Рассмотрены процессы воздействия сейсмических сил на магистральные трубопроводы, влияние этих процессов на устойчивость конструкции и дальнейшую эксплуатацию объектов.
Ключевые слова: землетрясение, устойчивость, сейсмичность.
The processes of the impact of seismic forces on main pipelines, the influence of these processes on the stability of the structure and further operation of facilities are considered.
Keywords: Earthquake, stability, seismicity.
Трубопровод представляет собой гибкую протяженную конструкцию, при эксплуатации которой допускается возможность развития значительных деформаций или подвижек.
Трубопровод, который находится под землей, скрыт и недосягаем для визуального обследования. В конечном счете за довольно малый по времени период наблюдения из последствий возникшего землетрясения бывают обнаруженными лишь разрывы, которые приводят к большим утечкам нефти, фонтанированию или даже взрывам при резком падении давления в нефтепроводе и т. п. По итогу разработку и вскрытие траншеи могут произвести не скоро, так как протяженные участки длительное время могут не обследоваться. Поэтому, многие повреждения остаются скрытыми и сказываются на работе сооружения лишь впоследствии.
После землетрясений аварийность (количество аварий на один километр протяженности трубопровода) нефтепровода сильно увеличивается. Службы, которые занимаются эксплуатацией и обслуживаем нефтепровода, как правило, редко связывают возросшую аварийность с произошедшими землетрясениями.
Если требуется оценить состояние трубопровода, который перенес землетрясение, в последние время специалисты используют методы, которые позволяют сопоставить аварийность обследуемой трубопроводной сети до и после землетрясения за равные временные интервалы. Проанализировав полученные результаты, сопоставляя полученные данные, в ряде случаев можно судить об уменьшении надежности при эксплуатации системы трубопроводов, которая перенесла землетрясение.
Исследование воздействия сейсмических волн, направленных вдоль оси трубопровода
Во время землетрясения при начальной стадии сейсмической активности между грунтом и нефтепроводом начинается взаимодействие. Перемещение оси нефтепровода может происходить в любой плоскости, как по нормали к упругой оси, так по осевому направлению.
Деформация грунта может имеет несколько разновидностей, которые влияют на прочность и деформационное состояние трубопровода. Главная причина, которая приводит к возникновению деформаций в нефтепроводе, колебание грунта, которое в свою очередь происходит при возникновении сейсмической активности.
В процессе землетрясения в грунте создается и затем распространяется сейсмическая волна, вследствие чего трубопровод, составляющий в данный момент единую систему «труба — грунт», начинает участвовать в колебательном процессе. Сейсмическая волна распространяется по трубопроводу с значительно болей скоростью, чем в грунте, достигая по трубопроводу участков, которые еще не были вовлечены в процесс колебания. Следовательно, трубопровод становится генератором колебания, а грунт выступает в качестве демпфируемой подушки. Напряжения, возникающие в трубопроводе на таких участках, является гораздо меньшим, в отличии от участков, где колебания трубопроводу сообщил грунт.
Можно сделать вывод, что для правильного описания процессов, проходящих в данной системе, следует рассмотреть две схемы работы трубопровода при сейсмической активности: подземный трубопровод, который вовлекается в процессы колебания из-за грунта, находящегося в напряженном состоянии, и колеблющийся трубопровод, находящийся в грунте, препятствующему его колебаниям.
