Tipovye_raschyoty_pri_sooruzhenii_i_remonte

Категории трубопроводов, прокладываемых на ВМГ, принимают в зависимости от категории просадочности ВМГ при оттаивании и способа прокладки трубопроводов и соответствии с табл. 4.14.

Категории просадочности однородных грунтов необходимо принимать в зависимости от относительной осадки грунта при оттаивании в соответствии с табл. 4.14. При отсутствии характеристики относительной осадки грунта допускается принимать категорию просадочности грунта в зависимости от величины суммарной влажности грунтов по табл. 4.15.

При прокладке трубопроводов на косогорах с поперечным уклоном более 8° предусматривают срезку или подсыпку грунта и устройство полок. При этом срезку ВМГ допускается осуществлять только на непросадочных или малопросадочных участках при отсутствии мерзлотных процессов. На участках ВМГ, где возможно развитие мерзлотных процессов, необходимо для устройства полок обязательно проводить подсыпку грунта с проведением специальных мероприятий по повышению устойчивости полок.

С целью уменьшения напряжений в трубопроводе при его непрерывных осадках обязательно предусматривают специальные мероприятия: устройство теплоизоляции, замену грунта, укладку трубопровода с учетом ожидаемой деформации, применение опор для фиксации положения трубопровода, применение геотекстильных материалов, охлаждение грунта или перекачиваемого продукта, прокладку по типу «труба в трубе» и др.

Таблица 4.14

Категории участков трубопроводов, прокладываемых на вечномерзлых грунтах

Примечание: В скобках указаны категории участков для одиночных «холодных» трубопроводов.

389

390

Таблица 4.15

Категории просадочности грунтов

*- Влажность грунта между крупными ледяными включениями.

**- Для минерального грунта просадочность без нагрузки, для торфа – под нагрузкой 0,04 МП.

390

4.3.1. Тепловое взаимодействие трубопровода с многолетнемерзлым грунтом

4.3.1.1. Подземная укладка трубопровода

Основная особенность вечномерзлых грунтов – их способность оттаивать и давать значительные осадки. Для прогнозирования возможных последствий в работе труб при оттаивании грунта необходимо рассчитывать тепловое взаимодействие грунта с трубой. Если трубопровод расположен в грунте на глубине h (рис.4.29), при температуре стенки трубы tmр > 0 °С вокруг нее образуется зона оттаивающего грунта, называемая ореолом оттаивания. Граница ореола непостоянна: она перемещается в зависимости от изменения температуры грунта и трубы.

Рис.4.29. Линия оттаивания грунта

Для прогноза возможных изменений положения трубопровода важно иметь такую характеристику, как глубина протаивания грунта под трубой hо. Это позволит рассчитать осадку труб, используя известные зависимости. Глубина протаивания грунта под трубой hn можно определить, используя формулу Форхгеймера:

391

ho – расстояние от поверхности грунта до центра трубы; Dн – наружный диаметр трубы; tгр - температура мерзлого грунта; tmр - температура стенки трубы; λм, λТ - коэффициенты теплопроводности соответственно мерзлого и талого грунтов.

Формула (4.137) определяет глубину протаивания в произвольном сечении, но поскольку трубопровод – линейное сооружение, то даже при постоянных по его длине характеристиках грунта ho постоянной не будет, если tmр будет изменяться по длине. Известно, что температура трубопровода меняется по длине, прежде всего за счет передачи тепла в окружающий трубу грунт. Например, газ в летний период поступает в трубопровод с КС, имея температуру до 70 °С, а подходит к следующей КС с температурой 20-35 °С; в зимний период температура может изменяться от плюс 30-40 °С до минус 30 °С в зависимости от температуры окружающей среды. Графически изменение температуры по длине трубопровода для одного и того же участка можно представить, как показано, например, на рис. 4.30.

Рис.4.30. Температура по длине трубопровода:

а – летом; б - зимой

Как видно из рис. 4.30, на участке до сечения А-А трубопровод в любой период года находится в горячем состоянии, а на участке от сечения А-А до Б-Б в течение некоторого времени – в горячем состоянии, а оставшееся время года в холодном.

Следовательно, в течение всего периода эксплуатации на участке до сечения А-А в грунт будет поступать тепло, и он будет непрерывно оттаивать. На участке А-Б грунт будет периодически оттаивать и замерзать. В связи с этим приведем существующую в настоящее время классификацию (разработанную Гипроспецгазом), согласно которой участки трубопроводов делятся на горячие, холодные и теплые.

392

Под горячим понимается участок, температура которого в течение всего года выше 0 °С; под теплым – участок, на котором температура может быть выше и ниже 0 °С, но среднегодовая – ниже нуля, под холодным – участок, температура труб на котором ниже 0 °С в любое время года (может быть лишь эпизодическое повышение температуры более 0 °С).

Таким образом, определив принадлежность участка трубопровода к одному из перечисленных типов, можно заранее сказать, что на горячем участке будет происходить только оттаивание грунта, на теплом – периодическое оттаивание – замерзание, а на холодном оттаивания не будет. Это позволяет заранее наметить возможные конструктивные схемы трубопроводов в соответствии с рекомендациями по классификации вечномерзлых грунтов.

