Напружений стан, міцність, стійкість та переміщення підземних трубопроводів

2.1 Навантаження та впливи

 

Зусилля та напруження в трубопроводах зумовлені зовнішніми і внутрішніми навантаженнями та впливами. Ці навантаження та впливи змінюються залежно від характеристик довкілля, параметрів транспортованого продукту тощо. Для лінійної частини трубопроводів основними з навантажень є внутрішній тиск, тиск ґрунту, власна вага труб і продукту, а з впливів – зміна температури, просідання та випучування ґрунту.

Врахування внутрішнього тиску при розрахунку міцності трубопроводів обов'язкове у всіх випадках, а решта навантажень враховуються залежно від конкретних умов і конструктивних схем трубопроводу на тій або іншій ділянці. Установлено, наприклад, що вертикальний тиск ґрунту на магістральні трубопроводи діаметром до 1420 мм не зумовлює таких напружень в стінці труби, які могли б зруйнувати трубопровід. Якщо ж розглядати напружений стан трубопроводу на ділянці зсуву ґрунту або на ділянці сильно деформованої основи, то тиск ґрунту може викликати найнебезпечніший для міцності труб напружений стан. На надземних переходах вага труб і продукту, яким вони заповнені, може привести до виникнення небезпечних напружень в трубопроводі. [16]

Розрізняють наступні навантаження і впливи, що діють на трубопроводи:

- силові – внутрішній тиск продукту, власна вага трубопроводу, технологічного обладнання і транспортованого продукту, тиск (вага) ґрунту, гідростатичний тиск води, снігове, вітрове та льодове навантаження, навантаження, які виникають під час випробування і пропускання трубопроводом засобів очищення та діагностування;

- деформаційні – температурний вплив, вплив попередніх напружень трубопроводу (пружний згин, розтягування компенсаторів тощо), вплив нерівномірних деформацій ґрунту, який не супроводжується зміною його структури (морозне розтріскування, селеві потоки і зсуви, деформації земної поверхні в місцях гірських виробок і карсту, просідання, випучування ґрунту, термокарстові процеси), сейсмічні впливи.

За тривалістю дії навантажень та впливів на трубопровід вони поділяються на постійні, тимчасові (які в свою чергу поділяються на довготривалі і короткотривалі) та особливі.

Відповідно до вимог СНиП 2.05.06 [68] при розрахунку магістральних трубопроводів потрібно враховувати навантаження та впливи, які виникають під час спорудження, випробування та експлуатації трубопроводів. Навантаження та впливи і зумовлені ними зусилля та напруження, називаються нормативними і позначаються індексом “ н”. Розрахункові значення навантажень та впливів, зусиль і напружень визначаються шляхом множення нормативних величин на відповідний коефіцієнт надійності по навантаженню n, який враховує можливість відхилення розрахункових значень від нормативних.

Врахування дії на трубопровід того чи іншого навантаження або сукупності навантажень залежить від схеми прокладання тієї чи іншої ділянки трубопроводу. Навантаження та впливи і відповідне їм значення коефіцієнта надійності по навантаженню n наведено в таблиці 2.1.

При розрахунку трубопроводів навантаження та впливи враховують в найневигіднішій їх комбінації.

До постійних відносяться навантаження та впливи, що діють протягом усього терміну спорудження та експлуатації трубопроводу. Розрахункові і нормативні значення постійних навантажень та впливів визначаються наступним чином.

Навантаження від власної ваги металу труби

, (2.1)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню від власної ваги (таблиця 2.1);

– нормативне навантаження від власної ваги металу труби;

g – прискорення вільного падіння;

– густина металу з якого виготовлена труба;

F – площа поперечного перерізу труби;

D_З , D_В – відповідно зовнішній і внутрішній діаметр трубопроводу.

 

 

У разі ізолювання трубопроводу стрічковим покриттям навантаження від власної ваги ізоляційного покриття

, (2.2)

де – відповідно розрахункове і нормативне навантаження від ваги ізоляційної стрічки та обгортки.

