Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
48
Добавлен:
02.03.2016
Размер:
1.07 Mб
Скачать

 

 

 

q(2)

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

DVкр(2)

 

 

DV0(2) DV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

q +

+q

св

 

 

 

2

 

 

гр(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q +

- q+

 

 

 

 

 

 

гр(2)

 

гр(1)

 

Рис. 5.18. Расчетная зависимость нагрузки на

трубу

на втором

участке

q(2) от

вертикального смещения

трубы V (фоновый график соответствует

 

 

 

 

(рис. 5.17):

 

 

 

 

1 − область, соответствующая формуле (5.63); 2 − область, соответствующая

 

формуле (5.70); 3

область, соответствующая формуле (5.71)

 

Таким образом, на втором участке полная вертикальная нагрузка на трубу выражается следующими формулами:

при ∆Vкр(2) V ≤ ∆V

q

= q

 

+ q+

 

+ q

ñâ

= −ÑVD

+(q+

q

+

) =

(2)

ãð(2)

 

ãð(2)

 

ñóì

ãð(2)

 

ãð(1)

 

 

 

 

= −ÑVDñóì + Dñóì(H1 H2 ãð ;

 

 

(5.69)

при V ≥ ∆V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q(2)

= qãð(2)+

+ qñâ

= −(H2

+ 0,1073Dñóì )Dñóì γãð + qñâ ; (5.70)

при V ≤ ∆Vкр(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q(2)

= −CV0(2)Dñóì + Dñóì(H1 H2 ãð .

 

(5.71)

Здесь необходимо помнить, что во всех формулах вертикальные смещения V и нагрузки q написаны с учетом их знаков («плюс» соответствует направлению вверх, «минус» – вниз)

На третьем участке проводятся работы по ремонту трубопровода (восстанавливается стенка и изоляция). Этот участок полностью освобожден от грунта сверху и снизу. По-

224

этому на этом участке на трубу действуют собственный вес qсв, веса ремонтных механизмов Р, установленных на трубу, усилия поддерживающих приспособлений и механизмов R (трубоукладчиков и подъемников). Поэтому формула нагрузки на этом участке имеет простой вид (так как в формулу не входит смещение трубы V):

 

qñâ

ïðè x xp

è x xR ;

q(3)

 

ïðè x = xR ;

(5.72)

= qñâ + R

 

 

ïðè x = xp .

 

 

qñâ + P

 

Знаки величин Р и R должны соответствовать их направлению (вверх – положительный знак, вниз – отрицательный). Здесь принято, что силы P и R приложены сосредоточенно. Но нет никакой сложности учитывать их распределенность по некоторой, хотя бы и небольшой, длине трубы.

Количество действующих сил P и R может быть произвольным.

На четвертом участке происходят подсыпка грунта под трубу и подбивка (уплотнение). При расчете нагрузки на трубу на этом участке необходимо учитывать следующие особенности.

При подсыпке грунт не всегда полностью заполняет пространство под трубой. В зависимости от использованной техники и технологии могут под трубой оставаться пустые полости.

Подсыпаемый грунт рыхлый. Даже уплотнение с помощью различных приспособлений и механизмов не приводит к первоначальной (доремонтной) плотности подсыпаемого грунта. Поэтому коэффициент постели подсыпаемого грунтаC4 значительно ниже коэффициента постели первоначального грунта.

После подсыпки и подбивки грунт под трубой получается неоднородным по плотности. Он состоит из двух частей. От дна ремонтного котлована до низа трубы грунт более рыхлый, ниже дна котлована – плотный.

Грунт после подсыпки не подчиняется линейному закону сопротивления при сжатии. Поэтому коэффициент постели подсыпанного грунта является непостоянной величиной, зависящей от степени уплотнения как в процессе подсыпки, так и в процессе дальнейшей осадки трубы.

