база данных результатов испытаний на деформации была использована для разработки модели, предназначенной для консервативной оценки устойчивости к деформации на основе параметров трубы и сварных швов. Процедура получения данных по устойчивости к деформации достаточно дорогостояща, и компания «ЭксонМобил» продолжает разрабатывать новые методы прогнозирования прочностных характеристик на основе данных мелкомасштабных испытаний.

Для сравнения возможных нагрузок и устойчивости к деформации в каждой точке трассы трубопровода проводились расчеты по методу Монте-Карло. Для обеспечения последовательности те же параметры трубы использовались для оценки деформаций и устойчивости к деформации в данном конкретном месте. Устойчивость к деформации является постоянной величиной, тогда как напряжение растет во времени. Основным результатом расчетов по методу Монте-Карло является распределение «времени до выхода трубопровода из строя» для каждого проектируемого участка и предельного состояния.

Используя этот подход, можно продемонстрировать, что трубопровод обеспечивает надлежащий уровень надежности. Расчетная годовая частота выхода трубопровода из строя, рассчитанная на километр трассы, сравнивается с эталоном, принятым из опыта эксплуатации трубопроводов.

Окончание в следующем номере

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!