Оборудование насосных и тепловых станций.

См. учебник стр. 314 Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов: учебник для вузов/А.А. Коршак, А.М. Нечваль – СПб.: Недра, 2008 – 486 с.

Нагрузки и воздействия на магистральном газопроводе

Внутренние усилия в трубопроводах появляются от внешних и внутренних нагрузок. Эти нагрузки изменяются в зависимости от характеристик окружающей среды, параметров перекачиваемого продукта и т. д. Для линейной части трубопроводов основными являются из нагрузок – внутреннее давление, давление грунта, собственный вес труб и продукта, а из воздействий – изменение температуры, просадка и пучение грунта, давление оползающих грунтов.

В соответствии с принятой методикой расчёта прочности по предельным состояниям различают расчётные и нормативные нагрузки. Под нормативными понимают нагрузки , устанавливаемые нормативными документами и определяемые на основании статистического анализа при нормальной эксплуатации сооружения. Расчётной называют нагрузку, учитывающую возможное отклонение от нормативной: , где n – коэффициент надёжности по нагрузке. Коэффициенты надёжности n для различных видов нагрузки и воздействий регламентируются СНиП 2.05.06-85.

3. Рис. 6.1. Оценка остаточного ресурса трубопровода

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

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

1. Собственный вес трубопровода, учитываемый в расчетах как вес единицы длины трубопровода

, (6.10)

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

2. Вес изоляционного покрытия и различных устройств, которые могут быть на трубопроводе. Для надземных трубопроводов ориентировочно можно принимать равным, примерно, 10% от собственного веса трубы. Точнее вес изоляционного покрытия определяют по формуле

, (6.11)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,1); _из – удельный вес материала изоляции, Н/м³; D_из и D_н – соответственно диаметр изолированного трубопровода и его наружный диаметр, м.

3. Давление грунта на единицу длины трубопровода. Для практических расчётов можно определять по формуле

, (6.12)

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

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

, (6.13)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,0); _в – удельный вес воды с учётом засоленности 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 погруженного в воду трубопровода

, (6.14)

где D_ф – наружный диаметр трубы с учётом изоляционного покрытия и футеровки, м; _в – удельный вес воды с учётом засоленности и наличия взвешенных частиц, Н/м³.

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

, (6.15)

где – максимальное продольное напряжение в стенках трубы, обусловленное изгибом трубопровода, МПа; Е – модуль упругости (Е = 206000 МПа); D_н – наружный диаметр трубопровода, м;  – 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. Кольцевые напряжения определяют по формуле

, (6.16)

где n – коэффициент перегрузки по внутреннему давлению (n = 1,1; 1,15); Р – нормативное значение внутреннего давления, МПа; D_вн – внутренний диаметр трубы, м;  – толщина стенки трубы, м.

Продольные напряжения в стенке трубы от внутреннего давления определяются по формуле

, (6.17)

где  – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона). Для сталей , т.е. среднее значение .

2. Вес перекачиваемого продукта на единицу длины трубопровода определяют по формуле

, (6.18)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1); D_вн – внутренний диаметр трубы, м.

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

, (6.19)

где  – коэффициент линейного расширения ( = 12·10⁶ 1/град); Е – модуль упругости, МПа; , здесь t₀ – максимально или минимально возможная температура стенок трубы при эксплуатации; t_ф – наименьшая или наибольшая температура, при которой фиксируется расчётная схема трубопровода (укладка трубы в траншею или на опоры).

К кратковременным нагрузкам и воздействиям на трубопровод относят следующие:

1. Снеговая нагрузка, приходящаяся на единицу длины трубопровода

, (6.20)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,4);  – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на трубопровод ( = 0,4); S₀ – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли; D_из – диаметр изолированного трубопровода, м.

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

, (6.21)

где n = 1,3; в – толщина слоя гололеда, 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

, (6.22)

где n = 1,2; ₀ – 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. Эти нагрузки должны определяться на основании данных анализа грунтовых условий и их возможного изменения в процессе строительства и эксплуатации трубопровода.

Виды и классификация отказов линейной части трубопроводов

Отказом называют нарушение работоспособности линейной части, приводящее к отключению участка МТ между линейной арматурой для восстановления его работоспособности. За критерий отказа технологического объекта МТ принимаются наличие и величина утечки продукта через разрывы, трещины, свищи, др. повреждения и факт простоя, недопустимые по условиям эксплуатация объекта МТ в целом. Отказы, повреждения объектов МТ отличаются между собой природой возникновения, стадией существования объекта, на которой зародился отказ или повреждение, возможностью их прогнозирования и другими факторами.

Расчёт трубопровода на прочность заключается в определении толщины стенки труб из условия:

_кц = npD_вн/2 ≤ R₁ = R₁^нm/(k₁k_н) , (75)

где R₁ – первое расчётное сопротивление; R₁^н – первое нормативное сопротивление, соответствующее минимальному значению предела прочности, принимаемое по техническим условиям на трубы; m – коэффициент условий работы трубопровода, который зависит от категорий участка трубопровода; k₁ – коэффициент надёжности по материалу, принимаемый по СНиП 2.05.06-85; k_н – коэффициент надёжности по назначению трубопровода, принимаемый равным 1 при D_у = 1200 мм и равным 1,05 для труб D_у = 1200 мм.

Расчётная толщина стенки трубопровода определяется по формуле:

 = npD_н/2(R₁ + nР), (76)

где ₃ – коэффициент двухосного напряжённого состояния;  – минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода; _кц^н – кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давления.

Если условия прочности и недопустимости деформаций выполняются, то несущая способность трубопровода обеспечена.

При проектировании трубопроводов встречаются два основных расчётных случая:

1. Заданы внутреннее давление P, характеристики стали – _вр и _т – требуется определить толщину стенки труб .

2. Заданы толщина стенки труб  и характеристики стали – _вр и _т – требуется определить допустимое рабочее давление Р.