1.2 Требования к прочности газопроводов и расчет прочности

1.2.1 Требования к трубам магистрального газопровода

Для строительства магистральных газопроводов могут применяться бесшовные трубы, электросварные прямошовные трубы или трубы со спиральным швом. Материалы труб:

– спокойные и полуспокойные низколегированные стали (диаметр до 1020 миллиметров);

– низколегированные стали в термически или термодинамически упрочнённом состоянии (диаметр до 1420 миллиметров).

Трубы диаметром 1020 миллиметров и более должны изготавливаться из листовой и рулонной стали, прошедшей 100% контроль физическими неразрушающими методами.

Трубы бесшовные следует применять по ГОСТ 8731–87. Трубы стальные электросварные диаметром до 800 миллиметров по ГОСТ 20295–85. Для труб диаметром свыше 800 миллиметров по техническим условиям, утверждённым в установленном порядке.

Кольцевые сварные соединения должны выполняться с применением дуговых методов сварки (в том числе ручной, автоматической под флюсом, механизированной в среде защитных газов, механизированной само защитной порошковой проволокой), а также электроконтактной сваркой – оплавлением. Сварное соединение должно быть равнопрочно основному металлу трубы. Сварные швы должны быть плотными, непровары и трещины любой протяжённости и глубины не допускаются. Все сварные соединения труб должны быть полностью проверены физическими не разрушающимися методами контроля.

Для труб диаметром свыше 800 миллиметров отклонение от номинального размера для наружного диаметра торцов труб не должно превышать ±2 миллиметра. Овальность концов труб, то есть отношение разности между наибольшими и наименьшими диаметрами в одном сечении к номинальному диаметру, не должна превышать 1%. Кривизна труб не должна превышать 1,5 миллиметров на 1 метр длины, а общая кривизна не более 0,2% длины трубы.

1.2.2 Расчет прочности газопровода

Параметры рассчитываемого магистрального газопровода:

– пропускная способность q = 45 млн.м³/сутки;

– протяженность l = 144 км;

– давление на выходе из центробежного нагнетателя 7,8 МПа;

– давление на входе в центробежный нагнетатель 5,2 МПа;

– наружный диаметр газопровода D_н = 1220 мм;

– средняя температура грунта на глубине заложения оси газопровода Т₀ = 278 К;

– среднегодовая температура воздуха Т_возд = 271 К.

Для сооружения газопровода будут использованы стальные электросварные прямошовные трубы, изготовленные из листовой стали класса прочности К60. Например трубы, изготовленные по ТУ 14-3-1938-2000 или ТУ 1381-012-05757848-2005. Значения основных характеристик трубной стали указанного класса прочности представлены в таблице 1.2.

При выполнении расчётов вводится ряд коэффициентов, учитывающих влияние ряда факторов, влияющих на его несущую способность газопровода. Они определяются по СНиП 2.05.06-85*. Значения коэффициентов представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.2 – Основные характеристики трубной стали класса прочности X70

Временное сопротивление разрыву , МПа	Предел текучести , МПа	Модуль упругости Е, МПА	Коэффициент Пуассона μ0	Коэффициент линейного расширения, α 1/С0
565	483	2,06∙105	0,3	1,2∙10-5

Таблица 1.3 – Коэффициенты надёжности

Наименование	Значение, принятое в расчётах
	DN 1220, РР 7.8 МПа
Коэффициент надежности по назначению, kн	1,1
Коэффициент надежности по материалу, k1	1,34
Коэффициент надежности по нагрузке, n	1,1
Категория участка магистрального газопровода	I
Коэффициент условий работы, m	0,75
Коэффициент защемления трубопровода в грунте, m0	0,5
Коэффициент повторяемости землетрясений, kn	1
Коэффициент, учитывающий степень ответственности трубопровода, k0	1.5

Определение нормативного сопротивления растяжению (сжатию) металла труб и сварных соединений R₁

МПа (1.1)

где – временное сопротивление металла труб, МПа; m – коэффициент условий работы; k₁ – коэффициент надежности по материалу; k_H – коэффициент надёжности по назначению.

Минимально возможная толщина стенки трубы δ

см (1.2)

где Ρ – рабочее (нормативное) давление в газопроводе, МПа; n – коэффициент надёжности по нагрузке; D_H - наружный диаметр газопровода, см; R₁ – расчётное сопротивление, МПа.

По полученному результату выбираем толщину стенки трубы по сортаменту равную 18 мм.

Внутренний диаметр трубы D_В

мм (1.3)

где D_H – наружный диаметр трубы, мм; – выбранная по сортаменту толщина стенки трубы, мм.

Выбранную трубу проверяем на величину продольных осевых сжимающих напряжений, МПа, определяемых от расчётных нагрузок и воздействий с учётом упругости работы металла труб.

Проверка на прочность подземных трубопроводов в продольном направлении производится из условия

(1.4)

где ₂ — коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб; при растягивающих осевых продольных напряжениях ₂= 1; при сжимающих он определяется по формуле

(1.5)

где _кц — кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления, МПа.

МПа (1.6)

где n — коэффициент надёжности по нагрузке; р — рабочее (нормативное) давление в газопроводе , МПа.

Абсолютное значение максимального отрицательного температурного перепада

°С (1.7)

Абсолютное значение максимального положительного температурного перепада

°С (1.8)

Продольные осевые напряжения сжатия (при Δt = 61 °С)

МПа (1.9)

_{Проверка условия}

; ;

Условие выполняется.

При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять по формуле

см (1.10)

где ₁ — коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб

(1.11)

Определенная толщина стенки δ соответствует принятой номинальной _н.

Вывод: По результатам расчёта возникающие в трубе напряжения не опасны, выбранная труба соответствует принятым условиям работы. Основные размеры трубы D_Н = 1220 мм; D_В = 1184 мм; δ_Н = 17,4 мм.