Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 [ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56

участках трубопровод можно рассматривать как генератор колебаний, а грунт - как демпфирующую подушку. Напряжения в трубопроводе на этих участках меньше, чем на участках, где колебания трубопроводу сообщались грунтом.

Таким образом, следует рассматривать две схемы работы трубопровода в условиях сейсмических колебаний: подземный трубопровод, вовлекаемый в колебательный процесс, при котором напряжения в трубах возникают в результате напряженного состояния грунта, и колеблющийся трубопровод, погруженный в грунтовую среду, препятствующую его колебаниям. Как по-, казал анализ последствий ряда землетрясений, подземные стальные трубопроводы, проложенные вне зон разломов в сейсмически устойчивых грунтах, хорошо переносят землетрясения силой в 7-8 баллов. Поэтому нормы проектирования допускают сейсмические воздействия на подземный трубопровод до 8 баллов включительно. При большей балльности прочность трубопровода проверяют и на основании расчетов выбирают соответствующее конструктивное решение, обеспечиваюшее надежную работу трубопровода.

Воздействие грунта на трубопровод имеет место на оползневых участках. Силовые воздействия оползающих грунтов на трубопроводы подразделяются на два вида. К первому виду относится такое воздействие грунта, при котором HanpaBflessse скояъжеиия массы груша совпадает с осью трубопровода, прокладываемого на продольных уклонах. А так как трубопровод защемлен в грунте, то в трубах возникают растягивающие напряжения на верхнем участке и сжимающие на нижнем их участке. Ко второму виду воздействий относятся такие, при которых направление движения оползневых масс перпендикулярно оси трубопровода или происходит под некоторым углом к ней. Этот вид силового воздействия грунта наиболее опасен, поскольку в этом случае наряду с продольными осевыми напряжениями возникают изгибные напряжения.

Если расчетная прочность трубопровода недостаточна, то необходимо выполнить ряд защитных мероприятий. К ним относится устройство подпорных стенок, основание которых должно быть заложено ниже плоскости

скольжения оползня, устройство шпунтовых . стенок из свай, цементирование оползающего грунта и т. д.

2000

!6Р!?

1200

Рис. 1. Зависимость радиуса упругого изгиба трубопровода диаметром 1420 мм от предела текучести металла труб при временном сопротивлении 600 МПа (Д/=60 "су.

1 - Ь-1&,Ъ мм; 2 - 0=17,5 мы 8

§ 5. Предварительный изгиб трубопровода при сооружении

С целью уменьшения объемов земляных работ профиль траншей выполняют близким к профилю земной поверхности на данном участке. Профиль траншеи определяется условиями укладки трубопровода, т. е, возможностью изгиба трубопровода по принятому профилю под действием собственной массы и напряженным состоянием трубопровода в процессе эксплуатации при воздействиях внутреннего давления и температурного перепада.

Обычно предварительный изгиб трубопровода характеризуется минимальным радиусом упругого изгиба оси трубопровода. Как показали исследования, предварительный упругий изгиб не оказывает влияния на разрушающее давление. Однако с уменьшением радиуса оси трубопровода возрастают не только начальные напряжения, ио и напряжения, возникающие от эксплуатационных нагрузок. Изгиб трубопровода может привести к потере продольной устойчивости всего трубопровода пли

к потере местной устойчивости стенки трубы в сжатой зоне сечения. Поэтому минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода ограничив.чют из условия деформативиости.

Зависимость предельно допускаемого радиуса упругого изгиба от предела текучести металла труб представлена на рис. 1. График построен для газопровода диаметром 1420 мм при pa6o4evr давлении 7,5 МПа и температурном перепаде 60 "С. Как вид1го из графика, значение предела текучести оказывает существенное влияние на радиус изгиба. Так, с увеличением предела текучести от 420 до 470 МПа допускаемый радиус уменьшается с 2800 до 1350 м, т. е. в дза раза.

