Tipovye_raschyoty_pri_sooruzhenii_i_remonte

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

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:

где qmр = 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

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

401

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:

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

Условие прочности записывается в виде:

где ψ4 – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние трубопровода.

Если принять

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

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)

При укорочении трубопровода стрела прогиба уменьшается до

(см. рис. 4.36, в)

Здесь

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:

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:

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:

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

Величина L при полной подработке определяется по формулам:

• в полумульде по падению

407

• в полумульде по простиранию

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;

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:

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:

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:

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

408