ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 35
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
УДК 622.692.4
А. А. А л е к с а н д р о в, С. П. С у щ е в,
П. А. Р е в е л ь - М у р о з, Д. Ю. Г р я з н е в
МОНИТОРИНГ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОПОЛЗНЕВЫХ УЧАСТКАХ
Рассмотрен способ мониторинга магистральных трубопроводовна оползнеопасных участках с использованием геотехнических из-мерительных приборов. Геотехнический мониторинг оползнеопас-ныхучастковтрубопроводатребуетсущественныхматериальныхи людских ресурсов. Автоматизация этого трудоемкого процессапозволяет сократить число задействованных в работе специали-стов до одного оператора и получить полную и достоверную ин-формациюосостоянииопасныхгеологическихпроцессовнаучаст-кахмониторинга.
E-mail: daniel@bmstu.ru
Ключевые слова: трубопровод, магистральный, оползень, опасные гео-логическиепроцессы,инклинометрическийзонд,мониторинг.
Рельеф территории РФ выражен разнообразными формами — гора- ми, низменностями, возвышенностями; достаточно часто происходят оползни, которые угрожают не только зданиям и сооружениям жилого назначения, но и производственным объектам, таким как магистраль- ные трубопроводы.
Геотехнический мониторинг оползнеопасных участков требует су- щественных материальных и людских ресурсов. В связи с этим пред- лагается автоматизировать процесс мониторинга состояния грунтового массива с помощью современных измерительных приборов — инкли- нометрических зондов (рис. 1, а).
Инклинометрические зонды — цилиндрические приборы из корро- зионно-стойкой стали, оснащенные двухосным сервоакселерометром. Они измеряют углы наклона в двух взаимно перпендикулярных на- правлениях. Инклинометрический зонд оснащен двумя парами напра- вляющих колес, которые при монтаже располагаются в направляющих обсадной трубы (рис. 1, б), что позволяет четко зафиксировать инкли- нометр относительно измерительной оси.
Для контроля перемещений грунтового массива инклинометриче- ские зонды размещают в обсадной трубе диаметром 70 мм, смонтиро- ванной в предварительно пробуренную скважину (рис. 2). Места буре- ния скважин, число инклинометров и их взаимное расположение опре- деляют, исходя из результатов инженерно-геологических изысканий и
Рис. 1. Инклинометрический зонд (a) в обсадной трубе (б)
Рис. 2. Принципиальная схема мониторинга грунтового массива
∙
расчетов зеркала скольжения оползня. Для предварительной обработ- ки результатов измерения углов наклона обсадной трубы в инклино- метрической скважине используется 24-разрядный АЦП; для передачи данных применяются LPD-радиомодемы с диапазоном рабочих частот от 433,05 до 434,79 МГц; для электропитания применяются взрывоза- щищенные, высокотемпературные, литий-тионилхлоридные элементы питания повышенной надежности емкостью 18 А ч.
Скважинный способ размещения оборудования позволяет обеспе- чить влаго- и термоизоляцию. Измерение и передача данных с участ- ков мониторинга проводятся с настраиваемой периодичностью (ква- зинепрерывно). За счет применения высокотехнологичного и энерго- эффективного оборудования инклинометрическая скважина может на- ходиться в работоспособном состоянии (до полного разряда батарей) в течение двух лет при периодичности измерений один раз в час.
Рис. 3. Схема состояния трубопровода в зоне продольного сдвига грунта
Рис. 4. Элемент трубы и действующие силы
−
В каждом из установленных инклинометрических зондов проис- ходит преобразование углов наклона в диапазоне 20◦ . . . + 20◦ в ток в диапазоне 4. . . 20 мА. Ток имеет линейную зависимость от синуса угла I= f (sin α
). Специальное программное обеспечение, обрабаты- вающее результаты измерений, выполняет обратное преобразование α= arcsin f(I), где I— ток, мА; α— полученный угол отклонения
зонда в градусах.