Проектирование вертикального профиля траншеи с использованием минимального радиуса упругого изгиба позволяет уменьшить объемы зеУ1ля-ных работ. В то же время при проектировании трубопроводов па обводненных и заболоченных участках следует учитывать, что с увеличением радиуса изгиба уменьшается балластировка трубопровода, иеобходимай для обеспечения его продольной устойчивости. Поэтому радиус упругого изгиба должен назначаться из условия деформативиости металла трубы и условия продольной устойчивости на основе технико-экономического сравнения вариантов.

ГЛАВА 2

РАСЧЕТ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРОЧНОСТЬ

§ 1-Основные принципы расчета

Обеспечению высокой надежности трубопроводов как одной из важнейших задач развития технического лрогресса в области строительства объектов трубопроводного транспорта должно уделяться самое серьезное вииманис. Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость следует рассматривать как важнейшее звено в общей цепи формирования надежности трубопровод-пых систем.

В СНиП 11-45 75 требования к материаиу труб содержат максимальное отношение предела текучести к временному сопротивлепню, минимальную ударную вязкость, минимальное относительное удлинение и паправ-пены на предотвращение хрупкого разрушения трубопровода в процессе эксплуатации. . Выполнение требований к сварочным материалам обеспечивает равпопроч-ность Сварных стыков основному металлу труб.

Магистральные трубопроводы рассчитываются по методу предельных состояний. Сущность метода заключается в том, что рассматривается такое напряженное состояние трубопровода, при котором дальнейшая его эксплуатация невозможна.

Методика расчета магистральных трубопроводов по предельным состояниям создана впервые п нашей стране сотрудниками ВНИИСТ И. П. Петровым, А. Г. Камерштсйном, В. С. Туркиным и другими. Нормы проектирования магистральных трубопроводов (СНиП 11-45-75), разработанные под руководством В. И. Прокофьева, основаны на этой методике.

Первое предельное состояние трубопровода - разрушение его под действием внутреннего давления. Поэтому характеристикой несущей способности трубопровода является временное сопротивление-металла труб (пре.чел прочности).

Для обеспечения надежной работы трубопровода при определении расчетного сопротивления вводится ряд дифференцированных коэффициентов, отражающих вероятностный характер различных факторов, влияющих на несущую способпость трубопровода. К ним относятся коэффициент безопасности по материалу, коэффициент условия работы трубопровода и коэффициент \ надежности.

и JKэффиIJиeIlx -безопасиости по материалу отражает возможное уменьше-/ ние временного сопротивления металла труб по сравнению с его нормативным значением, возможное уменьшение толщины стенки трубы по сравнению с ее номинальным значением и надежность конструкции трубы. Последний фактор зависит от технологии производства труб.

А/ Коэффициент условия рабдш показывает возможное несоответствие принятой расчетной схемы реальной трубопроводной конструкции, в том числе особенности взаимодействия трубопровода с окружающей средой. Кроме того, коэффициент условия работы показывает влияние последствий разрушения трубопроводов на здоровье людей, а также на приведенную стоимость вы- полнсния ремонтно-восстановительных работ.

Р Коэффициент надежности впервые введен в нормы проектирования магистральных трубопроводов в 1975 г., что вызвано увеличением диаметров сооружаемых трубопроводов и рабочего давления продукта. Коэффициент надежпости учитывает следующие факторы, влияющие на надежность работы системы:

с увеличением диаметра возрастает поверхность, контактируемая с грунтом, следовательно, трубопроводы больших диаметров при деформациях грунта находятся в более тяжелых условия.х, чем трубопроводы малых диаметров;

с увеличением диаметра трубопровода резко возрастает его изгибная кесткость поэтому при укладкеможет не быть обеспечено его опирание на дно траншеи но всей длине, в результате чего в нем могут возникнуть дополнительные изгибные напряжения;

с увеличением диаметра трубопровода возрастает его металлоемкость, общая длина сварных стыков и объем наплавленного металла, поэтс*у ве- роятность каких-либо технологических дефектов повышается;

с увеличением рабочего давления продукта п диаметра трубопровода возрастает пропускная способность системы, отказ которой может привести к большим народнохозяйственным потерям.

