Эксплуатация скважин. Учебное пособие Эксплуатация. Томский политехнический университет экСплуатация магистральных газОнефтепроводов и хранилищ

• Название: Томский политехнический университет экСплуатация магистральных газОнефтепроводов и хранилищ
• Анкор: Эксплуатация скважин
• Дата: 24.05.2022
• Размер: 2.57 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие Эксплуатация.docx
• Тип: Документы; #546464
• страница: 18 из 20

13.1. Нагрузки и воздействия на магистральный трубопровод
Трубопроводы находятся в сложном напряжённом состоянии, подвергаясь воздействию многочисленных нагрузок. При проектировании невозможно учесть все нагрузки, поскольку некоторые из них проявляются лишь в особых ситуациях. Прочностные показатели трубопровода должны обеспечить его работоспособность в любых условиях и ситуациях.

Все нагрузки и воздействия на магистральный трубопровод подразделяются на постоянные и временные, которые в свою очередь подразделяются на длительные, кратковременные и особенные.

К постоянным нагрузкам и воздействиям относят те, которые действуют в течение всего строка строительства и эксплуатации трубопровода:

1. 
   Собственный вес трубопровода, учитываемый в расчётах как вес единицы длины трубопровода:
   

q_тр = nD_ср_ст , (13.1)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,1); D_ср – средний диаметр трубопровода, м;  – толщина стенки труб, м; _ст – удельный вес стали, Н/м³.

2. 
   Вес изоляционного покрытия и различных устройств, которые могут быть на трубопроводе:
   

q_из = n_из/4(D_из² – D_н²) , (13.2)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке; _из – удельный вес изоляционного изделия, Н/м³; D_из и D_н – соответственно диаметр изолированного трубопровода и его наружный диаметр, м.

3. 
   Давление грунта на единицу длины трубопровода:
   

q_гр = n_грh_срD_из , (13.3)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,2); _гр – удельный вес грунта, Н/м³; h_ср – средняя глубина заложения трубопровода, м; D_из – диаметр изолированного трубопровода, м.

4. 
   Гидростатическое давление воды на единицу длины трубопровода, определяемое весом столба жидкости над подводным трубопроводом:
   

q_гс = n_вhD_ф , (13.4)

где n – коэффициент надёжности по нагрузке;  – удельный вес воды с учётом засолённости и наличия взвешенных частиц, Н/м³; h – высота столба воды над рассматриваемой точкой, м; D_ф – диаметр изолированного и футерованного трубопровода, м.

5. 
   Выталкивающая сила воды, приходящаяся на единицу длины полностью погружённого в воду трубопровода:
   

q_в = /4D_ф²_в , (13.5)

где D_ф – наружный диаметр трубы с учётом изоляционного покрытия и футеровки, м; _в – удельный вес воды с учётом растворённых в ней солей и наличия взвешенных частиц, Н/м³.

6. 
   Воздействие предварительного напряжения, создаваемое за счёт упругого изгиба при поворотах трубопровода:
   

_пр.^из. =  Е D_н / 2 , (13.6)

где _пр.^из. – максимальное продольное напряжение в стенках трубы, обусловленное изгибом трубопровода, Н/м³; Е – модуль упругости (Е = 206000 МПа); D_н – наружный диаметр трубопровода, м;  – радиус изгиба оси трубопровода, м;

К длительным временным нагрузкам относятся следующие:

1. 
   Внутреннее давление, которое устанавливается проектом. Внутреннее давление создаёт в стенках трубопровода кольцевые и продольные напряжения, которые определяют по формулам:
   

_кц. = nPD_вн./ 2, (13.7)

где n  коэффициент перегрузки для внутреннего давления (n= 1,15); Р  нормативное значение внутреннего давления, Па; D_вн  внутренний диаметр трубы, м;   толщина стенки трубы, м.

Учитывая известную зависимость между продольными и поперечными напряжениями, определим продольные напряжения в стенке трубы:

_пр. =_кц.= (nPD_вн./ 2), (13.8)

где   коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона). Для сталей  = 0,260,33, т.е. среднее значение  = 0,3.

2. 
   Вес перекачиваемого продукта на единицу длины трубопровода.
   
   1. 
      Нормативный вес транспортируемого газа
      

q_газ.= 0,215 _{газ .}g(Р_а Д²_вн. / Z Т), (13.9)

где _газ.  плотность газа, кг/м³ (при 0^оС и 0,1013 МПа); g  ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; Р  абсолютное давление газа в газопроводе, МПа; Д_вн.  внутренний диаметр трубы, см; Z  коэффициент сжимаемости газа; Т  абсолютная температура, К.

