Расчет патрона

При сооружении переходов через автомобильные и железные дороги укладывают патрон, в котором прокладывают трубопровод на специальных опорах. По концам патрона устанавливают сальники, а при прокладке газопровода – свечи, предназначенные для выхода газа. При сооружении перехода нефтепровода и нефтепродуктопровода на концах патрона с сальниками строят колодцы, в которых находится запорная арматура для отключения участка трубопровода и отвода из него продукта в случае аварии.

Патрон предназначен для предохранения укладываемого через него трубопровода от воздействия нагрузок, агрессивных грунтовых вод и блуждающих токов, а при аварии трубопровода для предохранения дороги от разрушения.

Патроны изготавливаются из стальных, бетонных или железобетонных труб.

1 Расчет длины патрона

1.1 Расчет длины патрона под железной дорогой.

Длина патрона l_п, уложенного под железной дорогой,

l_п = 2·l₁ + С, м,

где	l1	-	расстояние от оси крайнего пути до конца уложенного патрона, м (рис.11, а);
	С	-	расстояние между осями путей, м. Для двухколейного пути С = 4 м, для одноколейного С = 0 ([57], стр. 452; [2], стр. 104).

Минимальное расстояние l₂ от края основания железной насыпи до конца уложенного патрона выражается соотношением элементов типовых профилей железных дорог (при уклоне насыпи 1:1,5)

l₂ = l₁ - [(В – С)/2] - 3·Н/2  2 м,

где	В	-	ширина полотна дороги, м;
	С	-	расстояние между осями путей, м;
	Н	-	высота насыпи или глубина полувыемки, м.

Рис. 11 Схема дорожной насыпи для определения длины патрона:

а – железнодорожная насыпь; б – насыпь автомобильной дороги

1.2 Расчет длины патрона под автомобильной дорогой

Длина патрона l'_п , уложенного под автомобильной дорогой,

l'_п = 2·l'₁ + В, м,

где

l'1

-

расстояние от бровки полотна дороги до конца уложенного патрона, м (рис. 11,б)

1.3 Расчет длины патрона для всех видов дорог

Если при определении длины патрона под железной и автомобильной дорогами исходить из расстояния от бровки полотна дороги до конца уложенного патрона, то

l_п = 2·(3·Н/2 + l₂ ) + В, м

При сопоставлении схем, приведенных на рис.11,а и 11,б, получают

3·Н/2 + l₂ = l'₁ , м

Таким образом,l_п = 2·l₁ + В = l'_п , м

2 Определение (выбор) диаметра патрона

Диаметр патрона перехода больше диаметра рабочего трубопровода не менее чем на 100-200 мм. Рекомендуемые значения диаметра патрона ([57], стр. 454, табл. 14.6) и таблица 19 данного учебного пособия.

3 Расчет толщины стенки патрона

На патрон действуют внешние нагрузки – давление грунта и давление от веса подвижного транспорта и от упругого отпора грунта.

Согласно теории профессора М.М. Протодьяконова, разработанной для определения давления грунта на тоннельные выработки в горных породах, на патрон будет действовать давление от грунта, очерченного естественным сводом равновесия по параболе (рис.12). Давление грунта неодинаково в различных направлениях, зависит от геометрических размеров естественного свода и подразделяется на вертикальное и боковое давления, условно принимаемые равномерно распределенными по горизонтальным и вертикальным проекциям поперечного сечения патрона.

3.1 Определяется расчетный пролет разгружающего свода В

В = D·[1 + tg (45 – /2)], м,

где	D	-	наружный диаметр патрона, м ([57], стр. 454, табл. 14.6);
		-	угол внутреннего трения грунта, зависящий от типа грунта и его состояния (сухой, влажный, мокрый) ([2], стр. 106, табл. 34).

3.2 Определяется высота естественного свода

h = В/(2·f_кр), м,

где

fкр

-

коэффициент крепости грунта, зависящий от типа грунта ([2], стр. 106, табл. 35; [57], стр. 457, табл. 14.7).

