Расчет несущей способности трубопровода

Прочностной расчет трубопроводов осуществляется по методу предельных состояний. Сущность метода заключается в том, что рассматривается такое напряженное состояние трубопровода, при котором дальнейшая его эксплуатация невозможна. Первое предельное состояние – несущая способность трубопровода (разрушение его под воздействием внутреннего давления), второе – предельно допустимые деформации. Характеристикой несущей способности трубопровода является временное сопротивление металла труб (предел прочности). При расчете на предельно допустимые деформации используется предел текучести материала трубы.

В качестве основных прочностных характеристик металла трубы в расчетах трубопроводов используются нормативные сопротивления растяжению (сжатию). Нормативные сопротивления и принимаются, соответственно, равными минимальным значениям временного сопротивления и предела текучести . Расчетные сопротивления и определяются по формулам

; (6.23)

; (6.24)

где m – коэффициент условий работы трубопровода, равный 0,6 для участков трубопроводов категории «В», 0,75 для участков категорий I и II и 0,9 для участков категорий III и IV; – коэффициенты надежности по материалу; – коэффициент надежности по назначению трубопровода (СНиП 2.05.06-85).

Номинальная толщина стенки d трубопровода определяется согласно СНиП 2.05.06-85 следующим образом:

. (6.25)

Если при этом продольные осевые напряжения, определяемые от расчетных нагрузок и воздействий (температурный перепад и внутреннее давление)

(6.26)

будут иметь отрицательное значение (), то величина d корректируется по формуле

, (6.27)

где y1 – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, определяемый при сжимающих продольных осевых напряжениях () по формуле:

. (6.28)

Толщина стенки трубопровода, определенная по формулам (6.25) и (6.27), округляется в большую сторону до ближайшей номинальной в соответствии с сортаментом на трубы.

Принятая толщина стенки труб должна быть не менее 1/140 значения наружного диаметра труб, но не менее 3 мм для труб условным диаметромD £ 200 мм и не менее 4 мм для труб условным диаметром D > 200 мм.

Приведенная методика расчёта представляет собой итерационный процесс, т.к. в выражение (6.26) для определения требуется подставить значение d, уточняемое далее в формуле (6.27), после чего значение принимаемой по сортаменту толщины стенки может измениться и вычисление приходится повторять с новым значением d.

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы в соответствии со СНиП 2.05.06-85 проверяются на прочность в продольном направлении и на отсутствие пластических деформаций.

Прочность в продольном направлении проверяется по условию

, (6.29)

где – соответственно, продольные осевые напряжения и расчетное сопротивление металла труб, МПа, определяемые па формулам (6.26) и (6.23); y2 – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных напряжениях ()y2 = 1,0, при сжимающих () определяется по формуле:

, (6.30)

где – кольцевые напряжения в стене трубы от расчетного внутреннего давления.

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций трубопровода в продольном направлении проверку производят по условию (6.2), а в кольцевом направлении по условию

, (6.31)

где – кольцевые напряжения в стенках трубопровода от нормативного внутреннего давления, МПа.

Если одно из проверяемых условий не выполняется, следует либо подобрать другую марку стали с лучшими механическими характеристиками, либо увеличить толщину стенки трубы до ближайшей большей по сортаменту, и повторить расчет.

Устойчивость трубопровода на болоте определяется из условия:

, (6.32)

где Б – вес балласта в воде, приходящийся на единицу длины трубопровода, н/м; qвс – плавучесть трубопровода, н/м; kМ – коэффициент, зависящий от вида пригрузки или закрепления; kув – коэффициент устойчивости против всплытия (kув = 1,07); Q – вес единицы длины изолированного и футерованного трубопровода, заполненного продуктом, н/м.

При Б < 0, трубопровод обладает отрицательной плавучестью и пригрузка не требуется, при Б > 0 трубопровод необходимо пригружать. Вес пригруза в воздухе определяется следующим образом:

, (6.33)

где – удельный вес балласта в воздухе; – удельный вес воды.

Расстояние между отдельными грузами определяется по формуле:

, (6.34)

где V – объем одного пригруза.

При утяжелении трубопровода грунтом последний обрабатывают специальным связывающим материалом – отходом переработки нефти. Грунт, смешанный с таким материалом, через некоторое время образует прочный конгломерат и схватывается как с трубой, так и со стенками траншеи.

Закрепление трубопровода анкерами выполняется тремя основными способами – завинчиванием анкеров, забивкой и выстреливанием их из гарпунной пушки (рис. 6.2). Длина анкеров – 3¸7 м. Трубопровод крепится к анкерам специальным силовым поясом, представляющим металлическую ленту шириной от 20 до 70 см. Под ленту подкладывают мягкий материал для более равномерного распределения давления на изоляционное покрытие. Недостатком анкерных креплений является то, что они создают в трубопроводе дополнительные напряжения и могут нарушить сплошность изоляционного покрытия.

 
 

Рис. 6.2. Схема закрепления трубопровода