Коэффициент надежности назначается в соответствии со СНиП 11-45-75 раз.чичный Д.1Я газо- и нефтепроводов и зависит от диаметра трубопровода и дав-тения продукта.

При определении напряженного состояния трубопровода для проверки первого предельного состояния учитывают только те папряжспип, которые практически влияют на разрушающее давление.

На основангщ экспериментальных исследований установлено, что к ппм относятся кольцевые напряжения от внутреннего давления и продольные осевые напряжения от всех нагрузок и воздействий.

В СНиП 11-45-75 первое предельное состояние записано в виде равенства растягивающих кольцевых и растягивающих осевых продольных напряжений расчетному сопротивлению, а при разнозначном напряженном со стоянии - равенства эквивалентных напряжений расчетному сопротивлению.

Для ограничения пластических деформаций СНиП 11-45-75 предусматривает проверку трубопровода по второму предельному состоянию. Второе предельное состояние выражается через напряжения.

Напряжения определяются от всех нормативных нагрузок н воздействий (с учетом их сочетания) для наиболее напряженной точки сечения трубы.

Критерием выполнения второго предельного состояния является условие, при котором кольцевые и растягивающие продольные напряжения, а при разнозначном напряженпом состоянии эквивалентные напряжения не должны превышать значений, определяемых пределом текучести металла труб. Отметим также, что при проверке по первому предельному состоянию согласно нормам СНиП требуется выполнять расчет трубопроводов, исходя из упруго-пластической работы металла труб, а по второму - исходя из упругой работы самих трубопроводов.

§ 2. Нагрузки и воздействия принимаемые при расчете трубопроводов

При расчете трубопроводов следует учитывать нагрузки и воздействия, возникающие при их сооружении, испытании и эксплуатации. Основиая нагрузка - рабочее (нормативное) давление транспортируемого продукта (устанавливается проектом). При расчете трубопроводов следует учитывать возможность увеличения этою давления, что оценивается коэффициентом перегрузки. Для нефтепроводов и пефтспродуктопроводов коэффициент перегрузки дифференцируется в зависимости от технологии перекачки. Для нефтепроводов и пефтепродуктопроводов диаметром 720-1420 мм на всех промежуточных насосных станциях, работающих без подключения емкостей, следует устанавливать устройства по защите линейной части трубопроводов от воздействия переходных процессов, возникающих при остановке иасосов, закрытии задвижек, изменении режима перекачки и т. д. Коэффициент перегрузки ие учитывает возможность повышения давления в результате гидравлического удара.

При расчете трубопроводов следует учитывать температурный перепад Б металле стенок труб, который определяется как разница л1ежду макси- мально или .минимально возможной температурой..стенок при эксплуатации- и наименьшей или наибольцкй температурой, при которой фиксируется рас четная схша трубопровода.

Минимальную или максимальную температуру стеиок труб при эксплуатации следует определять йл подземных трубопроводов в зависимости от температуры транспортируемого продукта н грунта, а для надземных трубо-проводов -от температуры наружного воздуха, с учетом солнечной радиации.

При укладке трубопроводов в болотистых и обводненных районах должна учитываться выталкивающая сила воды. При отсутствии течения воды выталкивающая сила на единицу длины полностью погруженного трубопровода определяется по фориу.те

<?в = 0.81)2у,. (2.1)

где D„ - наружный диаметр трубы с учетом изоляционного покрытия н футеровки; уе - удельный вес воды с учетом растворимых в ней солей.

При расчете трубопроводов, прокладываемых па участках, сложенных грунтами, которые при обводнении переходят в жидкопластическое состояние, ьчедует вместо объемного веса воды принимать объемный вес разжиженного грунта, определяемый по данным инженерных изысканий.

Нагрузки и воздействия, связанные с осадками и пучением грунта, оползнями, деформациями земной поверхности в результате горных разработок н т. д., должны определяться на основании данных анализа грунтовых условий и их возможного изменения Б процессе строительства и эксплуатации трубопровода.

