Введение

Магистральный трубопроводный транспорт является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса России. В стране создана разветвленная сеть магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов и газопроводов, которые проходят по территории большинства субъектов Российской Федерации.

Магистральные трубопроводы – это капитальные инженерные сооружения, рассчитанные на длительный срок эксплуатации и предназначенные для бесперебойной транспортировки на значительные расстояния природных или искусственных газов ( в газообразном или сжиженном состоянии ), нефти и нефтепродуктов от мест их добычи , переработки, забора к местам потребления.

В настоящее время все вновь строящиеся, а также реконструируемые магистральные трубопроводы и отводы от них условным диаметром до 1400 мм включительно с рабочим давлением Р=1,2-10 МПа должны проектироваться с учётом основных положений строительных норм и правил (СНиП 2.05.06-85*).

В настоящее время существуют следующие принципиально различные схемы прокладки магистральных трубопроводов: подземная, полуподземная, надземная и наземная.

Надземная прокладка трубопроводов или их отдельных участков рекомендуется в пустынных и горных районах, болотистых местностях, районах горных выработок, оползней и районах распространения вечномёрзлых грунтов, а также переходах через естественные и искусственные препятствия.

В зависимости от условий работы трубопровода, а также для безопасности расположенных вблизи трассы объектов согласно СНиП 2.05.06-85* линейная часть и отдельные участки магистральных трубопроводов подразделяются на пять категорий: В, I, II, III и IV. В каждой категории предъявляются определённые требования к прочности трубопровода, к контролю качества сварных соединений, предварительным гидравлическим испытаниям и типам изоляционного покрытия. Категорийность линейной части магистральных трубопроводов и их участков зависит от вида транспортируемого продукта и условного диаметра трубопровода.

В каждом конкретном случае надземная прокладка трубопроводов должна быть обоснована технико-экономическими расчётами, подтверждающими экономическую эффективность, техническую целесообразность и надёжность трубопровода.

Характеристика стали

• Марка стали: 17Г1С-У

• Возможные обозначения в литературе: Сталь 17Г1С; ст.17Г1С; 17Г1С; 17Г1С-У

• Заменители: Сталь 17ГС, Сталь 16Г2СФ

• Назначение: Сталь 17Г1С-У применяется: для изготовления сварных металлоконструкций и деталей, работающих под давлением при температурах от -40 до +475 °С; деталей и элементов трубопроводов пара и горячей воды атомных станций (АС), с расчётной температурой среды не выше 350°С при рабочем давлении менее 2,2 МПа (22 кгс/см2), сварных переходов, фланцев, сварных тройников и других фасонных деталей трубопроводов АС с температурой эксплуатации от -40 °С до +350 °С; электросварных прямошовных труб группы прочности К52 для строительства газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов, тепловых электростанций и тепловых сетей, и газонефтепроводов повышенной коррозионной стойкости из природнолегированной стали (ПЛ-1, ПЛ-2) с увеличенным ресурсом эксплуатации; прямошовных электросварных экспандированных труб, предназначенных для строительства трубопроводов высокого давления.

• Примечание: Сталь низколегированная кремнемарганцовистая. Степень раскисления - Сп.

Сталь 17Г1С обеспечивает класс прочности листового, широкополосного универсального проката и гнутых профилей КП 345 при толщине проката от 10 до 20 мм., КП 355 при толщине до 10 мм. без применения дополнительной упрочняющей обработки.

При упрочняющей обработке (регламенитуемая или контролируемая прокатка или ускоренное охлаждение) поставляется прокат сечением от 20 до 60 мм. КП 315 и КП 325, сечением от 10 до 32 мм. КП 345 и сечением от 10 до 20 мм. КП 355. При применении закалки с отпуском поставляется прокат сечением 10-20 мм. КП375

• По свариваемости: - без ограничений.

• По коррозийной стойкости: исследования по коррозии (в 3% растворе поваренной соли NaCl) показывают, что с увеличением содержания углерода и легирующих элементов в стали 17Г1С скорость коррозии основного металла увеличивается и составляет 0,33 мм/год.

Основная часть

Расчёт толщины стенки трубопровода:

Согласно СНиП 2.05.06-85* толщина стенки определяется по формуле: [1]

; (1)

мм

Где:

n_р – коэффициент надёжности, зависящий от внутреннего рабочего давления в трубопроводе, определяемый по СНиП 2.05.06-85* (таблица №13)

Р нормативное (внутреннее) рабочее давление, Па

Dн – наружный диаметр трубопровода, м

R₁- нормативное сопротивление металла сварных соединений трубопровода растяжению (сжатию) и изгибу

В следствии небольшого увеличения толщины стенки для большей прочности, выбираем близкое, большее значение из предложеного диапазона значений.

