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

16r7 I 2>1 -

2(1 + 2)

у X

(3.15)

150 V.m

Рис. 27. Влияние упругих деформаций засыпки на устойчивость уложенпого в грунт трубопровода.

Уравнения (3.11)-(3.15) позволяют полностью рассчитать равновесные состояния трубопровода при изгибе в упруго-пластическом грунте.

На рис. 27 для трех значений коэффициента постели оо: 0,1; 0,01 представлены зависимости начальных сжимающих усилий от максимального прогиба г;,„ в равновесных состояниях трубопровода 325 X 9 при „ == = 300 .W и предельной несущей способности засыпки 6,7 кг!см (площадь сечения 89 cлf момент инерции 1,11-10 см).

После достижения верхнего критического усилия при продольном изгибе дальнейшие деформации в упругой сплошной среде происходят только при росте начальных напряжений сжатия (пунктирная линия).

Для уложенного в грунт трубопровода такая зависимость наблюдается до начала разрушения засыпки. Воз-нпкновение в грунте в зоне максимального прогиба тру-

Начальный прогиб

Рис. 28. Равновесные состояния трубопровода, имеющего начальный изгиб, при потере устойчивости в упруго-пластическом грунте.

бопровода состояния предельного равновесия приводит к потере устойчивости изогнутого трубопровода.

Таким образом, деформации трубопровода характеризуются двумя точками разветвления: первой, соответствующей продольному изгибу; второй, соответствующей достижению предельной несущей способности грунта. По достижении второй точки разветвления пропсходнт срыв трубопровода в равновес}1ые состояния, отвечающие пра-1)ым иетвям кривых.

Г 3ai!ii;> 101/.

(if)

в промежутке между значениями сжимающих усилий (начальных сжимающих напряжений), соответствующих точкам равновесия, имеется четыре равновесных состояния трубопровода, из которых два устойчивы.

Основная форма равновесия при значениях продольного усилия, меньших верхнего критического, устойчива, однако, не единственно возможная. Вплоть до значений усилий, соответствующих минимумам кривых, возможен переход к сильно изогнутым состояниям равновесия. Данные значения являются нижними критическими; сохранение Р < Р„ устраняет опасность потери устойчивости. Начальный изгиб г;„, качественное влияние которого показано на рис. 28, играет в потере устойчивости ту же роль, что и в случае жестко-пластических деформации засыпки. Различие имеется только на самой первой ступени изгиба трубопровода.

С уменьшением коэффициента постели верхнее критическое усилие уменьшается, одновременно уменьшается и его нижнее значение, однако, при k(,0,i влияние упругих деформаций засыпки на величину пренебрежимо мало.

Таким образом, расчетные формулы критических параметров устойчивости трубопровода, полученные ранее для жестко-пластической засыпки, имеют достаточную для практических целей точность для грунтов с нормативным модулем деформации в условиях естественного залегания, большим 50 кг/см.

Для весьма слабых грунтов, имеющих большую сжимаемость, значение Р„, найденное без учета упругости основания, оказывается завышенным. В этом случае полученные формулы могут такнхс использоваться в качестве первого приближения.

Глава четвертая СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА

ПРОДОЛЬНЫМ СМЕЩЕНИЯМ ТРУБОПРОВОДА ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ

1. Основные положения

Сопротивление, оказываемое реальными грунтами перемещению в них трубопровода, определяется характером возникающего в грунтовой массе напрянаднного состояния.

Одновременно со сдвигами вдоль поверхности трубопровода происходит уплотнение грунтовой массы, распространение областей уплотнения вдоль трубопровода и последующие сдвиги в грунте по достижении состояния предельного равновесия. Возможные внедрения частиц грунта в изоляцию, прилипание к ней или даже «срастание» с поверхностью трубы в еще большей степени способствуют росту объемного напряженного состояния вокруг трубопровода.

