книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdfШ Расчет и проектирование нефтегазовых объектов в условиях мерзлых грунтов - 3 4 1 -
(16.7) где rins = d pi/ 2 + 8ins,d pi - внешний диаметр трубы, м;
^Ins - толщина кольцевой изоляции вокруг трубы, м; H th - глу бина многолетнего оттаивания, отсчитываемая от дневной по
верхности, м; m = hpi I r * ,hpj |
глубина заложения |
трубы |
(расстояние от ее центра до дневной поверхности), м; |
- без |
|
размерная глубина оттаивания под центром трубы, определяе мая по номограмме (рис. 16.5) в зависимости от параметров
ТП,(3Т,1 Т; р т - безразмерная температура (для ММП несливающегося типа принимается равной нулю):
(16.8)
где ^ f> \h - коэффициенты теплопроводности мерзлого и
талого грунта, Вт/(м°С); 7^ - температура ММП у подошвы
слоя с годовыми теплооборотами, °С; Tins - средняя годовая температура внешней поверхности кольцевой изоляции трубы, °С, определяется по формуле (16.11); /, - безразмерное время.
Для мерзлых грунтов сливающегося типа безразмерное время определяется по формуле (16.9), несливающегося (16.10):
(16.9)
(16.10)
где t - период эксплуатации трубопровода, ч; Q0 - объем ный расход тепла при таянии ММП, рассчитывается по формуле (16.14), Вт ч/м3; 1К - эквивалентное безразмерное время, опре деляется по номограмме (рис. 16.5).
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -342- объектов в условиях Севера
Рг=о
Рис* 16.5. Номограмма для определения многолетнего оттаивания мерз лых грунтов вокруг теплого и горячего трубопроводов.
16. Расчет и проектирование нефтегазовых объектов в условиях мерзлых грунтов - 3 4 3 - |
||||
При |
= £ /е — Н 01rins (# о |
- глубина залегания кровли |
||
мерзлых грунтов, м). |
|
|
|
|
|
„ 2KXI/IRT |
| |
. |
(16.11) |
|
- Трг +ТЛ |
|
|
|
|
|
о д |
npuSins=0,0; |
|
|
|
RT = |
1 |
2r. |
(16.12) |
|
|
|
|
-In |
при Sins >0,0; |
|
|
|
2%X. |
d . |
|
|
|
|
|
v im |
m |
|
|
|
A = ]n^m + yjm 2 - l j , |
(16.13) |
||
где Tpr - среднегодовая температура продукта (газ, нефть), |
|||||
°С. |
|
|
|
|
|
|
& = ^ p f^ r ~ J!k+0’5C^ - c / T0, |
06.14) |
|||
|
|
|
l + Wtot |
|
|
где |
L0 |
удельная теплота фазовых превращений воды, |
|||
LQ = 93 Вт ч/кг; |
Wlol - суммарная влажность мерзлого грунта; |
||||
количество незамерзшей воды в мерзлом грунте при |
|||||
температуре |
Т0 ; |
р у |
хшотность мерзлого грунта, |
кг/м3; |
|
Сл ,C f |
- объемная теплоемкость талого и мерзлого |
грунта, |
|||
Вт-ч/(м3-°С).
Глубина многолетнего промерзания грунта под центром хо лодного трубопровода, расположенного на участке с ММП не-
сливающегося типа, H f - принимается равной H (h и рассчи тывается по формулам (16.7),(16.9) и (16.11) и номограмме на рис. 16.5. При этом в формуле (16.9) в качестве Тш следует принять абсолютное значение температуры, а в формуле (16.14)
положить: Т0 =0, Ww = 0 и = С у =0.
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых ”344- объектов в условиях Севера
Если в результате расчета глубина промерзания Н ^ ока жется больше глубины залегания кровли ММП Н 0 то следует принять Н j ~ Н 0.
16.4. Расчет подземного трубопровода на прочность и устойчивость
Механический расчет трубопровода ведется на прочность в продольном направлении и на общую устойчивость в продоль ном направлении с проверкой на недопустимость пластических деформаций в продольном и кольцевом направлениях и всплы тия (Тартаковский, 1967).
Целью расчета является определение толщины стенки тру бы 8 pi толщины кольцевой изоляции 8 jns, веса балласта q ba
(если трубопровод находится ниже уровня грунтовых вод или в оттаивающих ММП с льдистостью более 0,4) и глубины зало
жения трубы h .. Результат расчета во многом зависит от глу
бины оттаивания (теплые и горячие трубопроводы) H thи про
мерзания (холодные трубопроводы) Н j- грунта под трубой. В
свою очередь эта глубина определяется температурой продукта
Трг, которая, как известно, меняется по длине трассы, поэтому
вычисления должны производиться для нескольких расчетных сечений, выбираемых на разных участках трассы. Для этих се чений предварительно должна быть определена температура продукта.