Для природного газа допускается принимать

q_газ. = 10^-2 Р Д²_вн., (13.10)

где Р  рабочее ( нормативное ) давление, МПа.

2. 
   Вес транспортируемого продукта в трубопроводе
   

q_крод. = n10^-4_нg( Д²_вн. / 4), (13.11)

где n  коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1); _н  плотность транспортируемой нефти, кг/м; g  ускорение свободного падения, м/с²; D_вн.  внутренний диаметр трубы, см.

3. 
   Температурные воздействия, которые при невозможности деформаций вызывают в стенках трубопровода продольные напряжения:
   

_пр.t = – E t, (13.12)

где   коэффициент линейного расширения  = 1210⁶ (град); Е  модуль упругости, Н/м²; t = t_o – t_ф, здесь t_o  максимальная или минимально возможная температура стенок трубы при эксплуатации; t_ф  наименьшая или наибольшая температура, при которой фиксируется расчётная схема трубопровода.

К кратковременным нагрузкам и воздействиям на трубопровод относят такие нагрузки, действие которых может длиться от нескольких секунд до нескольких месяцев:

1. 
   Снеговая нагрузка, приходящаяся на единицу длины трубопровода:
   

q_сн. = nS_oD_из., (13.13)

где n  коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,4);   коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на трубопровод ( = 0,4); S_o  нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли, определяемое в соответствии со СНиП 2.01.07-85, Н/м²; D_из.  диаметр изолированного трубопровода, м.

2. 
   Нагрузка от обледенения наземного трубопровода, приходящаяся на единицу длины трубопровода:
   

q_лед. = n0,17 В D_из., (13.14)

где n  коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,3); В  толщина слоя гололёда, принимаемая в соответствии со СНиП 2.01.07-85, мм; D_из.  диаметр изолированного трубопровода, см.

3. 
   Ветровая нагрузка на единицу длины трубопровода, перпендикулярная его осевой вертикальной плоскости:
   

q_вет. = nw_okcD_из., (13.15)

где n  коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1); W_o  нормативное значение ветрового давления, определяемое в соответствии со СНиП 2.01.07-85, Н/м²; k  коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте и тип местности, определяется в соответствии со СНиП 2.01.07-85; с  аэродинамический коэффициент (с = 0,5).

Особыми нагрузками и воздействиями на магистральные трубопроводы принято называть те, которые возникают в результате селевых потоков, деформаций земной поверхности в карстовых районах и районах подземных выработок, а также деформаций грунта, сопровождающихся изменением его структуры.

В соответствии с принятой методикой расчёта прочности по предельным состояниям различают расчётные и нормативные нагрузки. Под нормативной понимают нагрузку ^(н), установленную нормативными документами и определённую на основании статистического анализа при нормальной эксплуатации сооружения. Расчётной называют нагрузку, учитывающую возможное отклонение от нормативной: _р = n*N^(н), где n  коэффициент надёжности по нагрузке. Коэффициенты надёжности n для различных видов нагрузки и воздействий регламентируются СНиП 2.05.06-85.

13.2. Проверочные расчёты несущей способности трубопровода
Несущая способность трубопровода обеспечена, если выполняются условия прочности и недопустимости деформаций.

Внутренние условия в трубопроводах появляются от внешних, внутренних нагрузок. Причём эти нагрузки изменяются в зависимости от характеристики окружающей среды, параметров перекачиваемого продукта и т. д.

Учёт внутреннего давления при расчётах напряжённого состояния трубопровода обязателен во всех случаях, а остальные нагрузки и воздействия учитываются в зависимости от конкретных условий и конструктивных схем прокладки трубопровода на том или ином участке. Установлено, например, что вертикальное давление грунта на остальные магистральные трубопроводы при нормальных глубинах заложения и устойчивом состоянии грунта не вызывают таких напряжений в стенке трубы, которые могли бы разрушить её. Если же рассматривать напряжённое состояние трубопровода на участке оползающего грунта или на сильно деформированном основании, то давление грунта может вызвать наиболее опасное для прочности труб напряжённое состояние.

На таких участках вес труб и заполняющего их продукта может привести к опасным для прочности труб напряжениям, а на продольных уклонах внутреннее давление в трубопроводе и силовое воздействие оползающего грунта вызывает в материале труб, кроме того, и продольные напряжения.

