Повздовжні переміщення підземних трубопроводів

 

Під час експлуатації трубопроводу його поведінку прогнозувати надзвичайно складно. Положення трубопроводу не залишається назавжди таким, яким воно було у момент укладання його в траншею. Під впливом повздовжніх зусиль, які зумовлені навантаженнями та впливами, воно безперервно змінюється. Причому ці зміни бувають настільки істотні, що можуть привести до руйнування трубопроводу.

Для визначення положення трубопроводу та діючих в ньому зусиль в будь-який момент часу потрібно мати дані про його початкове положення. Під початковим розуміють будь-яке положення трубопроводу з чітко зафіксованими параметрами: геометричне положення головної осі в просторі, повздовжнє зусилля в стінці труби, температура труб і довкілля, внутрішній тиск, фізико-механічні характеристики ґрунтів, які оточують трубопровід, та їх розподіл вздовж головної осі. Тільки маючи ці дані, можна визначити, що відбудеться з трубопроводом в подальшому після початкового моменту часу як в зміні його геометричних характеристик, так і напруженого стану. Визначення початкового положення трубопроводу є не менш складна задача, ніж знаходження будь-якого іншого положення.

Часто за початкове положення трубопроводу приймають положення у момент укладання труб в траншею, іноді – у момент ліквідації технологічних розривів, у момент засипання трубопроводу ґрунтом, у момент введення трубопроводу в експлуатацію тощо. Однак це настільки невизначені положення, що говорити про них, як про чітко зафіксовані положення трубопроводу, не можна. Ця обставина ускладнюється ще і тим, що при спорудженні трубопроводів, при введені їх в експлуатацію та при експлуатації не проводиться вимірювання таких найважливіших параметрів, як планове і висотне положення трубопроводу, температура стінки труб при засипанні траншеї, перед випробуванням трубопроводу. Не проводяться регулярні їх вимірювання під час експлуатації трубопроводів. Хоча існуючі прилади і методи геодезичного контролю дозволяють точно і швидко фіксувати положення труб перед засипанням. Також на сьогодні широко впроваджуються Global Position System (GPS) технології, які дозволяють з достатньо високою точністю зафіксувати положення трубопроводу перед засипанням (рисунок 2.11). Датчики, встановлені на трубах хоча б через 0,5-1 км, дадуть можливість вимірювати температуру труб у будь-який момент часу. Не є складним проведення експрес-аналізу через кожні 100-200 м вздовж трубопроводу таких властивостей ґрунтів, як пористість, вологість, несуча здатність.

Весь час експлуатації трубопровід знаходиться в нестабілізованому положенні, яке є для нього основним. Взаємозв'язок між усіма характеристиками трубопроводу настільки істотний, що зміна навіть однієї з них приводить до зміни інших.

Повздовжніми називаються переміщення трубопроводу вздовж його повздовжньої осі . Повздовжні переміщення підземного трубопроводу мають виключно важливе значення для збереження або зміни його положення відносно початкового. Покажемо це на характерному прикладі.

Виріжмо з прямолінійного трубопроводу в однорідному ґрунті ділянку довжиною . Нехай його початкове положення характеризується відсутністю в трубі повздовжньої сили – головна вісь прямолінійна. Переміщень перерізів 1-1, 2-2 (рисунок 2.12) при такій початковій умові немає. Зміна будь-якої з початкових умов, наприклад, температури стінки труб або внутрішнього тиску, приведе до виникнення в трубопроводі повздовжньої сили. Внаслідок цього перерізи 1 і 2 перемістяться на величину в положення 1' і 2' (при умові, якщо за межами ділянки є ділянки меншої повздовжньої жорсткості). Отже, видовження ділянки приводить до зміни початкового положення трубопроводу, наприклад на найближчій до ділянки ділянці пружного згину з початковою стрілкою прогину . Стрілка прогину збільшиться на . В перерізі 3 трубопровід може випучитись з ґрунту і при деякому значенні навіть зруйнуватися.

 

Рисунок 2.12 – Переміщення трубопроводу в місці викривленої ділянки

 

Саме наявність вздовж трубопроводу ділянок різної повздовжньої жорсткості і неповне защемлення трубопроводу ґрунтом приводить до повздовжніх видовжень труб на ділянках більшої жорсткості і збільшення стрілки прогину на ділянках меншої жорсткості.

До ділянок меншої (порівняно з прямолінійними ділянками) жорсткості відносяться ділянки пружного згину, повороти труб в плані, по вертикалі, трійникові з'єднання тощо.