При расчете надземных трубопроводов следует учитывать вес транспортируемых продуктов. Нормативный вес газа (в Н/м) в 1 м трубопровода Чгая можно определять по приближенной формуле

fl„,= l00pD2„, (2.2)

где р - нормативное Давление, МПа; £>рн - внутренний диаметр трубы, м.

Нормативный вес нефти или нефтепродукта (в Н/м) в 1 м трубопровода длрод определяется по фор.муле

(2.3)

где уп - объемный вес нефтя или нефтепродукта, И/м\

В случае, когда возможно обледенение трубопровода, нормативную нагрузку от обледенения (в Н/м) 1 м трубы дпея следует определять по формуле

<7лсд=1760н, (2.4)

где b - толщина слоя льда, принимаемая в соответствии со СНиП, глава «Нагрузки и воздействия», мм; Он - наружный диаметр трубы, м.

Нормагйвггая сггеговая нагрузка на горизонтальную проекцию падзем-иого трубопровода и примыкающего эксплуатационного мостика также определяется в соответствии с требованиями той же главы СНиП, При этом для одниочно прокладываемого трубопровода коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке иа трубопровод принимается равным 0,4.

Нормативную ветровую нагрузку, действующую перпендикулярно осевой вертикальной плоскости одиночно лрок.чадываемого трубопровода, определяют по формуле

<?вет.и = (911.с + 9и.д)Сн. (2.5)

где Qa с, <?п- д - соответственно нормативные значения Статической и динамической составляющих ветровой нагрузки, Н/м.

Статическую составляющую ветровой нагрузки определяют по формуле

9н.с = <7Л. (2.6)

где flo -скоростной напор ветра, Н/м; Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления надземного трубопровода.

Скоростной iianop ветра (7,, определяется в- зависимости от района распо-•южения надземного трубонровода. Районирование территории СССР по скоростным напорам приведено в СНиП, глава «Нахрузки и воздействия». Значения скоростного напора до для различных районов СССР следующие:

Районы СССР......... 1 И П1 IV V VI VII

Скоростной напор ветра, Н/м« 270 350 450 550 700 850 1000

Для трубопроводов, расположенных иа высоте до 5 м над поверхностью зе.и.гл разрешается снижать скоростной напор на 25 %, за исключением трубопроводов, сооружаемых в горной местности.

По известным скоростям ветра до можно вычислить по формуле

, (2.Г,

где а= (0,75-Ь5/ч)-поправочный коэффициент к скоростям ветра, полученным путем обработки наблюдений по флюгеру; v-скорость ветра иа высоте 10 м над поверхностью земли, наибольщая за пять лет, м/с.

Коэффициент лобового сопротивления с, определяют в зависимости от числа Рейпольдса Re по графику рис. 2.

Число Рейнольдса вычисляется по формуле

Ке = -Н52-. - (2.8)

где D - учитываемая в расчете скорость ветра, м/с; v - кинематическая вязкость воздуха (при <=15 "С и атмосферном давлении 1000 ГПа припямагот v=0,146-10-< м*/с).

При чис-че Рейнольдса Re>35.10 обычно принимают с»"-0,7.

Динамическую составляющую ветровой нагрузки на трубопровод можно приб.аиженно определять как для сооружения постоянной жесткости и с равномерно распределенной массой.

Динамическая составляющая будет

<7и.я = 0,35<7„.с6. • (2.9)

где 0.35 - коэффициент пульсации скоростного напора; g - коэффициент динамичности, зависящий от периода, соответствующего второй форме свободных горпэонта.чьиых колебаний, и логарифмического декремента колебаний надземного трубопровода.

1,0 0,6

1,5 f 8 П 15 20 2tf 28 32 3S

Рис. 2. График для определения коэффициента лобового сопротивления

Рис. 3. График для определения коэффициента динамичности

Л7 8 6

J г. с