В момент подсыпки грунта вертикальное положение трубы соответствует параметру h3 (рис. 5.19, сечение АА), после окончательной засыпки траншеи вертикальное положение

225

1

2

 

 

А

H

H

 

 

5

 

 

P

 

 

 

R

H

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

h

h

 

3

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

5

 

 

 

А 4

h

1

2

3

5

Рис.5.19. Осадка трубопровода на этапах ремонта трубы и подсыпки грунта: 15 − номера участков

соответствует параметру h5. Значение h5 заметно ниже значения h3. Иными словами, после подсыпки и подбивки грунта трубопровод продолжает оседать под действием собственного веса и других нагрузок.

Таким образом, взаимодействие трубопровода с грунтом на четвертом участке подчиняется более сложным закономерностям, чем на первом и втором участках. Для получения расчетных формул, описывающих это взаимодействие, примем расчетную схему (рис. 5.20) и следующие допущения, которые достаточно адекватны реальности:

в момент подсыпки под трубой находится слой более рыхлого грунта толщину h3. Ниже этого слоя грунт плотный, соответствующий исходному доремонтному состоянию;

 

 

 

 

 

 

 

6

1

 

 

 

 

 

V

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

3

 

 

 

 

 

Dh

 

 

 

 

 

 

 

 

0

Рис. 5.20. Выбор локальной системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h*

координат при расчете реакции грунта

4

 

 

 

 

 

на участке подсыпки:

 

 

 

 

 

 

1 − положение трубы в исходном состоя-

 

 

 

 

 

 

h3

нии (до ремонта); 2 − положение трубы в

5

 

 

 

 

 

момент подсыпки грунта (см. рис. 5.19 в

 

 

 

 

 

 

сечение АА); 3 − подсыпанный грунт;

 

 

 

 

 

 

 

4 − плотный грунт в исходном состоянии;

 

 

 

 

 

 

w

5 − дно траншеи после подкопа; 6 − стен-

226

 

 

 

 

 

ка траншеи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плотный грунт обладает такими же механическими свойствами, как и на участках 1 и 2. Коэффициент постели плотного грунта равен С;

плотность рыхлого (подсыпанного) грунта в момент подсыпки ρр составляет fρ от плотности грунта в исходном состоянии ρп: ρð = fρρï ; значение fρ < 1. Величину fρ назовем коэффициентом уплотнения грунта;

справедливо также выражение υï = fρυð , где υï – объем рыхлого грунта в исходном плотном (доремонтном) состоянии; υð – объем рыхлого грунта;

коэффициент уплотнения зависит от типа грунта (песок, суглинок, глина и др.) и от техники подсыпки и подбивки. Значение коэффициента fρ находится в диапазоне (0; 1); коэффициент постели подсыпанного грунта в момент подсыпки и подбивки равен С4; значение С4 < С. Если подбив-

ки нет, то С4 = 0.

после подсыпки труба продолжает смещаться вниз (усадка), при этом плотность подсыпанного грунта растет, стремясь к значению ρп;

с увеличением плотности подсыпанного грунта растет коэффициент постели, стремясь к значению С.

Чтобы описать все принятые допущения математически, введем локальную координату w, связанную с нижней точкой трубы в момент подсыпки грунта (см. рис. 5.20). Взаимо-

связь координат V

и w следующая:

 

w = −V − ∆h; ∆h = h3 h1.

(5.73)

где h1 – глубина подкопа грунта под трубой в ремонтном котловане относительно исходного положения трубы (от нижней образующей), определяется исходя из технологии земляных работ и характеристик используемой подкапывающей машины; h3 – расстояние от низа трубы до дна ремонтного котлована в момент подсыпки грунта (в конце ремонтного котлована), определяется в процессе решения задачи о напряженно-деформированном состоянии трубопровода. Этот параметр зависит от вертикального смещения трубы в конце ремонтного котлована (в момент подсыпки грунта).

Параметр h* характеризует такое вертикальное положение трубы, при котором подсыпанный грунт уплотняется до уровня плотности исходного грунта. Значение этого параметра определяется так: h = (1 − fρ)h3 .

При вышеизложенных допущениях зависимость реакции подсыпанного грунта от вертикального положения трубы по-

227

сле подсыпки можно выразить нижеследующими зависимостями.

