Курсовой проект. Учебнометодические указания по курсу Морские нефтегазовые сооружения для студентов направления подготовки 21. 03. 01 Нефтегазовое дело
 Скачать 390.13 Kb.
|
|
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» Нагрузки и их классификация. Расчетные критерии Учебно-методические указания Уфа 2017 2 Учебно-методические указания по курсу « Морские нефтегазовые сооружения» для студентов направления подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело» (уровень бакалавриата) и по направлению подготовки 21.04.01 «Нефтегазовое дело» (уровень магистратуры) В методических указаниях изложены условия нагружения и результаты действия нормативных нагрузок, используемых при проектировании трубопроводных систем как на стадии строительства, так и на стадии эксплуатации, а также обеспечение возможных видов отказов конструкций трубопроводных систем расчетными и допустимыми критериями. Составители: Хасанов Р.Р., доцент Вахитов Д.А., ст. гр. БСТ-12-02 Рецензенты: Собачкин А.С., к.т.н., доцент каф. СТ Файзуллин С.М., к.т.н., доцент каф. СТ Обсуждено и утверждено на заседании кафедры «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» от 27.12.2016 г. протокол № 5. © Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2017 3 СОДЕРЖАНИЕ Определения............................................................................................................. 4 Сокращения и обозначения..................................................................................... 6 1 Нагрузки................................................................................................................. 7 1.1 Цель раздела................................................................................................... 7 1.2 Классификация нагрузок............................................................................... 7 1.2.1 Функциональные нагрузки.................................................................. 7 1.2.2 Природные нагрузки............................................................................ 9 1.2.3 Строительные нагрузки....................................................................... 14 1.2.4 Случайные нагрузки............................................................................. 16 1.2.5 Другие нагрузки................................................................................... 16 2 Расчетные критерии.............................................................................................. 18 2.1 Цель раздела................................................................................................... 18 2.2 Принципы расчетов и материалы................................................................. 19 2.2.1 Основные требования к трассе трубопровода................................... 19 2.2.2 Испытания давлением.......................................................................... 21 2.2.3 Технический контроль в ходе эксплуатации..................................... 23 2.2.4 Минимальная толщина стенки............................................................ 23 2.2.5 Выбор материалов................................................................................ 24 2.2.6 Нормативные свойства материалов.................................................... 26 2.2.7 Припуск на коррозию........................................................................... 29 2.3 Расчеты нагрузок и несущей способности.................................................. 31 2.3.1 Условия нагружения.............................................................................. 31 2.3.2 Определение результатов действий нагрузок................................... 32 2.3.3 Нормативная толщина стенки............................................................... 33 2.3.4 Определение напряжений и деформаций.......................................... 34 3 Справочные данные................................................................................................ 37 Список используемых источников.......................................................................... 