СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗГИБНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТЕНКЕ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА
METHOD FOR DETERMINING BENDING STRESS IN WALL OF UNDERGROUND PIPELINE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения изгибных напряжений в стенке подземных магистральных нефтегазопроводов.
Известен способ выявления геодинамических зон, пересекающих магистральные трубопроводы (патент №2666387, опубл. 07.09.2018), заключающийся в использовании внутритрубных инспекционных снарядов для определения локальных радиусов изгиба трубопровода по изгибу его оси, на основании полученных данных рассчитывается значение изгибных напряжений в стенке трубопровода.
Недостатками данного способа являются низкая периодичность контроля (раз в 2-3 года), сложная и долгая интерпретация результатов обследования, что ограничивает применимость данного способа.
Известен способ определения радиуса изгиба и изгибных напряжений (Зайцев Н.Л., Бикбулатов А.Л., Багманов Р.Р «Методы измерения радиуса кривизны и изгибных напряжений в трубопроводах», журнал «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов», №2(100), 2015 г.), заключающийся в использовании измерителя стрелы прогиба и расчете по его показаниям значений радиусов изгиба и изгибных напряжений. Недостаток данного способа заключается в измерении стрелы прогиба по верхней образующей трубопровода, в результате чего необходимо производство вскрышных работ. Второй недостаток данного способа заключается в вычислении радиусов изгиба и изгибных напряжений по конечно-элементной модели, что фактически не применимо для протяженных конструкций.
Известен способ определения относительного перемещения трубопровода по результатам двух и более инспекционных пропусков диагностического комплекса для определения положения трубопровода (патент №2558724, опубл. 10.08.2015), позволяющий определить радиусы изгиба участка трубопровода с помощью пропуска по нему внутритрубных инспекционных снарядов со специальными техническими устройствами, записывающими данные о положении участка трубопровода в пространстве.
К недостатку данного способа относится наличие «слепых зон» на участках трубопровода с очень маленькими (менее 100 диаметров трубопровода) и очень большими (более 1000 диаметров трубопровода) радиусами изгиба, что существенно сокращает применимость способа.
Известен способ измерения радиуса кривизны трубопровода по данным геодезических измерений (патент РФ №2592733, опубл. 09.12.2014), заключающийся в том, что определение радиусов изгиба в вертикальной и(или) горизонтальной плоскостях производится путем формирования опорной прямой и измерения с помощью средств геодезических измерений радиусов изгиба. По полученным данным на основе аналитических формул производится пересчет значений.
К недостатку способа можно отнести то, что реализации данного способа измерения производятся на верхней образующей трубопровода, что требует его полной шурфовки на исследуемом участке.
Известен способ обнаружения изгибных напряжений (патент №2452943, опубл. 10.06.2010), заключающийся в намагничивании участка трубопровода до образования двух ярко выраженных магнитных полюсов и последующего измерения магнитного поля в точках на границах поперечного сечения вдоль длины изделия, по разности величин магнитной индукции производится оценка изгибных напряжений в конструкции.
Недостатком данного способа является требования по предварительному намагничиванию изделия, что малоприменимо для подземных магистральных трубопроводов из-за необходимости производства вскрышных работ.
Известен способ оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов (ВРД 39.1.10-026-2001, разработан НТЦ «Ресурс газопроводов» и ООО «ВНИИГАЗ», введен в действие 29.01.2001г)принятый за прототип, заключающаяся в  определении пространственного положения оси трубопровода пошаговым определением глубины заложения, альтитуды, широты и долготы точек оси трубопровода в местах изменения рельефа местности через каждые 50-100 м, определении локальных радиусов изгиба трубопровода по изгибу его оси и определении изгибных напряжений в стенке трубопровода по полученным данным локальных радиусов изгиба трубопровода.
Недостатком данного способа является существенная погрешность в определении изгибных напряжений вследствие влияния факторов погрешности используемого оборудования и конструктивных особенностей трубопровода. Например, при использовании данной методики погрешность в измерении изгибных напряжений для трубопровода с диаметром 1420мм, проложенного на глубине 3 м до оси от поверхности земли и проведении съемки пространственного положения оси трубопровода с использованием трассоискателя БИТА-1 составит 70 МПа. Для трубопроводов диаметром менее 720 мм данная методика должна использоваться в совокупности с априорными знаниями о профиле трассы подземного трубопровода, иначе возможен пропуск участка трубопровода с радиусами изгиба до 500D.
Техническим результатом является снижение погрешности определения изгибных напряжений в стенке подземного трубопровода за счет подбора шага между реперными точками измерений перед определением пространственного положения оси трубопровода.
Технический результат достигается тем, что на исследуемом участке трубопровода предварительно определяют диапазон изменения глубины заложения оси подземного трубопровода и погрешность оборудования в определении глубины, широты и долготы заложения оси трубопровода и на основании полученных данных рассчитывают шаг между реперными точками измерений для определения пространственного положения оси трубопровода.
Способ поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 - схема определения погрешности трассопоискового оборудования при съемке глубины, широты и долготы участка подземного трубопровода;
фиг. 2 - график подбора шага между точками измерений, где:
1 - исследуемый участок трубопровода;
2 - начальная точка измерений;
3 - дополнительные точки измерений;
4 - истинное расстояние между точками измерений по широте и долготе.