Наведемо приклад виходу з ладу надземного переходу нафтопроводу, спорудженого за схемою провислої нитки, через ріку шириною 400 м (рисунок 2.13). Початкова стрілка прогину була визначена під час проектування. Проектний розрахунок враховував видовження тільки провислої частини . Під час експлуатації трубопровід поступово став опускатися все нижче і, нарешті, посередині прогону опустився в ріку. Проведений аналіз показав, що переріз А-Аперемістився більше ніж на 0,5 м за рахунок "витягування" труб на ділянці силою S,що було достатньо для збільшення прогину на 5,5 м. В даному випадку ми маємо основний розрахунковий випадок: переміщення напівнескінченого трубопроводу зосередженою силою S. Якщо б трубопровід був повністю защемлений ґрунтом, аварії б не відбулося. Не було б її і в тому випадку, якщо б при проектуванні враховувалася можливість повздовжнього переміщення перерізу А-А.

Таким чином, при аналізі можливих змін положення трубопроводу, перш за все слід звертати увагу на ділянки меншої повздовжньої жорсткості. При цьому перевіряти їх міцність необхідно з урахуванням переміщень прилеглих до них ділянок з більшою повздовжньою жорсткістю, оскільки ці переміщення "збираються" саме на слабких ділянках.

Розрахунки повздовжніх переміщень підземних трубопроводів мають виключне значення при оцінці збереження або зміни його положення під час експлуатації. Особливо це відноситься до ділянок спряження конструктивних схем прокладання (рисунок 2.13).

Силами, які перешкоджають повздовжньому переміщенню труб, є сили тертя зовнішньої поверхні трубопроводу до ґрунту, які залежать від периметра самої труби і від опору ґрунту зсуву в виді дотичних напружень (рисунок 2.14). Опір ґрунту зсуву залежить від пружних властивостей системи "труба-ґрунт" і повздовжніх зусиль.

 

а – загальний вид; б – підземна ділянка; 1 – трубопровід;

2 – опора; 3 – ріка

Рисунок 2.13 – Схема деформації надземного трубопроводу і прилеглої до нього підземної ділянки

 

При переміщенні трубопроводу по його контакту з ґрунтом може встановлюватись пружний, пружно-пластичний або пластичний зв'язок.

В цих моделях приймається припущення, що через деякий час після прикладання повздовжнього зусилля, яке викликає переміщення трубопроводу, сила, яка виникає по контакту труба-ґрунт стабілізується, а переміщення досягає максимального значення для даного повздовжнього зусилля.

Таке припущення було б справедливе, якщо б ґрунт не мав властивість повзучості, тобто властивість деформуватися при незмінному навантаженні, яке діє тривалий час. Таким чином загальна величини переміщення будь-якого перерізу трубопроводу, складається з двох складових

, (2.85)

де – умовно миттєве переміщення, яке визначається без врахування повзучості ґрунту;

– переміщення, яке залежить від реологічних властивостей ґрунту.

Розглянемо характер взаємодії трубопроводу з ґрунтом.

На ділянці І рисунок 2.14 зв'язок між ґрунтом та трубою пружний і характеризується залежністю, запропонованою В.А. Флоріним

, (2.86)

де – інтенсивність дотичних напружень в перерізі х;

– коефіцієнт опору ґрунту при повздовжньому переміщенні трубопроводу (коефіцієнт постелі ґрунту при зсуві) (таблиця 2.8);

– повздовжні переміщення трубопроводу відносно ґрунту в перерізі х.

Ця область характерна порівняно малими переміщеннями (біля 20 мм – пісок, 5 мм – глина для труб умовним діаметром рівним 1000 мм).

В точці "К" (рисунок 2.14) дотичні напруження досягають граничної величини і на ділянці ІІ ґрунт переходить в граничний напружений стан. Переміщення трубопроводу проходять при незмінному значенні дотичних напружень рівному (відбувається ковзання труби відносно ґрунту

Пластичний зв'язок характеризується тим, що переміщення трубопроводу можливі тільки при умові

. (2.87)

Якщо тільки виконується умова

(2.88)

повздовжні переміщення трубопроводу припиняються повністю. Тобто в основі цієї моделі лежить припущення, що трубопровід утримується у ґрунті від переміщень тільки силами тертя і зчеплення з ґрунтом. Пластичний зв'язок характеризується властивістю пластичного тіла Прандтля-Кулона, яка записується у вигляді залежностей:

- до ковзання

; (2.89)

- в ході ковзання

, (2.90)

де – граничне дотичне напруження по контакту трубопроводу з ґрунтом;

– середні нормальні напруження в ґрунті по контакту системи труба-ґрунт;

– кут внутрішнього тертя ґрунту;

– зчеплення ґрунту;

– відновлювальна частина зчеплення ґрунту при ковзанні труби. [10]

Розглянуті моделі взаємодії труби з ґрунтом дозволяють визначити умовно миттєве переміщення трубопроводу .