Нормативне навантаження від ваги ізоляційної стрічки та обгортки відповідні рівні

, (2.3)

, (2.4)

де k_із – коефіцієнт, який враховує величину напуску. При одношаровій ізоляції k_із=1,09,а при двошаровій ізоляції – k_із=2,30;

δ_с, δ_об – відповідно товщина стрічки та обгортки (таблиця К.1);

– прискорення вільного падіння;

ρ_с, ρ_об – відповідно густина стрічки та обгортки (таблиця К.1).

У разі ізолювання трубопроводу бітумним покриттям навантаження від власної ваги ізоляційного покриття

, (2.5)

де – густина ізоляції;

– зовнішній діаметр ізольованого трубопроводу. [4]

Для орієнтовних розрахунків надземних переходів вагу ізоляційного покриття і різних пристроїв, які можуть бути встановлені на трубопроводі можна розрахувати за формулою

. (2.6)

Вплив попереднього напруження зумовленого пружним згином трубопроводу на поворотах в горизонтальній і вертикальній площинах характеризується повздовжніми згинаючими напруженнями

, (2.7)

де n_зг – коефіцієнт надійності по навантаженню при згині (таблиця 2.1);

Е – модуль пружності матеріалу труби;

– радіус пружного згину осі трубопроводу.

Навантаження від ваги ґрунту над трубопроводом (тиск ґрунту на підземний трубопровід) орієнтовно можна розрахувати за формулою

, (2.8)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню від ваги ґрунту (таблиця 2.1);

– питома вага ґрунту;

– середня глибина закладання осі трубопроводу.

Навантаження від ваги води над трубопроводом (гідростатичний тиск води для підводних трубопроводів) визначається вагою рідини над верхньою твірною труби

, (2.9)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню від ваги води (таблиця 2.1);

– густина води;

– висота стовпа води над верхньою твірною труби.

Тимчасовими називаються навантаження і впливи, які діють на трубопровід на протязі обмеженого часу, меншого, чим розрахунковий час його експлуатації.

До тимчасових довготривалих відносяться навантаження і впливи, дія яких на протязі певного часу під час спорудження або експлуатації трубопроводу може бути відсутня.

Внутрішній тиск, робоче (нормативне) значення якого встановлюється проектом, відноситься до тимчасових довготривалих навантажень і впливів. Для нафтопроводів і нафтопродуктопроводів внутрішній тиск не повинен бути нижче пружності парів транспортованого продукту при максимальній розрахунковій температурі. Внутрішній тиск створює в стінках трубопроводу кільцеві та повздовжні напруження. Кільцеві напруження діють тангенціально до поверхні трубопроводу

, (2.10)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню від внутрішнього тиску (таблиця 2.1);

– робочий тиск в трубопроводі;

– номінальна товщина стінки трубопроводу.

Повздовжні напруження від внутрішнього тиску для прямолінійної ділянки підземного трубопроводу, який повністю защемлений ґрунтом або для надземного трубопроводу без компенсаторів

, (2.11)

де – коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуасона).

Для ділянок підземного трубопроводу у місцях виходу на поверхню, на поворотах, де не забезпечується повне защемлення ґрунтом та для надземних трубопроводів в яких передбачена компенсація температурних деформацій

. (2.12)

Навантаження від ваги продукту, який знаходиться в трубопроводі одиничної довжини:

- у разі перекачування природного газу

, (2.13)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню від ваги продукту (таблиця 2.1);

– густина газу при нормальних умовах;

– коефіцієнт стиску газу;

– абсолютна температура газу;

- у разі перекачування природного газу допускається приймати

; (2.14)

- у разі перекачування нафти та нафтопродуктів

, (2.15)

де – густина транспортованої нафти, нафтопродукту.