Следовательно толщину стенки δ принимаем равной 12,9 мм

Расчетные сопротивления растяжению (сжатию) R₁ и R₂ следует определять по формулам: [2], [3]

R_{1 –} расчётное или допустимое сопротивление основного металла трубы и сварных кольцевых соединений растяжению (сжатию и изгибу) по времени сопротивлению, Па;

; (2)

МПа

-нормативное сопротивление металла трубопровода сварных соединений растяжению (сжатию) и изгибу

m – коэффициент условной работы, определяемый по СНиП 2.05.06-85* (таблица № 1)

k₁- коэффициент надёжности по материалу,который учитывает качество материала труб с учётом реальной технологии их изготовления, допусков на толщины стенок и степени контроля сварных соединений,принимается по СНиП 2.05.06-85* (таблица №9)

k_{н –} коэффициент надёжности по назначению трубопровода, учитывающий внутреннее избыточное давление, диаметр трубопровода и его назначение, согласно СНиП 2.05.06-85* (таблица №11)

; (3)

МПа

k_{2 –} коэффициент надёжности по материалу ,учитывающий способ изготовления и его прочностнные характеристики, прямо – и спиральношёвных труб из малоуглеродистой и низколегированной стали, принимается согласно СНиП 2.05.06-85* (таблица №10)

k_{н –} коэффициент надёжности по назначению трубопровода, учитывающий внутреннее избыточное давление, диаметр трубопровода и его назначение.

- нормативное сопротивление металла трубы и сварных соединений растяжению (сжатию и изгибу)

m – коэффициент условной работы, принимается согласно СНиП 2.05.06-85*

Внутренний диаметр магистрального нефтепровода находится разностью данных: [4]

D_вн = D_н - 2 (4)

D_вн = 1020-(2∙12,9) = 994,2 мм = 0,994 м

R_ср = (Dн -2) = 994,2/2=497,1 мм

Площадь поперечного сечения трубопровода определяется по формуле: [5]

S_ст = (D_н² – D_вн²); (5)

S_ст = 0,785∙ (1,020² – 0,994²) = 0,785∙ (1,0404-0,9880) =0,04110574=0,0411 м². Осевой момент инерции поперечного сечения трубопровода при изгибе вычисляется по формуле: [6]

J = (D_н⁴ – D_вн⁴); (6)

J = 0,049∙ (1,082432-0,976215) = 0,005211=0,0052 м⁴

Момент сопротивления сечения трубопровода обозначается Ws и расчитывается по формуле: [7]

W_s = ∙ (D_н⁴ – D_вн⁴) ∕ D_н ; (7)

W_s = 0,098∙ м³

Определение нагрузок действующих на трубопровод

По СНиП 2.05.06 – 85* при расчётах магистральных трубопроводов должны учитываться нагрузки и воздействия, возникающие при их сооружении, испытании и эксплуатации. Нагрузки и воздействия, а также вызываемые ими усилия и напряжения, установленные нормативными документами на основании статического анализа называются нормативными.

Расчётные значения нагрузок и воздействий определяются умножением нормативных величин на коэффициент надёжности по нагрузке, учитывающий возможные отклонения их в неблагоприятную сторону.

Основные положения и правила определения нагрузок и воздействий а также их сочетаний устанавливаются в СНиП 2.01.07 – 85*.

В зависимости от продолжительности действия нагрузок различают нагрузки постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые нагрузки).

К постоянным относятся нагрузки и воздействия,действующие в течение всего срока строительства и эксплуатации трубопровода.

Расчётные и нормативные значения постоянных нагрузок и воздействий определяются следующим образом:

Нагрузка от собственного веса металла трубы: [8]

q_м = n_t ∙ ρ_ст ∙ g ∙ (D_н² – D_вн²); (8)

где:

ρ_ст – плотность стали, данная 7,85 гр ∕ м³ ;

n_t – коэффициент надёжности по нагрузке от массы трубопровода;

g – ускорение свободного падения, равное 9,8

q_м = 1,1∙ 7,85 ∙ 10³∙ 9,8 ∙ 0,785∙ (1,0404-0,9880) = 3480,88 H/м

Нагрузка от собственного веса изоляции определена руководящими документами и равна 10 % от массы трубопровода:

q_изол= 3480,88 ∙ 10% =348,08 H/м.

Временными называются нагрузки и воздействия, которые в отдельные периоды строительства и эксплуатации могут отсутствовать.

К длительным временным нагрузкам и воздействиям относятся: Нагрузка от веса продукта, находящегося в трубопроводе: [9]

q_пр= ρ_пр ∙ g ∙ ∙D_вн²; (9)

q_пр= 760 ∙ 9,8 ∙ =7448 ∙ = 5776,52 H∕м

где:

ρ_пр – плотность продукта, определённая в дано 760 кг∕м³

g – ускорение свободного падения, равное 9,8.

К кратковременным относятся нагрузки и воздействия, действие которых может длиться от нескольких секунд до нескольких месящев.

