1.2 Расчетная часть

1.2.1 Расчет толщены стенки трубопровода

Исходные данные для расчета:

- По данным материалов строительства перехода через р. Ень-Яха

осуществляется из труб диаметром 1420 мм, стали 10Г2ФБ по

ТУ 14-3-1938-2000 с заводской изоляцией по ТУ 14-3-1954-94

(1-2 кат.);

- Р=5,4 МПа – рабочее нормативное давление;

- Категория участкам трубопровода – I.

Расчет толщины стенки трубы производим по СНиП 2.05.06-85*.

Согласно СНиП 2.05.06-85^* толщину стенки газопровода подсчитываем по следующей формуле:

(1)

n_р-коэффициент надёжности по нагрузке от внутреннего давления, n_р=1,1.

R₁- расчетное сопротивление растижению.

Расчетные сопротивления растяжению (сжатию) металла труб R₁ и R₂ определяем по формулам:

(2)

(3)

где m=0,75 – коэффициент условий работы трубопровода (для участка трубопровода категории Ι);

k₁=1,34, k₂=1,15 – коэффициенты надежности по материалу;

k_н=1,05 – коэффициент надежности по назначению трубопровода;

R^н₁ – нормативное сопротивление принимаемое равным значению

временного сопротивления σ_в=588 МПа;

R^н₂ – нормативное сопротивление принимаемое равным значению

пределу текучести σ_т=441 МПа.

Полученные значения подставляем в формулу (1):

Полученное расчетное значение толщины стенки округляем до ближайшего большего по сортаменту, равного δ_н=0,0187м =18,7мм.

Максимально возможная температура стенок трубы в процессе эксплуатации перехода t_э=+9 ˚С. По СНиП 2.01.07-85 находим для района прокладки трубопровода t_Ι=-26,4˚C, t_VΙΙ=+15,4˚С, Δ_Ι=3,8˚С, Δ_VΙΙ=2,6˚С. Нормативные значения температуры наружного воздуха в холодное и теплое время года: t^х_н=t_Ι–Δ_Ι=-26,4–3,8=-30,2˚С, t^т_н=t_VΙΙ+Δ_VΙΙ=15,4+2,6=+18˚С, а расчетные значения t^х=t^х_н–6˚С=-30,2–6=-36,2˚С, t^т=t^т_н+ 3 ˚С=18+3= +21˚С.

Принимаем температурные перепады, при замыкании трубопровода в холодное время года Δt^х=t_э–t^х=+9 – (-36,2)=+45,2˚С, а при замыкании в теплое время года Δt^т=t_э–t^т=+9 – (+21)=-18˚С.

Определяем продольные напряжения в трубопроводе:

(4)

где _t- коэффициент линейного температурного расширения,

_t=1,210^-5м/с,

Е- модуль Юнга материала трубы, Е=210⁵,

t- расчетный температурный перепад,

D_вн- внутренний диаметр трубопровода,

D_вн=D_н-2_н=1,42-20,0187=1,383 м,

Знак “минус” указывает на наличие осевых сжимающих напряжений, поэтому необходимо определить коэффициент Ψ₁, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб.

(5)

Пересчитываем значение толщины стенки трубопровода с учетом Ψ₁:

, (6)

,

Принемаем δ_н=18,7мм.

Принятая толщина стенки трубы δ_н=18,7 мм должна быть не менее 1/140 значения наружного диаметра труб:

D_н/140=1,02/140=0,0101<0,0187м;

Очевидно, что δ_н=18,7мм можно принять за окончательный результат.

1.2.2 Проверка трубопровода на прочность и деформативность в продольном направлении

В соответствии со СНиП 2.05.06-85^* необходимо произвести проверку прочности подземного трубопровода в продольном направлении из следующего условия:

где -продольные осевые напряжения от расчетных нагрузок и

воздействий;

–коэффициент, учитывающий двухосное напряжённое состояние

металла труб, при растягивающих осевых напряжениях =1.0, при

сжимающих определяется по формуле :

где - кольцевые напряжения в стенке трубы от расчётного

внутреннего давления:

;

МПа;

Условие (7) выполняется: -42,6 < 138,66 МПа.