Способ реализуется следующим образом. Предварительно на исследуемом участке трубопровода 1 (фиг. 1) по данным последней внутритрубной диагностики и данным проектной документации на строительство определяют: диаметр трубопровода, диапазон изменения глубины заложения оси трубопровода, линейные координаты отводов холодного гнутья, вставок трубопроводов различного диаметра, отводов и тройников. После этого устанавливают начальную точку измерений 2, выбирают не менее двух дополнительные точек измерений 3 на расстоянии не менее 10 м друг от друга с одинаковой альтитудой, во всех точках измерений измеряют истинную глубину заложения оси трубопровода с помощью локальной шурфовки и любого доступного средства измерений. В двух дополнительных точках измерений 3 дополнительно измеряют истинное расстояние между точками измерений по широте и долготе 4 от начальной точки измерений и друг друга по смежным осям координат с помощью рулетки. Определяют погрешность в измерении глубины, широты и долготы путем пятикратного измерения глубины, широты и долготы заложения оси трубопровода в выбранных точках и сравнения с истинным расстоянием между точками измерений по широте и долготе 4. Затем, выбирают максимальную требуемую погрешность в определении изгибных напряжений согласно предъявляемым к исследованиям требованиям точности и подбирают шаг между точками измерений, откладывая по оси ординат фиг. 2 требуемую максимальную погрешность в определении изгибных напряжений, далее производят съемку глубины, широты и долготы оси исследуемого участка подземного трубопровода с подобранным шагом. На основе полученных данных определяют локальные радиусы изгиба трубопровода по изгибу его оси по формуле:
(1)
где  - расстояние между реперными точками измерений;
- глубина заложения трубопровода в данных реперных точках измерений.
Расчетные значения изгибных напряжений в стенке подземного трубопровода по локальным радиусам изгиба оси трубопровода определяют по формуле:
(2)
где  – модуль Юнга, МПа;
– наружный диаметр трубопровода, м;
– радиус кривизны участка трубопровода, м.
Результатом выполнения способа является определение изгибных напряжений в стенке подземного трубопровода с заданной на этапе подготовке к проведению исследования точностью определения изгибных напряжений.
Способ поясняется следующими примерами. Участок подземного магистрального трубопровода Бованенково-Ухта между отметками 1000 м и 1150 м пролегает в сложных инженерно-геологических условиях. С целью принятия превентивных мер необходим мониторинг положения оси трубопровода и определение уровня изгибных напряжений с периодичностью 2 раза в год. Для подземного трубопровода целесообразно использовать способ определения изгибных напряжений в стенке трубопровода с поверхности грунта. Максимальная погрешность в определении изгибных напряжений должна составлять не более  ≤50 МПа.
н
Согласно данным последней внутритрубной диагностики, на данном участке отсутствуют отводы холодного гнутья, тройники, вставки разного диаметра и иные отводы, глубина заложения участка трубопровода изменяется в диапазоне от 2,7 до 3 м. Диаметр трубопровода согласно проектной документации D = 1420 мм.
Устанавливается начальная точка измерений на отметке 1000 м, выбираются еще две точки с расстоянием от начальной точки и друг друга в 10 м, во всех точках известна истинная глубина заложения оси трубопровода, для двух точек (за исключением начальной) дополнительно известно истинное расстояние по осям между данными точками измерений и начальной точкой измерений. Относительная высота измеряется с помощью альтиметра и равняется 80 м. В точках производится съема глубины, широты и долготы заложения оси трубопровода с помощью трассоискателя БИТА-1, значения сравниваются с истинными значениями глубины, широты и долготы оси заложения трубопровода, согласно сравнениям погрешность определения глубины, широты и долготы равняется не более ±5%, по полученным значениям погрешности и с учетом максимальной погрешности в определении изгибных напряжений подбирается экспериментальный шаг между точками измерений согласно фиг. 2.
При заданных начальных условиях максимальной погрешности в определении изгибных напряжений в качестве экспериментального шага можно принять L≥43 м, однако учитывая протяженность участка контроля целесообразно принять L=100 м
Для подобранного шага проверяется условие:
(3)
где L - шаг между точками измерений, используемый при съемке глубины заложения оси трубопровода, м;
– критический радиус кривизны трубопровода, м.
С подобранным шагом производится съемка глубины, широты и долготы оси заложения исследуемого участка трубопровода, расчетные радиусы локальных участок изгиба трубопровода по изгибу точек его оси определяется по формуле:
(1)
где  – расстояние между реперными точками измерений;
– глубина заложения трубопровода в данных реперных точках измерений.
Расчет изгибных напряжений в стенке подземного трубопровода на локальных участках по данным локальных радиусов изгиба трубопровода производится по следующей формуле:
(2)
где  – модуль Юнга, МПа;
– наружный диаметр трубопровода, м;
– радиус кривизны участка трубопровода, м.
Заявленный способ позволяет без непосредственного доступа к образующей подземного трубопровода в произвольный момент времени и с произвольной периодичностью определить изгибные напряжения на локальных участках в стенке подземного трубопровода с заданной на этапе подготовки к исследованию точностью определения изгибных напряжений в стенке подземного трубопровода.