книги / Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов
..pdf
|
|
|
Таблица 2.14 |
Коэффициент постели грунта при сжатии |
|
||
Грунт |
к0,МН/м3 |
Грунт “ |
ка, МН/м3 |
Торф влажный |
0,5-1,0 |
Песок слежавшийся |
5-30 |
Плывун |
1-5 |
Глина тугопластичная |
5-50 |
Глина размягченная |
1-5 |
Гравий |
10-50 |
Песок свеженасыпанный |
2-5 |
|
|
2.4. Продольные перемещения подземных трубопроводов
Расчеты продольных перемещений подземных трубопроводов имеют исключительно важное значение при оценке сохранения или изменения его положения в процессе эксплуатации. Особенно это относится к тупиковым участкам и участкам сопряжения различных конструктивных схем прокладки (рис.2.12).
Рис.2.12. Влияние прилегающих подземных участков на арочный трубопроводный переход:
1 -- начальное положение трубопровода;
2 - положение трубопровода в процессе эксплуатации
Рис.2.13. Характер взаимо действия подземного трубопровода с грунтом:
1 - реальная кривая x=f(u);
2 - расчетная зависимость
Силами, препятствующими продольному перемещению труб и, являются силы трения наружной поверхности о грунт, которые зависят от периметра самой трубы и от сопротивления грунта сдвигу в виде касательных напряжений
г (рис.2.13). На участке I связь между грунтом и трубой упругая, характеризуемая зависимостью, предложенной В.А. Флориным [137]:
т(х) = ки и{х) , |
(2.94) |
где ки - коэффициент сопротивления грунта при продольном перемещении трубопровода (коэффициент постели при сдвиге), определяемый по табл. 2.15. Эта область характерна сравнительно малыми перемещениями (примерно 20 мм - песок, 5 мм - глина для труб Dy=1000 мм).
Коэффициент постели грунта при сдвиге |
Таблица 2.15 |
||
|
|||
Грунт |
ки,МН/м3 |
Грунт |
ки, МН/м3 |
Песок средней |
8,0 |
Глина мягкопластичная |
1,5 |
плотности |
|
|
|
Супесь |
5,0 |
Торф сухой |
0,5 |
Суглинок |
4,0 |
Торф влажный |
1,0 |
Глина тугопластичная |
2,0 |
|
|
В точке «К» касательные напряжения достигают предельной величины и на участке II грунт переходит в предельное напряженное состояние (происходит проскальзывание трубы относительно грунта), характеризуемое зависимостью Прандтля-Кулона
гпр=о-%<Ргр+сгр |
(2.95) |
где сгсредние нормальные напряжения в грунте по контакту системы трубагрунт.
2.4.1. Расчет продольных перемещений полубесконечного трубопровода
Полубесконечный трубопровод - |
основная схема при |
расчете продольных перемещений. |
|
Эквивалентное продольное усилие Р, т.е. усилие, которое реализуется в |
|
продольные перемещения, находим по выражению: |
|
Р = (о,2 • сг^ + a,E A t\ F |
(2.96) |
2.4.1Л. Наличие упругой связи
Схема к расчету перемещений труб в грунте приведена на
рис. 2.14.
Продольные перемещения и(х) касательные напряжения г(х) и продольные усилия Р(х) в сечении х рассматриваемого участка трубопровода длиной ^определяются по формулам:
и(дс) = |
Pshflx |
(2.97) |
|
|
fiEFchpt j |
Рис.2.14. Расчетная схема для определения перемещений полубесконечного трубопровода при упругой связи трубы с грунтом
т(х) = кии(х) = kuPshpx |
(2.98) |
pEFchpt ! |
|
Р(х) = Р chpx |
(2.99) |
chptx |
|
\тЮ к
(2.100)
ч&
shpxtchpx - функции гиперболических синуса и косинуса,
shpx = |
~ |
)/ 2 |
(2.101) |
chfiк = {е^ + е~ ^)/2 |
(2.102) |
||
Длина участка £1у в пределах которого имеют место продольные перемещения, с точностью до 6% определяются из соотношения
£, =3,5/ р |
(2.103) |
Максимальные перемещения итахи касательные напряжения Ттах ИМеЮТ место в конце участка £, :
итах ~ |
(2.104) |
(2.105)
т' т '
Расчетная схема (рис.2.14) и соответствующие ей зависимости действительны, если усилие Р не превышает предельного Рпр.