Расчет на прочность заключается в проверке предельного
условия
K m t f N V ' A . |
(16Л5> |
где C UmAr - суммарное продольное напряжение в трубе, Па;
16. Расчет и проекпфование нефтегазовых объектов в условиях мерзлых грунтов |
- 3 4 5 - |
Rst - предельное сопротивление стали, определяется по
Формуле (см. ниже), Па;
If/ 2 - безразмерный коэффициент, учитывающий простран
ственную работу трубы, определяется по формуле (16.17).
R |
Ш |
гт |
(16.16) |
|
г . |
U 1ет’ |
|
|
ККе |
|
|
т - безразмерный коэффициент условия работы, принима |
|||
ется для категории участка трубопровода В |
т = 0,6, для кате |
||
гории I и II - т = 0,75, для категории Ш и IV - т = 0,9; к х
безразмерный коэффициент безопасности по материалу, прини
маемый по данным СНиП 2.05.06-85 от 1,34 до 1,55, к ге - без
размерный коэффициент надежности по назначению трубопро вода, принимается по данным СНиП 2.05.06-85 от 1,0 до 1,1;
<7tem - временное сопротивление стали, Па, принимается по
г о с т т у 14_3_1344_85 |
|
|
||
1,0, |
|
при (7ИтЛ > 0 ( растяж ение); |
||
V2 = |
|
|
(16.17) |
|
^ - 1 |
- 0 , 5 ^ ,при |
<0(сж ат ие), |
||
/1 —0 ,75 |
||||
J |
K i) |
К-я |
|
|
где <7С|> - кольцевое напряжение от внутреннего давления в
трубе, Па:
С7. =1,15 Р р А п |
(16.18) |
28 .
р>
где p pi - внутреннее давление в трубе, Па; d in - внутрен
ний диаметр трубы, м; 8 pj - толщина стенки трубы, м.
Суммарное продольное напряжение в трубе зависит от тем пературы продукта. Для горячего и теплого трубопровода оно определяется по формуле
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 4 6 - объектов в условиях Севера
= Ъ Зсг*. + о> + CJS + а р , |
(16.19) |
для холодного
= 0,5(7,* +<yT + V fl,+ < V |
(16.20) |
где <7T,<Tp,Gs,<JjJl продольные напряжения в трубе от
изменения температуры, упругого изгиба трубопровода при его повороте, удлинения и упругого изгиба трубопровода при осад ке, удлинения и упругого изгиба трубопровода при пучении, Па, определяемые по формулам
o T = Esta TA T , |
|
(16.21) |
|||
|
EJ |
pi |
|
(16.22) |
|
Р |
Г pi,h2р |
’ |
|||
|
|||||
c r = E , |
&s2 |
4 d |
^ |
||
21} |
1} |
(16.23) |
|||
|
St |
' |
|||
|
|
|
sp |
у |
|
(57dpi ~ 350), |
при d pi < 0 ,5JW; |
||||
|
|
|
|
(16.24) |
|
(7 0 ^ ,-1 0 0 0 ), при d p. > 0,5M , |
|||||
где Est - модуль упругости стали, 2 |
1011 Па; CLT - коэф |
||||
фициент линейного расширения стали, 1,2 • 10'5; АТ - разность температуры стенки трубы, при подземной прокладке принима
ется ± 40°С; d pl - внешний диаметр трубы, м; p pi h - радиус
изгиба трубопровода при повороте, м; S - осадка трубопровода
при оттаивании ММП, м; Lsp - длина участка трубопровода,
подверженного изгибу при его осадке, м; |
- пучение трубо |
16. Расчет и проектирование нефтегазовых объектов в условиях мерзлых грунтов |
- 3 4 7 - |
провода при многолетнем промерзании грунтов в его основа нии, м; Е - модуль деформации талого грунта, Па.
Осадка трубопровода при оттаивании многолетнемерзлых песчаных и маловлажных глинистых грунтов ( Wlol < 0,22) опре деляется по формулам (16.25), сильновлажных глинистых грун
тов ( Wtot > 0,22) - по формуле (16.26):
<5 |
- hpj - |
мерзлые грунты сливающегося типа; |
(16.25) |
||
5 ~< |
|
|
|
|
|
S,(H lh —Н0), |
мерзлые грунты несливающегося типа; |
|
|||
|
|
р . - р |
|
|
|
|
|
+ V + |
_ |
|
|
5=тах< |
|
Pba |
|
|
|
|
^р! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мерзлые грунты сливающегося типа; |
|
||
s =6j(Hlh- Я 0), мерзлые груты несливающегося типа, |
(16.26) |
||||
где |
8j |
максимально возможная |
относительная |
осадка |
|
ММП |
при оттаивании, |
определяется |
по формуле |
(16.27); |
|
Чpi>Яms’Чрг ' вес 1 м ТРУбы, изоляции и продукта, определяет
ся по формуле (16.29), Н/м; плотность материала
балласта и грунтовой пульпы, кг/м3; q ba - вес 1 м балласта, оп ределяется из условия устойчивости трубопровода на всплытие, Н/м; q we - выталкивающая сила грунтовой пульпы, действую
щая на 1 м трубы, определяется по формуле (16.30), Н/м; t время эксплуатации трубопровода, ч;Г}- динамическая вязкость
оттаявшего глинистого грунта, Н-ч/м2, определяется по данным табл. 16.1.