Рис.12 Схема распределения давления от грунта на патрон:

а – разгружающий свод грунта над патроном; б – нагрузка от вертикального и бокового давления на патрон при закрытой проходке

3.3 Определяется эквивалентная высота грунта над патроном

Н_экв = h + (_н/_гр)·Н, м,

где	h	-	высота грунта над патроном (высота естественного свода), м;
	Н	-	высота насыпи дороги, м;
	н	-	плотность насыпи, кг/м3 ([22], стр. 183, табл. 5.10);
	гр	-	плотность грунта кг/м3 ([22], стр. 183, табл. 5.10).

4. Определяется эквивалентная высота на уровне центра патрона

Н⁰_экв = h + r + (_н/_гр)·Н, м,

где

r

-

средний радиус патрона, м

r = D/2, м

3.5 Определяется интенсивность вертикального давления на уровне верхней части патрона

р_в = _гр·g·Н_экв, Па,

где

g

-

ускорение свободного падения, м/с2; g = 9,81 м/с2.

3.6 Определяется интенсивность бокового давления на уровне центра патрона

р_б = _гр·g·Н⁰_экв·[(1 – sin )/(1 + sin )], Па,

3.7 Определяется упругий отпор грунта, который повышает несущую способность патрона

 = 1/[1 + (·k·r/Е)·(r/)³],

где	k	-	коэффициент сопротивления грунта радиальному перемещению, Па ([31], стр. 42, табл. 2);
	Е	-	модуль упругости материала патрона, Па ([22], стр. 179, табл. 5.2; [58], стр. 199; [59], стр. 153);
		-	толщина стенки патрона, м. Ориентировочно принимается в зависимости от условного диаметра трубопровода, наружного диаметра патрона и способа прокладки ([57], стр. 454, табл. 14.6);
		-	коэффициент.

Для тонкостенных патронов в грунте

= 4· (1 + k₁/4·k)/3,

где

k1

-

коэффициент сопротивления грунта тангенциальному перемещению, Па. Выбирается с учетом зависимости

0  k₁  k·tg 

3.8 Определяются расчетные изгибающий момент М и нормальная сила N в наиболее напряженном сечении патрона от действия давления грунта и давления, вызываемого массой подвижного железнодорожного состава, с учетом отпора грунта

М = 0,25··r²·[_гр·g·n _гр·(Н _экв – Н⁰_экв·[(1 – sin )/(1 + sin )] + р _п·n _п], Па

N = r·(_гр·g·H _экв·n _гр + р_п·n _п ), Н,

где	n гр	-	коэффициент перегрузки от собственной массы и давления грунта. Рекомендуется n гр = 1,2 ([2], стр.108; [57], стр.460);
	рп	-	нагрузка от массы подвижного железнодорожного состава, зависящая от расстояния головки рельса до верхней части патрона, Па ([2], стр.108, рис.25; [57], стр.459, рис.14.20);
	nп	-	коэффициент перегрузки от подвижного железнодорожного состава. Рекомендуется nп = 1,2 ([2], стр.108; [57], стр.460).

3.9 Определяется толщина стенки патрона при расчете на прочность

  N/(2·R_н··m) +  [N/(2·R_н··m)]² + 6·M/(R_н··m) , м,

где	Rн	-	нормативное сопротивление, Па. Принимается равным наименьшему значению предела текучести материала патрона ([59], стр.152, табл.12.1; [58], стр. 198, табл.11.1; [2], стр.103, табл.33; [21], стр.145-148, табл.20);
		-	коэффициент однородности материала. Рекомендуется  = 0,9 ([2], стр.108);
	m	-	коэффициент условий работы. Рекомендуется m = 0,75 ([2], стр.108; [57], стр.461).

3.10 Проверяется по формуле Е.Л. Николаи толщина стенки патрона на устойчивость формы поперечного сечения от давления грунта и действия временной нагрузки на поверхности, которые при большом упругом отпоре являются практически равномерно распределенными.

