Добавил:
ac3402546@gmail.com Направление обучения: транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов группа ВН (Вечерняя форма обучения) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Tipovye_raschyoty_pri_sooruzhenii_i_remonte

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
01.06.2021
Размер:
18.76 Mб
Скачать

Продолжительность работы трубопровода при указанной температуре

принимается 5 месяцев (τ = 3600 ч). Примем далее λТ = 1,3 ккал/(м·ч·град); аТ =

0,0024 м2/ч; (ωс - ωн)×ρм = 235 кгс/м3; Тз = 0 °С; λиз = 0,033 ккал/(м·ч·град).

Расчеты показывают, что, задаваясь hдоп = 1,5 м и ТГ = 13,4 °С, получаем необходимую толщину плоского экрана около 80 мм. При тех же условиях толщина цилиндрического экрана составляет 40 мм при угле охвата 180°.

Рис.4.34. Трубопровод без теплоизолирующего экрана:

1,2,3 – изотермы в различные моменты времени

Наилучшими теплоизолирующими свойствами обладает цилиндрический экран. Наблюдения в натурных условиях показывают, что при плоском экране за одно и то же время глубина оттаивания примерно вдвое больше, чем у цилиндрического. На рис. 4.33 и 4.34 показано изменение границ области оттаивания при различных типах экрана и при отсутствии его для случая наземной прокладки. Из рисунков видно, что наилучшие результаты достигаются при цилиндрическом экране с углом охвата более 180°. При этом расход пенополистирола на 1 м изоляции по длине труб диаметром 1420 мм составляет около 0,25 м3 при угле охвата 180°.

399

Рис.4.35. Номограмма для определения толщины цилиндрического экрана подземного трубопровода

Толщину цилиндрического теплоизолирующего экрана подземного трубопровода можно также определить с помощью номограммы ВНИИГаза (рис. 4.35) в зависимости от параметров В1 и В2 рассчитываемых соответственно по формулам:

 

 

ϕ

 

 

 

 

2λ2

 

t

2

τ

 

2

 

 

В =

 

 

 

 

 

 

 

 

m.из

 

 

 

;

(4.152)

 

 

 

λ ρ(W W ) ρ

 

1

360

 

 

ск.м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

н

 

 

 

В2

 

ϕ

2

 

λ

m.из

h

 

,

 

 

 

 

 

(4.153)

=

 

 

 

 

 

 

 

П

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

360

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ϕ – угол охвата трубопровода экраном, град; λ т.из, λТ, t2 – коэффициенты теплопроводности грунта в талом состоянии, тепловой изоляции и температура газа в трубопроводе на расстоянии L от компрессорной станции, °С; τ – продолжительность оттаивания грунта с начала эксплуатации трубопровода, с; ρ– удельная теплота плавления льда, Дж/кг, равная 334 кДж/кг; W – влажность

400

грунта; Wн – количество незамерзшей воды в грунте основания при температуре tГ; ρск.м – плотность сухого грунта, кг/м3; hП – допустимая (например, из условия прочности) глубина протаивания грунта под трубопроводом, м.

При расчете следует принимать значения величин: Wн = 0; W = 0,2; γск.м=

1500 кг/м3; hТ = 0,5 м.

4.3.4. Расчет прямолинейных надземных трубопроводов со слабоизогнутыми компенсационными участками

Наряду с использованием специальных компенсаторов продольные перемещения от изменения температуры, внутреннего давления могут компенсироваться прокладкой трубопровода по самокомпенсирующим контурам: змейкой, зигзагообразно и т.п. Наиболее распространенной является конструктивная схема со слабоизогнутыми компенсационными участками (рис.4.36), широко используемая при прокладке трубопроводов на участках многолетнемерзлых грунтов (газопровод Мессояха-Норильск) [92].

Расстояние между двумя соседними опорами определяется, как для многопролетной неразрезной балки, по формуле:

l =

12W(Ψ4 R2

σпр.р ) ,

(4.154)

 

q

 

 

где q= qм + qпрод; σпр.р.подсчитывается в соответствии с формулой (2.11). Длина компенсационного участка Lк выбирается конструктивно равной 4

– 6 значениям l. Фактическая длина трубопровода Lк.факт на слабоизогнутом

компенсационном участке определяется как:

 

Lк.факт = Lк / cosϕ ,

(4.155)

а фактическая длина трубопровода в границах участка В

 

Lфакт = L – Lк + Lк /cosϕ ,

(4.156)

где ϕ – угол, принимаемый из условия прохождения очистного устройства равным 12°.

