книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

В зависимости от величины и знака продольной силы трубопровод м ож ет бы ть разорван (при больш их отрицательны х значениях At)t а м ож ет потерять устойчивость (при больш их полож ительны х значени­ ях At).

Если газопровод улож ен при С0 = О “С, то после ввода его в эксплуа­ тацию при 80 °С, давлении 7,5 М Па, внутреннем диам етре 1200 мм, тол­ щ ине стенки 18 мм продольная сила в соответствии с ф ормулой (12,37) составит почти 8600 кН (860 т). Столь значительная сила м ож ет приве­ сти к потере устойчивости трубопровода.

Процесс потери устойчивости под воздействием продольных усилий обычно сопровож дается волнообразным искривлением трубопровода.

При синусоидальной ф орм е искривления (рис. 12.26, а) продольные перем ещ ения практически отсутствую т. П ри искривлении по форме, приведенной на рис. 12.26, б, продольные перем ещ ения могут быть зна­ чительными.

Рис. 12.26. Возможные формы искривления подземного трубопровода

В м еханике грунтов сущ ествую т две модели грунтовой среды: Мо­ дель упругого грунта, х арактери зую щ аяся коэф ф ициентом пропорци­ ональности к0, который ещ е назы ваю т коэф ф ициентом постели, и Мо­ дель пластичного грунта. П оследняя модель используется при расче­ тах устойчивости сооруж ений на сдвиг.

Основным допущ ением модели упругого грунта явл яется следую­

Здесь q(x) — силовая реакция грунта на поперечное перемещ ение т^у. бы (рис. 12.27); ш(ас) — поперечное перемещ ение трубы .

В пределах каж дой волны и полуволны труба перем ещ ается в попе­ речном направлении, оказы вая силовое воздействие на грунт и испы ­ тывая с его стороны реактивное сопротивление (см. рис. 12.27). При рас­ чете устойчивости приходится учиты вать сопротивление грунта как по­ перечному, так и продольному перемещ ениям трубопровода. Последние перемещения, как правило, бываю т небольш ими. Н априм ер, д л я труб диаметром более 500 мм при стрелах прогиба 20— 30 см продольные перемещ ения составляю т примерно 10 мм.

Рис. 12.27. Схема искрив­ ления трубопровода в уп­ ругом грунте

Н ачальное образование волн изгиба в трубопроводах всегда проис­ ходит при упругом отпоре со стороны грунта. П ри дальнейш ем увели ­ чении стрелы прогиба возм ож ен переход грунта в предельное (пласти­ ческое) состояние.

При рассмотрении вопроса о продольной устойчивости полож итель­ ными считаю т сж им аю щ ие напряж ения. П ри некотором продольном усилии больш е критического Р > Р кр трубопровод м ож ет перейти в ис­ кривленное состояние. Этот переход назы ваю т потерей устойчивости трубопровода, а силу Р кр назы ваю т критической.

Если трубопровод искривлен продольной силой по синусоиде в уп­ ругом грунте, то критическая сила определяется из следую щ его вы ра­ жения:

Здесь п — число полуволн в искривленном трубопроводе; I = пЛ; к0 — коэффициент пропорциональности или коэф ф ициент постели грунта, определяемый из таблиц (для мокрой глины малой плотности и ры хло­ го песка 0,01— 0,05 МПа; для плотного песка и плотной влаж ной глины 0,05— 0,50 МПа); Л — длина полуволны искривленного трубопровода.

М инимальное значение критической силы

К ритическое значение тем пературного перепада, вы ш е которого трубопровод тер яет устойчивость:

П ри полож ительном перепаде тем ператур At больш е чем значение, определяем ое последней ф ормулой, ось трубопровода искривляется.

В грунтах малой плотности (кп —> 0) осью искривленного трубопро­ вода будет синусоида, полуволна которой равна полной длине рассмат­ риваемого участка трубопровода. При значениях к0 очень больш их под­ земны й трубопровод своей устойчивости не теряет.

12.11.4. Б а л о ч н ы е тр у б о п р о в о д ы

Н адзем ная схема укладки прим еняется в основном для пе­ ресечения различного рода препятствий, когда подземные схемы нео­ сущ ествим ы или неэф ф ективны . Н аиболее часто по этой схеме пересе­ каю т болота, тундру, овраги и реки, имею щ ие неустойчивое русло.