38 4 Определения Атмосферная зона – часть трубопроводной системы выше зоны заплеска. Давление, аварийное – максимальное внутреннее давление, которое, согласно расчетам, выдержит трубопровод или участок трубопровода в течение каких-либо аварийных рабочих ситуаций Давление, местное; местное расчетное, местное аварийное или местное испытательное – внутреннее давление в какой-либо точке в трубопроводной системе или участке трубопровода для соответствующего расчетного давления, аварийного давления или испытательного давления. Оно равно расчетному/аварийному давлению/ испытательному давлению на базисной высоте плюс статический напор перекачиваемого продукта или среды, используемой при испытании вследствие разницы между базисной высотой и высотой рассматриваемого участка. Зона заплеска – наружные поверхности конструкции или трубопровода, которые периодически находятся под и над водой под влиянием волн, а также приливов и отливов. Класс местоположения – географическая зона трубопроводной системы, классифицированная в соответствии с человеческой деятельностью. Коэффициент изготовления – коэффициент, учитывающий снижение прочности материала в результате холодной формовки в ходе производства труб. Нормативная нагрузка – базисное значение нагрузки, которое должно использоваться при определении нагрузок. Нормативный минимальный предел прочности на растяжение (SMTS) – минимальный предел прочности на растяжение, предписываемый техническими условиями или стандартом, по которым заказывается материал. Нормативный минимальный предел текучести (SMYS) – минимальный предел текучести, предписываемый техническими условиями или стандартом, по которым заказывается материал. 5 Отказ – событие, происходящее с элементом или системой и вызывающее один или оба следующих эффекта: – потеря элементом или системой своих функций; или – ухудшение работоспособности до степени, когда существенно снижается безопасность установки, персонала или окружающей среды. Припуск на коррозию – дополнительная толщина стенки, добавляемая при проектировании для компенсации какого-либо уменьшения толщины стенки за счет коррозии (внутренней/наружной) в ходе эксплуатации. Ретчетинг – накопление деформаций при циклическом нагружении, главным образом связанное с увеличением диаметра. Cтояк (райзер) – соединительный трубопровод или гибкая труба между подводным трубопроводом на морском дне и установками над водой. Стояк доходит до места надводного отключения линии ввода/выхода от оборудования установки, т.е. запорной арматурой. Система стояка состоит из стояка, его опор, всех несъемных соединительных деталей трубопровода и системы защиты от коррозии. Слаппинг – ударная нагрузка на элемент, занимающий примерно вертикальное положение, в результате разрушения волны. Направление, преимущественно, горизонтальное. Слеминг – ударная нагрузка на элемент, занимающий примерно горизонтальное положение, от поверхности поднимающейся воды по мере прохождения волны. Направление, преимущественно, вертикальное. Усталость – деградация материала, вызванная циклическим нагружением. Уровень NDT – степень и критерии пригодности для NDT трубопровода задаются для двух уровней. Первый уровень, который является более жестким, требуется для критериев расчета с контролируемыми деформациями. J-труба – J-образная труба, установленная на платформе, через которую можно протянуть трубу, чтобы получить стояк (райзер). J-труба спускается с палубы платформы, доходя и входя в криволинейный участок (колено) на морском дне. Опоры J-трубы соединяют J-трубу с опорной конструкцией. 6 Сокращения и обозначения AUT (Automatic Ultrasonic Testing) – автоматический ультразвуковой контроль. С-Mn (Carbon Manganese) – углеродисто-марганцевый. DFI (Design, Fabrication and Installation) – проектирование, изготовление и монтаж. DNV (Det Norske Veritas) – Организация Det Norske Veritas. LRFD (Load and Resistance Factor Design) – расчет по нагрузкам и расчетным коэффициентам. NDT (Non-Destructive Testing) – неразрушающий контроль. SAW – сварка под слоем флюса. UO (Pipe fabrication process for welded pipes) – условное обозначение процесса изготовления сварных труб. UOЕ (Pipe fabrication process for welded pipes expanded) – условное обозначение процесса изготовления сварных труб экспандированных. 7 1 НАГРУЗКИ 1.1 Цель раздела Целью данного раздела является ознакомление студентов с разнообразием нагрузок, действующими на морские трубопроводы как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации. 1.2 Классификация нагрузок Выделяют нагрузки: – функциональные; – природные; – строительные (функциональные и природные); – случайные; – другие. Для определения нагрузок и воздействий на морские трубопроводы чаще всего применяются инженерные методы расчета. Наряду с теоретическими методами могут быть использованы методы исследований на компьютерных моделях или экспериментальных стендах (установках). В том случае, когда результаты теоретических и практических исследований на моделях не удовлетворяют поставленным требованиям, могут быть применены натурные испытания. 1.2.1 Функциональные нагрузки К функциональным нагрузкам относятся нагрузки, возникающие в процессе строительства и эксплуатации морских трубопроводов. Среди функциональных нагрузок можно выделить следующие: – вес; – наружное гидростатическое давление; 8 – температура перекачиваемого продукта; – реакции элементов (фланцев, хомутов и т.