Механический расчет магистрального газопровода

Произвести механический расчет магистрального газопровода, наружный диаметр которого D = 1020 мм (см. РГР 5).

Трубы из стали 10Г2ФБ. Внутренне давление в газопроводе р = 7,5 МПа. Наименьшая температура грунта на глубине укладки трубы t₁ = 5 °С, температура воздуха во время укладки t₂ = 16 °С. Радиус изгиба трубы _и = 1000 м. Категория участка газопровода IV.

Целью механического расчета газопровода является расчет газопровода на прочность, то есть определение толщины стенки труб; определение напряжений, действующих в газопроводе; проверка прочности трубопровода с учетом условий эксплуатации.

1 Определение толщины стенки труб

Магистральные трубопроводы рассчитывают по методу предельных состояний. Под предельным понимается такое состояние конструкции, при котором ее дальнейшая нормальная эксплуатация невозможна.

Различают три предельных состояния:

• первое предельное состояние  по несущей способности (прочности и устойчивости конструкций, усталости материала), при достижении которого конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает такие остаточные деформации, которые не допускают ее дальнейшую эксплуатацию;

• второе предельное состояние  по развитию чрезмерных деформаций от статических и динамических нагрузок, при достижении которого в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются деформации или колебания, исключающие возможность дальнейшей эксплуатации;

• третье предельное состояние  по образованию или раскрытию трещин, при достижении которого трещины в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются и раскрываются до такой величины, при которой дальнейшая эксплуатация конструкции становится невозможной.

Стальные заглубленные трубопроводы рассчитывают по первому предельному состоянию. Предельным состоянием для магистральных трубопроводов является достижение в металле труб напряжений, равных временному сопротивлению (пределу прочности).

Однако постоянная работа металла труб в области напряжений, превышающих предел текучести, также нежелательна, так как при этом происходит наклеп металла, и трубы становятся хрупкими. Поэтому производится проверка на развитие чрезмерных пластических деформаций.

1.1 Чтобы не нарушалась прочность газопровода, толщина стенки труб должна удовлетворять неравенству

_1расч  n·p·D / [2·(n·p + R₁)], м,

где n – коэффициент перегрузки, зависящий от назначения трубопровода (нефтепровод или газопровод) и от температуры вспышки перекачиваемого продукта. Для газопровода n = 1,15 ([59], стр. 155);

p – рабочее избыточное давление в трубопроводе, МПа. p = 7,5 МПа (см. условие);

D – наружный диаметр трубопровода, м; D = 1020 мм (см. РГР 5);

R₁ – расчетное сопротивление металла трубы и сварных соединений, МПа.

R₁ = R₁^н·m / (K₁·K_н), МПа,

где R₁^н – нормативное сопротивление растяжению материала труб и сварных соединений, определяемое из условий работы на разрыв, МПа

R₁^н = _в, МПа,

где σ_в – предел прочности материала труб, МПа. Для низколегированной стали 10Г2ФБ _в = 590 МПа ([88], стр. 751, табл. Г.1)

R₁^н = 590 МПа

m – коэффициент условий работы газопровода. Для линейных участков m = 0,9 ([58], стр. 201);

K₁ – коэффициент надежности по материалу, зависящий от типа труб и марки стали. Для сварных труб из стали контролируемой прокатки марки 10Г2ФБ K₁ = 1,34 ([88], стр. 751, табл. Г.1);

K_н – коэффициент надежности по назначению, зависящий от назначения трубопровода (газопровод или нефтепровод). При условном диаметре газопровода 1000 мм и 7,4 < р ≤ 9,8 МПа K_н = 1,05 ([58], стр. 202, таблица 11.2).

R₁ = 590·0,9 / (1,34·1,05) = 377,40 МПа

₁  1,15·7,5·1,02 / [2·(1,15·7,5 + 377,40)] = 0,01140 м = 11,40 мм

Полученное значение _1расч = 11,40 мм округляется до ближайшего большего по ТУ-У-14-8-16-99 на трубы Харцызского трубного завода до ₁ = 12,3 мм ([88], стр. 751, табл. Г.1).

1.2 Чтобы не было чрезмерных пластических деформаций, толщина стенки труб должна удовлетворять неравенству

_2расч  n·p·D / [2·(n·p + 0,9·R₂^н)], м,

где R₂^н – нормативное сопротивление растяжению, сжатию и изгибу материала труб и сварных соединений, определяемое из условий достижения предела текучести, МПа

R₂^н = _т, МПа,

где σ_т – предел текучести материала труб, МПа. Для низколегированной стали 10Г2ФБ _т = 461 МПа ([88], стр. 751, табл. Г.1)

R₂^н = 461 МПа

₂  1,15·7,5·1,22 / [2·(1,15·7,5 + 0,9·380)] = 0,01039 м = 10,39 мм

Полученное значение _2расч = 10,39 мм округляется до ближайшего большего по ТУ-У-14-8-16-99 на трубы Харцызского трубного завода до ₂ = 10,5 мм ([88], стр. 751, табл. Г.1).

В расчет принимается большее из значений ₁ и ₂. Таким образом,  = 12,3 мм = 0,0123 м.