§11. Трубы и трубопроводы

По назначению трубопроводы разделяются на магистральные и местного значения, к которым относятся заводские, обслужи­вающие металлургический и другие комплексы, и гидротехниче­ские конструкции, а также трубопроводы атомных и тепловых

электростанции и

а)

В)

(+—t—t-

Рис. 19-30. Сварные трубопроводы:

а) продольные швы вразбежку. 6) продольные шзы в одном сечении

т. п. Очень большое распростране н и е трубопроводы име­ют при транспорти­ровании жидких топливных продук­тов, а также при­родных газов. Кро­ме того, трубопро­воды широко при­меняются в сани-тарно - техническом строительстве и в ряде специальных областей техники. Несмотря на то, что по назначению трубопроводы существен­но различаются между собой, их конструктивная форма нередко остается без изменений.

Трубопроводы больших диаметров, например более 1,5 м, как правило, имеют гладкие поверхности, иногда усиленные реб­рами жесткости. Часть трубопроводов работает при низких дав­лениях {безнапорные), но в ряде случаев трубопроводы работа­ют и при средних и высоких давлениях.

Трубы, составляющие трубопроводы, изготавливаются на заводах сварными. Лишь при малых диаметрах их выполняют цельнотянутыми, прокатными и т. п. В большинстве случаев про­дольные сварные швы труб прямолинейны, некоторые трубы сва­ривают спиральными швами, обладающими повышенной проч­ностью.

Между собой трубы сваривают поперечными кольцевыми швами. Трубы небольших диаметров сваривают из одного листа

554

oiiiiim продольным швом. При больших диаметрах труба состав­ляется из двух и более листов, соединенных продольными шва­ми. Продольные швы труб располагаются или вразбежку отно­сительно друг друга (рис. 19-30, а), или в одну нитку (рис. 19-30,6).

Трубопроводы, работающие в условиях температур от —40° С _а0 -{-3'50^о С при р С 90 кГ/см'², изготавливают из стали Ст. 3 спо­койной и низколегированных сталей 10Г2СД, 14ХГС, 19Г (ГОСТ 5058 — 57); трубопроводы, работающие при Т==— 50° С до 4-350° С при р до 700 кПсм² — из стали 20 и ЗОХМА (ГОСТ 4543 — 57); работающие при высоких Т (до 400—600° С) — из молибденовых сталей, например 15ХМ и др. При наличии актив-

Рис. 19-31. Схема загружений трубопровода:

а) общий вид; б) от вакуума; в) от собственного неся; г) от обледенения, д) от внутреннего давления

пы\ сред трубы изготавливают из аустснитных нержавеющих сгалей, алюминиевых, титановых и других сплавов.

Трубопроводы больших диаметров поддерживаются опорами: анкерными, устанавливаемыми в конечных точках и в местах изменения направления оси, промежуточными, непрепятствующи-ми продольным перемещениям. Конструкции опор зависят от их диаметров. При относительно малых диаметрах d--C 0,6 м допу­скается применение опор простейшею типа — скользящих, при средних диаметрах d = 0,6- :-l,5 м—седловых, при больших d —1,5 м —Катковых, или качающихся.

Если трубопровод большого диаметра (rf>l,5 м) *Е'ис. 19-31, а) выполняет функции газопровода низкого давления

ооо

металлургических предприятий, на него действуют следую­щие виды нагрузок: собственный вес трубопровода (рис. 19-31,6), обледенение (рис. 19-31, г), внутреннее давление газа (рис. 19-31, д), возможный вакуум (рис. 19-31,6), а также тем­пературное воздействие, ветер и др.