401

402

Рис.4.36. Прямолинейная прокладка со слабоизогнутым компенсационными участками:

а – конструктивная схема; б – схема деформации участка L при удлинении трубопровода; в – схема деформации участка L при укорочении трубопровода; 1 - трубопровод; 2 – слабоизогнутый участок; 3 – свободноподвижные опоры; 4 – продольно-подвижные опоры; 5 – неподвижные опоры

Расстояние между мертвыми опорами В рассчитывается из условия прочности трубопровода в наиболее напряженном сечении – в вершине тупого угла изогнутого участка. Напряжения в горизонтальной плоскости в этом сечении находятся из выражения:

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 cosϕ I L αt Et + n p(

н

0,2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10δн

 

F f

 

σгор =σпр.и +

σпр.в +σпр.р =

 

 

W

 

 

+

Lк f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

вет

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+ np

н

0,5 ,

 

 

 

 

 

(4.157)

 

 

12W

4δн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где qвет – ветровая нагрузка, действующая в горизонтальной плоскости (см. п.2.1); f – стрела прогиба, определяемая как:

f = 0,5·Lк·tgϕ .

(4.158)

Условие прочности записывается в виде:

σгор ≤ ψ4 · R2 ,

(4.159)

где ψ4 – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние трубопровода.

Если принять

σгор = ψ4 · R2

(4.160)

и подставить это значение в выражение (4.159), то можно получить формулу для расчета расстояния Врасч из условия прочности:

 

 

 

 

q

веm

l2

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

R

 

 

 

n p

 

 

н

0,5

 

L

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 2

 

12W

 

 

 

4δн

 

 

к

 

 

 

 

 

Lрасч =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

(4.161)

 

 

 

 

 

 

 

D

н

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

6cos

ϕI αt

Et + n p(

 

 

 

0,2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10δн

 

 

W

 

f

 

Полученное расчетное значение Lрасч округляется в меньшую сторону до

ближайшей величины L, кратной 2l.

В ходе эксплуатации трубопровода имеет место его продольная деформация, вызванная внутренним давлением и перепадом температур. Компенсация ее происходит за счет участка Lк. Вершина тупого угла этого участка перемещается в зависимости от того, удлиняется или укорачивается трубопровод. Для выбора размеров свободноподвижной опоры в данной точке

403

рассчитываются возможные колебания стрелы прогиба f. При удлинении трубопровода стрела прогиба f увеличивается до (см. рис. 4.36,б)

 

 

 

f

ув =

 

 

′ ′

)

2

 

 

О)

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.162)

 

 

 

 

( А В

 

( А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lк

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

np Dн

 

 

 

 

 

А В

 

= АВ + АВp,t1

=

 

 

 

 

 

 

1 +αt t1 +

 

 

 

 

 

0,2

;

(4.163)

 

2

 

 

cosϕ

 

 

 

10δн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

Lк

 

 

 

 

L Lк

 

 

L

 

L

Lк

 

 

 

np Dн

 

 

 

А О =

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

αt t1

+

 

 

 

 

0,2 .

 

 

2

 

 

 

 

2

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E 10δн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.164)

При укорочении трубопровода стрела прогиба уменьшается до

(см. рис. 4.36, в)

f ум =

′′ ′ 2

′′

2

;

(4.165)

(A B )

(A О)

 

Здесь

′′

′′

= АВ+ АВt2

=

 

Lк

 

 

1

(1

+αt t2 ) ;

(4.166)

 

 

 

А В

 

2

 

cosϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

Lк

L Lк

 

αt t2 .

 

(4.167)

 

 

 

 

 

 

 

 

А О =

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ширина свободноподвижной опоры должна быть не меньше разности

fув - fум

404

4.4. Прокладка трубопроводов в районах горных разработок

При добыче полезных ископаемых в результате разработки пластов происходит оседание земной поверхности, влияющее на напряженнодеформированное состояние трубопровода [68; 69; 114; 123; 125].

На рис. 4.37 показан схематический разрез мульды по линии «в крест простирания» разрабатываемого пласта и кривые оседания грунта, горизонтальных деформаций и горизонтальных сдвижений для условий полной подработки поверхности. Так наиболее опасным с точки зрения прочности трубопроводов являются растягивающие деформации, возникающие в растянутой зоне мульды сдвижения, оценка напряженного состояния трубопроводов в этих условиях представляет наибольший интерес.

Рис.4.37. Элементы мульды сдвижения на разрезе «в крест простирания», принятые при расчете трубопроводов:

η - распределение оседания; ε - распределение горизонтальных деформаций; ξ - распределение горизонтальных сдвижений; L – длина полумульды со стороны падения; l1

длина растянутой части полумульды; lкр – длина зоны срыва грунта относительно трубопровода в растянутой части полумульды: - длина зоны срыва грунта в сжатой части полумульды

Методика расчета трубопроводов связана с параметрами сдвижений земной поверхности, которые прогнозируются неточно. Например, максимальные оседания земной поверхности определяются с погрешностью до 20%, а максимальные горизонтальные деформации – с погрешностью до 50%.

405

Поэтому любая методика расчета трубопровода в условиях сдвижения земной поверхности должна рассматриваться в качестве приближенной, поскольку она не может дать точной оценки напряженного состояния трубопроводов.

