81) Трубопроводы находятся в сложном напряжённом состоянии, подвергаясь воздействию многочисленных нагрузок.

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:

d_кц. = n×P×D_вн./ 2d, (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.

   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^-2 Р Д²_вн., (9.10)

где Р - рабочее ( нормативное ) давление, МПа.

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×D t, (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.

82) При сооружении резервуаров целесообразно применять систему укрытий с разделением функций: общее укрытие для защиты всего резервуара от атмосферных воздействий и местное укрытие для создания необходимого температурного режима.

Теплоизоляцию необходимо защищать от атмосферных воздействий (особенно от влаги) как в период строительства, так и во время эксплуатации сооружения.

Ее проектируют с учетом температуры хранимого продукта, изготовляют из листового металла в форме сферических лепестков, имеющих несколько вариантов раскроя: по типу футбольного мяча — при сооружении, как правило, резервуаров диаметром до 13 м, меридиональный — резервуаров диаметром до 16 м, широтно-меридио-нальный — резервуаров больших диаметров.Это необходимо в тех случаях, когда грунт в районе сооружения сферического резервуара может дать неравномерную осадку.

Изоляция может быть использована при сооружении емкостей, имеющих практически любую форму.

При сооружении резервуаров особенно важно, чтобы в теплоизоляцию не проникала влага.

Главные критерии при сооружении резервуаров — обеспечение прочности, проектных размеров резервуаров и качество сварных швов.

При сооружении толстостенных сосудов могут быть использованы все виды манипуляторов соответствующей грузоподъемности.

При сооружении сферических емкостей большое значение придается сохранению правильной геометрической формы

83) Расчетную толщину стенки трубопровода d, см, следует определять по формуле

. (12)

При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять из условия

, (13)

где n - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению в трубопроводе,

р - р - рабочее (нормативное) давление, МПа;

D_н - наружный диаметр трубы, см;

R₁ - Расчетные сопротивления растяжению;

y₁ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб, определяемый по формуле

, (14)

где s_пр.N - продольное осевое сжимающее напряжение, МПа, определяемое от расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы металла труб в зависимости от принятых конструктивных решений.

Толщину стенки труб, определенную по формулам (12), и (13), следует принимать не менее 1/140 D_н, но не менее 3 мм для труб условным диаметром 200 мм и менее, и не менее 4 мм - для труб условным диаметром свыше 200 мм.

Увеличение толщины стенки при наличии продольных осевых сжимающих напряжений по сравнению с величиной, полученной по формуле (12), должно быть обосновано технико-экономическим расчетом, учитывающим конструктивные решения и температуру транспортируемого продукта.

Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляется до ближайшего большего значения, предусмотренного государственными стандартами или техническими условиями. При этом минусовый допуск на толщину стенки труб не учитывается.