Очевидно, максимальное защемление трубопровода соответствует предельному сопротивлению грунта сдвигу. Действительная же величина этого защемления может быть как больше величины трения грунта по стенке, так и меньше, в зависимости от чистоты поверхности, прили-паемости грунта к поверхности и способности его к уплотнению и, наконец, достигнутых в данной точке смещений.

Кроме механического взаимодействия трубопровода с грунтом при продольных перемещениях, имеется еще связь, обусловленная наличием адсорбированной отдельными частицами грунта воды. В зависимости от гранулометрического состава грунта это может способствовать как увеличению, так и уменьшению сопротивления смещению трубопровода.

Помимо того, на характер взаимодействия трубопровода и грунта прп продольных перемещениях трубопровода оказывает существенное влияние длительность, скорость и периодичность приложения нагрузки.

Длительность загружения связана с релаксацие!! сил трения по поверхности трубопровода [8, 30], в то время как периодические смещения трубопровода в грунте способствуют уменьшению трения за счет преодоления сил сцепления, при этом температурные перемещения де1штву-ющих трубопроводов реализуются, как правило, при меньшем защемлении [32], чем при испытании труб на выдергивание.

Таким образом, взаимодействие трубопровода с грунтом в процессе продольных смещений оказывается, помимо обычных факторов, связанных со свойствами грунта и поверхности трубопровода, осложненным целым рядом явлений временного характера.

В то же время учет всей полноты этих факторов оказывается весьма затруднительным.

2. Количественные характеристики сопротивления продольным смещениям трубопровода

Опираясь на формальную аналогию процесса трения и процесса деформации упруго-вязких тел для случая внутреннего трения в грунтах с малым сцепленпем, Г. Д. Вишневецкий [9] вводит зависимость, учитывающую скорость процесса трения 1 ат

(4.1)

где Хо. Хоо - постоянные, соответствующие мгновенному и длительному модулям трения; К - константа, связанная со временем релаксации сил трения; q - давление на поверхности трубы; т,, - интенсивность касательных сил трения.

Упрощение этой зависимости, предложенное в [8] для определения напряжений в трубопроводах в условиях нестационарного теплового режима, полностью соответствует закону вязкого трения

где - модуль вязкого касательного сопротивления.

Приведенные зависимости, очевидно. Не учитывают возможности достижения вокруг трубопровода состояния предельного равновесия, когда касательные напряжения перестают зависеть от достигнутых перемещений.

В то же время, поскольку влияние времени сводится к уменьшению максимального защемления трубопровода, кажется целесообразным при достижении состояния предельного равновесия учитывать длительность и скорость загружения соответствующим изменением констант трения.

В этих условиях качественный характер взаимодействия трубопровода и грунта можно описать следующей схемой: до возникновения состояния предельного равновесия происходит деформация структуры, и касательные напряжения на поверхности трубопровода пропорциональны достигнутым перемещениям; по достижении состояния сдвига касательные напряжения остаются постоянными, притом их максимальная величина ограничена напряжениями сдвига грунта, минимальная - трением по стенке.

Однако это положение осложняется тем, что величина предельных смещений, соответствующих возникновению состояния предельного равновесия, даже без учета временных факторов и предыстории нагруженпя, может изменяться в весьма широких пределах в зависимости от характеристик грунта и свойств поверхности трубопровода.

Так как начальный процесс перемещения трубопровода в грунте связан с возникновением и развитием объемного напряженного состояния в зоне, прилегающей к трубопроводу, естественно, как и на начальной стадии уплотнения грунта [21], предполагать наличие прямолинейной зависимости напряжений от перемещений.

Такая зависимость, предлонаднная Л. М. Емельяновым [И], использовалась в дальнейшем [2] в виде

т,= -/с,м, (4.3)

где - коэффициент нропорциональности, аналогичный по смыслу коэффициенту постели.

Максимальное значение касательных напряжений, соответствующее достижению предельного равновесия, ограничено величиной

т.-с + К, (4.4)