6. Расчет трубопровода на прочность, деформации и устойчивость.

По теории предельных состояний существует два предельных состояния конструкций: проверка на неразрушимость конструкции и проверка на недопустимость пластических деформаций.

Проверка на прочность (неразрушимость конструкции).

|_{пр N}|ψ₂·R₁,

где _{пр N} – суммарное продольное напряжение от всех нагрузок (МПа):

_{пр N}=σ_{пр t}+σ_{пр р}= -·E·t + μ·σ_кц=-·E·t +·n·P·D_вн/(2·).

ψ₂ – коэффициент, отражающий двухосное напряженное состояние трубы, 0<ψ₂≤1;

R₁ - расчетное сопротивление трубы:

R₁=(m·R₁^н)/(k₁·k_н),

где m – коэффициент условий работы, зависящий от категории трубопровода (В – 0,6; I и II – 0,75; III и IV – 0,9);

R₁^н – нормативное сопротивление материала трубы, равное пределу прочности, МПа;

k₁ – коэффициент надежности материала трубы;

k_н – коэффициент надежности по назначению трубопровода.

Если проверка на прочность не выполняется, то при проектировании выбирают другую марку стали с большим пределом прочности или увеличивают толщину стенки трубы; при эксплуатации снижают рабочее давление, снижают температуру продукта (для МГ) или производят реконструкцию.

Проверка на недопустимость пластических деформаций.

а) |_пр^н|  ψ₃·R₂^н·m /(0,9·k_н).

А= R₂^н·m /(0,9·k_н).

_пр^н – нормативное продольное напряжение, МПа:

_пр^н = -∙E∙t + ∙P∙D_вн/(2∙)(Е∙D_н)/(2∙R)

R₂^н – нормативное сопротивление сжатию, равно пределу текучести стали.

ψ₃ – коэффициент, учитывающий двухосное напряжение трубы, 0<ψ₃≤1.

б) _кц^нА,

где _кц^н – нормативные кольцевые напряжения.

Если проверка не выполняется, то при проектировании выбирают марку стали с большим пределом текучести, увеличивают толщину стенки, увеличивают радиус упругого изгиба трубопровода (планировка трассы); при эксплуатации снижают давление и температуру продукта или производят реконструкцию.

Проверка продольной устойчивости подземных трубопроводов.

Sm∙N_кр,

S – продольное усилие в трубопроводе, Н:

S = 100∙F∙[(0,5-)∙_кц+∙Е∙t],

где F – площадь сечения металла трубы, см².

N_кр – критические продольные усилия, при которых труба теряет устойчивость, МПа.

1. для прямолинейного участка (упругодеформируемый грунт):

N_кр=2√(k₀∙D_н∙Е∙I),

где k₀ – коэффициент постели грунта при сжатии, Н/м³;

Е – модуль упругости, Па;

I – осевой момент инерции поперечного сечения трубы, м⁴:

I=π(D_н⁴-D_вн⁴)/64.

2. для прямолинейного участка при пластической работе грунта:

N_кр=4(q_пр.п²·q_в.п.⁴·F²·E⁵·I³)^1/11

q_пр.п – сопротивление грунта продольным перемещениям трубы, Н/м;

q_в.п. – сопротивление грунта перемещениям вертикальным перемещениям грунта, Н/м.

Из двух критических продольных сил выбирается наименьшая.

3. для криволинейного участка трубы:

N_кр=β(q_в.п.²·E·I)^1/3,

где β – коэффициент, определяемый по номограмме.

7. Очистка, испытание трубопроводов на прочность и проверка на герметичность.

Трубопроводы до ввода в эксплуатацию подвергают очистке и испытанию на прочность и герметичность.

Для проведения очистки создается комиссия из представителей заказчики, ген. подрядчика, субподрядчика. Разрабатывается инструкция по проведению очистки и испытанию на прочность, в которой должно быть отражено следующее:

1. Способы, параметры и последовательность проведения работ.

2. Методы и средства выявления и устранения дефектов.

3. Требования к размерам охранной зоны.

4. Методы и средства применяемой связи.

5. Требования пожарной и технической безопасности.

Очистка внутренней полости обеспечивает на всем протяжении трубопровода установленные проектом полное проходное сечение и коэффициент гидравлического сопротивления, т.е. проектную производительность трубопровода, а также сохранение физико-химических свойств перекачиваемого продукта. Очистка проводится после укладки, закрепления и засыпки трубопровода.

Очистка трубопроводов проводится тремя способами:

1. промывка водой с применением очистных поршней или поршней-разделителей (для МН и МГ). При этом скорость движения поршня 0,4-1,2 км/ч, Р=0,2 МПа. Объем заливаемой воды перед поршнем 10-15% от объема очищаемого участка.

2. продувка воздухом с применением очистных поршней, а при необходимости и поршней-разделителей (для МГ). Скорость несколько десятков км/ч, Р=0,8-1,2 МПа.

3. продувка воздухом без очистных поршней (D_н<219 мм).

Для подводных трубопроводов очистка производится протаскиванием очистного устройства внутри трубы.

Испытание на прочность и герметичность проводят после завершения всех предшествующих работ. При этом трубопровод делят на участки, которые ограничивают заглушками или линейной арматурой. При испытании на прочность давление в низшей точке участка устанавливается равным давлению при заводском испытании труб, а в верхней точке зависит от категории участка: В, I – 1,25 Р_раб; II, III и IV – 1,1 Р_раб; для подводных переходов – 1.5 Р_раб. Время испытания не менее 24 часов.

Испытание на герметичность проводится при рабочем давлении сразу после испытания на прочность, время не менее 12 часов. Магистральный трубопровод выдержал испытания на прочность и герметичность, если во время испытания давление не изменилось и утечек не обнаружено.

Основные факторы, влияющие на потерю герметичности трубопровода:

1 группа – факторы, связанные со снижением несущей способности трубы: заводские дефекты труб, дефекты сварочно-монтажных работ, нарушение изоляции трубопровода;

2 группа – факторы, связанные с увеличением внешних нагрузок на трубу: повышение внутреннего давления, гидроудары, появление продольных усилий из-за температурных воздействий, дополнительные изгибы трубопровода.

После окончания проверки на герметичность из трубопровода должна быть полностью удалена вода при помощи одного поршня-разделителя, перемещаемым под давлением транспортируемого продукта. При отсутствии продукта к моменту окончания испытания удаление воды производится двумя поршнями-разделителями, перемещаемыми под давлением сжатого воздуха.