Р < Р |
(2.106) |
1 — 1 пр |
|
которое определяют по формуле:
p np=*npPEf / к |
(2.107) |
где тпр - предельные касательные напряжения, определяемые по формуле
(2.64), с использованием формул (2.65) и (2.66), в которых коэффициенты надежности по нагрузке пгр =1,2,/?св =1,1 для определения qM и qce и лсв=1,0
для расчета qnp.
При этом максимальные перемещения итах в точке х - £ {
итах=Тпр/К |
(2.108) |
а максимальные касательные напряжения ттах в той же точке равны предельным:
(2.109)
2.4.1.2. Наличие пластичной связи
Если усилие Р превышает Рпр, продольные перемещения столь значительны, что связь между трубой и грунтом из упругой переходит в пластичную, при которой касательные напряжения по контакту труба-грунт не зависят от значения продольных перемещений и равны тпр. Таким образом,
отрезок трубопровода, вовлеченный в перемещения, увеличивается, и в его пределах, наряду с участком упругой связи трубопровода с грунтом 1\ формируется участок пластичной связи t 2(рис.2Л 5).
Рис.2.15. Расчетная схема для определения перемещений полубесконечного трубопровода при наличии участков упругой и пластичной связи трубы с грунтом
На участке упругой связи распределение их тя и />(*) рассчитываются по формулам (2.97), (2.98), (2.99) с заменой величины Р на Рпр.
Длина участка пластичной связи трубопровода с грунтом определяется по формуле:
Р - Р |
Р - Р |
|
|
1 л пр _ |
1 |
л пр |
(2.110) |
17 |
|
|
|
Р о |
|
|
|
Продольные усилия по длине трубопровода |
на |
участке |
изменяются по |
следующей зависимости: |
|
|
|
Р{х„) = Р„р+Рохп |
(2.111) |
||
Продольные перемещения на участке 12 с учетом смещения на участке 1\
можно определить из выражения
Р х |
Р о х п |
|
|
1 прл п |
(2.112) |
||
EF |
2EF |
||
|
Продольное перемещение участка i 2 складывается из двух частей: и\ под
действием сил Рпр без учета грунта и и\ под действием силы Р -Рпр с учетом грунта
P |
- p»Pt |
J |
(2.113) |
“2 = “2 +м2 +~ j^ e 2 + |
2EF 2 |
|
|
|
2EF 2 |
Тогда полное продольное перемещение конечного сечения трубопровода будет
‘ пр |
р * _ р * |
|
|
л |
пр |
(2.114) |
|
U = W. 4- I/o = — — Н-----------------— |
|||
К^D „TnpEF
2.4.2.Расчет продольных перемещений на участках сопряжения различных конструктивных схем прокладки
На практике часто приходится встречаться с условиями, при которых усилие, вызывающее перемещение, само зависит от перемещения. Например, при определении перемещения трубопроводов из мест выхода на поверхность при расчете балочных и арочных переходов, трубопроводов в виде провисающей жесткой нити, подводных трубопроводов и др. (рис.2.16).
Рис.2.16. Расчетная схема участка сопряжения подземного трубопровода с
балочным переходом:
1- подземный участок; 2 - Г-образный компенсатор; 3 - надземный участок трубопроводного перехода
Продольной жесткостью трубопровода (коэффициент упругого отпора) будем называть упругую характеристику, устанавливающую связь
?(*)= |
Щ х) |
(2.115) |
|
«00 |
|||
|
|||
где rj{x)~ коэффициент упругого |
отпора в сечении х; ЛГ(дс), и(х)- |
||
соответственно продольная сила и перемещение в том же сечении. Например, для Г-образного компенсатора
(2.116)
3ш
Н к- распор компенсатора; £к- вьшет компенсатора.