Температурні впливи зумовлюють в повністю защемленому підземному чи надземному трубопроводі повздовжні напруження розтягу та стиску

, (2.16)

де – коефіцієнт перевантаження по температурному впливі (таблиця 2.1);

– коефіцієнт лінійного розширення металу труби;

– розрахунковий температурний перепад. Температурний перепад потрібно приймати рівним різниці між максимально або мінімально можливою температурою стінок трубопроводу в процесі експлуатації і найменшою або найбільшою температурою стінок труби, при якій фіксується розрахункова схема трубопроводу. Для орієнтовних розрахунків підземних трубопроводів температурний перепад можна приймати ±40⁰С, надземних ±50⁰С.

Сумарні повздовжні напруження від впливу температурного перепаду та внутрішнього тиску

. 2.17)

Сумарні повздовжні напруження від впливу температурного перепаду, внутрішнього тиску та пружного згину

. (2.18)

До тимчасових короткотривалих відносяться навантаження і впливи, дія яких може тривати від декількох секунд до декількох місяців.

Снігове навантаження, яке припадає на одиницю довжини надземного трубопроводу

, (2.19)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню від ваги снігового покрову (таблиця 2.1);

– ширина горизонтальної проекції надземного трубопроводу ();

– нормативне значення ваги снігового покрову на 1 горизонтальної поверхні на рівні прокладання трубопроводу.

Нормативне значення ваги снігового покрову на 1 горизонтальної поверхні на рівні прокладання трубопроводу рівне

, (2.20)

де – нормативне значення ваги снігового покрову на 1 м² горизонтальної поверхні землі;

– коефіцієнт переходу від ваги снігового покрову на одиницю поверхні землі до ваги снігового покрову на одиницю поверхні площадки на рівні прокладання трубопроводу, для одиниці довжини трубопроводу =0,4.

Льодове навантаження

, (2.21)

де – коефіцієнт надійності по льодовому навантаженні (таблиця 2.1);

b – товщина шару льоду (приймається згідно нормативних документів залежно від району будівництва);

k – коефіцієнт, який враховує зміну товщини шару льоду залежно від положення трубопроводу над поверхнею землі (таблиця 2.2).

 

Вітрове навантаження на трубопровід, яке діє в горизонтальній площині перпендикулярно до його осі

, (2.22)

де – коефіцієнт надійності по вітровому навантаженні (таблиця 2.1);

– нормативне значення статистичної складової вітрового тиску на трубопровід, яка зумовлена середньою швидкістю вітру;

– нормативне значення динамічної складової вітрового тиску на трубопровід, яка зумовлена пульсацією вітрового потоку. [30]

Навантаження і впливи, пов'язані з просіданням і випучуванням ґрунту, зсувами, переміщенням опор, впливом гірських виробок, карстів тощо, повинні визначатися на основі аналізу ґрунтових умов і їх можливої зміни під час будівництва і експлуатації трубопроводу.

Надземні трубопроводи, якими проходять засоби очищення та діагностування трубопроводів, потрібно додатково розраховувати на динамічні впливи, які зумовлені рухом цих засобів.

Одночасно на споруду діють декілька навантажень і впливів в тих або інших поєднаннях. Ці поєднання установлюються з аналізу реальних варіантів одночасної дії різних навантажень для розглядуваної стадії роботи конструкції або її основи. Згідно вимог СНиП 2.0107 [67] встановлюються основні поєднання навантажень і впливів, які складаються з постійних, довготривалих та короткотривалих, і особливі поєднання, які включають в себе, крім навантажень основного поєднання, одне з особливих навантажень, наприклад, сейсмічне, технологічне тощо.

При врахуванні поєднань, які включають постійні і не менше двох тимчасових навантажень, розрахункові значення тимчасових навантажень або відповідних їм зусиль потрібно множити на коефіцієнти поєднань, які рівні:

- в основних поєднаннях для довготривалих навантажень , для короткотривалих ;

- в особливих поєднаннях для довготривалих навантажень ; для короткотривалих . При цьому особливе навантаження потрібно приймати без знижень.

При врахуванні основних поєднань, які включають постійні навантаження і одне тимчасове навантаження (довготривале або короткотривале), коефіцієнти і вводити не потрібно.