Міцність підземних трубопроводів

 

Одним з найважливіших показників економічності магістральних трубопроводів є їх металоємність. Магістральні трубопроводи мають велику протяжність тому необґрунтоване збільшення розрахункової товщини стінки труб хоча б на 1 мм приводить до перевитрати сталі на десятки і навіть на сотні тисяч тон. Тому питанням розрахунку магістральних трубопроводів на міцність є надзвичайно важливе.

Під міцністю трубопроводу розуміють його здатність чинити опір внутрішнім і зовнішнім навантаженням та впливам без руйнування. Міцність є складною функціональною залежністю між несучою здатністю матеріалу, з якого виготовлені різні конструкції трубопроводу (прямі ділянки, криві, відводи, трійники тощо), та зусиллями, які виникають в цих конструкціях під дією внутрішніх і зовнішніх навантажень та впливів.

Оскільки руйнування трубопровідних конструкцій відбувається, коли їх несуча здатність виявляється недостатньою для сприйняття діючих в них зусиль, то забезпечення міцності трубопроводу може досягатися як регулюванням фізико-механічних характеристик матеріалу труб, їх розмірів (діаметру, товщини стінки), так і зміною величини зусиль, які діють в елементах конструкцій. Тому проблема забезпечення міцності трубопроводу включає комплекс задач, які полягають у визначенні зусиль в елементах конструкцій, визначенні фізико-механічних характеристик матеріалу конструкцій і їх зміни при тривалій дії навантажень (монотонна зміна, мало- і багатоциклові зміни тощо), розробленні методу оцінки настання граничного стану, при якому повністю вичерпується міцність конструкції і відбувається її руйнування та розробленні методів оцінки необхідного і достатнього запасу несучої здатності, що забезпечує неруйнування трубопроводу на весь термін його експлуатації.

Усі ці задачі об'єднуються в проектному розрахунку на міцність. Рішення видається у формі конструкцій трубопроводу і його елементів, положення трубопроводу в просторі уздовж усієї траси, вимог до фізико-механічних властивостей матеріалів. Основна мета проектного розрахунку на міцність – забезпечення неруйнування трубопроводу на весь термін його експлуатації. [1]

До кінця 50 - х років металеві конструкцій, в тому числі і трубопроводи розраховувались за методом допустимих навантажень. В розрахунок вводиться один коефіцієнт запасу міцності, який є мірою віддаленості допустимого напруження (максимально безпечне напруження для розглядуваної конструкції) від небезпечного (критичного) напруження для даної конструкції .

. (2.43)

Вибір коефіцієнту запасу міцності залежить від стану металу (крихкий, пластичний), характеру прикладених навантажень (статичні, динамічні, циклічні) та ступеня невизначеності роботи конструкції, який залежить від неоднорідності механічних властивостей матеріалу, неточності визначення навантажень та впливів, наближеності розрахункової схеми конструкції, недосконалості методики розрахунку, невизначеності в наявності дефектів та їх розмірах тощо.

Також величина коефіцієнту запасу міцності залежить від того, яке напруження рахується небезпечним: границя плинності або тимчасовий опір розриву . Так, наприклад, в машинобудуванні при статистичних навантаженнях для пластичних матеріалів коефіцієнт запасу міцності визначається за границею плинності. Його значення знаходиться в межах . Для крихких матеріалів коефіцієнт запасу міцності визначається за тимчасовим опором розриву і складає .

Коефіцієнт запасу міцності не завжди відображає напруження, що виникають в конструкції під дією зовнішніх навантажень. Крім того він усереднено враховує фізико-механічні властивості матеріалу. Така методика розрахунку дає завищені параметри поперечних перерізів конструкцій і не забезпечує в окремих випадках достатню надійність експлуатації. [70]

На сьогодні усі металеві тонкостінні листові конструкції, включаючи магістральні трубопроводи, розраховуються за методом граничних станів, який був запропонований на початку 60 - х років.