Для пересчета углов наклона, получаемых с помощью инклиноме- тров, в смещение грунта используется следующая зависимость:
xi= xi−1 + (Zi−1 − Zi) sin α, (1)
−
где xi— смещение грунта на уровне i-го датчика; xi−1 — смещение грунта на уровне (i − 1)-го датчика; Zi— глубина размещения i-го датчика; Zi−1 — глубина размещения (i1)-го датчика; α — результат измерения угла, полученный с i-го датчика.
Для мониторинга изменения положения трубопровода могут при- меняться горизонтальные инклинометрические зонды, закрепляемые на теле трубопровода при помощи хомутов и контролирующие угол его наклона, который используется для расчета изменения высотного положения трубопровода.
Рассмотрим состояние трубопровода при продольном сдвиге грун- та (рис. 3).
Уравнение состояния трубопровода при продольном сдвиге полу- чим из условия равновесия элемента трубы длиной dz(рис. 4). Сила, с которой действует грунт на поверхность элемента трубы dz
dQ= dz∙ qz, (2)
где qz— распределенная по площади поверхности трубы продольная сила со стороны окружающего грунта (реакция грунта в продольном направлении, отнесенная к единице длины трубы).
В данной задаче силы qz, Qи dQнаправлены параллельно оси трубопровода.
Сила, с которой действуют на элемент dz остальные части трубо- провода (слева
и справа):
dN= πDδтdσ, (3)
где D— наружный диаметр трубопровода; δт — толщина трубы; σ— продольное напряжение, определяемое как
dw
σ= Eε= E ,
dz
здесь E— модуль деформации стали; ε— относительная деформация;
w— продольное смещение трубы.
Условие равновесия элемента длиной dzимеет вид
dQ+ dN= 0. (4)
Преобразуем зависимость (4) с учетом (2) и (3):
dzq
z
+ πDδ
dσ= 0; dσ= − qz .
dz
πDδт
т
Получаем дифференциальное уравнение смещения трубопровода при продольном сдвиге грунта
d2w qz
dz2 = − πDEδт
(5)
Решение уравнения зависит от вида функции qz, описывающей распределение сил сцепления между грунтом и трубопроводом, кото- рые возникают из-за продольного сдвига грунта относительно трубы. Характер этих сил показан на рис. 5.
Рис. 5. Моделирование реакции грунта при продольном сдвиге:
а— расчетная схема; б— реакция грунта
Природа сил сцепления (реакции грунта) qzподобна природе сил трения. Они растут с увеличением давления грунта снаружи трубы Ргр и сдвига трубы относительно грунта. Однако этот рост может про- исходить только до определенного предела; при дальнейшем сдвиге грунта реакция остается на достигнутом предельном уровне qпр. Если
смещение трубы обозначить w, сдвиг грунта wгр (рис. 5, a), то относи- тельный сдвиг выражается как разность
Δw= (w− wгр) . (6)
Реакция упругого грунта описывается выражением
qz= −CwπDΔw, (7)
где Cw— коэффициент постели при продольном сдвиге; Δw— сдвиг трубы относительно грунта.
Предельная реакция при продольном сдвиге грунта определяется по формуле [1]
гр
гр
гр
qпр = qсв + 2γзасchπD2 tgϕзас + 0,6πDcзас;
св
4
т
4
т
и
и
и
q = − πγт D2 − (D− 2δ)2 − πγн (D− 2δ)2 − πγδ(D+ δ), (8)
гр
где qпр — предельная сила смещения; qсв — собственный вес трубопро- вода; γт, γн, γи и γзас — удельные веса металла трубы, нефти, изоляции и грунта/засыпки.
Приведем численный метод получения решений, пользуясь мето- дом конечных элементов.
Метод конечных элементов основан на минимизации функции Ла- гранжа для участка трубопровода, находящегося под действием за- данных сил. Минимуму функции Лагранжа в пределах всего трубо- провода соответствует минимум на каждом отдельном малом участке, входящем в состав всего трубопровода в целом.
Участок трубопровода разделим на конечные элементы длиной h(рис. 6). Рассмотрим два соседних элемента с общим узлом i и соста- вим условие минимума функции Лагранжа.
