Контрольні запитання

3.1) В чому полягає суть методу укладання трубопроводу з поверхні води у траншею, що розміщена на дні ріки?

3.2) Які напруження виникають у трубопроводі при його укладанні на дно траншеї, розміщеної на дні ріки?

3.3) Запишіть умову міцності трубопроводу при його укладанні в траншею з поверхні води?

3.4) Що являє собою перехідна крива трубопроводу при його укладанні з поверхні води?

3.5 Від яких основних параметрів залежить максимальне напруження в трубопроводі при його укладанні з поверхні води?

3.6) Які існують методи зниження напружень у трубопроводі, що укладається з поверхні води, якщо напруження в ньому перевищують допустимі значення?

3.7) Чому використання баластних вантажів є кращим ніж понтонів при укладанні трубопроводу в траншею на дно ріки?

3.8) За якої умови при укладанні трубопроводу в траншею з поверхні води необхідно використовувати відтяжки?

4 Практичне заняття №4. Розрахунок параметрів прокладання трубопроводів похило-направленим бурінням

Метою даного заняття є ознайомлення студентів зі способом прокладання трубопроводів способом похило-направленого буріння та розрахунок необхідних параметрів прокладання при цьому методі.

Завдання, яке ставиться перед студентом на занятті полягає у виборі бурової установки для спорудження підводного переходу газопроводу способом похило-направленого буріння та перевірка міцністі робочого трубопроводу при його протягуванні.

Траншейні способи спорудження підводних переходів поряд з перевагами мають ряд суттєвих недоліків і в достатній мірі не відповідають сучасним вимогам – потрібному рівню конструктивної надійності та захисту довкілля.

Однією з перспективних технологій спорудження переходів через природні і штучні перешкоди є безтраншейна технологія прокладання магістральних трубопроводів, а в рамках безтраншейної технології особливо перспективним на сьогодні є спосіб прокладання трубопроводів під дном водної перешкоди – похило-направлене буріння.

Принциповою відмінністю способу похило-направленого буріння від звичайного траншейного методу є те, що трубопровід при спорудженні і експлуатації не перебуває в водному середовищі. Труба заглиблюється на русловій ділянці практично на будь-яку глибину, що виключає зовнішній вплив на неї при будь-яких деформаціях русла і берегів. Застосування цього способу забезпечує практично повну екологічну безпеку для водойм у випадку аварійної ситуації та виключає вплив на трубопровід навантажень, які мають місце при укладанні траншейним способом.

Способом похило-направленого буріння споруджують підводні переходи трубопроводів через малі і середні ріки шириною до 900 м , які мають прийняту для даного способу геологічну будову русла та берегів.

Переходи похило-направленим бурінням виконуються однонитковими, діаметри яких дорівнюють діаметру трубопроводу лінійної частини.

Схема спорудження підводного переходу способом похило-направленого буріння вибирається залежно від рельєфу місцевості, обмеженості території, геологічних та інших умов.

Нехай профіль переходу складається з двох прямолінійних ділянок довжиною і та однієї криволінійної ділянки довжиною . Кут забурювання , кут виходу .

Сумарна тягова сила, яка потрібна для укладання трубопроводу, визначається сумуванням індивідуальних сил, потрібних для протягування трубопроводу кожною прямолінійною та криволінійною ділянкою профілю свердловини (рис.4.1).

Для розглядуваної ділянки натяг лівого кінця визначається із рівняння рівноваги статичних сил

, (4.1)

де - натяг на лівому кінці відрізка, потрібний для подолання опору тертя;

- натяг в правому кінці відрізка. Цей натяг може бути рівним нулю на першому відрізку свердловини або може бути рівним опору труби, яка залишається на роликах;

- сила тертя між трубопроводом і ґрунтом;

- гідравлічний опір між трубою і в’язким буровим розчином;

Рисунок 4.1 – Модель ділянки трубопроводу

у свердловині

- навантаження від ваги одиниці довжини ізольованого трубопроводу в буровому розчині (якщо трубопровід заповнений водою додається навантаження від води);

- довжина відрізка;

- кут нахилу осі прямолінійного відрізка до горизонталі (нульовий кут відповідає горизонталі, 90^о – вертикалі).

Навантаження від ваги одиниці ізольованого трубопроводу в буровому розчині рівне

, (4.2)

де - навантаження від власної ваги одиниці довжини ізольованого трубопроводу;

- навантаження від ваги води в одиниці довжини трубопроводу;

- виштовхувальна сила, яка діє на одиницю довжини трубопроводу в буровому розчині.

Навантаження від ваги води в одиниці довжини трубопроводу рівне

, (4.3)

де - густина води.