Случай 0 < w < h*. Коэффициент постели растет по мере уплотнения подсыпанного грунта. При этом наиболее подходит выражение для реакции грунта

 

 

 

 

 

 

qãð(4)

= Aw + Bw2 .

 

 

 

 

 

 

Коэффициенты

А и

В находим из условий

 

 

 

 

 

 

 

dqãð(4)

=C(4)Dñóì

при w =

0;

 

 

 

 

 

 

 

dw

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dqãð(4)

 

=CD

 

при

w = h* = (1 − f )h .

 

 

 

 

 

dw

 

 

ñóì

 

 

 

 

 

ρ 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окончательно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ñ Ñ

)

 

 

 

C C

 

 

qãð(4) = C(4)Dñóìw + w2

 

 

 

(4)

 

 

Dñóì = Dñóìw C(4)

+ w

 

 

(4)

 

. (5.74)

 

 

*

 

 

 

 

*

 

 

 

 

 

 

 

2h

 

 

 

 

 

 

 

2h

 

 

 

 

Если грунт подсыпается без уплотнения, то С(4) = 0. При этом

q

 

= w2

Ñ

D .

(5.75)

ãð(4)

 

 

 

2h*

ñóì

 

 

 

 

 

 

Случай w h*. Подсыпанный грунт уплотнился до исходного состояния, описываемого коэффициентом постели С, который при дальнейшем смещении трубы не изменяется. При этом наиболее подходит выражение для реакции грунта

qãð(4) = A + Bw.

Коэффициенты А и В находим из условий непрерывно-

сти функции qãð(4)(w) ее первой производной

dqãð(4)

в пере-

dw

 

 

ходной точке w = h*. Выполнив необходимые преобразования, получим

 

(Ñ

 

Ñ)

 

 

C

C

 

 

qãð(4) = Dñóì h*

(4)

 

 

+ CDñóìw = Dñóì Cw h*

 

(4)

.

(5.76)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

Если грунт подсыпается без уплотнения

(С(4)

=

0), то

 

 

h

*

qãð(4)

= DñóìÑ w

 

 

 

 

 

2

 

 

. (5.77)

228

Рис. 5.21. Расчетная зависимость реакции грунта на четвертом участке qгр(4) от вертикального смещения трубы V (фоновый график соответствует рис.

5.17):

1 − область, соответствующая формуле (5.74); 2 − область, соответствующая формуле (5.76); 3 − область, соответствующая формуле (5.78);

h = h3 h1; h = (1 − $fp)h3

 

 

 

qгр(4)

 

 

1

 

 

 

w

 

2

3

V

h*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dh

 

Случай w < 0. Труб не соприкасается с грунтом и поэтому нет реакции грунта;

qãð(4) = 0.

(5.78)

График зависимости реакции грунта от вертикального смещения на участке подсыпки грунта (четвертом участке) показан на рис. 5.21.

В расчетных формулах давление трубы под грунт (или наоборот, отпора грунта на трубу) определяется параметром w, который имеет следующий физический смысл: он показывает, насколько в данном сечении сместилась труба вниз от момента подсыпки грунта. Если труба оседает ниже отметки V34 = h1 h3 = −∆h, то отпор возникает, если V > V34 , то и отпора грунта нет.

Полная нагрузка на трубу на четвертом участке q(4) определяется как сумма реакции грунта qгр(4) и собственного веса трубы qсв:

q(4) = qãð(4) + qñâ .

График зависимости полной вертикальной нагрузки на трубу на участке подсыпки грунта показан на рис. 5.22.

