3 Расчетная часть

3.1 Расчет толщины стенки трубопровода

Выбираем согласно [1], [2] сталь марки 13Г1С-У выпускаемый Выксунским металлургическим заводом со следующими характеристиками: временное сопротивление разрыву , предел текучести, коэффициент надежности по металлу трубы[3].

Номинальная толщина стенки трубопровода определяется согласно [3] следующим образом:

, (1)

где – коэффициент надежности по нагрузке от внутреннего давления,

[3];

–коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние

металла труб [3];

–внутреннее давление в трубопроводе, МПа ;

–наружный диаметр трубопровода, м;

–расчетное сопротивление материала, МПа [3];

, (2)

_где  нормативное сопротивление материала, зависящее от марки стали

и в расчетах принимается ;

–коэффициент условий работы трубопровода, равный 0,9 для участков

3 категории [3] ;

–коэффициент надежности по материалу, [3];

–коэффициент надежности по назначению трубопровода,[3];

Коэффициент при сжимающих продольных осевых напряжениях

.

При определяется по формуле

(3)

Принимая первоначально , рассчитаем предварительную толщину стенки трубопровода по формуле (1):

_{Полученное значение округляем в большую сторону до} ближайшей номинальной в сортаменте труб,

Продольные осевые напряжения рассчитываем по формуле:

(4)

где – расчетный перепад температур,[3];

–коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона),

[3];

–коэффициент линейного расширения металла, [3];

–модуль Юнга, [3];

–коэффициент надежности по температуре, [3];

–внутренний диаметр трубопровода.

,

.

По [4] находим для района прокладки трубопровода ;;. Нормативные значения температуры наружного воздуха в холодное и теплое время года:,, а расчетные значения,.

Температурный перепад при замыкании трубопровода в холодное время года , а при замыкании трубопровода в теплое время года.

В качестве расчетного температурного перепада принимаем наибольшее значение .

Продольные напряжения по формуле (4) равны :

Знак «минус» указывает на наличие осевых сжимающих напряжений, поэтому необходимо определить по формуле (3) коэффициент :

.

Пересчитываем значение толщины стенки газопровода по формуле (1):

;

Принятая толщина стенки удовлетворяет условию

Проверочный расчет на прочность и деформацию

Прочность в продольном направлении проверяется по условию:

(5)

где - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб[3], при растягивающих осевых продольных напряжениях(), при сжимающих () определяется по формуле:

(6)

где - кольцевые напряжения в стенке трубы от расчетного внутреннего

давления [3], определяемые по формуле:

(7)

,

Условие выполняется

Для предотвращения пластических деформаций, в продольном и кольцевом направлениях проверку производим по условиям:

(8)

(9)

где -максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий, [3];

- коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла трубы, [3];

- кольцевые напряжения в стенках трубопровода от нормативного внутреннего давления, [3];

нормативное сопротивление материала, зависящее от марки стали и в расчетах принимается , [3];

Продольные напряжения для полностью защемленного подземного трубопровода определяются по формуле (10) :

(10)

где - минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода

Кольцевые напряжения от действия нормативной нагрузки – внутреннего давления:

(11)

.

Коэффициент определяется по формуле

(12)

,

_{Условие выполняется.}

Определим значение продольных напряжений

- для положительного температурного перепада

- для отрицательного температурного перепада

Выполнение условия проверяем дважды:

- для положительного температурного перепада

Условие выполняется;

- для отрицательного температурного перепада

Условие выполняется.

Окончательно принимаем =23мм ;=102023мм.

