Experimental studies of the impact of waves’ loading on the underwater pipeline

Full Text

Введение В настоящее время наиболее распространенным способом транспортировки добываемых полезных ископаемых, таких как нефть и газ, является трубопровод. При прокладке любого трубопровода необходимо решение достаточно большого количества технических задач. Учитывая географическую специфику расположения месторождений в России, при прокладке трубопроводов необходимо преодолевать большое количество водных преград и прокладывать их по дну морей. В этом случае важным является вопрос обеспечения устойчивости трубопровода от всплытия при его эксплуатации. Для решения данной проблемы активно используется метод балластировки трубопровода, однако опыт эксплуатации показал, что в условиях прокладки трубопровода по морскому дну (морские трубопроводы), этого может быть недостаточно. Многочисленные эксперименты, проводившиеся как в России, так и за рубежом[18] [1-5], показали, что на устойчивость трубопровода, погруженного в грунт на морском дне, оказывает влияние большое количество внешних сил. Исследование влияния волны цунами на устойчивость трубопровода [3], установило, что существует зависимость гидродинамической силы в подводных трубопроводах от высоты волны и глубины. Изучение влияния сейсмической нагрузки на трубопровод показало, что ее воздействие приводит к разжижению грунта [6]. Причиной этого являлось избыточное поровое давление, возникающее во время вибрации. Грунт вокруг трубопровода постепенно растекается, что вызывает изменение веса перекрывающего грунта, в результате чего нарушается равновесие трубопровода и труба всплывает. Помимо этого, изучалось влияние волновой нагрузки [7]. Было измерено изменение порового давления около трубы во время волнового воздействия, которое носит колебательный характер. Исследования показали, что чем больше время действия и амплитуда гидродинамической вертикальной силы, тем короче время всплытия трубопровода. Экспериментальным путем [8] определено, что под воздействием волновой нагрузки меняется структура грунта у оснований морских гидротехнических сооружений. Данная нагрузка увеличивает пористость грунтов, что может влиять на обеспечение устойчивости гидротехнических сооружений. На сегодняшний день нормативная документация по расчету устойчивости морских трубопроводов[19] учитывает только силу Архимеда, не принимая во внимание волновое воздействие. Причины и процесс перемещения трубы в грунте вверх трудно поддаются теоретическому анализу, поэтому в основном изучаются эмпирическими методами. Во многих исследованиях утверждается, что в случае расположения трубопровода в условиях мелкой воды волнение влияет на его устойчивость как за счет взвешивающего волнового воздействия, так и за счет разжижения грунтов. В данной работе приводятся результаты лабораторного исследования влияния волнения на устойчивость трубопроводов. Основные теоретические положения На рис. 1 изображен поперечный разрез заглубленного трубопровода. Рис. 1. Схема приложения нагрузок Figure 1. Load application diagram Предположим, что на трубопровод действуют две нагрузки: сила тяжести Fт и поднимающая сила Fп. В значение нагрузки Fт входят сила тяжести грунта призмы выпора Fт.г и собственный вес трубопровода Fт.т. В значение нагрузки Fп входят сила Архимеда Fа и подъемная сила , природу которой мы попытаемся установить. Таким образом, можно составить следующие выражения: ; . Рассмотрим участок трубопровода длиной 1 м. Значение величины определяется по формуле , где - масса погонного метра трубы, - ускорение свободного падения, d - диаметр трубопровода, - плотность заполнителя. Масса внутреннего заполнителя несоизмеримо мала в сравнении с массой трубопровода, поэтому на данной стадии мы ее опускаем. Предполагается, что грунт находится в разжиженном состоянии [9]. Причиной разжижения могут быть сейсмические воздействия [10] и интенсивно повторяющееся гидродинамическое воздействие на грунт [11-13]. Значение величины определяется по формуле, где - площадь призмы выпора, - плотность разжиженного грунта, вычисляемая по формуле, где - плотность скелета грунта, - плотность воды, - природная влажность грунта. Значение величины силы Архимеда определяется следующим образом [14]: , где - плотность воды; - объем трубопровода, вычисляемый по формуле . Требуется добиться соблюдения условия , при котором тело не тонет, а находится во взвешенном состоянии. Если под воздействием волновой нагрузки трубопровод начинает терять устойчивость, можно заключить, что величина отлична от нуля. Тогда можно составить следующее выражение: . Подставим вышеупомянутые выражения: . Таким образом, получим минимальное значение подъемной силы. Представим выражение подъемной силы в виде параметрической функции , где - высота волны, - длина волны, - глубина воды, - глубина погружения трубы в грунт. Предполагается, что в данной ситуации оказывают влияние вязкость жидкости и коэффициент сопротивления грунта. Но на данной стадии проведения экспериментов эти показатели опускаются. Чтобы упростить зависимость, введем параметры и , . Тогда функция приобретает следующий вид: Для установления точных формул, позволяющих определить конкретное значение данной силы в конкретную фазу волны, требуется проведение серий