д.); – засыпка и защитные конструкции (грунт, скальная порода, маты); – рабочее давление; – реакция морского дна (трение и жесткость при кручении); – предварительное напряжение; – остаточная деформация опорной конструкции; – остаточные деформации вследствие осадок грунта, как вертикальных, так и горизонтальных; – возможные нагрузки, обусловленные нарастанием льда вокруг заглубленных трубопроводов вблизи неподвижных сечений (линейная запорная арматура/тройники, неподвижные установки и т.д.), вызываемого охлаждением перекачиваемого продукта; – нагрузки, вызванные частым пропуском внутритрубных устройств. Весовая нагрузка должна включать в себя вес трубы, выталкивающие силы, вес продукта, покрытий, анодов, рост морских отложений и вес всех прикрепленных к трубе элементов. Должны быть учтены усилия концевых заглушек вследствие действия давления в течение обычных условий эксплуатации (например, из-за закрытия запорной арматуры). Колебания температуры должны учитываться при проверке усталостной прочности. Предварительное напряжение, такое как постоянная кривизна или постоянное удлинение, образовавшееся в процессе монтажа, должно учитываться, если оно оказывает влияние на способность выдерживать другие нагрузки. Силы предварительного натяжения, вызванные болтами во фланцах, соединительных элементах и опорах стояков, должны быть отнесены к функциональным нагрузкам. 9 Нормативные нагрузки Нормативной функциональной нагрузкой принимается наиболее вероятное максимальное значение за рассматриваемый период времени. В тех случаях, когда наружное давление повышает несущую способность, оно не должно приниматься выше давления воды в рассматриваемом месте, соответствующего отливу. В тех случаях, когда наружное давление понижает несущую способность, оно не должно приниматься ниже давления воды в рассматриваемом месте, соответствующего приливу. Расчетное давление и максимальная или минимальная расчетная температура (то, что из них более консервативно) должны использоваться во всех расчетах для условий эксплуатации, кроме следующих ситуаций, когда могут быть использованы нормативное рабочее давление и нормативная рабочая температура: – расчет на усталость; – ситуации с преобладанием природных нагрузок. 1.2.2 Природные нагрузки К природным нагрузкам относятся нагрузки, вызванные природными явлениями и окружающей средой, которые не могут быть отнесены к функциональным или случайным нагрузкам. Ветровые нагрузки Ветровые нагрузки определяются в соответствии с имеющимися нормативными документами. Также ветровые нагрузки можно определить с помощью данных полученных в результате испытаний. В результате ветрового воздействия возможны вибрации и снижение устойчивости. 10 Гидродинамические нагрузки Гидродинамические нагрузки – это нагрузки от течения, при относительном движении между трубой и окружающей водой. При определении гидродинамических нагрузок относительные скорости и ускорения частиц жидкости, используемые в расчетах, должны приниматься с учетом действия волн, течений и перемещений трубы. В расчет должны быть приняты следующие гидродинамические нагрузки: – силы сопротивления и подъемные силы, находящиеся в одной фазе с абсолютной или относительной скоростью частиц воды; – силы инерции, которые находятся в одной фазе с абсолютным или относительным ускорением частиц воды; –циклические нагрузки, вызванные течением в результате схождения вихрей и других явлений; – ударные нагрузки вследствие слеминга и слаппинга; – изменения плавучести из-за действия волн. Нагрузки от волн и течений Силы сопротивления и подъемные силы, порождаемые течениями, воздействующие на стояки и трубопроводы, должны быть определены и объединены с порождаемыми волновыми усилиями. Может быть использована комбинация векторов скоростей частиц воды, обусловленных течениями и волнами. Однако предпочтителен расчет полных скоростей и ускорений частиц (если он имеется в наличии), основанный на более точных теориях взаимодействия волн и течений. Если стояк построен в виде ряда плотно расположенных труб, при определении массовых коэффициентов и коэффициентов лобового сопротивления для каждой отдельной трубы или всего пучка труб должны быть учтены эффекты их взаимодействия. Если не имеется достаточного количества данных, могут потребоваться испытания на крупномасштабной модели. Для трубопроводов на неподвижной границе или вблизи от нее (например, для свободных пролетов трубопроводов) или в свободном потоке (например, 11 для стояков) должны учитываться подъемные силы, перпендикулярные