Н адземны й трубопровод уклады вается прямолинейно на опорах как многопролетная балка. П рименяю т следую щ ие конструктивны е схемы надзем ны х трубопроводов:

•балочная схема, не содерж ащ ая у с т р о й с т в ком пенсации удлине­ ния или укорочения трубопровода. В этом случае до определенно­ го перепада тем п ератур обеспечивается устойчивая работа трубо­ проводов за счет прогибов в вертикальной плоскости;

•балочная схема, содерж ащ ая к о н с т р у к т и в н ы е эл ем ен ты для ком­ пенсации удлинения труб в процессе эксплуатации Это трубопро­ воды с П -, Г- и Z-образны м и компенсаторами, устанавливаемыми на опорах через определенное расстояние в вертикальной или го­ ризонтальной плоскости (рис. 12.28).

Рис. 12.28. Схема балочного трубопровода с П-образным компенсатором

Свайные опоры устраиваю т из одной или нескольких свай. Опоры могут бы ть неподвиж ны ми, ш арнирны м и и скользящ им и. П ри шарнир-

П ри пуске и заполнении трубопровода нефтью или иным продуктом изменяю тся нагрузки и воздействия на него: от веса ç; от температуры f; от рабочего давления р.

Прогиб от этих трех воздействий без учета сж атия м атериала трубы;

(12.46)

Основным отличием схем п рокладки ôajioHHbix трубопроводов с к о м п ен сато р ам и от балочных трубопроводов без компенсаторов явля­ ется возмож ность их продольных перемещ ений на опорах.

Компенсатор дает возможность трубопроводу перемещ аться в про­ дольном направлении м еж ду неподвижными опорами (НО) (см. рис. 12.28), На неподвижных опорах (НО), расстояние м еж ду которыми равно L, труба ш арнирно закреплена и перем ещ аться в плане не может. Между подвиж ны ми опорами 1, 2, 3 и 4, 5f 6 трубопровод работает как много­

пролетная балка.

Компенсаторы Г-образного типа обычно устанавливаю т на балочных переходах через небольш ие препятствия. П ролеты I работаю т как не­ разрезн ы е балки. На опорах трубопровод м ож ет свободно перемещать­ ся в направлении компенсатора, имеющего вы соту

Компенсатор долж ен собирать удлинения участка L, которые скла­ ды ваю тся из удлинений тем пературны х и от внутреннего давления.

П ерем ещ ение Г-образного компенсатора, загруж енного силой Рот прямого участка L трубопровода, определяется:

Допустимое для компенсатора предельное перемещ ение

(12.48)

Зд есь |о*ком| — кон тролируем ое н ап р яж ен и е изгиба в компенсаторе; W — момент сопротивления сечения трубы; J — осевой момент инер­ ции сечения трубы.

П риравнивая полное удлинение расчетного участка его предельно допустимому значению , получим следую щ ую зависимость:

Здесь слагаемое и 0 — возмож ное продольное перемещ ение примыкаю ­ щих подземных участков трубопровода.

С помощью этого уравн ен и я можно определить 1к при других задан ­ ных параметрах. У частки труб м еж ду опорами рассчиты ваю тся как обычные неразрезны е балки.

Сущ ествует метод компенсации удлинений за счет м онтаж а трубо­ провода, упруго искривленного по синусоиде в горизонтальной плоско­ сти. В процессе м онтаж а трубопровод уклады вается на опорах в плане в виде синусоиды (рис. 12.30). Ш арнирны е опоры, установленные на рас­ стоянии L, не даю т трубам в этих точках перем ещ аться в горизонталь­ ной плоскости. На пром еж уточны х скользящ их опорах упруго искрив­ ленная труба при изменении тем пературы перем ещ ается только в по­ перечном направлении.

V

X

L.

Рис. 12.30. Схема упругоискривленного балочного трубопровода [19]

Наибольшая стрела прогиба определяется наибольш им тем ператур­ ным перепадом Atmax м еж ду тем пературой трубы и тем пературой з а ­ мыкания стыков *0 и м ож ет бы ть определена из вы раж ения:

(12.50)

Здесь / 0 — стрела прогиба в момент зам ы кания стыков трубопровода при монтаже.

Н аибольш ая стр ел а прогиба о п р е д ел я е т необходим ую ш ирину скользящих опор.