В ходе анализа последствий землетрясений, удалось установить, что стальные трубопроводы, находящиеся под землей и проложенные без пересечения зон тектонических разломов в грунтах, являющихся сейсмически устойчивыми, легко переносят землетрясения магнитудой до 8 баллов включительно, вследствие этого нормами проектирования допускается воздействие на подземные трубопроводы силой до 8 баллов. Поскольку трубопровод защемлен в грунте, то горизонтальное передвижение грунта увлекает за собой трубопровод и в нем возникает сжимающие напряжение или растягивающее (рисунок 1)
Рис. 1. Воздействие сейсмических сил, направленных вдоль оси трубопровода
Напряжения в прямолинейных подземных трубопроводах от действия сейсмических сил, направленных вдоль продольной оси трубопровода, определяется по формуле (1)
где k 0 — коэффициент, учитывающий ответственность трубопровода
c р — скорость распространения продольной сейсмической волны вдоль продольной оси трубопровода в грунтовом массиве, см/с;
k n — коэффициент повторяемости землетрясения;
m 0 — коэффициент защемления трубопровода в грунте;
T 0 — преобладающий период сейсмических колебаний грунтового массива, определяемый при изысканиях, с;
a c — сейсмическое ускорение, см/с2, определяемое по данным;
E 0 — модуль упругости, Мпа. [1]
Исходя из нормативных документов, деформация сжатия не является столь опасной и при расчете трубопровода в большинстве случаев не учитывается. Если по трубопроводу транспортируется горячий продукт и он работает при сжатии, появляются дополнительные напряжения, упитывающиеся при проектировании трубопроводов, прокладываемых под землей
Исследование воздействия сейсмических волн, направленных по нормали к продольной оси трубопровода
Действие поперечной S-волны вызывает поперечную нагрузку, разрушая связи между частицами грунтов в их определенной зоне. Вследствие этого происходит смещение одних частиц относительно других, что дает грунту возможность приобретать неограниченную деформацию под данной нагрузкой [2] смещение одной части массива грунта относительно другой приводит к его разрушению, данный вид воздействий имеет перпендикулярное направление движения грунта относительно оси трубопровода или под некоторым углом к ней и является наиболее опасным из-за возникновения изгибающих напряжений под действием поперечной нагрузки (рисунок 2)
Рис. 2. Расчетная схема подземного трубопровода при поперечных подвижках грунта в процессе землетрясения
Величины, полученные вследствие расчетов кольцевых и продольных напряжений, которые вызваны перемещением грунта в вертикальной плоскости, существующими нормативными требования не регламентируются. Для определения величин воздействия грунта на трубопровод при сейсмическом воздействие, направленном по нормали к оси трубопровода рекомендуется пользоваться следующей зависимостью (2):
Где гр — средняя плотность грунта в естественном залегании, кг/м;
а с — сейсмическое ускорение, м/с2;
V гр — объем грунта, действующего на трубопровод при вертикальных перемещениях, м;
t — продолжительность землетрясения, сек;
0 — параметр затухания процесса перемещения грунта, зависящий от его диссипативных свойств, сек- 1
S — площадь контактной поверхности трубопровода с грунтом, м.
Данная задача проявления поперечных деформаций трубопроводов, лежащих на стохастических неоднородных основаниях и находящихся над распределенной нагрузкой, располагающейся случайным образом, была впервые поставлена и решена В. В. Болотиным. Он изучал работу подземных трубопроводов, диаметр которых составлял 267 и 89 мм с магнитудой 5,2 балла. По данным полученных сейсмограмм можно было сделать вывод, что перемещение грунта совпадает с перемещением трубопроводов как во всех направлениях, осевая деформация преобладает над деформацией сжатия. Сами деформации трубопроводов оказались маленькими из-за невысокой магнитуды землетрясения [3].
Литература:
- СНиП 2.05.06–85*. Магистральные трубопроводы.
- Рудаченко А. В. Исследование напряженно-деформированного состояния трубопроводов. Учеб.-метод. пособие / Рудаченко А. В.,Саруев А. Л. — Томск, 2011. — 136 с.
- Вулканизм, сейсмичность и окружающая среда. Материалы конференции исследователей и специалистов, Петропавловск-Камчатский,133 10–11 окт. 2001 г. / Ин-т вулканологии. — Петропавловск-Камчатский, 2002. — 52 с.
- http://book.lib-i.ru/25tehnicheskie/647888–1-bakalavrskaya-rabota-tema-raboti-sovremennie-tehnologii-sooruzheniya-magistralnih-nefteprovodov-seysmicheski-opasnih-ra.php
