книги / Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов

грунта;* WM- количество незамерзшей воды в грунте основания при температуре рск.м - плотность сухого грунта, кг/м3; h„- допустимая (например, из условия

прочности) глубина протаивания грунта под трубопроводом, м.

При расчете следует принимать значения величин: WH= 0; W = 0,2; 1500 кг/м3; hT - 0,5 м.

43.4. 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:

' № ( * , ■

V 1щ

где qmp = qM+ qnpod; опр.Рподсчитывается в соответствии с формулой (2 .1 1 ). Длина компенсационного участка LKвыбирается конструктивно равной 4

- 6 значениям £. Фактическая длина трубопровода Ьк.факт на слабоизогнутом

где q> - угол, принимаемый из условия прохождения очистного устройства равным 1 2 °.

угла изогнутого участка. Напряжения в горизонтальной плоскости в этом сечении находятся из выражения:

где qeem - ветровая нагрузка, действующая в горизонтальной плоскости (см. п.2 .1 ) \ f —стрела прогиба, определяемая как:

Условие прочности записывается в виде:

где у/,4 - 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 Lpac4 округляется в меньшую сторону до ближайшей величины L, кратной 2£.

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

рассчитываются возможные колебания стрелы прогиба / При удлинен^ трубопровода стрела прогиба/ увеличивается до (см. рис. 4.36,6)

При укорочении трубопровода стрела прогиба уменьшается до (см. рис. 4.36, в)

Здесь

Ширина свободноподвижной опоры должна быть не меньше разности

fye “/ум

4.4. П рокладка 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.

L

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

г) - распределение оседания; е - распределение горизонтальных деформаций; Ç - распределение горизонтальных сдвижений; L - длина полумульды со стороны падения; £\ - длина растянутой части полумульды; £щр - 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%.

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 Q, пропорциональна ординатам эпюры горизонтальных сдвижений, дополнительные продольные напряжения возникающих в трубопроводе в результате подработки, определяется выражением:

(4.168)

где Qo - величина защемления трубопровода; Л - расстояние от точки максимального горизонтального сдвижения до границы сдвижения, определяемое углом Д ; S - толщина стенки трубопровода; - расстояние от точки максимального горизонтального сдвижения до точки критического сдвижения.

При проверке прочности трубопровода в продольном направлении напряжения 05, 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 деформации, возникающих в трубопроводах в процессе сдвижения земной поверхности. Рассмотрим перемещение грунта и силы, действующие на трубопровод в пределах полумульды (рис.438). С допустимым для

практических расчетов приближением уравнение кривой горизонтальных сдвижений можно представить как:

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

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

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

(4.171)

Величина L при полной подработке определяется по формулам:

• в полумульде по падению

• в полумульде по простиранию

где Н и Н2 - глубины работ до нижней границы очистной выработки; Д и фо _ граничные углы по линии падения и по простиранию; щ и щ - углы полного сдвижения по линии падения и по простиранию; а- угол падения пласта;

где а - коэффициент, значение которого колеблется в пределах 0,2-0,6 для различных бассейнов; для Донецкого бассейна значение а принимаете^ в зависимости от угла падения пласта ос.

qa - относительная величина наибольшего оседания, установленная для различных бассейнов или определяемая по специальным формулам; т мощность разрабатываемого пласта.

Тогда величина £кр может быть выражена следующим образом:

(4.175)

В случае, если в процессе подработки перемещение грунта превысит значение ÇKp, произойдет сдвиг грунта относительно трубопровода. При этом на трубопровод будут передаваться только силы сдвига Q0, 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 DH - наружный диаметр трубопровода; Q() - максимальное значение интенсивности защемления.

Величина продольных деформаций трубопровода определится как:

где £т- деформации, соответствующие началу текучести ет= — , Ет- модуль

Е

упрочнения Етя - ^ Е .

Таким образом, для проверки прочности подрабатываемого трубопровода на основании определения его предельного состояния необходимо по формула (4.177) найти величину максимальной деформации и сравнить ее с предельно допустимой. Значение ÇKpможет быть получено только по данным экспериментальных исследований и составляет: для малосвязных песчаных

Предложенный метод расчета довольно точно отражает действительные условия работы трубопроводов в процессе сдвижения грунтов при их подработке. Кроме того, что самое главное, при этом методе расчета представляется возможным вскрыть резервы несущей способности трубопроводов и полностью использовать работу металла труб.

4.5. П рокладка трубопроводов в сейсмических районах

Проектирование трубопроводов, предназначенных для прокладки в районах с сейсмичностью свыше 6-ти баллов для надземных и свыше 8-ми баллов для подземных трубопроводов, необходимо производить с учетом сейсмических воздействий [114; 123; 125].

При выборе трассы трубопроводов в сейсмических районах необходимо избегать косогорные участки, участки с неустойчивыми и просадочными грунтами, территории горных выработок и активных тектонических разломов, а также участки, сейсмичность которых превышает 9 баллов.

При прохождении участка трассы с грунтами, резко отличающимися друг от друга сейсмическими свойствами, необходимо предусматривать возможность свободного перемещения и деформирования трубопровода.

На участках пересечения трассой трубопровода активных тектонических разломов необходимо применять надземную прокладку.

Конструкции опор надземных трубопроводов должны обеспечивать возможность перемещений трубопроводов, возникающих во время землетрясения.