Может произойти так, что в некоторых точках z > z3 труба будет выше отметки V* (см. обозначения координат рис. 5.13). Тогда отпор грунта исчезает, так как подсыпанный грунт сопротивляется только сжатию при осадке трубы и не может расширяться при снижении или снятии нагрузки. Отпечаток, сделанный трубой на подсыпанном грунте при смещении ее вниз, так и остается при подъеме трубы. Для опи-

229

 

q(4)

Рис. 5.22. Расчетная за-

 

 

висимость

полной вер-

 

 

тикальной

нагрузки на

 

 

трубу на четвертом уча-

 

 

стке (фоновый

график

 

 

соответствует рис. 5.21):

 

 

1, 2, 3

области, соот-

1

 

ветствующие

графику

 

(см. рис. 5.21) с учетом

 

 

собственного веса трубы

 

 

 

qсв

 

w

 

V

 

 

2

3

q(4)= qсв

 

 

h*

Dh

 

 

 

сания этого явления и ввели параметр V* – достигнутая максимальная глубина отпечатка трубы на участке z3 > z.

Итак, общие формулы для нагрузки на трубу на четвертом участке необходимо дополнить следующим дополнительным условием:

q

= q

ñâ

ïðè V

> V * .

(5.79)

(4)

 

 

 

 

Несмотря на кажущуюся простоту выражения (5.79), оно достаточно сложно для использования, так как значения V и V* для данной точки (сечения) трубопровода заранее не известны. Их можно находить только в процессе решения задачи о напряженно-деформированном состоянии трубопровода при ремонте. Уточним это.

Допустим известна полная зависимость V(z), т.е. решили задачу о деформированном состоянии трубы. Тогда это решение должно удовлетворить уравнению равновесия, плюс всем граничным условиям, плюс уравнениям взаимодействия с грунтом, в том числе равенству (5.70). Причем, для любой

точки

z > z3

параметром

V* является минимальное значе-

ние V

в интервале (z3

, z).

Для каждой точки z на четвер-

том участке

значение

V* может отличаться от значений V*

для других точек. Именно эта сложность не позволяет решить поставленную задачу аналитическими или известными численными методами.

Ниже покажем свой метод решения, отличный от всех других известных.

На пятом участке происходит окончательная засыпка траншеи.

При расчете нагрузки на трубу этот участок можно рас-

230

Рис. 5.23. Расчетная зависимость полной вертикальной нагрузки на трубу на пятом участке (фоновый график соот-

ветствует рис. 5.22): 1, 2, 3 − области, соответствующие графику (см. рис. 5.22 с учетом дополнительного веса грунта над трубой qгр(5)

 

q(5)

 

 

 

1

 

 

 

 

w

 

 

 

V

2

3

q

+ q+

 

 

св

гр(5)

h*

Dh

 

 

 

сматривать как продолжение четвертого участка, но с тем отличием, что на трубу сверху положили слой грунта высотой

Н5. Труба здесь продолжает оседать по тем же законам, что

и на четвертом участке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определя-

Полная нагрузка на трубу на пятом участке q(5)

ется как сумма реакции грунта снизу

qãð(5),

давления грунта

сверху

qãð(5)+

, собственного веса трубы

qт:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

= q

 

 

+ q+

 

 

+ q

ñâ

;

 

 

 

 

 

 

 

(5.80)

 

 

(5)

 

 

ãð(5)

 

ãð(5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 (C C(4) )

 

 

 

 

 

 

 

C C(4)

 

qãð(5)

= Ñ(4)Dñóìw + w

 

 

 

 

 

 

 

Dñóì

= Dñóìw

C(4) + w

 

 

 

 

 

 

 

 

2h

*

 

2h

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при 0 < w < h*

 

 

 

 

 

 

 

(5.81)

qãð(5)=

 

(C

 

C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

C

 

 

 

Dñóì h*

 

(4)

 

 

 

 

+ CDñóìw = Dñóì Cw

h*

 

(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

w h*

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.82)

 

 

 

 

 

qãð(5)

= 0

 

при

w < 0;

 

 

 

 

 

 

(5.83)

qãð(5)

= 0 при V > V*;

где V* = min V(z);

z

(z3, z)

 

 

(5.84)

Здесь V* – наименьшее (с учетом знака) значение вертикального смещения трубы V в диапазоне от z3 до данной точки z.