Граничним називають такий стан при досягненні якого конструкція перестає відповідати вимогам, які ставляться до неї під час експлуатації, тобто втрачає здатність опиратися зовнішнім навантаженням та впливам або отримує недопустимі деформації чи місцеві пошкодження. У разі досягнення граничного стану експлуатація конструкції припиняється.

Розрізняють три розрахункових граничних стани:

- перший розрахунковий граничний стан визначається несучою здатністю конструкції (міцність, стійкість форми або положення) при досягненні якої конструкція втрачає здатність опиратися зовнішнім навантаженням та впливам (руйнується);

- другий розрахунковий граничний стан визначається розвитком таких деформацій або переміщень від дії статичних чи динамічних навантажень та впливів при яких виникають деформацій або коливання конструкції, що перешкоджають нормальній її експлуатації;

- третій розрахунковий граничний стан визначається утворенням або розвитком тріщин чи появою місцевих пошкоджень при яких тріщини або місцеві пошкодження досягають такої величини, що подальша експлуатація конструкції стає неможлива.

Розрахунки магістральних трубопроводів проводять за першим і другим розрахунковим граничним станом третій не застосовується.

Розрахунок за першим розрахунковим граничним станом вимагає щоб максимальні розрахункові зусилля в стінці трубопроводу на протязі його експлуатації весь час були менші або рівні мінімальній несучій здатності конструкції. Ця умова в загальному вигляді може буди записана

, (2.44)

де – розрахункове зусилля в перерізі трубопроводу від сумарної дії розрахункових навантажень;

– мінімальна несуча здатність конструкції.

В розвернутому вигляді (2.44) можна записати

, (2.45)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню;

– нормативні навантаження;

– коефіцієнт умов роботи трубопроводу (таблиця 1.3);

– нормативний опір матеріалу;

– коефіцієнт надійності по матеріалу;

– коефіцієнт надійності по призначенню трубопроводу (таблиця 2.3);

– геометричні характеристики поперечного перерізу конструкції. [14]

Коефіцієнт надійності по навантаженню враховує можливі зміни навантажень порівняно з експлуатаційними.

Коефіцієнт умов роботи трубопроводу показує можливу невідповідність прийнятої розрахункової схеми реальній трубопровідній конструкції та враховує можливу взаємодію трубопроводу з довкіллям.

Коефіцієнт надійності по матеріалу відображає надійність конструкції труби, можливе зменшення тимчасового опору металу труб порівняно з його нормативним значенням та можливе зменшення товщини стінки труби порівняно з її номінальним значенням.

 

Розрахункове навантаження

. (2.46)

Розрахунковий опір матеріалу

. (2.47)

 

Тоді підставивши (2.46) і (2.47) в (2.45) умова першого розрахункового граничного стану буде

. (2.48)

Основними характеристиками міцності металу труб і зварних з'єднань в розрахунках трубопроводів є нормативні і розрахункові опори розтягу (стиску). Нормативні опори і приймаються рівними мінімальним значенням тимчасового опору розриву і границі плинності металу відповідно, які приймаються згідно з державними стандартами і технічними умовами на труби (таблиця Г.1, таблиця Г.2).

Розрахункові опори і рівні

; (2.49)

, (2.50)

де – коефіцієнт надійності по матеріалу (таблиця 2.4);

– коефіцієнт надійності по матеріалу (таблиця 2.5). [8]

Другий розрахунковий граничний стан математично можна записати

, (2.51)

де – переміщення або деформації, які є функцією геометричної форми, механічних властивостей матеріалу і нормативних навантажень;

– найбільша величина переміщень або амплітуда коливань конструкцій, які зумовлені динамічними навантаженнями.

Розрахунок трубопроводів за першим розрахунковим граничним станом проводять у таких випадках:

- на міцність і стійкість за розрахунковими навантаженнями;