Наибольшие деформации испытывает участок трубопровода, находящийся в нижней полумульде, которая расположена со стороны падения пласта. На схеме этот участок обозначен буквами BF. В пределах этой полумульды горизонтальное сдвижение имеет одно направление от периферии к центру мульды, причем на участке BD происходит сжатие, а на участке DF - растяжение. Допустим, что в точках С и D горизонтальное смещение грунта относительно трубопровода равно критическому. Тогда в зоне растяжения область срыва будет распространяться влево от точки F, так как вправо от нее кривые горизонтальных сдвижений и деформаций имеют нисходящий характер, т.е. срыв распространяется от точки Е к точке D. Аналогично этому в сжатой зоне мульды область срыва будет распространяться от точки С к точке

D.

При абсолютном сдвижении, равном критическому, достигается состояние предельного равновесия грунта, окружающего трубопровод, и происходит срыв грунта относительно трубопровода. Именно в этот момент интенсивность защемления достигает максимального значения.

Рассматривая уравнение кривой горизонтальных деформаций на участке DF как синусоиду и считая, что интенсивность защемления Qo пропорциональна ординатам эпюры горизонтальных сдвижений, дополнительные продольные напряжения возникающих в трубопроводе в результате подработки, определяется выражением:

 

Q l

1

 

 

πlкр

 

σn =

o

1

cos

 

,

(4.168)

πδ

 

 

 

 

 

 

l1

 

где Qo – величина защемления трубопровода; l1 – расстояние от точки максимального горизонтального сдвижения до границы сдвижения,

определяемое углом βо; δ – толщина стенки трубопровода; lкр – расстояние от точки максимального горизонтального сдвижения до точки критического сдвижения.

При проверке прочности трубопровода в продольном направлении напряжения σn будут суммироваться с продольными растягивающими напряжениями, возникающими в нем помимо влияния горных разработок. На основе проведенных исследований и многолетнего опыта эксплуатации допустимые деформации с определенным запасом можно назначать в пределах

0,5-1%.

Таким образом, задача сводится к определению максимальных деформаций, возникающих в трубопроводах в процессе сдвижения земной поверхности. Рассмотрим перемещение грунта и силы, действующие на трубопровод в пределах полумульды (рис.4.38). С допустимым для

406

практических расчетов приближением уравнение кривой горизонтальных сдвижений можно представить как:

ξ =

ξо (1+ cos

πx) ,

(4.169)

 

2

l1

 

где ξо - величина максимальных горизонтальных сдвижений; l1 – длина половины полумульды сдвижения.

Рис.4.38. Эпюра горизонтальных сдвижений земной поверхности (а) и схема расчета подрабатываемого трубопровода по предельным деформациям (б)

Критическая длина lкр, т.е. расстояние от середины полумульды до точки на эпюре с ординатой ξкр, может быть определена как:

 

l

1

2ξкр

 

 

lкр =

 

arccos

 

1 .

(4.170)

π

ξо

 

 

 

 

Величины, входящие в формулу (4.170), могут быть выражены через основные параметры, характеризующие условия подработки [69]:

l1 =

L

.

(4.171)

2

 

 

 

Величина L при полной подработке определяется по формулам:

в полумульде по падению

407

L = H2 [ctgβo + ctg(ψ1 +α)] ;

(4.172)

в полумульде по простиранию

L = H (ctgδo + ctgψ3 ) ,

(4.173)

где Н и Н2 – глубины работ до нижней границы очистной выработки; βо и δо – граничные углы по линии падения и по простиранию; ψ1 и ψ3 – углы полного сдвижения по линии падения и по простиранию; α- угол падения пласта;

ξо = aqo m cosα ,

(4.174)

где а - коэффициент, значение которого колеблется в пределах 0,2-0,6 для различных бассейнов; для Донецкого бассейна значение а принимается в зависимости от угла падения пласта α:

α

0

10

20

30

, град

 

 

 

 

а

0,2-0,25

0,35

0,5

0,6

qo – относительная величина наибольшего оседания, установленная для различных бассейнов или определяемая по специальным формулам; m – мощность разрабатываемого пласта.

Тогда величина lкр может быть выражена следующим образом:

 

L

 

2ξкр

 

 

lкр =

 

arccos

 

1 .

(4.175)

2π

 

 

aqomcosα

 

 

В случае, если в процессе подработки перемещение грунта превысит значение ξкр, произойдет сдвиг грунта относительно трубопровода. При этом на трубопровод будут передаваться только силы сдвига Qo, интенсивность которых принимается постоянной и может быть найдена по формуле (2.63) или воспользоваться данными табл. 4.16 [69].

Максимальное значение растягивающего усилия, действующего на трубопровод, может быть определено по выражению:

Ν р = QoπDнlкр ,

(4.176)

где Dн – наружный диаметр трубопровода; Qo – максимальное значение интенсивности защемления.

408

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.