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций трубопровода в продольном и кольцевом направлениях произведем проверку по условиям:

, (10)

, (11)

где - максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий;

- коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при σ^N_кц<0;

σ^н_кц- кольцевые напряжения от действия нормативной нагрузки - внутреннего давления и определяются следующим образом:

, (12)

;

Условие по нормативным кольцевым напряжениям (11) выполняется, так как: .

, (13)

где -нормативное сопротивление металла трубы, принимаемое равным пределу текучести металла;

Продольные напряжения для полностью защемленного подземного трубопровода находятся из выражения:

, (14)

где - минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода, =1400 м (по СНиП III-42-80);

µ- коэффициент Пуассона, для стали µ=0,3.

Для положительного перепада температур ∆t=45,2:

;

Для отрицательного перепада температур ∆t=-18:

;

Условие (10) для положительного перепада температур:

;

‌‌‌‌‌‌│-150│≤210- условие выполняется.

Условие (10) для отрицательного перепада температур:

;

│204,5│<210- условие выполняется.

1.2.3 Проверка устойчивости трубопровода против всплытия

Исходные данные:

труба: D_н=1420 мм, δ_н=18,7 мм

толщина изоляции δ_из=4 мм ;

D_тр – диаметр офутерованного трубопровода:

q_в – расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод:

(15)

где - удельный вес воды;

q_изг – расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода соответственно рельефу дна траншеи и определяемая для вогнутых участков по формуле:

,

где E=2.1 МПа – модуль упругости материала трубы для стали;

=1400 м – радиус упругого изгиба трубопровода;

=0,0989–. угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости на вогнутом рельефе;

J – момент инерции сечения трубопровода:

J=π*(R_ср)³*δ_н=3,14*(700,75*10^-3)³*0,0187=0,0202 м⁴,

где δ_н – толщина стенки трубопровода,

R_ср – средний радиус сечения трубопровода:

;

q_тр – расчетный вес единицы длины трубопровода в воздухе с учетом изоляции при коэффициенте надежности по нагрузке n_с.в.=0.95 [3];

где q^н_м – нагрузка от собственного веса металла трубы:

где – удельный вес металла, из которого изготовлены трубы, для стали

=78500 Н/м³;

q^н_из – нагрузка от собственного веса изоляции:

где =0.635мм толщина изоляционного покрытия;

- плотность изоляционного покрытия;

g=9,81 - ускорение свободного падения;

нагрузка от собственного веса футеровки:

где наружный диаметр изолированного трубопровода:

плотность футеровки;

Коэффициент С_x определяется в зависимости от числа Рейнольдса.

где =1.010⁶ м² кинематическая вязкость воды [2];

v – средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода;

где v_дон, v_пов – донная и поверхностная скорость течения воды;

Рис. 1. Распределение скоростей водного потока

;

С=1.0 для офутерованных труб [1];

C=0.66 гидродинамический коэффициент [1];

Горизонтальная и вертикальная составляющая воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода:

Нормативный вес балластировки в воде:

q

где n_б – коэффициент надежности по нагрузке, n_б=0,9 [1] ;

–коэффициент надежности против всплытия, k_нв=1,15 [1];

- расчетная выталкивающая сила воды (см. выше);

- расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода соответственно рельефу (см. выше);

- расчетная нагрузка от веса продукта (принимаем ;

k -коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях,

k=0,45-для писков мелких и супесей.

;

Вес балластировки в воздухе:

где - удельный вес материала пригруза (ВСН 39-1.9-003-98);

- плотность воды [1];

1.2.4 Определение параметров балластировки

Расстояние между грузами:

где Q_г – средняя масса одного груза (2-УТК-1420-24-2), Q_г=8240 кг (ВСН-39-1.9-003-98);

;

Количество грузов:

где L – длина участка (L=310 м).

Размеры груза:

Рис. 2. Железобетонный утяжелитель типа 2-УТК-1420-24-2

1.2.5 Расчёт тягового усилия протаскивания и подбор

тяговых средств

Первая стадия: трогание трубопровода с места по грунтовой дорожке.

