релейная защита. БУРЕНИЕ Задача 3. Определение толщины стенки подземного трубопровода. Проверка прочности подземного трубопровода. Проверка трубопровода по деформациям. Проверка общей устойчивости подземного трубопровода в продольном направлении

• Название: Определение толщины стенки подземного трубопровода. Проверка прочности подземного трубопровода. Проверка трубопровода по деформациям. Проверка общей устойчивости подземного трубопровода в продольном направлении
• Анкор: релейная защита
• Дата: 23.02.2022
• Размер: 165.88 Kb.
• Имя файла: БУРЕНИЕ Задача 3.docx
• Тип: Задача; #370774

Задача №3

Определение толщины стенки подземного трубопровода. Проверка прочности подземного трубопровода. Проверка трубопровода по деформациям. Проверка общей устойчивости подземного трубопровода в продольном направлении

Магистральные и промысловые трубопроводы находятся в процессе эксплуатации в сложном напряженном состоянии, подвергаясь воздействию не только внутреннего давления, но и многих других нагрузок, проявляющихся в особых ситуациях.

Под прочностью трубопровода будем понимать его способность сопротивляться внутренним и внешним нагрузкам без разрушения. Прочность является сложной функциональной зависимостью между несущей способностью материала, из которого сделаны различные конструкции трубопровода (прямые участки, кривые, отводы, тройниковые соединения и т.п.) и усилиями, возникающими в этих конструкциях под действием внутренних и внешних нагрузок.

Поскольку разрушение трубопроводных конструкций происходит, когда их несущая способность оказывается недостаточной для восприятия действующих в них усилий, то обеспечение прочности трубопровода может достигаться как регулированием физико-механических характеристик материала труб, их размеров (диаметра, толщины стенки), так и изменением величины усилий, действующих в элементах конструкций.

Под устойчивостью трубопровода будем понимать его способность сохранять первоначальное положение при самом неблагоприятном сочетании нагрузок и воздействий.

Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость включает определение толщины стенок труб и соединительных деталей, проведение проверочного расчета принятого конструктивного решения на неблагоприятные сочетания нагрузок и воздействий с оценкой прочности и устойчивости рассматриваемого трубопровода, включая оценку устойчивости положения (против всплытия).

1. 
   Определение толщины стенки подземного трубопровода.
   

Расчет ведется согласно СНиП 2.05.06-85* (по безмоментной теории расчета, как для оболочки, работающей на внутреннее давление).

Толщина стенки трубы, работающей под давлением, определяется по формуле:

,

(3.1)

где n – коэффициент надежности по нагрузке, в нашем расчете - по рабочему давлению, принимается равным для нефтепроводов условным диаметром до 700 мм и всех газопроводов – 1,1; для нефтепроводов диаметров больше 700 мм – 1,15;

R₁ – расчетное сопротивление материала труб растяжению или сжатию:

,

(3.2)

где - нормативное сопротивление растяжению или сжатию материала труб и сварных швов, равное минимальному значению (табл. 3,5);

- коэффициент условий работы (зависит от категории трубопровода, принимается в соответствии со СНиП 2.05.06-85*) (табл. 3.1);

- коэффициент безопасности по материалу (зависит от характеристики трубы и марки стали) (табл. 3.2);

- коэффициент надежности по назначению трубопровода (зависит от вида перекачиваемого продукта, диаметра и давления) (табл. 3.3).

При наличии в трубопроводе продольной силы используется формула:

,

(3.3)

где - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб:

,

(3.4)

где - продольное осевое напряжение о расчетных нагрузок и воздействий, МПа.

Если >0, то напряжения растягивающие и =1.

,

(3.5)

где - коэффициент линейного расширения металла труб, град^-1;

- перепад температур (принимается со знаком + при нагревании);

- модуль упругости стали;

- коэффициент Пуассона, равен 0,3.

Толщина стенки трубопровода, определенная по формулам (3.1) и (3.3),

округляется в большую сторону до ближайшей номинальной в сортаменте труб и обозначается _н.