Полагая и = \ и Нк = TJ, получим:
11 |
ЪВ |
(2.117) |
|
||
|
|
Как видно из формулы (2.115), при м(*)->0 /7 - » ао, при и(* ) —>оо
7] —>0. Примером продольной жесткости 7 7 —><ю может быть прямолинейный трубопровод условно-бесконечной длины при продольной силе меньше критической, т.е. вызывающей потерю устойчивости труб. В этом случае перемещение любого сечения труб теоретически равно нулю. Примером T J —> 00 является случай полубесконечного трубопровода со свободным концом, так как перемещение свободного конца труб ничем не ограничено. Промежуточные между предельными значениями продольной жесткости являются все другие значения /7 определяемые в каждом конкретном состоянии. Например,
линейная зависимость N = T J U , нелинейная зависимость N = / ( rj,un) где и -
граничное перемещение; п —показатель степени. Сопротивление продольному перемещению конца полубесконечного трубопровода учитывается в граничной
продольной силе, которая принимается в виде |
P = (/^ - TJUQ). Так как |
|
îh |
—>1, формула (2.104) с учетом продольной жесткости будет иметь вид: |
|
|
• при линейной зависимости для TJ |
|
|
u = P/(fiEF+Tj) |
(2.118) |
|
• при нелинейной квадратичной зависимости |
|
(2.119)
• при нелинейной степенной зависимости
(2.120)
При упругопластичных деформациях грунта и п =1 выражение для продольного перемещения будет иметь вид:
I2 4(A2 - Plp)
( 2. 121)
где А = P - r)Tnpi / к и\ В = 2EFnDurnp.
2.5. Расчеты соединительных деталей трубопроводов
Оценку уровня напряженно-деформированного состояния и расчетную толщину стенки соединительных деталей: отводов, тройников, переходников и днищ необходимо производить согласно рекомендациям СНиП 2.05.06-85* [114] и Справочника [68].
2.5.1. Расчет отводов
Отводами называются криволинейные участки, предназначенные для изменения направления оси трубопровода. По способу изготовления различают отводы гнутые гладкие, изготовленные из труб путем протяжки в горячем состоянии, гнутые при индукционном нагреве, штампосварные из двух половин, отвода сварные симметричные.
Основным силовым воздействием на отвод является внутреннее давление, максимальными напряжениями являются кольцевые, наиболее нагруженные волокна расположены на выпуклой внешней стороне отвода. Для них максимальные напряжения
(2.122)
4 Д - 2 Д ,
где ст^ - кольцевые напряжения от действия расчетной нагрузки - внутреннего
давления, определяемые для номинальной толщины стенки отвода ôHOm,
а Klf |
Р^вп.от |
(2.123) |
|
2 3 , tom
/?- радиус изгиба оси отвода; Dltom> Denom- соответственно наружный и
внутренний диаметры отвода.
В крутоизогнутых отводах при R = Dflom максимальные напряжения в 1,3 раза больше, чем в прямой трубе той же толщины. С увеличением радиуса изгиба оси напряжения уменьшаются и при R = 2Duom приближаются к
напряжениям в прямой трубе.
Максимальные напряжения можно определить также по формуле:
<rmax=°m4om |
(2-124) |
где т]от - коэффициент несущей способности отводов (табл. 2.16).
Коэффициент несущей способности отвода |
Таблица 2.16 |
||
|
|||
Отношение радиуса изгиба оси отвода |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
к его наружному диаметру |
1,30 |
|
1,00 |
Коэффициент несущей способности |
1,15 |
||
отвода Т]от |
|
|
|
Расчетную толщину отвода 5отследует определять по формуле:
^лт ** |
По |
(2.125) |
|
2^ 1 от + прР) |
|
где R\om- расчетное сопротивление стали отвода.
Далее полученное значение 5от округляется в большую сторону до
ближайшего номинального значения ôn om, но не менее 4 мм.
В тех случаях, когда стали соединяемых труб и отвода имеют разные
значения а вр, для |
обеспечения равнопрочности |
трубопровода необходимо |
соблюдать условие: |
|
|
|
^ = Rx=3„.om = R ^m |
(U 2 6 ) |
где 5и- номинальная толщина стенки трубопровода.
При невозможности выполнения этого требования, а также при разности толщин S „ и S uom , отличающихся более, чем в 1,5 раза, необходимо предусмотреть переходные кольца (катушки).
2.5.2. Расчет тройников
По способу изготовления различают тройники горячей штамповки, штампосварные с цельноштампованными ответвлениями горячей штамповки, тройники сварные без специальных усиливающих элементов и тройники сварные, усиленные накладками (рис. 2.17, 2.18).
Длина сварных тройников должна быть равна не менее, чем двум наружным диаметрам ответвления Ц #, длина ответвления не усиленных сварных тройников должна быть не менее 0,5 Du o,но не менее 100 мм. Общая длина цельноштампованных тройников должна быть не менее DHO+200 мм, а высота ответвления - не менее 0,2 Д 10, но не менее 100 м. Радиус закругления в области примыкания ответвления должен быть не менее 0,1 Du o.