3.2 Расчет трубопровода на прочность и устойчивость

Определим площадь поперечного сечения металла трубы:

(13)

_{Определим осевой момент инерции поперечного сечения трубы:}

(14)

Определим полярный момент инерции:

(15)

_{Определим нагрузку от собственного веса трубы:}

(16)

_где - удельный вес материала из которого изготовлены трубы (для стали

=78,5 кН/м³ ), [3];

_{Получим:}

_{- нормативная}

_{- расчетная}

(17)

_{где nс.в – коэффициент надежности по нагрузке от действия собственного веса,}

_{nс.в=1,1 – при расчете на прочность; nс.в=0,95 – при расчете на устойчивость[3];}

,- расчетная и нормативная нагрузки от веса трубопровода, [3];

_{Определим нагрузку от веса изоляционного покрытия:}

_{Принимаем следующие виды изоляционных покрытий по [5] :}

_{а) изоляционная лента Фуракава Рапко НМ-2 (Япония) ;}

_{Принимаем по [5] покрытие нормального исполнения c характеристиками:}

_{и.п = 3мм по ;}

_{m=0,648 кг/м2 ;}

_п=1010 кг/м³ ;

б) изоляционная обертка Фуракава Рапко РВ-2 (Япония) ;

Принимаем по [5] обертку с характеристиками:

_об=3мм ;

_{m=0,633 кг/м2 ;}

_об=989 кг/м³ ;

₍₁₈₎

(19)

_{(20) где qиз- нагрузка от веса изоляции,[4];}

-расчетные и нормативные нагрузки от веса изоляционной

пленки и оберточного слоя, [5];

-коэффициент учитывающий величину нахлеста, [5];

,-толщина пленки, обертки приведенные для различных материалов, [5];

,-плотности пленки и обертки, [5];

(21)

_{Определяем нагрузку от веса транспортируемого продукта (газ)}

_{- нормативная:}

₍₂₂₎

_{- расчетная:}

₍₂₃₎

_где ,- расчетная и нормативная нагрузка от веса продукта, [3] ;

- плотность газа (=0,73 кг/м³), [3];

-коэффициент надежности по нагрузке от действия собственного веса

продукта, [3] ;

_{Определяем нагрузку от веса транспортируемого продукта при гидроиспытании (вода)}

_{- нормативная:}

₍₂₄₎

_{- расчетная:}

_где ,- расчетная и нормативная нагрузка от веса продукта;

- плотность воды (=1000кг/м³) , [3];

-коэффициент надежности по нагрузке от действия собственного веса продукта, [3];

Определяем нагрузку от собственного веса заизолированного трубопровода с перекачиваемым продуктом (газ):

(25)

3.3 Построение продольного профиля скважины.

Определение параметров схематизированного русла:

Основные параметры принимаются на основе материалов предварительных изысканий.

- ширина по дну: (26)

где-ширина реки в межень;

-максимальная глубина реки в межень;

,-крутизна береговых откосов (при меженном уровне);

- ширина на уровне береговых бровок:

(27)

где ,-высоты берегов (высокого и низкого) над меженным уровнем;

Определение превышения берегов над глубоководным участком дна:

(28)

₍₂₉₎

Общая длина участка ННБ равна:

₍₃₀₎

_{Определение запасов на плановую деформацию русла:}

_{-на уровне схематизированного дна:}

_{при hc > 6м ;}

₍₃₁₎

-на уровне береговых бровок

₍₃₂₎

(33)

_{3.4 Расчет параметров трубопровода на участке входа в скважину.}

_{Определяем максимальные напряжения в трубе на подходном участке:}

_а) (34)

где -величина максимального напряжения в трубе , МПа [3];

-максимальная величина тягового усилия, необходимого для перемещения плети трубопровода на участке спусковой дорожки, Н [3];

-минимальное значение радиуса изгиба трубопровода, определяемое в зависимости от трассировки спусковой дорожки и расстановки опор, м ;

-обобщенный коэффициент, учитывающий условия работы трубопровода и сочетания нагрузок, =0,75, [3];

Определяем максимальную величину тягового усилия:

где ₍₃₅₎

-коэффициент трения при вращении бурильной колонны ;

-вес единицы длины бурильной колонны в буровом растворе ;

-трущая длина бурильной колонны, ;

- коэффициент трения при движении трубопровода по скважине,=0,5 ;

-вес единицы длины трубопровода с изоляцией в буровом растворе с заполнением или балластировкой, ;

-динамическое напряжение сдвига бурового раствора, [10];

-длина части трубопровода в скважине, ;

- коэффициент трения при движении трубопровода на роликовых опорах, =0,05 ;

- вес единицы длины трубопровода с изоляцией, ;

-длина части трубопровода на берегу, .