231

 

 

 

 

qãð(5)+ = −(H5 + 0,1073Dñóì )

Dñóì γãð ;

(5.85)

qñâ

= −

γò π

D2

(D − δò )2

γí π

(D − δò )2

− γè πDδè − γôπDδô .

(5.86)

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График зависимости полной вертикальной нагрузки от вертикального смещения трубы показан на рис. 5.23.

Таким образом, в разделах 5.3 и 5.4 построена вся необходимая теоретическая база для решения практических задач по исследованию напряженно-деформированного состояния действующих трубопроводов в процессе ремонта.

5.5. РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ РЕМОНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Одним из ключевых параметров при определении допустимых технологических параметров ремонта является допустимое напряжение в стенке трубы σдоп. При ремонте участков нефтепровода суммарные напряжения в стенке трубы не должны превышать допустимого значения σдоп, которое зависит от многих факторов, в том числе от категории участка, механических характеристик стали, срока эксплуатации нефтепровода, видов дефектов и их параметров.

1. Зависимость допустимого напряжения от кат егории участ ков трубопроводов определяется необходимым уровнем безопасности работ, который в настоящее время количественно не определяется и не регламентируется нормативными документами. Поэтому приведем некоторые соображения на качественном уровне.

На участках трубопроводов высокой категории при строительстве и приемке объектов предъявляются более высокие требования к прочностным свойствам труб и контролю сварных швов. Кроме того, рабочие давления на участках высокой категории меньше, чем на других участках. Поэтому допустимые напряжения при ремонте могут быть выше, чем на участках с низкой категорией. Но с другой стороны, участки трубопроводов высокой категории расположены на таких местах, где крайне нежелательны аварии: на водных переходах, вблизи важных коммуникаций, предприятий и населенных пунктов. Поэтому на этих участках необходимы дополнительные меры по обеспечению высокой надежности и безопасности работ. Следовательно, при равных других усло-

232

виях здесь допустимые напряжения должны быть ниже по сравнению с участками с низкой категорией.

Итак, на допустимые напряжения при ремонте трубопроводов категория участка оказывает влияние в двух противоположных направлениях. Поэтому, как результат, допустимые напряжения возможно принимать примерно одинаковыми на участках трубопроводов различных категорий, тем более что безопасность работ должна быть обеспечена в первую очередь для самой ремонтной бригады, которая находится в соприкосновении с трубопроводом и в случае аварии одинаково пострадает независимо от категории участка.

Исходя из вышеприведенных рассуждений введем коэффициент снижения допустимого напряжения на категорию

(коэффициент категории) трубопровода Km, удовлетворяю-

щий следующему требованию:

 

 

 

 

 

Km = 0,5

 

+

m

 

1

 

.

(5.87)

 

 

 

 

0, 9

 

Предлагается рассчитать допустимое напряжение для участка трубопровода самой низкой категории (четвертая), затем для участков более высоких категорий допустимое напряжение уменьшить путем умножения на соответствующий коэффициент Km. Ниже приведены значения коэффициента Km и коэффициента условий работы m для участков трубопроводов разной категории:

Категория участка трубопровода

...............

В

I

II

III

IV

Коэффициент условий работы m...............

0,6

0,75

0,75

0,9

0,9

Коэффициент категории участка .........

K m

0,83

0,92

0,92

1,0

1,0

2. При выборе допустимых напряжений необходимо учитывать степень ст арения мет алла труб. Как правило, капитальному ремонту подвергаются трубопроводы, эксплуатируемые длительное время, не менее 20 лет. За это время в металле труб и сварных швов успевают протекать процессы, приводящие к изменению механических свойств. Старение в первую очередь приводит к охрупчиванию металла в зонах дефектов и конструктивных концентраторов напряжений.

Степень старения металлов трубопроводов характеризуется коэффициентом старения Kс, на который следует снизить допустимое напряжение по сравнению с напряжениями, характерными для новых нефтепроводов.

Определить точное значение коэффициента старения Kс стали трубопровода невозможно по многим причинам. Вопервых, скорость старения зависит от многих плохо контро-

233

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Безопасность нефтепроводов