4.3.1.2. Наземная укладка трубопровода

Так же, как и в предыдущем случае, необходимо определить глубину протаивания грунта hn под трубопроводом, уложенным в насыпи. Институтом Гипроспецгаз предложена следующая формула для глубины протаивания [129]:

где α - коэффициент зависимости глубины протаивания от диаметра труб (рис. 4.31); β - коэффициент перехода от условий одномерной к условиям двухмерной задачи (рис. 4.32); tmр – температура стенки трубы в °С; τ - время, в течение которого трубопровод имеет положительную температуру, в ч; Нс – толщина теплоизолирующего слоя в основании насыпи в м; qo – количество тепла, необходимое для оттаивания 1 м3 грунта, в Дж/м3; Сс – объемная теплоемкость теплоизолирующего слоя в Дж/(м3·град); λс – коэффициент теплопроводности теплоизолирующего слоя в ккал/(м· ч ·град); λос – коэффициент теплопроводности грунта в ккал/(м· ч ·град); Сос – объемная теплоемкость талого грунта в Дж/(м3·град).

393

После определения глубины hn выполняют расчет поперечных перемещений трубопровода в оттаявшем грунте и связанных с ними напряжений.

4.3.2. Механическое взаимодействие трубопровода с вечномерзлым грунтом при продольном перемещении

Оттаивание и неравномерные осадки, карсты, провалы – лишь одна группа неблагоприятных для работы трубопровода факторов. Вторая группа – это факторы, обуславливаемые вмерзанием труб в замерзающий оттаявший грунт. Это может иметь место, например, при периодических изменениях температуры перекачиваемого продукта (газа) в период перехода с летнего на зимний режим эксплуатации. Смерзание поверхности изолированных труб в десятки и даже сотни раз увеличивает силы сопротивления продольным перемещениям труб, вследствие изменения температуры стенок труб появляются значительные продольные силы, стремящиеся сдвинут трубы в продольном направлении. Это, в свою очередь, ведет к разрушению изоляционного покрытия. Очень неблагоприятные воздействия на прочность труб оказывает пучение замерзающих грунтов, особенно в местах изменения их влажности.

Для определения температурных напряжений в мерзлых грунтах были использованы более простые реологические модели и, кроме того, приняты следующие допущения: мерзлый грунт полагается однородных и изотропным; физические показатели мерзлого грунта не зависят от температуры.

Впервом приближении рассмотрим мерзлый грунт как идеально упругую среду [16].

Втакой постановке продольное усилие в трубе

где Е – модуль упругости, принимаемый 104 Н/см2; ам – коэффициент температуропроводности мерзлого грунта, равный 3·10-4 1/ °С; µ – коэффициент Пуассона, равный 0,5.

Например, при глубине трещины h=3 м и Dн = 1020 мм по (4.143) имеем Р=8,6·106 Н. Аналогично можно рассчитать продольное усилие Р для трубопровода любого диаметра.

Интересно отметить, что учет ползучести существенно уменьшает продольную силу. Так, для приведенного примера, при температуре грунта -4 °С и постоянной нагрузке, действующей 8·103 ч, продольная сил составит 1,98·106 Н, что в 4,34 раза меньше, чем в предыдущем случае. Здесь не приводятся формулы для расчета продольной силы с учетом вязких свойств замерзшего грунта. Ее можно определить по формуле для идеально упругого

395

тела (4.143) и уменьшить в 3-5 раз, что с некоторым приближением будет отражать действительную картину для трубопроводов диаметром 50-120 см.

Приведем далее методику определения продольного усилия в трубопроводе с учетом вязких свойств мерзлого грунта.

Представим свойства мерзлого грунта моделью Максвелла при периодическом изменении температуры на поверхности грунта по закону

где Θо – измеренная температура поверхности грунта (по данным метеонаблюдений); ω = 2Τπ

поверхности грунта; Т – перепад температурных колебаний; t – время действия продольной силы.

Напряжения в грунтовой среде σх(z) на глубине z (для полупространства)

где tp -время релаксации; a- коэффициент температуропроводности; αt - коэффициент линейного расширения грунта.

Напряжения в стенке трубы при возникновении и развитии морозобойной трещины

где h – глубина трещины; δ - толщина стенки трубы.

Многочисленные расчеты показывают, что в тех случаях, когда нет достоверных исходных данных о свойствах мерзлого грунта, ориентировочно продольное усилие в трубопроводе можно определить по формуле (4.143) и уменьшить его в 3-5 раз.

396

незамерзающей воды в долях единицы, определяемое для температуры, равной То, °С; ρм – плотность скелета мерзлого грунта, кгс/м3; τ - расчетная продолжительность оттаивания грунта, ч; hдоп – допускаемая глубина оттаивания основания под газопроводом, м; σ - удельная теплота плавления льда, ккал/кг.

Величина hдоп принимается в зависимости от осадки грунта и допускаемой деформации трубопровода.

Для цилиндрического экрана при наземной прокладке толщина его

(рис.4.33, б, в)

где δц.э – толщина цилиндрического экрана, м; ϕ - угол охвата трубопровода экраном, град; r – радиус трубы, м; erf - функция, табулированная в математических таблицах;

Для цилиндрического экрана при подземной прокладке толщина его

где СТ – теплоемкость грунта в талом состоянии, ккал/кг·град; ρТ – плотность грунта в талом состоянии, кгс/м3.

По формуле (4.147) сделаны оценочные расчеты толщины теплоизоляционных плоских экранов при наземной прокладке газопровода диаметром 1420 мм. Предполагая, что газ после компримирования охлаждается в воздушных холодильниках, рассматриваем вариант при ТГ = 13,4 °С.

398