Определим коэффициент трения для бурильной колонны :

= ₍₃₆₎

_где -коэффициент трения при движении трубопровода по скважине, =1 ;

-поступательная скорость протаскивания, v=1,2 м/c ;

-окружная скорость точки поверхности бурильной колонны.

Определяем окружную скорость точки поверхности бурильной колонны:

₍₃₇₎

=

Определяем вес бурильной колонны в буровом растворе:

₍₃₈₎

где ,-наружный и внутренний диаметры бурильной колонны соответственно, м;

-плотность стали, [3];

-плотность бурового раствора, _{, [6];}

Определяем вес единицы длины заизолированного трубопровода при заполнении водой:

(39)

(40)

₍₄₁₎

_{Зная все составляющие определим тяговую нагрузку по формуле (35) :}

_{Определим значение тяговой нагрузки в начальный момент времени} (трубопровода на берегу) :

(42)

_где -угол наклона оси трубопровода , уложенного на роликовые опоры, к горизонту ;

L-длина трубопровода ;

_{Определим значение тяговой нагрузки в конечный момент времени (трубопровод в скважине)}:

₍₄₃₎

Принимаем

_;

Определение параметров при формировании схемы протаскивания

Допустимая длина консоли:

₍₄₄₎

Расстояние от опоры до точки максимального подъема на трубоукладчике:

₍₄₅₎

где -угол наклона на входе трубопровода в скважину;

Высота подъема трубопровода на расстоянии :

₍₄₆₎

Проверка трубопровода на недопустимые пластические деформации:

(47)

Условие выполняется.

Для протаскивания воспользуемся трубоукладчиками с троллейными подвесками типа Д-355, в количестве 5 штук.

Зная все составляющие определяем максимальные напряжения в трубопроводе на подходном участке к скважине по формуле (34):

Условие выполняется.

3.5 Определение параметров бурового раствора

Расчет потребности бентонита для приготовления бурового раствора

Объем бурового раствора, который будет приготовлен в процессе

бурения скважины, складывается из объема бурового раствора в скважине,

плюс потери раствора на очистных устройствах, на фильтрацию в трещиноватые и пористые пласты и минус объем раствора, который нарабатывается из разбуриваемых глинистых пород в процессе бурения.

Таким образом, объем приготавливаемого раствора можно определить по формуле:

(48)              

где V_p - объем раствора, который потребуется для бурения скважины, м³;

V_uc - объем циркуляционной системы, м³;

V_cкв - объем скважины, м³;

₍₄₉₎

потери раствора на очистных устройствах;

₍₅₀₎

D - диаметр скважины, м;

l - длина скважины, м;

b - коэффициент кавернозности = 1,2÷1,5, [6];

α - коэффициент, характеризующий потери раствора в результате его фильтрации (поглощения). Так как на этапе проектирования неизвестна характеристика разбуриваемых пород, значение коэффициента принимаем равным α = 1,5 , [6];

Se - суммарная степень удаления выбуренной породы очистными устройствами, при использовании 4-х ступенчатой очистки Se =0,6÷0,7, [6] ;

K_п -   коэффициент коллоидальности разбуриваемых пород, К_п осадочных

пород четвертичных отложений равен - К_п = 0,3÷0,4, [6] ;

r_р - плотность бурового раствора, используемого при бурении, г/см³ (т/м³), [6] ;

h_n - коэффициент глинистости, характеризующий содержание глин в

разрезе (h = 0,0÷1,0), [6] ;

ln_h - натуральный логарифм вязкости бурового раствора, ln_h=2,7, [6];