Розглянемо методику розрахунку повздовжніх переміщень підземного трубопроводу при пружному і пружно-пластичному зв'язку з ґрунтом.

Характер зв'язку трубопроводу з ґрунтом визначається за умовою

, (2.91)

де – еквівалентне повздовжнє зусилля в трубопроводі зумовлене зміною внутрішнього тиску та температури;

– граничне повздовжнє зусилля в трубопроводі, при якому по контакту труба-ґрунт має місце пружний зв'язок.

Еквівалентне повздовжнє зусилля рівне

. (2.92)

Граничне повздовжнє зусилля в трубопроводі, при якому по контакту труба-ґрунт має місце пружний зв'язок рівне

, (2.93)

де – граничне дотичне напруження по контакту трубопроводу з ґрунтом;

– коефіцієнт, який рівний

. (2.94)

Якщо умова (2.91) виконується то по контакту труба-ґрунт має місце пружний зв'язок. На рисунку 2.15 наведена розрахункова схема для визначення переміщень трубопроводу при дії по контакту труба-ґрунт тільки пружного зв'язку.

Якщо прикласти до кінця напівнескінченого трубопроводу зусилля , то трубопровід буде розтягуватись і переріз видовжиться на величину . Відповідно переміститься в повздовжньому напрямі і переріз х на величину . На деякій віддалі від місця прикладання зусилля переміщення затихнуть. Це може бути, наприклад, в перерізі (точка О), який і взятий за початок системи координат. Переміщення будь-якого перерізу залежить від опору, який чинить оточуючий ґрунт трубопроводу, який переміщується, і повздовжнього зусилля в трубопроводі.

Повздовжні переміщення трубопроводу , дотичні напруження по контакту труба-ґрунт і повздовжні зусилля в перерізі розглядуваної ділянки трубопроводу довжиною визначаються за формулами

, (2.95)

, (2.96)

, (2.97)

де , – відповідно функції гіперболічних синуса і косинуса;

– довжина ділянки, на якій встановився пружний зв'язок.

Гіперболічний синус і косинус відповідно рівні

, (2.98)

. (2.99)

Довжина ділянки , в межах якої мають місце повздовжні переміщення, з точністю до 6 % рівна

. (2.100)

Максимальні переміщення і дотичні напруження мають місце в кінці ділянки

, (2.101)

. (2.102)

Якщо , то зв'язок між трубопроводом і ґрунтом з пружного переходить в пластичний, при якому дотичні напруження по контакту труба-ґрунт не залежать від значення повздовжніх переміщень і рівні . Таким чином, відрізок трубопроводу, який переміщується, збільшиться, і в його межах, біля ділянки пружного зв’язку трубопроводу з ґрунтом формується ділянка пластичного зв’язку . В такому випадку для ділянки пружного зв’язку для визначення параметрів , , можна користуватися формулами (2.95), (2.96), (2.97) з заміною величини на . [4]

Розрахункова схема визначення переміщень напівнескінченого трубопроводу при наявності ділянок пружного і пластичного зв'язку наведена на рисунку 2.16.

 

В кінці ділянки пружного зв'язку трубопроводу з ґрунтом повздовжні переміщення трубопроводу будуть рівні

, (2.103)

дотичні напруження по контакту труба-ґрунт

, (2.104)

повздовжні зусилля в трубі

. (2.105)

Ділянка пластичного зв'язку сприймає частину зусилля, яке залишилось .

Довжина ділянки пластичного зв'язку трубопроводу з ґрунтом

, (2.106)

де – опір ґрунту повздовжнім переміщенням відрізка трубопроводу одиничної довжини.

Повздовжні зусилля по довжині трубопроводу на ділянці змінюються за наступною залежністю

. (2.107)

Дотичні напруження по контакту труба-ґрунт на ділянці рівні

. (2.108)

Повздовжні переміщення трубопроводу на ділянці пластичного зв'язку трубопроводу з ґрунтом з урахуванням зміщення на ділянці рівні

. (2.109)

Повне повздовжнє переміщення кінцевого перерізу трубопроводу

. (2.110)

На практиці часто доводиться зустрічатися з умовами, при яких зусилля, яке зумовлює повздовжні переміщення, саме залежить від переміщення. Наприклад в місцях виходу трубопроводу на поверхню та сполучення з балковими, арковими переходами, трубопроводами у вигляді провислої нитки, підводними трубопроводами тощо (рисунок 2.17).

Повздовжньою жорсткістю трубопроводу (коефіцієнт пружного відпору) називається пружна характеристика, яка установлює зв'язок

, (2.111)

де – коефіцієнт пружної протидії в перерізі ;

, – відповідно повздовжня сила і переміщення в перерізі .

