Нагрузки и воздействия на магистральный трубопровод

Трубопроводы находятся в сложном напряжённом состоянии, подвергаясь воздействию многочисленных нагрузок. При проектировании невозможно учесть все нагрузки, поскольку некоторые из них проявляются лишь в особых ситуациях. Прочностные показатели трубопровода должны обеспечить его работоспособность в любых условиях и ситуациях.

Все нагрузки и воздействия на магистральный трубопровод подразделяются на постоянные и временные, которые в свою очередь подразделяются на длительные, кратковременные и особенные.

К постоянным нагрузкам и воздействиям относят те, которые действуют в течение всего строка строительства и эксплуатации трубопровода:

1. Собственный вес трубопровода, учитываемый в расчётах как вес единицы длины трубопровода:

q_тр = n×p×D_ср×d×g_ст ,(9.1)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,1); D_ср – средний диаметр трубопровода, м; d – толщина стенки труб, м; g_ст – удельный вес стали, Н/м³.

2. Вес изоляционного покрытия и различных устройств, которые могут быть на трубопроводе:

q_из = n×g_из×p/4×(D_из² – D_н²) , (9.2)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке; g_из – удельный вес изоляционного изделия, Н/м³; D_из и D_н – соответственно диаметр изолированного трубопровода и его наружный диаметр, м.

3. Давление грунта на единицу длины трубопровода:

q_гр = n×g_гр×h_ср×D_из , (9.3)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,2); g_гр – удельный вес грунта, Н/м³; h_ср – средняя глубина заложения трубопровода, м; D_из – диаметр изолированного трубопровода, м.

4. Гидростатическое давление воды на единицу длины трубопровода, определяемое весом столба жидкости над подводным трубопроводом:

q_гс = n×g_в×h×D_ф , (9.4)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке; g – удельный вес воды с учётом засолённости и наличия взвешенных частиц, Н/м³; h – высота столба воды над рассматриваемой точкой, м; D_ф – диаметр изолированного и футерованного трубопровода, м.

5. Выталкивающая сила воды, приходящаяся на единицу длины полностью погружённого в воду трубопровода:

q_в = p/4×D_ф²×g_в , (9.5)

где D_ф – наружный диаметр трубы с учётом изоляционного покрытия и футеровки, м; g_в – удельный вес воды с учётом растворённых в ней солей и наличия взвешенных частиц, Н/м³.

6. Воздействие предварительного напряжения, создаваемое за счёт упругого изгиба при поворотах трубопровода:

s_пр.^из. = ±Е D_н/ 2 r, (9.6)

где s_пр.^из. – максимальное продольное напряжение в стенках трубы, обусловленное изгибом трубопровода, Н/м³; Е – модуль упругости (Е = 206000 МПа); D_н – наружный диаметр трубопровода, м; r – радиус изгиба оси трубопровода, м;

К длительным временным нагрузкам относятся следующие:

1. Внутреннее давление, которое устанавливается проектом. Внутреннее давление создаёт в стенках трубопровода кольцевые и продольные напряжения, которые определяют по формулам:

(9.7)

где n- коэффициент перегрузки для внутреннего давления (n= 1,15); Р- нормативное значение внутреннего давления, Па; D_вн- внутренний диаметр трубы, м; d- толщина стенки трубы, м.

Учитывая известную зависимость между продольными и поперечными напряжениями, определим продольные напряжения в стенке трубы:

d_пр. =m×s_кц.= m×(n×P×D_вн./ 2d), (9.8)

где m- коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона). Для сталей m = 0,26¸0,33, т.е. среднее значение m = 0,3.

2. Вес перекачиваемого продукта на единицу длины трубопровода.

2.1. Нормативный вес транспортируемого газа

q_газ.= 0,215 r_{газ .}g×(Р_а Д²_вн. / Z Т), (9.9)

где r_газ.- плотность газа, кг/м³ (при 0^оС и 0,1013 МПа); g- ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; Р- абсолютное давление газа в газопроводе, МПа; Д_вн.- внутренний диаметр трубы, см; Z - коэффициент сжимаемости газа; Т- абсолютная температура, К.

Для природного газа допускается принимать

q_газ.= 10^-2Р Д²_вн., (9.10)

где Р- рабочее ( нормативное ) давление, МПа.

2.2. Вес транспортируемого продукта в трубопроводе

q_крод. = n×10^-4×r_н×g(p Д²_вн./ 4), (9.11)

где n- коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1); r_н- плотность транспортируемой нефти, кг/м; g- ускорение свободного падения, м/с²; D_вн. - внутренний диаметр трубы, см.

3. Температурные воздействия, которые при невозможности деформаций вызывают в стенках трубопровода продольные напряжения:

d_пр.t= – a×E×Dt, (9.12)

где a- коэффициент линейного расширения a = 12×10⁶ (град); Е- модуль упругости, Н/м²;D t = t_o – t_ф, здесь t_o- максимальная или минимально возможная температура стенок трубы при эксплуатации; t_ф- наименьшая или наибольшая температура, при которой фиксируется расчётная схема трубопровода.

К кратковременным нагрузкам и воздействиям на трубопровод относят такие нагрузки, действие которых может длиться от нескольких секунд до нескольких месяцев:

1. Снеговая нагрузка, приходящаяся на единицу длины трубопровода:

q_сн. = n×m×S_o×D_из., (9.13)

где n- коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,4); m- коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на трубопровод (m = 0,4); S_o- нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли, определяемое в соответствии со СНиП 2.01.07-85, Н/м²; D_из.- диаметр изолированного трубопровода, м.

2. Нагрузка от обледенения наземного трубопровода, приходящаяся на единицу длины трубопровода:

q_лед. = n×0,17 В D_из., (9.14)

где n- коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,3); В- толщина слоя гололёда, принимаемая в соответствии со СНиП 2.01.07-85, мм; D_из.- диаметр изолированного трубопровода, см.

3. Ветровая нагрузка на единицу длины трубопровода, перпендикулярная его осевой вертикальной плоскости:

q_вет. = n×w_o×k×c×D_из., (9.15)

где n- коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1); W_o - нормативное значение ветрового давления, определяемое в соответствии со СНиП 2.01.07-85, Н/м²; k- коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте и тип местности, определяется в соответствии со СНиП 2.01.07-85; с- аэродинамический коэффициент (с = 0,5).

Особыми нагрузками и воздействиями на магистральные трубопроводы принято называть те, которые возникают в результате селевых потоков, деформаций земной поверхности в карстовых районах и районах подземных выработок, а также деформаций грунта, сопровождающихся изменением его структуры. В соответствии с принятой методикой расчёта прочности по предельным состояниям различают расчётные и нормативные нагрузки. Под нормативной понимают нагрузку N^(н), установленную нормативными документами и определённую на основании статистического анализа при нормальной эксплуатации сооружения. Расчётной называют нагрузку, учитывающую возможное отклонение от нормативной: N_р= n*N^(н), где n- коэффициент надёжности по нагрузке. Коэффициенты надёжности n для различных видов нагрузки и воздействий регламентируются СНиП 2.05.06-85.