Принимаем:

Объем циркуляционной системы V_uc = 120 м³ , [6];

диаметр скважины D = 1,3 м,

длина скважины l = 473,5 м,

степень очистки раствора равна Se = 0,6, [6];

коэффициент коллоидальности разбуриваемых пород К_п = 0,2,[6];

коэффициент глинистости h = 0,3, [6];

плотность бурового раствора согласно регламенту ρ_р = 1,10 г/см³,[6];

пластическая вязкость бурового раствора h = 15 Мпа, [6];

Определим объем скважины по формуле (49):

Определим потери раствора на очистных устройствах (с учетом, что шлам пескоотделителя и илоотделителя сгущается в центрифуге до плотности 1,7÷1,9 г/см³):

₍₅₁₎

Зная необходимые составляющие по формуле (48) найдем:

Определим массу требуемого глинопорошка для приготовления бурового раствора:

₍₅₂₎

где V_p - объем приготавливаемого раствора, м³;

К_г - коэффициент коллоидальности бентонитовой глины, К_г = 0,7;[6]

ρ_г - плотность глины, г/см³, (т/м³)

ρ_г = 2,6 г/см³,[6];

Определим расход бентонита на 1 м³ раствора:

(53)

где S- поперечная площадь скважины Ø1300мм.

Определим общий объем прокаченного раствора V_пр по таблице 1:

Таблица 1- Определение общего объема прокаченного раствора

	Диаметр инструмен-та ,м	Площадь скважины сечения, м2	Объем скважины, м3	Кратность прокачивае-мых объемов	Объем раствора, м3
	0,25	0,049	30,87	10	308,70
	0,5	0,196	123,46	5	617,30
	0,7	0,385	241,98	5	1209,92
	0,9	0,636	400,01	5	2000,07
	1,1	0,950	597,55	5	2987,75
	1,3	1,327	834,60	5	4172,98
	1,5	1,766	1111,15	5	5555,74
	1,7	2,269	1427,21	5	7136,04
	1,5	1,766	1111,15	3	3333,44
	1,5	1,766	1111,15	1	1111,15

Общий объем прокаченного раствора V_пр=28433м³

Общий объем прокаченного раствора с учетом потерь, равен

(54)

Найдем коэффициент по формуле :

(55)

Определим фактическую потребность в бентоните для полного цикла работ:

₍₅₆₎

3.6 Расчет параметров напряженно-деформированного состояния рабочего трубопровода.

Выражение для проверки прочности трубопровода при протаскивании имеет вид:

₍₅₇₎

где -кольцевые напряжения от действия наружного давления на трубопровод, [3];

-максимальные продольные напряжения в трубопроводе, [3];

(58)

где -давление раствора Па, [6] ;

₍₅₉₎

где -плотность бурового раствора, [6];

по формуле (58) находим:

₍₆₀₎ где -изгибающий момент трубопровода МПа, [3];

-растягивающие напряжения от действия осевого усилия при протаскивании

трубопровода, [3];

_{(61) (62)}

_где R-минимальный радиус профиля скважины, принимаем R=1224 м ;

По формулам (61),(62) находим :

_{По формуле (60) находим:}

_{Зная необходимые составляющие по формуле (57) выполним проверку прочности при протаскивании:}

Условие выполняется.

Выполним расчетную проверку на смятие:

(63)

_{Определяем высоту столба гидростатического давления:}

(64)

Проверка условия сохранения устойчивости:

(65)

где - коэффициент смятия, принимаем равный 0,75 [3];

Условие выполняется.

Определяем высоту расположения оси трубопровода над уровнем земли:

(66)

Определяем допустимое расстояние между опорами:

(67)

где -грузоподъемность опоры, принимаем,[3] ;

-коэффициент динамической перегрузки роликовой опоры, принимаем

, [3] ;

Определим прогиб трубопровода между опорами:

(68)