Снеговая нагрузка в основном зависит от высоты снегового покрова в данной местности и конфигугации конструкции. Высоту снегового покрова и величину снеговой нагрузки определяют в зависимости от географического района.

Полное нормативное значение снего­вой нагрузки на горизонтальную проекцию пок­рытия s следует определять по формулам: [10], [11]

q_сн=n_c ∙ q_сн^н = n_c ∙ [ р_с^н ∙ B_r ]; (10)

q_сн = 1,4 ∙[ 240 ∙ 0,79]= 265,4 H/м

р_с^н = р_сп^н ∙ с^с = 2400∙0,4=960 H/м

B_r = 0,77 ∙ D_н; (11)

B_r =0,77 ∙ 1,02 = 0,7854=0,79 м

Для одиночно прокладываемого трубопровода коэффициент перехода от веса снегового покрова на единицу поверхности земли к снеговой нагрузке на единицу поверхности трубопровода С^с принимается равным 0,4. (СНиП 2.05.06-85*)

С^с – коэффициент перехода от веса снегового покрова на 1 единицу поверхности земли к весу снегового покрова на одну единицу площади на уровне прокладки трубопровода;

n_c - Коэффициент надежности по нагрузке для снеговой нагрузки (в соответствии со СНиП 2.05.06-85*) следует принимать рав­ным 1,4;

B_r – ширина горизонтальной проекции надземного трубопровода на которой возможно образование снегового покрова;

р_с^н = нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности на уровне прокладки трубопровода;

р_сп^н - нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли, принимаемое по СНиП 2.01.07-85* в зависимости от района строительства.

Нагрузка от обледенения рассчитывается по формуле:[12]

q_лед = n_лед ∙ 1,7 ∙ 10⁴ ∙ b ∙ К_л ∙ D_н; (12)

q_лед =1,3 ∙ 0,015 ∙10⁴ ∙ 1,7 ∙ 0,8 ∙ 1,02 = 270,5 H/м

n_лед - Коэффициент надежности по нагрузке для гололедной нагрузки следует принимать равным 1,3;

b – толщина слоя гололёда;

К_л - коэффициент, учитывающий изменение толщины стенки гололеда по высоте и при­нимаемый по СНиП 2.01.07-85* (таблица №13); равен 0,8, т.к. высота перехода равна z, 4,5 м

Ветровая нагрузка рассчитывается по формуле: [13]

q_вет = n_вет ∙ (q_с^н + q_q^н) ∙ D_н; (13)

q_вет =1,2 ∙ (93+107,781 ) ∙ 1,02 = 245,7559 = 245,76 H/м

q_вет – ветровая нагрузка на трубопровод, действующая в горизонтальной плоскости, перпендикулярно к его оси,

n_вет – коэффициент надёжности по ветровой нагрузке принимаемый 1,2;

q_с^н – нормативное значение статической составляющей (обусловленой средней скоростью ветра) ветрового давления на трубопровод: [14]

q_q^н – нормативное значение динамической составляющей (обусловленой пульсацией ветрового потока) ветрового давления на трубопровод: [17]

q_с^н = W_o ∙ Kв(Z) ∙ Cx(Re); (14)

q_с^н = 380∙1,22∙0,2=92,72=93 H/м

Kв(Z) — коэффициент, учитывающий измене­ние ветрового давления по высоте.

Cx(Re) – коэффициент лобового сопротивления трубопровода ветровому потоку: [15]

c_x =0,2 « 4 · 10⁵ < Rе; (15)

Wo – нормативное значение средней составляющей ветрового давления на вертикальную плоскость, принимаемое в зависимости от ветрового района строительства трубопровода;

Rе = 0,88 ∙10⁵ ∙ D_н ; (16)

Rе = 0,88 ∙10⁵ ∙ 1.02 = 21,2∙10⁵

q_q^н= qс^н ∙ ξg ∙ ξn(Z) ∙ υ(ln); (17)

q_q^н= 93 ∙ 0,85 ∙ 0.61975 ∙2.2 = 107,781 H/м

ξg­ коэффициент динамичности, равный 2,2;

ξn(Z) – коэффициент учитывающий изменение пульсации давления ветром на высоте Z расположения трубопровода от уровня земли согласно местности; СНиП 2.01.07-85* таблица 7

υ(ln) – коэффициент пространственной корреляции, пульсации давления ветром, принимаемый для существующих диаметров в зависимости от длины проектируемого перехода;

Расчетная поверхность включает в себя те части поверхности наветренных, подветренных, боковых стен, кровли и подобных конструкций, с которых давление ветра передается на рас­считываемый элемент сооружения.

Если расчетная поверхность близка к пря­моугольнику, ориентированному так, что его стороны параллельны основным осям (черт.), то коэффициент v следует определять по табл. 9 СНиП 2.01.07-85* в зависимости от параметров  и 

160 - 0,67

171 – х

υ(ln) = 148 ∙ 0.67 / 160 = 0,61975 = 0,62