Виштовхувальна сила води, яка діє на одиницю довжини трубопроводу в буровому розчині рівна

, (4.4)

де - діаметр ізольованого трубопроводу;

- густина бурового розчину.

Якщо сила напрямлена вниз по свердловині, то доданок приймається зі знаком мінус, якщо ж напрямлена вверх по свердловині, то доданок приймається зі знаком плюс. Якщо ділянка свердловини горизонтальна, то приймається дорівнює нулю.

Визначимо зусилля для кінцевого моменту протягування, коли весь трубопровід, який складається з двох прямолінійних і однієї криволінійної ділянок знаходиться в свердловині, а колона бурових труб на березі. Зусилля опору розширювача рівне нулю.

Сила опору переміщенню трубопроводу в в’язкопластичному буровому розчині на одиницю довжини

, (4.5)

де - динамічне напруження зсуву бурового розчину.

Запишемо вираз (4.1) в розгорнутому вигляді.

Перша розрахункова ділянка профілю довжиною є прямолінійною ділянкою входу трубопроводу у свердловині. Тягове зусилля на першій ділянці

, (4.6)

де - коефіцієнт тертя при русі трубопроводу свердловиною ( ).

Друга розрахункова ділянка профілю є криволінійною ділянкою профілю довжиною . Тягове зусилля на криволінійній ділянці

(4.7)

У формулі (4.7) коефіцієнти і відповідно рівні

, (4.8)

, (4.9)

де - мінімальний радіус профілю свердловини ( ).

Третя розрахункова ділянка є прямолінійна ділянка довжиною . Тягове зусилля на цій ділянці

. (4.10)

Таким чином тягове зусилля є найбільшим за величиною і за ним підбирається бурова установка.

Перевірка міцності трубопроводу при протягуванні здійснюється за рівнянням

, (4.11)

де - кільцеві напруження від дії зовнішнього тиску бурового розчину на трубопровід;

- максимальне повздовжнє напруження в трубопроводі.

Кільцеві напруження від дії зовнішнього тиску бурового розчину на трубопровід рівні

, (4.12)

де - гідростатичний тиск бурового розчину.

Гідростатичний тиск бурового розчину рівний

, (4.13)

де - максимальне значення різниці висот відміток вхідного або вихідного перерізу з найнижчою точкою свердловини.

Максимальне повздовжнє напруження в трубопроводі рівне

, (4.14)

де - напруження від згину трубопроводу;

- напруження розтягу від дії осьового зусилля при протягуванні трубопроводу.

Напруження від згину трубопроводу рівне

. (4.15)

Напруження розтягу від дії осьового зусилля при протягуванні трубопроводу рівне

, (4.16)

де - максимальне тягове зусилля;

- площа поперечного перерізу трубопроводу.

При протягуванні незаповненого або неповністю заповненого водою трубопроводу проводиться його перевірка на зминання. Якщо трубопровід не витримує розрахункову перевірку на зминання, товщина стінки повинна бути збільшена.

Зминання відбувається при гідростатичному тиску рівному

. (4.17)

Цей гідростатичний тиск повинен створюватись стовпом бурового розчину густиною висотою

. (4.18)

Умова збереження стійкості

, (4.19)

де - коефіцієнт перевантаження, який враховує вплив гідродинамічної складової тиску, наявність осьового розтягу контактної реакції, еліптичний переріз труби, можливе збільшення густини бурового розчину.

При розміщенні опор і трубоукладачів в стартовому положенні перед його протягуванням в свердловину висота розміщення осі трубопроводу над рівнем землі рівна

. (4.20)

Допустима віддаль між опорами

, (4.21)

де - вантажопідйомність опори;

- коефіцієнт динамічного перевантаження роликової опори.

Прогин трубопроводу між опорами

. (4.22)

Для формування схеми протягування також визначаються наступні параметри.

Допустима довжина консолі

, (4.23)

де - коефіцієнт умов роботи трубопроводу;

- нормативний опір трубної сталі;

- момент опору при згині трубопроводу.

Віддаль від опори до точки максимальної висоти піднімання трубопроводу трубоукладачами

. (4.24)

Висота піднімання трубопроводу на віддалі

. (4.25)

Перевірка трубопроводу на недопустимі пластичні деформації проводиться за умовою

, (4.26)

де - розрахунковий опір трубної сталі.

Мінімальна віддаль між паралельними трубопроводами, які прокладаються способом похило-направленого буріння, залежить від точності систем орієнтації в буровій колоні та повинна бути не менше 10 м . Така ж мінімальна віддаль повинна проектуватися між новим трубопроводом, який прокладається способом похило-направленого буріння, та існуючим трубопроводом.