 

1 – підземна ділянка; 2 – Г-подібний компенсатор;

3 – надземна ділянка переходу

Рисунок 2.17 – Схема ділянки сполучення підземного трубопроводу з балковим переходом

 

Для Г-подібного компенсатора

, (2.112)

де – розпір компенсатора;

– виліт компенсатора.

Прийнявши і , отримаємо

. (2.113)

Як видно з (2.111) при , при . Прикладом повздовжньої жорсткості може бути прямолінійний трубопровід умовно нескінченої довжини при повздовжній силі менше критичної коли відбувається втрата стійкості трубопроводу. В цьому випадку переміщення будь-якого перерізу рівне нулю. Прикладом є випадок напівнескінченого трубопроводу з вільним кінцем, так як переміщення вільного кінця труб нічим не обмежується. Проміжні між граничними значеннями повздовжньої жорсткості є усі інші , які визначаються у кожному конкретному випадку. Наприклад лінійна залежність , нелінійна залежність , де – граничне переміщення, – показник степені. Опір повздовжньому переміщенню кінця напівнескінченого трубопроводу враховується в граничній повздовжній силі, яка приймається рівною . Так як , формула (2.101) з врахуванням повздовжньої жорсткості буде:

- при лінійній залежності для

; (2.114)

- при нелінійній квадратичній залежності

; (2.115)

- при нелінійній степеневій залежності

. (2.116)

При наявності ділянок пружного і пластичного зв’язку і вираз для повздовжнього переміщення буде

, (2.117)

де

, (2.118)

.[15] (2.119)

Повздовжні переміщення трубопроводу чинять суттєвий вплив на стан ізоляційного покриття. На ділянках трубопроводу, на яких переміщення мають систематичний характер або досягають найбільших значень, як правило, стан ізоляції значно погіршується.

Як показують обстеження діючих трубопроводів та лабораторні дослідження основними видами пошкоджень ізоляції на ділянках повздовжніх переміщень трубопроводів є задирання стрічки або обгортки в місцях напусків, зминання (рисунку 2.18, а), зморшки (рисунку 2.18, б), гофри і складки ізоляції, наскрізне та ненаскрізне прорізання ізоляції твердими ґрунтовими частинками, телескопічне зсування шарів з оголенням ґрунтовки і металу тощо.

Наскрізне прорізання ізоляції твердими ґрунтовими частинками та задирання ізоляційної стрічки в місцях напусків зумовлюють виникнення осередків інтенсивної корозії стінки трубопроводу в цих місцях (рисунок 2.19). Згідно нормативних документів, ширина напуску ізоляційної стрічки для одношарового покриття повинна складати 0,03 – 0,05 м. Тому переміщення трубопроводу на 0,02 м вже може привести до розгерметизації стрічки в напуску і оголення металу труби (за певних умов). [12]

У особливо жорстких умовах працює ізоляція, яка прилягає безпосередньо до місця викривлення осі трубопроводу в його опорній (нижній) частині. Тут на ізоляцію діють максимальні нормальні і дотичні напруження. Особливо важкі умови виникають за наявності твердих включень в ґрунті (коли ізольований трубопровід укладають на непідготоване дно траншеї)

Якщо при утворенні складки в ізоляції не порушується суцільність покриття, то корозія металу під покриттям не спостерігається. Якщо ж складки розташовані таким чином, що відбувається розгерметизація стрічки в напуску, то в цьому місці під плівкою, як правило, відбувається корозія сталі (рисунок 2.19). Причиною цього є проникнення ґрунтового розчину через утворені в напуску канали.

Ґрунтовий розчин, який проник під стрічку, може просунутись далеко від місця пошкодження ізоляції і викликати корозію труб в місцях, далеко віддалених від дефектних напусків. Такі місця є особливою небезпекою для трубопроводів, оскільки вони не можуть бути своєчасно виявлені відомими методами за винятком проведення шурфування і очищення трубопроводу від ізоляційного покриття.

Враховуючи ці обставини, необхідно ще до початку будівництва чітко зафіксувати ділянки, де повздовжні переміщення будуть небезпечними для ізоляції. Є доцільним розділити трубопроводи на дві категорії: ділянки значних повздовжніх переміщень і ділянки, де переміщення відсутні або дуже малі. На ділянках значних переміщень ізоляція завжди опиняється в складніших умовах порівняно з нерухомими ділянками. Саме на них перш за все необхідно звертати увагу при оцінці стану антикорозійного захисту підземних трубопроводів. До них слід віднести всі шлейфові трубопроводи, ділянки в районах компресорних станцій, місця переходів від підземного до наземного прокладання, ділянки трубопроводів прокладені в сильно пересіченій місцевості та інші аналогічні місця з викривленням осі трубопроводу.