к оси трубы и перпендикулярные к вектору скорости. При определении усилий от волн и течений должно учитываться возможное влияние соседних частей конструкции. Повышенные ускорения и скорости течения в потоке вокруг цилиндра, например, опорной стойки/элемента каркаса или колонн, могут привести к дополнительным усилиям, действующим на стояки или опоры стояков. В связи с поперечными колебаниями, порождаемыми схождением вихрей, должен учитываться рост коэффициента лобового сопротивления. Должен быть учтен результат действия нагрузок от волн и течений на систему стояка в зоне воздушного зазора. Волновой слеминг происходит, когда практически горизонтальный элемент покрывается поднимающейся поверхностью воды при прохождении волны. Самые высокие значения усилий слеминга имеют место для элементов на среднем уровне воды и при направлениях усилия слеминга, близким к вертикальному. Волновой слаппинг связан с разрушающимися волнами и может воздействовать на элементы с любым наклоном, но в плоскости, перпендикулярной направлению волны. Самые высокие значения усилий прикладываются к элементам около среднего уровня воды. Усилия как слеминга, так и слаппинга прилагаются импульсно (в течение короткого промежутка времени), и поэтому должна приниматься во внимание динамическая реакция трубопроводной системы. Части трубопроводной системы, расположенные выше зоны обычного удара волн, могут подвергаться нагрузкам от волн вследствие нагона волны. Нагрузки от этого воздействия должны рассматриваться в случае их значимости. Ледовые нагрузки В зонах, в которых может нарастать или нагоняться лед, должна быть принята в расчет возможность действия ледовых нагрузок на трубопроводную 12 систему. Такие нагрузки могут быть частично обусловлены собственно льдом, намерзающим на трубопроводной системе, и частично-плавающим льдом. Для подходов к берегу и зон с мелкой водой должна быть учтена возможность ледового пропахивания и ударов дрейфующего льда. В случае замерзания льда на частях системы, находящихся над водой (напр., из-за брызг морской воды), должны быть приняты в расчет следующие усилия: – вес льда, – ударные усилия вследствие таяния льда, – усилия в результате расширения льда, – рост усилий от ветра и волн из-за возросшей площади приложения нагрузок. Усилия от плавающего льда должны быть рассчитаны согласно признанной теории. Особое внимание должно быть уделено механическим свойствам льда, площади контакта, форме конструкции, направлению перемещений льда и т.д. Колебательная природа усилий ото льда (нарастание бокового усилия и разрушение движущегося льда) должна быть учтена при расчете конструкции. Если усилия вследствие бокового перемещения льда будут оказывать решающее влияние на размеры конструкции, может потребоваться испытание на модели взаимодействий конструкции со льдом. Нормативные нагрузки Нормативная природная нагрузка в ходе монтажа трубопроводной системы должна быть принята как ее наиболее вероятное самое высокое значение при заданном состоянии моря для рассматриваемого периода, определяемого с использованием (H s – значащая высота волны, T p – температура) и соответствующими условиями течения и ветра. Нормативная нагрузка определяется как наиболее вероятное самое высокое значение нагрузки (т.е. от волн, течений и ветра), L E , равное: 13 1 ( ) 1 E F L N (1.1) где F(L E ) – функция распределения вероятностей L E ; N – количество циклов нагружения при некотором состоянии моря с продолжительностью не менее 3 часов. Сочетание нормативных природных нагрузок для условий эксплуатации должно быть взято как величина, имеющая вероятность превышения в 10 -2 за период в один год. Если связь между различными составляющими нагрузки (т.е. ветром, волнами, течением или льдом) неизвестна, применяется сочетание нагрузок (одновременно действующие нагрузки) из таблицы 1.1. Для трубопровода, лежащего на морском дне, при временных режимах сочетание нормативных природных нагрузок должно быть принято согласно таблице 1.1. Таблица 1.1 – Сочетания нормативных природных нагрузок в показателях вероятности превышения за год Ветер Волны Течения Лед Землетрясения 10 -2 10 -2 10 -1 10 -1 10 -1 10 -2 10 -1 10 -1 10 -1 10 -2 10 -2 – для периода времени менее 3 дней нормативные значения нагрузок могут быть основаны на надежных прогнозах погоды, – для трубопровода, лежащего на морском дне, при временных режимах должно применяться значение 10-летнего периода временного ряда. Соответствующий период времени не должен браться меньшим, чем сезон (3 месяца). Если совместное распределение природных нагрузок неизвестно, сочетание нормативных нагрузок может быть принято по таблице, подобной приведенной для эксплуатации. 14 |