Собственный вес трубопровода представляет собой равномер­но распределенную нагрузку q. Приближенно трубопровод мож­но принять за многоопорную неразрезную балку. При этом из­гибающий момент на опоре составит

M_q--%. (19.40)

Напряжение от момента равно

о -^ (19 41)

где W—момент сопротивления кольца, равный

4г,

(19.42)

где Г\ — наружный радиус кольца; Г2 — его внутренний радиус. Аналогично определяют усилия и напряжения при обледене­нии. Если принять толщину обледенения в нижней точке 2ft, а на уровне горизонтального диаметра h, то вес обледенения на еди­ницу длины определится по приближенной формуле

q_u = 7rk-i [Т_:м\, (19.43)

где у —вес единицы объема льда, Т/м. Примем h = 0,1 м. Тогда получим

_9о^О,7п Т\щ- (19.44)

момент от обледенения

м.. - -^;

напряжение от М_Чв будет равно

М - - ^iU (19.45)

Суммарное напряжение от двух моментов

^jcvum = °«7 -Г ^а?„- (19.46)

556

Вели замыкание трубопровода производилось при T\_t то при понижении температуры до Т₂ в нем возникнет растягивающее усилие

,V_T = 2ws (7\- Т,) £я, (19.47)

_гт,е а —коэффициент температурного расширения; для стали д = 0,12-ЮЛ Наряду с продольной силой в трубопроводе при неравномер­ном охлаждении возникает изгибающий момент

М, - ^LALiz^jL, (19.48)

где

/^

12

s — толщина стенки трубы; Т_я—температура наружной поверхности трубы; Т_в — температура внутренней поверхности. Усилие от внутреннего давления, встречая реакцию в зоне изменения направления трубопровода, вызывает в его попереч­ном сечении напряжение, равное

°ооп = ^, (19.49)

где р — давление газа в трубопроводе.

Таким образом, полное напряжение в поперечном сечении, а также в кольцевом шве трубопровода равно

>с.! ^ ^З_ц -г- *яь + &■ (Т\ — Т₂) + у-Е{Т_н —

-^Г-) Т~ Ь^-<И_Р. (19-50)

В продольном сечении трубопровода образуются напряже­ния, определяемые формулой

Щ-<

(19.51)

В одних случаях наибольшим по величине оказывается на­пряжение Орасч , В ДруГИХ —(У _прод .

Допускаемое напряжение в трубопроводах находится в зави­симости от расчетного сопротивления R, принимаемого обычно равным 0,9а_т, коэффициента условия работы м и коэффициента перегрузки л; m = 0,8-j-0,9, а при переходе через препятствия /л = 0,75; я—1,20 для газопроводов и «=^1,15 —для нефтепрово­дов. При применении точных методов определения напряжений ь оболочках с учетом краевого эффекта и концентраторов напря­жений коэффициент m может быть принят равным 1,0.

557

Если возможно образование вакуума (рис. 19-31,6), внешнее давление воздуха вызывает в продольных сечениях оболочки трубопровода напряжения сжатия, которые могут достигнуть критической величины и вызвать потерю устойчивости. Если при­нять трубопровод за длинную цилиндрическую трубу без закреп­лений, то критическое давление р_кр определится по формуле

ЗЕ/,

'Кр

(19.52)

где /)

- момент инерции относительно собственной оси про­дольного сечения стенки трубопровода на единицу его длины; средний радиус оболочки.

■4-

L-lL-

LXji-

о

IT'

\ !

uu

_l_LL.

f

"T7

J

/.

Рис. 19-32. Кольца жесткости, приваренные к трубопроводу, уголкового и таврового Ъилей

'кр

ЪЕ1 /г»

Для повышения устойчивости обо­лочки предусматри­вается постановка кольцевых ребер

жесткости. Типы ко­лец ребер жесткости уголкового и тавро­вого профилей изо­бражены на рис. 19-32.

Критическое дав­ление р_Кр в этом случае находится из соотношения

(19.53)

где / — расстояние между смежными ребрами жесткости;

/ —момент инерции кольца с учетом оболочки на длине

/=1,6 V rs,.....