экспериментов. Результаты экспериментальных исследований Лабораторные исследования проводились в лаборатории гидравлики Российского университета дружбы народов (рис. 2). Экспериментальная установка размещалась в волновом лотке Armfield, позволяющем создавать регулярное волнение, где находился грунтовый лоток длиной 95 см и глубиной 16,5 см. В эксперименте использовался мелкий песок со средней крупностью 0,2 мм. На рис. 3 показана принципиальная схема лабораторной установки. Модель трубопровода изготавливалась из трубок диаметром 25 мм. Длина трубок была подобрана по ширине экспериментального лотка и равнялась 295 мм. За счет внутреннего заполнения трубок их вес подбирался равным выталкивающей силе, то есть модельные трубки имели «нулевую» плавучесть. Рис. 2. Экспериментальная установка (фото Е. Корнеевой) Figure 2. Experimental setup (photo by E. Korneeva) Рис. 3. Схема выполнения эксперимента Figure 3. Experimental scheme Модельные трубки погружались на три различные глубины, равные: 1 - диаметру трубки; 2 - двум диаметрам трубки; 3 - четырем диаметрам трубки, что позволяло установить зависимость влияния волновой нагрузки в зависимости от глубины погружения в грунт. Устойчивость модельных трубок в грунте измерялась с помощью динамометра при их извлечении. На первом этапе определялась устойчивость трубок при отсутствии волнения. Сравнение данного значения усилия с усилиями при волновом воздействии позволяет определить влияние волнения на устойчивость заглубленного трубопровода. Влияние волн на устойчивость модельных трубок выполнялось в серии экспериментов, в которых высота волны менялась от 0,1 до 0,2 м с шагом 0,05 м. Длина волны варьировалась от 0,40 до 0,75 м. Толщина водного слоя над поверхностью грунта менялась от 16,5 до 7,5 см. В результате проведенных экспериментов получены данные, позволяющие оценить влияние волнения на устойчивость трубы, заглубленной в грунт. На рис. 4 продемонстрирована зависимость удерживающей силы от вышележащего слоя грунта от крутизны волны. На этом графике отчетливо видно, что при различных характеристиках волны величина выдергивающей силы может как увеличиваться, так и уменьшаться по сравнению с величинами, снятыми без волнового воздействия. Также этот график показывает, что при заглублении трубы в грунт, равном диаметру трубы, грунт практически не влияет на устойчивость. Для оценки влияния грунта на устойчивость трубы под действием волн введем параметр, показывающий приращение выдергивающей силы: , где - величина выдергивающей силы при волновом воздействии; - величина выдергивающей силы без волнового воздействия. На рис. 5 показан график, на котором значение 0 является условно статическим. Условно статическим мы называем измеренное значение выдергивающей силы в спокойной воде. Рис. 4. Зависимость величины выдергивающей силы от крутизны волны Figure 4. Dependence of the amount of the pulling force on the wave steepness Рис. 5. Зависимость величины приращения выдергивающей силы от крутизны волны Figure 5. Dependence of the amount of the increment of the pulling force on the wave steepness Рис. 6. Зависимость величины выдергивающей силы от отношения глубины воды к высоте волны, d/h Figure 6. Dependence of the amount of the pulling force on the ratio of water depth to wave height, d/h По данным графика можно сделать вывод, что на малых глубинах значение выдергивающей силы с ростом крутизны волны увеличивается, а на больших глубинах уменьшается. Это связано с влиянием разрушения волн при малых глубинах. Следовательно, влияние волнового нагружения в наибольшей степени зависит от разжижения грунтов при глубинах, больших, чем критические, при которых наблюдается обрушение волн. Данное утверждение хорошо видно по зависимости удерживающей силы от отношения глубины воды к высоте волн. График на рис. 6 показывает, что при увеличении отношения глубины воды к высоте значение удерживающей силы значительно снижается, а значит, в наибольшей степени влияние волн на устойчивость трубопровода сказывается при глубинах, больших, чем глубины обрушения волн. Заключение Проведенная серия экспериментов позволяет сделать вывод, что волновое нагружение в мелководной зоне оказывает влияние на устойчивость трубопроводов. Увеличение высоты волны и ее крутизны приводит к повышению взвешивающих сил, действующих на трубопровод. Также установлено, что это влияние практически не сказывается на трубопроводах низкого заложения, но увеличивается для более заглубленных трубопроводов, что говорит о возможном разжижении грунтов, расположенных выше трубопровода. Данное влияние в наибольшей степени сказывается на глубинах больших, чем глубины обрушения.

About the authors

Konstantine P. Mordvintsev

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: mkp58@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3519-3960

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Construction Department, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Ekaterina M. Korneeva

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Author for correspondence.
Email: korneeva.e.m@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8059-7630

master student, Construction Department, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

References

Supplementary files