Таблица 3.1 Коэффициент условий работы

Категория магистральных трубопроводов и их участков
В	0,6
I	0,75
II	0,75
III	0,9
IV	0,9

Таблица 3.2 Коэффициент надежности по материалу

Характеристика труб	Значение k1
Термически упрочненные трубы из стали марки Х60	1,34
Прямошовные экспандированные трубы из стали марки 16Г2САФ, 14Г2САФ, 17Г1С, 17ГС	1,4
Горячекатанные термически упрочненные трубы из стали марки 14Г2САФ, 14ХГС, 10Г2С1, 09Г2С	1,34
Спиральношовные трубы из горячекатанной низколегированной стали марки 17Г2СФ, 17Г1С	1,4

Таблица 3.3 Коэффициент надежности по назначению

Условный диаметр трубопроводов Dу, мм	Значение коэффициента надежности
	Для газопроводов, в зависимости от внутреннего давления, Р, МПа				Для нефте- и продуктопроводов
500 и менее	1	1	1	1
600-1000	1,05	1,05	1,05	1
1200	1,05	1,05	1,1	1,05
1400	1,05	1,1	1,15	-

2. 
   Проверка прочности подземного трубопровода.
   

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы в соответствии с нормами СНиП 2.05.06-85* проверяются на прочность в продольном направлении и на отсутствие недопустимых пластических деформаций.

Прочность в продольном направлении проверяется по условию:

,

(3.6)

где - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб.

При , значение =1 – при растягивающих продольных напряжениях. При сжимающих :

,

(3.7)

где - кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления, МПа:

.

(3.8)

3. 
   Проверка трубопровода по деформациям.
   

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций трубопроводов в продольном и кольцевом направлениях проверку производят по условиям (3.9 и 3.10):

,	(3.9)
,	(3.10)

где k_н – коэффициент надежности, принимаемый по табл. 3.3;

- нормативное сопротивление металла трубы: , МПа;

- кольцевые напряжения от нормативного давления:

(3.11)

- абсолютное значение максимальных суммарных продольных напряжений в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий (от давления, от температурных воздействий и упругого изгиба):

(3.12)

где - минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода в соответствии со СНиП 2.05.06-85*, табл. 3.4; .

Таблица 3.4. Минимально допустимые радиусы упругого изгиба

Dу,мм	1400	1200	1000	800	700	600	500
	1300	1100	900	750	650	550	500

- коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб.

При растягивающих суммарных продольных напряжениях , . При сжимающих суммарных напряжениях <0:

(3.13)

Если одно из проверяемых условий (3.9) или (3.10) не выполняется, следует либо подобрать другую марку стали с лучшими механическими характеристиками, либо увеличить толщину стенки трубы до ближайшей большей по сортаменту, и повторить расчет.

4. 
   Проверка общей устойчивости подземных трубопроводов в продольном направлении.
   

Проверка общей устойчивости подземного трубопровода в продольном направлении выполняется по СНиП 2.05.06-85* в плоскости наименьшей жесткости системы из условия:

,

(3.14)

где - коэффициент условий работы трубопровода;

- продольное критическое усилие, при котором наступает потеря продольной устойчивости трубопровода, определяется по формулам (3.16) для прямолинейных и по (3.22) для криволинейных участков трубопроводов;

- продольное осевое усилие в сечении трубопровода, возникающее от расчетных нагрузок и воздействий.

Так, с учетом нагрузки от внутреннего давления и температурных воздействий при отсутствии компенсации продольных перемещений, просадок и пучения грунта:

(3.15)

где - кольцевые напряжения в стенках трубопровода от расчетного внутреннего давления, определяемые по формуле (3.8);

F – площадь поперечного сечения трубы, м².

Для прямолинейных участков подземных трубопроводов продольное критическое усилие находится последующей формуле:

(3.16)

где - сопротивление грунта вертикальным перемещениям трубы;

- сопротивление грунта продольному перемещению трубы, приходящееся на единицу длины трубопровода:

(3.17)

где - предельное сопротивление грунта сдвигу:

(3.18)

здесь - угол внутреннего трения грунта;

- коэффициент сцепления грунта;

- среднее удельное давление на единицу поверхности контакта трубопровода с грунтом:

(3.19)

где - коэффициент перегрузки веса грунта, принимаемый в расчетах на устойчивость равным 0,8;

- объемный вес грунта;

- высота слоя засыпки от верхней образующей трубопровода до дневной поверхности, см (по СНиП 2.05.06-85* минимальная высота слоя засыпки принимается в зависимости от условий местности и диаметра трубопровода от 60 до 110 см);

- вес единицы длины трубопровода с перекачиваемым продуктом:

(3.20)

где и - коэффициенты перегрузки соответственно для собственного веса трубопровода и веса перекачиваемого продукта, при расчете на устойчивость ,

Сопротивление грунта вертикальным перемещениям трубы определяется по формуле:

(3.21)

Для криволинейных участков трубопровода, выполненных упругим изгибом, продольное критическое усилие подсчитывается по формуле:

(3.22)

Коэффициент находится по номограмме (рис. 3.1) в зависимости от параметров и , вычисленных следующим образом:

	(3.23)
	(3.23)

где - радиус упруго изгиба трубопровода.



