О влиянии неравномерности распределения внешнего давления на прочность трубопроводов

О ВЛИЯНИИ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ

Степанов Ю.С., Ушаков Л.С., Кобяков Е.Т.

Россия, Орел, Орловский государственный технический университет

Предложен инженерный метод оценки прочности участков трубопроводов, изготовленных из тонкостенных труб и подверженных действию неравномерно распределенного внешнего давления. Даны рекомендации по повышению их прочностной надежности.

The engineering method of strength determination for pipelines made of thin-walled pipes and subject to uneven outer pressure effect is offered. The recommendations for increase of thenstrength reliability are presented.

К одному из аспектов многогранной проблемы энергосбережения принадлежат вопросы повышения надежности трубопроводных систем, используемых для транспортировки воды или энергоносителей от природного источника к потребителю, поскольку потери транспортируемой среды нередко возникают вследствие нарушения герметичности трубопроводов и элементов их сопряжения (свищи в стенках стальных и трещины в чугунных трубах, недостаточная герметизация стыков и т. п.)

Не претендуя на всеобъемлющий анализ причин разгерметизации трубопроводных систем, остановимся лишь на вопросах прочности трубопроводов, которым, на наш взгляд, несмотря на их важность, не всегда уделяется должное внимание, как при организации новых систем транспортировки, так и при эксплуатации действующих. Свидетельством справедливости этого утверждения являются нередкие аварийные ситуации, складывающиеся на трассах транспортировки вследствие разрушения отдельных участков трубопроводов, подвержешгых опасным внешним воздействиям, что приводит к значительным экономическим потерям, к загрязнению окружающей среды и негативным факторам социального характера.

Отдельные участки трубопроводов могут быть перегруженными, в особенности после ремонтных работ, проводимых в сложных условиях, из-за того, что они оказываются под непосредственным действием не только внутреннего давления, создаваемого транспортируемой средой, но и значительного внешнего давления со стороны грунта, в котором проложен трубопровод без применения ограждающей арматуры. Нельзя исключать и того случая, при котором через посредство рерхних слоев фунта на трубопровод передается нагрузка от проходящего автотранспорта, пересекающего линию трубопровода, проложенного под дорожным полотном.

280

С целью получения расчетных зависимостей, позволяющих оценить напряженное состояние трубопроводов, оказавшихся в сложных условиях нагружения, нами рассмотрен вариант нагружения участка трубопровода, представленный на рис. 1, где показано поперечное сечение трубы, подверженной действию внутреннего давления pi и внешнего - рг. Принято, что на уровне горизонтального диаметра

внешнее давление равно Рг, в верхней точке сечения - Рг, в нижней - Р2, причем

Р*2>Р2.

В предположении, что внешняя нагрузка на трубу изменяется непрерывно, был принят синусоидальный закон ее изменения по окружности: отдельно - для верхней части трубы и нижней. В результате анализа получены расчетно-аналитические зависимости для вычисления внутренних силовых факторов в любом сечении стенки трубы, необходимые для определения напряжений по толщине стенки трубы и

последующей оценки ее прочности. Сделанный пример расчета при Рг = •'Рг и

р2 = 5р2 показывает, что изгибающий момент в сечениях стенки трубы изменяется вдоль ее окружности и по величине и по знаку, а наибольшего значения достигает в нижнем сечении, что указывает на опасность появления трещин, в случае изготовления трубы из чугуна, именно в этом сечении.

Рис. 1

Возникновение изгибающих моментов в сечениях стенки трубы вызвано неравномерностью распределения внешней нагрузки по ее окружности, что является негативным фактором, которого следует избегать при прокладке трубопроводов.

281

Весьма полезным для повышения прочностной надежности трубопроводных систем может быть применение защитной ограждающей арматуры.

Степанов Юрий Сергеевич, д.т.н., профессор, проректор по НРиМС, Орловский государственный технический университет 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ОрелГТУ Тел.: (086-2)47-50-71

Ушаков Леонид Семенович, д.т.н., профессор, зав, кафедрой «Прикладная механика», Орловский государственный технический университет 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ОрелГТУ Тел.: (086-2)41-98-13

Кобяков Евгений Тихонович, к.т.н., профессор кафедры «Прикладная механика», Орловский государственный технический университет 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ОрелГТУ Тел.: (086-2)41-98-85

282