р_кр = _гр·g·Н_экв·n_гр + р_п·n_п < (n² – 1)·Е·(/r)³/12 + r·k/(U³ – 1),

где	ркр	-	критическое давление, Па;
	n	-	коэффициент перегрузки. Рекомендуется n = 1,21,4 ([57], стр.457);
	U	-	целое число

U =1 + r²·k/(Е·I),

где

I

-

момент инерции сечения патрона, м4

I = (/64)·(D⁴ - d⁴ ), м⁴ ,

где

d

-

внутренний диаметр патрона, м

d = D - 2·, м

Таблица 19 - Толщина стенки стального патрона в зависимости от способа проходки

([57],стр.454, табл.14.6)

Условный диаметр	Наружный диаметр	Толщина стенки патрона, мм
трубопровода,	патрона,	при проходке	при проходке закрытым способом
мм	мм	открытым способом	проталкивание и горизонтальное бурение	продавливание и проталкивание
300 – 350	530	9,0	10,0	12,0
400 – 450	630	10,0	10,0	12,0
500	720	10,0	10,0	12,0
600	820	10,0	10,0	12,0
700	920	10,0	10,0	12,0
800	1020	10,0	11,0	14,0
900	1220	10,0	11,0	14,0
1000	1220	10,0	11,0	14,0
1100	1420	11,0	12,0	14,0

Таблица 21 – Техническая характеристика насосов*

Таблица 22 – Техническая характеристика насосов (n = 3000мин^-1)**

Примечание. * Харламенко В.И., Голуб М.В. Эксплуатация насосов магистральных нефтепродуктопроводов. -М.: Недра, 1978, стр.50, табл.4

** Харламенко В.И., Голуб М.В. Эксплуатация насосов магистральных нефтепродуктопроводов. -М.: Недра, 1978, стр.58, табл.8

Таблица 23 – Техническая характеристика магистральных насосных агрегатов*

Примечание. *Петров В.Е. Машинист технологических насосов на нефтеперекачивающих станциях. - М.: Недра, 1986, стр.196-197

Таблица 24 – Внешний диаметр D₂ и ширина лопаток b₂ рабочих колес

магистральных насосов ([22], стр.55, табл.2.19)

Марка насоса	Подача Q, м3/ч	D2, см	b2, см
НМ 125 – 550	125	26,4	1,6
НМ 360 – 460	360	30,0	2,4
НМ 500 – 300	500	30,0	2,8
НМ 1250 – 260	1250 875	44,0 41,8	2,6 2,6
НМ 2500 – 230	2500 1750 1250	43,0 40,5 42,5	3,6 3,8 2,6
НМ 3600 – 230	3600 2520 1800	45,0 43,0 45,0	4,1 4,3 2,9
НМ 5000 – 210	5000 3500 2500	45,0 43,0 46,0	6,9 7,2 2,8
НМ 7000 – 210	7000 4900 3500	46,5 47,5 45,0	6,1 4,9 5,2
НМ 10000 – 210	10000 7000 5000	47,5 49,6 46,5	6,6 5,7 5,8
Примечание. Различные значения подачи для насоса одной марки приведены для случаев установки различных роторов (с номинальными размерами ротора 0,7·Q и ротора 0,5·Q), обеспечивающих 100-, 70- и 50%-ную подачу (от номинального значения, приведенного в марке насоса).

Таблица 25 – Укрупненные нормативные технико-экономические показатели

линейной части магистральных газопроводов ([58], стр.169, табл.9.1)

Таблица 26 – Укрупненные нормативные технико-экономические показатели

КС с рабочим давлением 5,5 МПа из расчета на одну КС

([58], стр.170-171, табл.9.2)

Рис.13 Зависимость коэффициента сжимаемости газа

от приведенных параметров p_пр. и T_пр.

([5], стр.216, рис.10.1; [41],стр.22, рис.1.2; [59], стр.107, рис.43; [58], стр.34, рис.3.3)