Критическое давление, вычисленное по формулам (19.52) и (19.53), сравнивается с т(р_внешн — р_{вакууМа}). В этом случае т может быть принята равной 1,7.

Чтобы уменьшить продольные усилия, возникающие в трубо­проводе вследствие изменения температуры, применяют различ­ные способы. В некоторых случаях трубопроводы укладывают на катковые опоры (рис. 19-33, а). В месте опирания трубопровод опоясывается ребрами — двумя кольцевыми элементами жестко­сти таврового профиля, приваренными к оболочке. Между собой указанные кольца соединены диафрагмами. Оболочка с кольцом жесткости опирается на каток.

558

Для повышения податливости в продольном направлении -трубопроводы опираются на качающиеся стойки. Используются также компенсаторы. На рис. 19-33,6 показан П-образный ком­пенсатор, состоящий из двух кольцевых ребер жесткости и коль­цевой полосы. Продольные деформации сопровождаются изги­бом ребер в направлении их наименьшей жесткости. При этом продольные перемещения от температуры не вызывают реактив­ных сил значительной величины.

Трубопроводы, применяемые в гидротехнике под высоким давлением (напорные трубопроводы), служат для перемещения жидких сред. Они проектируются в основном согласно изложен­ным принципам.

Рис. 19-33. Трубопровод, опирающийся на катковую опору:

; — каток; 2 — стенка трубопровода; 3 — ребра жесткости; 4 — соедине­ния встык

Для наземных напорных трубопроводов основными видами нагрузок являются: внутреннее давление жидкости, равное гид­ростатическому, с учетом динамического коэффициента при гидравлическом ударе; собственный вес трубопровода с водой; осевые усилия, вызванные давлением жидкости на поворотах и при изменении диаметра, и температурные воздействия.

Определение расчетных напряжений в продольном и попереч­ном сечениях трубопровода (продольных и кольцевых швах) производится по формулам (19.50) и (19.51).

Подземные трубопроводы, помимо внутреннего давления и температурного воздействия, испытывают нагрузку от насып­ного грунта. Нагрузка на единицу длины трубопровода состав­ляет

Q = 2qr, '(19.54)

559

где q — нагрузка на 1 м².

Под нагрузкой Q трубопровод приобретает эллиптическое очертание (рис. 19-34). В стенке трубы под действием Q возни­кает изгибающий момент

М<

Qr

cos

49.55)

С другой стороны, внутреннее давление в трубе эллиптиче­ского очертания вызывает момент М_р. Суммарный момент при 6 — 0 равен

М - М_р + M_Q

8

1 „_г

Е

s

(19.56)

Q*2 qr

где р — внутреннее давление в трубе.

В результате отпора грунта М

уменьшает свою величину с учетом

умножения на коэффициент % равный

1

1

Л Vr ~~Е~

(19.57)

ннмнттннттт

Рис. 19-34. Схема дефор­мирования профиля тру­бы от веса грунта

где Я—коэффициент, зависящий от направления отпора грунта (в среднем может быть при­нят за единицу); У=^0,2—6,0 кГ1см^ъ — коэффици­ент, зависящий от свойств грунта и диаметра трубы. С увеличением плотности грунта V возрастает. Расчетный изгибающий момент М_т? ~г\М. Определив Л?_изг находим напряжение в продольном шве трубы.

Указанные конструкции трубопроводов выполняются с соблю­дением требований, предъявляемых к свойствам основного ме­талла, автоматизированным процессам сварки и к контролю качества соединений.

При проектировании второстепенных трубопроводов, работа­ющих при относительно невысоких давлениях, целесообразно применение плоско сворачиваемых труб.

Плоско сворачиваемые трубы очень экономичны по весу и обладают достаточно хорошими свойствами в эксплуатации. Их расчет прочности производится так же, как было описано выше.

Как правило, трубопроводы рассчитываются в основном на статическую нагрузку. В особых случаях учитывается пульсация среды, а также импульсный характер ветровых нагрузок.