Приклад. Вибрати бурову установку для спорудження підводного переходу газопроводу способом похило-направленого буріння, перевірити міцність робочого трубопроводу при його протягуванні та провести роз становлення опор і трубоукладачів у стартовому положенні робочого трубопроводу перед його протягуванням в свердловину. Зовнішній діаметр газопроводу , номінальна товщина стінки газопроводу , робочий тиск , марка трубної сталі – 12Г2СБ, динамічне напруження зсуву бурового розчину , коефіцієнт тертя при русі трубопроводу свердловиною , максимальне значення різниці висот відміток вхідного або вихідного перерізу з найнижчою точкою свердловини , густина бурового розчину . Робочий трубопровід заповнений водою густина якої . Для протягування робочого трубопроводу застосовують роликові опори ОПР.00-000 ГЧ вантажопідйомністю . Коефіцієнт динамічного перевантаження роликової опори . Профіль переходу складається з двох прямолінійних ділянок довжиною і та однієї криволінійної ділянки . Кут забурювання , кут виходу . Трубопровід ізольований бітумною ізоляцією товщиною та густиною . Модуль пружності матеріалу труби , густина трубної сталі .

Для вибору бурової установки потрібно визначити максимальне тягове зусилля потрібне для протягування робочого трубопроводу свердловиною.

Внутрішній діаметр газопроводу

.

Коефіцієнт надійності по навантаженню від власної ваги трубопроводу за табл.Б.1 (ДодатокБ) рівний .

Навантаження від власної ваги металу труби визначаємо за формулою

Зовнішній діаметр ізольованого газопроводу

.

Навантаження від ізоляційного покриття визначаємо за формулою

Навантаження від власної ваги одиниці довжини ізольованого трубопроводу

.

Навантаження від ваги води в одиниці довжини трубопроводу

Виштовхувальна сила, яка діє на одиницю довжини ізольованого трубопроводу в буровому розчині

.

Навантаження від ваги одиниці довжини ізольованого та заповненого водою трубопроводу в буровому розчині

Сила опору переміщенню трубопроводу в в’язкопластичному буровому розчині на одиницю довжини

.

Тягове зусилля на першій розрахунковій ділянці (прямолінійній)

Параметр знаходимо за формулою

.

Мінімальний радіус профілю свердловини

.

Параметр знаходимо за формулою .

Тягове зусилля на другій розрахунковій ділянці (криволінійній)

Тягове зусилля на третій розрахунковій ділянці (прямолінійній)

.

Найбільше тягове зусилля протягування робочого трубопроводу свердловиною складає . За табл.Е.1 (Додаток Е) для спорудження переходу підбираємо бурову установку Cherrington 60/300R (США) тягове зусилля якої складає 3200000 Н , діаметр проходження 200-1400 мм.

Проведемо перевірку міцності робочого трубопроводу при протягуванні.

Гідростатичний тиск бурового розчину

Кільцеві напруження від дії зовнішнього тиску на трубопровід

.

Напруження від згину трубопроводу .

Площа поперечного перерізу трубопроводу .

Напруження від розтягу від дії осьового зусилля при протягуванні трубопроводу .

Максимальне повздовжнє напруження в трубопроводі

.

Згідно сортаменту (Додаток В) трубна сталь марки 12Г2СБ має границю міцності , границю текучості , коефіцієнт надійності по матеріалу . За табл.Б.4 (Додаток Б) для відношення , що є менше , коефіцієнт надійності по матеріалу . Для ділянки газопроводу І категорії згідно з табл. Б.2 (Додаток Б) коефіцієнт умов роботи трубопроводу . Коефіцієнт надійності за призначенням трубопроводу (табл.Б.3 Додаток Б).

Розрахунковий опір металу труб за формулою

.

Розрахунковий опір металу труб за формулою

.

Проведемо перевірку міцності трубопроводу при протягуванні за рівнянням

,

.

Міцність трубопроводу під час протягування забезпечується.

Проведемо розміщення опор і трубоукладачів в стартовому положенні робочого трубопроводу перед його протягуванням в свердловину.

Віддаль від осі трубопроводу розміщеного на роликовій опорі ОПР.00-000 ГЧ до землі за формулою

Допустима віддаль між опорами за формулою

.

Осьовий момент інерції поперечного перерізу труби

.

Прогин трубопроводу між опорами за формулою

Для формування ,схеми протягування також визначаються наступні параметри.

Момент опору поперечного перерізу труби .

Допустима довжина консолі за формулою

Віддаль від опори до точки максимальної висоти піднімання трубопроводу трубоукладачами за формулою

Висота піднімання трубопроводу на віддалі за формулою

Проводимо перевірку трубопроводу на недопустимі пластичні деформації за умовою

,

Недопустимі пластичні деформації трубопроводу відсутні.