В м еханике ж идкости и реологии п о то к о м назы ваю т дви­ ж ущ ую ся массу ж идкости, ограниченную твердой поверхностью (за­ порный поток) или свободной поверхностью (безнапорный поток).

Ж и вы м сечением потока назы ваю т такую поверхность, во всех т^ч- ках которой линии тока направлены по нормали к поверхности. Пло­ щ адь живого сечения потока будем обозначать символом со.

Сж счеккься ггер&жегггр^ — зт<? часть я е р /ж е т р а жя&ото с сч ек яя w _ прикасаю щ аяся с тверды м и стенками.

В теории б езнапорны х течений Ис­ пользую т понятие гидравлического ради­ уса. Гидравлический радиус R r — это ()Т- нош ение площ ади живого сечения к с е ­

Д ля круглой трубы диаметром d, Ра­ ботающ ей неполным сечением, гидравли­ ческий радиус определяется следующим вы раж ением

Рис. 13.1. К определению гид­ равлического радиуса

где <р— центральны й угол, под которым видна заполненная жидкостью часть сечения трубы (рис. 13.1). В частности, если труба заполнена пол­ ностью (ф = 2л), Rr = d /4 .

Объемный расход потока Q — это количество ж идкости в единицах объема, проходящ ее через ж ивое сечение в единицу времени.

В реальных потоках местны е скорости в различны х точках живого сечения бываю т различны ми. В механике ж идкости для реш ения прак­ тических задач рассм атривается ф иктивны й поток, в котором все час­ тицы жидкости в п ределах живого сечения имеют одинаковую (вообра­ жаемую) среднюю скорость V.

Средняя с к о р о с т ь потока V — это отнош ение объемного расхода к площади живого сечения. Объемный расход ж идкости определяется как произведение площ ади живого сечения на среднюю скорость потока в

У становивш им ся (стационарным) назы ваю т такой поток, в каж дой точке которого м естная скорость течения не м еняется во времени. Если скорость в каж дой точке потока м еняется во времени, движ ение я в л я ­ ется неустанови вш им ся (нестационарным).

Равномерным назы ваю т движ ение ж идкости, при котором средняя скорость течения вдоль потока остается постоянной.

Для потока несж им аем ой (капельной) ж и д к о с т и справедливо сле­ дующее уравнение н ер азр ы вн о сти (постоянства объемного расхода):

Из этого уравнения следует, что течение ж идкости в трубе постоян­ ного диаметра (си = const) явл яется равномерным.

Для потока сж им аем ой (газообразной) ж и д к о с т и уравнение н ераз­ рывности (постоянства массового расхода) имеет следую щ ий вид:

где р — плотность сж им аем ой жидкости.

В основе гидравлических расчетов трубопроводов леж ит уравнение Бернулли, которое для потока реальной жидкости имеет следующ ий вид:

В этом уравнении p v p,}— давление в произвольны х сечениях с коор­ динатами jc1, х 2 трубопровода; г 1, z,y—*вы сотные отметки рассм атрива­ емых сечений; /г12 — потери напора (энергии) при движ ении ж идкости

на рассм атриваем ом участке трубопровода. Величина 2 назы вается гео­ м етрическим напором или удельной потенциальной энергией положе­ ния, а отнош ение (р /р д ) — пьезом етрическим напором или удельной потенциальной энергией давления. Величина V2/2 g назы вается скоро­ стным напором. Разм ерность всех слагаем ы х в уравнении Бернулли линейная — метры.

Сумма всех членов уравнения Б ернулли представляет собой пол­ ную удельную энергию ж идкости в рассм атриваем ом сечении потока или полный геометрический напор Я. У дельная энергия определяется относительно произвольно выбранной горизонтальной плоскости срав­ нения. П оскольку все члены уравнения Б ернулли имеют линейную раз­ мерность, они могут быть представлены граф ически (рис. 13.2).

Щх) - линия гидравлического уклона

Рис. 13.2. Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли

При равномерном движении жидкости, когда скоростной напор {V2/2g) равен для всех ж ивы х сечений потока, уравнение Б ернулли представ­ ляется следую щ им образом:

П отери энергии при течении ж идкостей зависят от харак­ тера движ ения частиц в потоке или, иначе говоря, от реж им а движения ж и дкостей .