где f – коэффициент трения трубопровода о грунт при продольных перемещениях,

где - угол внутреннего трения грунта, φ_гр=28^о [3];

;

C - сопротивление трубопровода сдвигу, обусловленное сцеплением грунта:

;

- сцепление грунта, с_гр=0,2*10⁴ Па [3];

G - общий вес офутерованного трубопровода в воздухе:

где L - длина протаскиваемого трубопровода, L=310 м,

q_тр – расчетный вес единицы длины трубопровода (см. п. 2.1.3)

общий вес всех утяжелителей (в воздухе):

где Q_г – масса одного комплекта утяжелителя, Q_г=8240 кг;

,

,

- пассивный отпор грунта движению пригрузов:

где t – толщина пригруза (см. п. 2.1.4);

- удельный вес грунта в воздухе, γ_гр=2,12*10⁴;

N – число пригрузов на трубопроводе, N=113;

i – длина хорды той части пригруза, которая погружена в грунт:

где - диаметр кольцевого груза, =2,07 м (ВСН-39-1.9-003-98);

;

;

Вторая стадия: скольжение по грунтовой дорожке. Независимо от способа балластировки:

Третья стадия: скольжение по дну подводной траншеи. Независимо от способа балластировки:

где - общий вес протаскиваемого трубопровода в воде,

- коэффициент трения трубопровода о грунт в воде, ориентировочно:

;

Четвертая стадия: трогание трубопровода с места после временной (более одного часа) остановки протаскивания.

где - пассивный отпор грунта движению пригрузов в воде:

- площадь поверхности контакта трубопровода и пригрузов с грунтом:

где - угол дуги опирания на грунт;

L- длина перехода;

;

- интенсивность присоса трубопровода ко дну подводной траншеи ;

где - значение сцепления грунта в воде:

Максимальное тяговое усилие возникает на первой стадии протаскивания Т_пр=7,02*10⁶ Н. Этот результат превышает технические возможности самой мощной лебедки ЛП-301, даже при использовании подвижного блока (тяговое усилие 3000 кН). Для возможности применения лебедки необходимо уменьшить максимальное тяговое усилие путем поднятия части протаскиваемого дюкера с помощью трубоукладчиков, количество и расположение которых определяется расчетом.

Определим длину дюкера которую может протащить лебедка ЛП-301, исходя из ее тяговой возможности.

Выражаем из формулы (29) длину части дюкера которую может протащить лебедка.

, (44)

где Т_пр.л- максимальное тяговое усилие создаваемое лебедкой ЛП-301, Т_пр.л=3000 кН;

- коэффициент условий работы, принимаемый m_тяг=1,1 при протаскивании лебёдкой;

λ- коэффициент равный:

Определим количество трубоукладчиков необходимых для поднятия части дукера (81 м). Для этого рассчитаем удельный вес единицы длины дюкера.

где q_д- удельный вес единицы длины дюкера;

q_тр- удельный вес единицы длины трубопровода;

q_из- удельный вес изоляции трубопровода;

q_бал- удельный вес балластировки трубопровода;

q_фут- удельный вес футеровки трубопровода;

Расстояние между трубоукладчиками определим исходя из их грузоподъемности. Максимальная грузоподъемность трубоукладчика ТГ-503 Я на вылете стрелы 1,22 м составляет 102 т (Q=1,02*10⁶ Н).

Таким образом получаем, что расстояние между трубоукладчиками (L_т) равно:

L_т=Q/q_д , (47)

L_т =1,02*10⁶/41970=24,3 м,

тогда количество трубоукладчиков (N) необходимых для подъема части дюкера (81 м) равно: N=81/24,3=3,333≈4 шт.

Исходя из выше изложенных расчетов в качестве тягового средства используем лебедку ЛП – 301 на базе 2-х прицепов ЧМЗАП – 5208, с тяговым усилием 3000 кН (при использовании подвижного блока). Длина тягового троса 1000 м, диаметр – 60,5 мм.

Для закрепления лебедки используем анкер (рис. 3). Несущая способность анкера определяется с двух-трех кратным запасом по формуле:

Рис. 3. Конструкция анкера:

1 – анкер; 2 – трос; 3 – направляющий брус

,

где z- параметр определяемый по формуле:

,

где α – угол наклона тросовой оттяжки к горизонту, α=30^о;

d – диаметр анкера, d=0,75 м;

h – глубина заложения анкера, считая от оси, h=3 м;

Длина анкера составляет 16,3 м.