От действия нагрузок в стенке трубы возникает продольное усилие Р, действующее по направлению продольной оси трубопровода. Ему соответствует продольное напряжение _пр = Р/F , где F – площадь поперечного сечения материала трубы. Усилия, действующие в тангенциальном направлении, называют кольцевыми, и соответственно напряжение также называют кольцевыми _кц .

При совместном действии внутреннего давления и изменения температуры в стенках трубы возникают кольцевые напряжения.

При наличии продольных осевых сжимающих напряжений номинальную толщину стенки трубы определяют по формуле:

 = nРD_н/2(₁R₁ + nР), (13.16)

где ₁ – коэффициент, учитывающий двухосное напряжённое состояние труб.

Толщину стенки трубы, определённую по этим формулам, следует принимать не менее 1/140 D_н, но не менее 3 мм для труб условным диаметром 200 мм и не менее 4 мм – для труб условным диаметром свыше 200 мм

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы следует проверять по прочности, деформациям и общую устойчивость в продольном направлении.

Проверка на прочность подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов в продольном направлении производится по условию:

| _npN | ≤ ₂R₁, (13.17)

где _npN – продольное осевое напряжение от действия расчётного давления и температурного перепада; ₂ – коэффициент двухосного напряжённого состояния металла труб (₂= 1, если _npN > 0).

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов, особенно на искривлённых участках, проверку необходимого производить по условиям:

|_np^н| ≤ ₃m/0,9kнR2н (13.18)

_кц^н ≤ m/0,9kнR2н, (13.19)

где _np^н – максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий,

_np^н = _кц^н – tE ± ED_н/2, (13.20)

R₂^н – второе нормативное сопротивление, равное минимальному значению предела текучести, установленному техническими условиями на трубы;

_кц = npD_вн/2 , (13.21)

и продольные напряжения

_np^н = _кц^н – tE. (13.22)

В процессе строительства трубопровод искривляется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Изгиб трубопровода вызывает появление в стенах труб дополнительных напряжений, которые зависят от радиуса изгиба, геометрических характеристик трубы и модуля упругости стали.

Проблема прочности магистрального трубопровода включает ряд задач, связанных с физико-механическими характеристиками металла труб, сопротивляемостью их внутренним и внешним усилиям, влиянием концентратов напряжений на несущую способность конструкции в целом. Все эти задачи объединяются в так называемом расчёте на прочность. Основная цель проектировочного расчёта – обеспечение неразрушимости трубопровода в период расчётного времени его эксплуатации. Расчёт трубопровода на прочность производится в соответствии со СНиП 2.05.06-85.

Расчёт трубопровода на прочность заключается в определении толщины стенки труб из условия:

_кц = npD_вн/2≤ R₁ = R₁^нm/(k₁k_н) , (13.23)

где R₁ – первое расчётное сопротивление; R₁^н – первое нормативное сопротивление,соответствующее минимальному значению предела прочности, принимаемое по техническим условиям на трубы; m – коэффициент условий работы трубопровода, который зависит от категорий участка трубопровода; k₁ – коэффициент надёжности по материалу, принимаемый по СНиП 2.05.06-85; k_н – коэффициент надёжности по назначению трубопровода, принимаемый равным 1 при D_у = 1200 мм и равным 1,05 для труб D_у = 1200 мм.

Расчётная толщина стенки трубопровода определяется по формуле:

 = npD_н/2(R₁ + nР), (13.24)

где ₃ – коэффициент двухосного напряжённого состояния;  – минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода; _кц^н – кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давления.

Если условия прочности и недопустимости деформаций выполняются, то несущая способность трубопровода обеспечена.

При проектировании трубопроводов встречаются два основных расчётных случая:

1. 
   Заданы внутреннее давление P, характеристики стали – _ври _т – требуется определить толщину стенки труб .
   
2. 
   Заданы толщина стенки труб  и характеристики стали – _вр и _т – требуется определить допустимое рабочее давление Р.
   

Первый случай был рассмотрен выше, а что касается решения второго расчётного случая, то допустимое рабочее давление определяется из формул для определения толщины стенки трубы:

 = nРD_н/2(₁R₁ + nР)  P = 2₁ R₁/nD_вн , (13.25)

Как видно из последней формулы несущая способность трубопровода по давлению зависит от коэффициента ₁, который в свою очередь зависит от величины продольных сжимающих напряжений.

Вероятность разрушения бездефектного участка трубопровода чрезвычайно мала, практически равна нулю. Однако разрывы на трубопроводах происходят довольно часто, что говорит о наличии дефектных участков. Любые дефекты с нарушением формы конструкции трубы, являются местами концентрации напряжений.