Рис. 3.1. Номограмма для определения коэффициента при проверке устойчивости криволинейного трубопровода (стрелками показано, как определяется значение при Z и ).

Марки, свойства и размеры стальных труб для газонефтепроводов приведены в табл. 3.5.

Геометрические характеристики труб, наиболее часто используемые в расчетах магистральных трубопроводов:

Площадь поперечного сечения стенок труб:

Осевой момент инерции:

Осевой момент сопротивления поперечного сечения трубопровода:

Радиус инерции поперечного сечения трубы:

Нагрузка от собственного веса металла трубопровода: ;

Нагрузка от веса транспортируемого продукта:

Варианты задачи №3 приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.5

№	Марка стали	Размеры труб, мм		Механические свойства
			Толщина стенки	,Мпа не менее	, Мпа не менее
1.Термически упрочненные трубы
1	Х60	1420	16,5; 17,5; 19,5; 20,5; 25	600	420
2	Х60	1220	10,5; 12,5	600	420
П. Прямошовные экспандированные трубы
3	16Г2САФ	1020	9; 10; 10,5; 12	600	420
4	14Г2САФ	1220	11; 11,5; 13; 15	570	400
5		1020	9,5; 10; 11; 12,5; 14	570	400
6	17Г1С	1220	12; 12,5; 14,5; 15,2	520	360
7		1020	10,11, 12, 14	520	360
8	17ГС	820	8,5; 9; 10; 10,5; 11, 12	520	360
9		720	7,5; 8; 8,5; 9; 10; 11; 12	520	360
10		530	6; 6,5; 7; 7,5; 8; 9	520	360
Ш. Горячекатанные прямошовные трубы
11	14Г2САФ	1020	10, 11,5	550	380
12	14ХГС	1020	10,5; 11; 12; 12,5	500	350
13		720	7,5; 8; 9; 10,5; 11	500	350
14		530	7,5;.8; 9	500	350
15	10Г2С1	530	7; 8; 9	500	360
16	09Г2С	530	7; 8; 9	500	350
IV. Спиральношовные трубы
17	17Г2СФ	1220	12	550	380
18		1020	10; 11,5	550	380
19		820	8; 9,5; 10; 11; 11,5	550	380
20	17Г1С	1220	12,5	520	360
21		1020	10,5	520	360
22		820	8; 10; 11,5; 12	520	360
23		720	7,5; 8; 8,5; 9; 10; 10,5; 12	520	360

Таблица 3.6

№ вар	Вид тр-да	Категория участка тр-да	Рабочее (нормат) давление Р, МПа	Наружный диаметр тр-да Dн, мм	Характе-ристика Труб (см.табл. 3.5)	Марка стали (см. табл. 3.5)	Темпе-ратурный перепад
1	2	3	4	5	6	7	8
0	Газо-провод	IV	8,5	1220	2	2	40
1		I	7,5	1420	1	1	30
2		II	7,0	1220	4	4	35
3		III	6,5	1020	3	3	40
4		IV	8,5	820	8	8	50
5		III	6,5	720	13	13	60
6	Нефте-провод	I	6,0	1020	5	5	40
7		II	5,5	820	19	19	45
8		III	5,0	720	9	9	35
9		В	6,0	530	24	24	50
10		IV	7,5	1220	20	20	40

Для всех вариантов принять:

Коэффициент линейного расширения металла трубы -

Модуль упругости металла -

Плотность материала трубы - ρ

Вес изоляции и футеровки -

Плотность нефти – ρ

Весом газа в тубе – пренебречь.

Высота слоя засыпки – для диаметров 1220 и 1420 – 1м, для остальных принять 0,8м

Плотность грунта - ρ

Угол внутреннего трения грунта -

Коэффициент сцепления грунта – с_гр = 3кПа