Т а б л и ц а 16.1 Динамическая вязкость оттаявшего глинистого грунта
Суммарная влаж |
0,22 |
|
ность ММП, Wtot |
||
2,78.10'* |
||
И, Н-ч/м2 |
0,24
2,78 ■10»
0,32
м <1 00 |
9 , |
0,38 0,54
2,78 • Ю6 2,78 • 105
Механика мерзлых грунтов н принципы строительства нефтегазовых -348- объектов в условиях Севера
О .Ч ,рг ( 1 - Ч ) , . |
песчаные грунты |
|
|
917(l+wm) |
(16:271 |
||
|
|||
( i > 4 , - wP- o > 4 , ) ( i - Q |
глинистые грунты |
|
|
0,38+ wm |
|
||
|
|
||
где ij - содержание льда включений в грунте; Wm |
- влаж |
||
ность мерзлого грунта между ледяными включениями; Wp
влажность грунта на границе раскатывания.
j _ |
tot |
т |
(16.28] |
|
|
|
'0,342 + wtot ’
qpi= ~ P s t g { d l i - d 2n)
b ,s =^Pir,sg{dL - 4 i ) ^ |
(16.29) |
Чрг
где d in - внутренний диаметр трубы, м; d insдиаметр тру бы вместе с кольцевой изоляцией, м; p sl, p ins, р рг плотность стали, изоляции, продукта, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с2.
q we ^ g p Pud ts |
(16-3°) |
Длина участка трубопровода, подверженного изгибу при его осадке определяется подбором по формулам:
16, Расчет и проектирование нефтегазовых объектов в условиях мерзлых грунтов |
- 3 4 9 - |
3 8 4 E stI pi, |
(16.31) |
|
|
P i + Я |
|
Д = l + 6w+16w2, |
(16.32) |
14389й? |
(16.33) |
w = -------г .......... г |
^spyj^b^sp^pi I S pi
где I pi - экваториальный момент инерции сечения трубы:
м4; q ent - суммарная весовая нагрузка на
1 м трубы, определяемая по формуле (16.34), Н/м; к ь - коэффн циент постели, определяемый по формуле (16.36), Н/м3.
Яет - 1Л |
+ Яins + Ярг + Яьа + Яsoil)’ |
(16.34) |
где q sojl - вес 1 м грунта, лежащего на трубе, Н/м, опреде
ляется по формуле
4„ ,i = 0 № p ,i,d plhriig , |
(16.35) |
где p (h - плотность грунта в талом состоянии, кг/м3
£ |
|
к ь =0,523-----. |
(16.36) |
d pi
Величина пучения холодного трубопровода при многолет нем промерзании грунтов в его основании определяется по формуле
|
|
\ |
|
h ft,— f с H f - K |
2 |
3 |
(16.37) |
|
J |
|
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 3 5 0 - объектов в условиях Севера
где f c - коэффициент пучения, определяется по данным
полевых или лабораторных исследований, доли единицы. Расчет на общую устойчивость трубопровода в продольном
направлении осуществляется только для случая сжатия трубы под воздействием внутреннего давления и колебания темпера туры. Условие устойчивости имеет вид (СНиП 2.05.06-85):
(0,2<Tc/r+CTr ) F p; |
(16.38) |
где Fpi = — { d 2^ — dfn) , ^Vjim - максимальные сжимающие 4
усилия, которые могут быть восприняты трубой без потери ее устойчивости в продольном направлении, определяются по формуле (16.39), Н; остальные обозначения даны выше.
|
4 , 0 9 ^ |
д а > |
, |
||
ЛГ,т = т ш |
|
|
|
(16.39) |
|
|
2 ,/ М р А |
Л , . |
|
||
P o = n d pi( P]tg<p + c ), |
(16.40) |
||||
|
l + tg 2\^ - Q ,5 < p |
+ Я\ |
|||
|
|
|
|
|
|
Pi = |
n d . |
|
|
|
,(16.41) |
|
|
|
|
|
|
Ч\ = 0,95(^rp. + qins + qba)> |
(16.42) |
||||
|
|
|
|
nd Л |
|
Ч н ~ Ч 1 |
■ ** ^•fiPthdpi |
К |
--------=■ |
(16.43) |
|
|
P> |
Q |
У |
||
|
|
|
|
® |
|
где (p угол внутреннего трения талого грунта, рад;
С - сцепление талого грунта, Па; остальные обозначения даны выше.
Проверка на недопустимость пластических деформаций ма териала трубопровода заключается в контроле выполнения двух предельных условий: