CC BY
40
УДК 622.692.4
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10204
АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА БАЛОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ С КОМПЕНСАТОРМИ
ANALYSIS OF CALCULATION METHODS FOR GIRDER-TYPE OVERPASSES WITH COMPENSATORS
Л.И. Быков, Д.А. Гулин., М.И. Камалов, Д.Д. Каримов, И.Ф. Махмудова
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2741-5957, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3145-748X, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9972-5356, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3376-2119, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4752-6670, E-mail: [email protected]
Резюме: На данный момент актуальна проблема расчета надземных балочных переходов с компенсаторами. Существующие расчетные схемы не отражают действительного положения трубопровода на местности. В статье проведен анализ источников, освещающих различные аспекты конструкций балочных переходов с компенсаторами. Оптимальной считается конструкция, в который максимальный изгибающий момент в середине пролета и момент на опоре равны по абсолютной величине. На основании выявленных недостатков расчетных схем был выполнен расчет однопролетного балочного перехода с компенсаторами по иной схеме. Предложено считать переход как рамную конструкцию при помощи метода сил.
Ключевые слова: балочный переход, компенсатор, напряженно-деформированное состояние.
Для цитирования: Быков Л.И., Гулин Д.А., Камалов М.И., Каримов Д.Д., Махмудова И.Ф. Анализ методов расчета балочных переходов с компенсаторми // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 2. С. 19-23.
D0I:10.24411/0131-4270-2019-10204
Leonid I. Bykov, Denis A. Gulin, Marcel I. Kamalov, Dinar D. Karimov, Indira F. Makhmudova
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2741-5957, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3145-748X, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9972-5356, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3376-2119, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4752-6670, E-mail: [email protected]
Abstract: In this article the analysis of the sources covering various aspects of designs of girder-type overpasses with compensators is carried out. The optimal design is in which the maximum bending moment in the middle of the span and the moment on the support are equal in absolute value. On the basis of the revealed shortcomings of the design schemes, it is proposed to perform the calculation of a single-span girder-type overpass with compensators according to a different scheme.
Keywords: girder-type overpass, compensator, stress-strain state.
For citation: Bykov L.I., Gulin D.A., Kamalov M.I., Karimov D.D., Makhmudova I.F. ANALYSIS OF CALCULATION METHODS FOR GIRDER-TYPE OVERPASSES WITH COMPENSATORS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 2, pp. 19-23.
DOI:10.24411/0131-4270-2019-10204
Балочные переходы трубопроводов с компенсацией продольных деформаций имеют специальные устройства (компенсаторы), монтируемые на концах надземных участков трубопроводов длиной до 200-300 м, а при большей длине также дополнительно через каждые 100-300 м, позволяющие трубопроводу перемещаться под действием температурного перепада.
При сооружении таких балочных переходов трубопроводов используют опоры с неподвижными, свободноподвиж-ными и продольно-подвижными опорными частями различных модификаций (роликовые, катковые, скользящие и др.). Средние, между компенсаторами, опоры имеют неподвижные опорные части, ближние к компенсаторам - свободно-подвижные, допускающие поперечные и продольные перемещения, остальные - продольно-подвижные. Для компенсации продольных деформаций применяют также прокладку балочных переходов трубопроводов с изгибом (изломом) в плане отдельных участков трубопровода (рис. 1). Изгиб или излом осуществляют с помощью криволинейных отводов или вставок-отводов, изготовленных в заводских условиях, либо методом холодного гнутья на месте сооружения трубопровода. Расстояние между опорами в системах балочных
переходов трубопроводов с компенсацией зависит от диаметра труб, числа пролетов, принятой схемы прокладки и от природных условий [1].
В работе представлен анализ методов расчета и соответствующих им конструкций, а также предложена схема, учитывающая несовершенства проанализированных.
Исследованием напряженно-деформированного состояния балочных переходов в последнее время занимались Л.И. Быков, М.Ю. Котов, З.Ф. Автахов, А.С. Кузьбожев, Л.А. Лунев.
|Рис. 1. Однопролетный двухконсольный балочный переход с компенсаторами: 1 - опора; 2 - компенсатор; а -консоль;I - пролет
325
1000
Г
£
Одним из основных направлений исследований был анализ влияния конструкции опор, в частности их высотного положения, на напряженно-деформированное состояние балочного перехода.
В [2] представлена расчетная модель - балочный трубопроводный переход, который подобен по напряженному состоянию реальному (рис. 2). Цель исследований - подтверждение гипотезы о напряженно-деформированном состоянии балочного трубопроводного перехода и анализ особенностей его работы при действии статической нагрузки, а также при изменении высотного положения опор. Вертикальные смещения приводят к появлению дополнительных изгибающих моментов, зависящих от величины смещения и жесткости трубы. Расположение всех опор на одном уровне указывает на слабую сторону расчетных методик. При моделировании учтено, что несущая способность конструкции может быть увеличена за счет повышения момента инерции путем размещения материала по возможности дальше от главных осей инерции сечения.
В результате экспериментальных исследований по определению напряжений и прогибов в пролетах можно определить возможные способы создания равнопрочного балочного трубопроводного перехода (рис. 3).
В статье [3] рассмотрено регулирование напряжений за счет изменения высотного уровня опор балочного перехода. Подчеркивается, что регулировать напряжения таким способом можно только в статически неопределимых конструкциях. Также необходимо всегда учитывать влияние компенсаторов на изгибающие моменты в трубопроводе в зависимости от высотного положения опор.
Отмечается, что для случая одно-пролетной балочной системы (рис. 4) наблюдается полное выравнивание между собой абсолютных значений напряжений изгиба в середине пролета и в приопорных участках трубопровода, то есть выполняется условие рав-нопрочности конструкции. Авторы оценивают степень снижения напряжений изгиба и приводят их графическую зависимость от величины просадки опор.
С учетом характера влияния понижения опор на уменьшение расчетных изгибных напряжений в многопролетных балочных системах с Г-образными компенсаторами
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки. qдоп - дополнительная нагрузка -груз в виде подвесок, крепящихся к трубо-проводу при помощи съемных хомутов
1000
1000
1000
325
о
Идентификатор 1
О
о
Идентификатор 2 Идентификатор 3
о
Идентификатор 4
ЯШ
£
ъ
Яш
4000
11
| Рис. 3. Результаты расчета балочного трубопроводного перехода
| Рис. 4. Расчетная схема однопролетного балочного трубопроводного перехода
Я
ш ш
| Рис. 5. Расчетная схема двухпролетного балочного трубопроводного перехода
Я
7пЩл
777
А
ж
777
17Г
в зависимости от количества пролетов для трубопровода диаметром 1020 мм делается вывод, что при трех и более пролетах напряжение изгиба снижается приблизительно на 35% по сравнению с напряжениями в опорах, установленных на одном уровне (рис. 5).
В [4] отмечается, что на практике часто встречаются случаи смещения опор от проектного уровня. При равно-высотном состоянии опор (рис. 6а) заметно, что опорные
I
к
L
| Рис. 6. Напряженное состояние двухпролетного балочного перехода
1 1 * 1 *
V- 4
и 'а | 1 / 9 а
К
+ 4 а 1 ; 1 + ....т —* а
сечения существенно перегружены, в то время как в пролетных сечениях напряжения практически в два раза меньше.
Путем последовательного понижения высотного положения опор достигают существенного уменьшения действующих напряжений, а также выравнивания напряжений в опорных точках и пролетных сечениях.
Замечено уменьшение напряжений на 24,3% при снижении высотного положения центральной опоры на 0,45 м и крайних на 0,25 м.
Отрегулировать также можно, изменив конструкцию опор. Предлагается использовать опоры с регулируемым уровнем, учитывая при этом напряженно-деформированное состояние трубопровода в местах контактного взаимодействия с опорой при реализации оптимального уровня.
В статье [5] приведены результаты экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния балочного трубопроводного перехода. Также изучен вопрос, связанный с изменением высотного положения опор с целью создания равнопрочной конструкции.
Для исследований выбран четырехпролетный балочный переход с двумя консолями. Измерения напряжений проводились в сечениях, соответствующих серединам пролетов и опорам трубопровода. В середине каждого пролета измерялся прогиб трубопровода от действия собственного веса и распределенной нагрузки. Нагрузка прикладывалась путем навешивания мерных грузов на специальные подвески.
При помощи программы ВСР Орйт^е получены значения высотных положений опор, при которых экспериментальная балочная конструкция становится равнопрочной. Дополнительные изгибающие моменты, складываясь с моментами в расчетных сечениях, изменяли их в нужном направлении.
В следующих работах акцент смещен на оценку продольных деформаций под действием температуры и внутреннего давления.
В [6] расчет параметров компенсаторов не учитывает упругую податливость заделки и приводится допустимое для компенсатора предельное перемещение. С целью уменьшения размеров компенсаторов предлагается применять предварительную их растяжку или сжатие, при этом на чертежах должны указываться величины растяжки или сжатия в зависимости от температуры, при которой производится сварка замыкающих стыков.
В [7] отмечается, если компенсатор расположен в месте выхода подземного трубопровода на поверхность, то перемещение, на которое должен рассчитываться компенсатор,
складывается из перемещений соответствующего открытого участка и перемещения трубопровода в месте выхода его из грунта. Для трубопроводов больших диаметров продольные перемещения в месте выхода подземного трубопровода на поверхность значительны. Эти перемещения рационально уменьшать, устраивая подземные компенсаторы-упоры.
При проектировании и строительстве переходов применяют одно- и многопролетные консольные схемы с наклонными компенсаторами по концам. Важным является выбор рациональных длин консолей. В справочном пособии предлагают при проектировании однопролетных двухконсоль-ных балочных переходов длину консолей из условия минимума изгибных напряжений принимать равной 35% от длины пролета. Подчеркивается, что применение этой системы позволяет увеличить длину пролета на 15%.
Многопролетную систему с консолями рассчитывают так же, как и обычную многопролетную систему, длину же консоли принимают равной 40% от длины пролета. Определяют максимальное расстояние между опорами, так как изгибающий момент зависит от длины пролета.
В [8] говорится, что компенсатор дает возможность трубопроводу переме-щаться в продольном направлении между неподвижными опорами. Так же, как и в [7], учитывается, что компенсатор должен работать в упругом режиме, исходя из этого определяют изгибающий момент и находят перемещение концов компенсатора.
В [9] описываются исследодвания многопролетных надземных переходов с двумя температурными компенсаторами и были обнаружены значительные поперечные перемещения опорных сечений трубопровода. При измерениях перемещений было установлено, что на всех исследуемых переходах данного типа, независимо от их конструктивного исполнения, продольные перемещения трубы происходили в направлении того из компенсаторов, вылет которого больше, что создавало условия для неравномерной их загрузки. Обследования показали, что работу компенсаторов наиболее полно можно проследить по состоянию отмостки или обваловки при входе трубы перехода в грунт.
Увеличение вылета происходит в основном за счет щелей вдоль образующей трубы, возникающих в грунтовой засыпке из-за перемещений компенсируемых участков под действием изменения температуры и давления в трубопроводе. При этом длина компенсатора не равна свободной от грунта открытой части, а увеличивается за счет освобождения от грунтового сцепления подземной части. Изменение вылета компенсаторов при этом зависит от категории грунта, компенсируемых деформаций, а также от качества обваловки. Увеличение длины компенсатора при эксплуатации происходит также из-за размыва входа трубы в грунт дождевыми потоками и расширения русла преодолеваемых рек в период наводнений и снеготаяния.
Изменение условий защемления, прилегающего к воздушному переходу под-земного участка трубопровода, может произойти из-за увеличения длины пролета перехода вследствие обрушения грунтовых масс в местах входа трубы
я
I Рис. 7. Предложенная расчетная схема
Yr
л
В
M
_
„__а_
в грунт или нарушения связи между трубопроводом и опорой. Отмечается интерес к расчетам таких балочных переходов с учетом условий защемления на концах.
В [10] отмечается, что компенсаторы не обязательно нужно устанавливать с уклоном вниз. Если по условиям местности нужно поднять трассу 'А трубопровода, то компенсатор можно устанавливать вверх. При числе пролетов три и более, когда компенсаторы установлены по обоим концам открытого участка, одну из промежуточных опор, обычно среднюю, делают неподвижной, трубопровод на ней закрепляют неподвижно.
Отмечается целесообразность консольных систем при расположении надземной части трубопровода выше уровня земли.
В результате проведенного анализа исследований напряженно-деформированного состояния балочных переходов с использованием компенсаторов продольных деформаций были изучены различные условия работы трубопроводов, рассмотрены конструктивные схемы и методика их расчета, проанализированы данные использования компенсаторов в трубопроводном транспорте.
Оптимальной считается конструкция, в которой максимальный изгибающий момент в середине пролета и момент на опоре равны по абсолютной величине, то есть конструкция равнопрочна. В рассмотренных источниках это достигается в случае, когда длина консоли а = 0,354-/.
Однако заметим, что рассмотренные расчетные схемы представляют собой неразрезную балку на опорах, тогда
ivvlivv**
I
4ШШШШ
как в реальности балочный переход с компенсаторами имеет Г- или П-образный вид. Предлагается использовать расчетную схему, основанную на правилах строительной механики [11]: статически неопределимая рамная конструкция - однопролетный балочный переход с Г-образными компенсаторами (рис. 7).
При решении данной задачи предлагаются следующие допущения:
- возможные перемещения подземных участков не учитываются (заделки неподвижны), Ад = AK = 0;
- не учитывается изменение температуры окружающей среды при выходе трубопровода на дневную поверхность (температура подземной части трубопровода не влияет на температуру надземной части), At = 0.
Статически неопределимые системы решаются двумя основными способами: метод сил и метод перемещений. На их основе разработаны комбинированный, смешанный и приближенный способы. Так как нам известны действующие нагрузки, для расчета принят метод сил.
Возникающую систему уравнений предлагается решить при помощи программного пакета - системы компьютерной математики Maple 18 [12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балочные переходы трубопроводов. URL: http://www.mining-enc.rU/b/balochnye-perexody-truboprovodov/ (дата обращения 16.03.2019).
2. Котов М.Ю., Быков Л.И. Оценка характеристик напряженно-деформированного состояния модели балочного трубопроводного перехода // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2013. № 2. С. 76-78.
3. Автахов З.Ф., Быков Л.И. Рациональное проектирование балочных трубопроводных переходов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2003. № 1. С. 60-64.
4. Автахов З.Ф., Быков Л.И. Оценка влияния опорных условий на работу балочных трубопроводных систем // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2003. № 5. С. 79-85.
5. Котов М.Ю., Быков Л.И. К вопросу моделирования и экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния балочного трубопроводного перехода // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2013. № 4. С. 234-242.
6. Кузьбожев А.С., Бирилло И.Н., Вишневская Н.С. и др. Балочные переходы. Методы расчета и реконструкции на стадииэксплуатации трубопровода: учеб. пособ. Ухта: УГТУ, 2013. 111 с.
7. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Спр. пособ. М.: Недра. 1991. 287 с.
8. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов М.: Недра. 1977. 407 с.
9. Перун И.В. Магистральные трубопроводы в горных условиях М.: Недра. 1987. 175 с.
10. Петров И.П., Спиридонов В.В. Надземная прокладка трубопроводов М.: Недра. 1965. 447 с.
11. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1999. 592 с.
12. Программное обеспечение и услуги на основе математики для образования, инженерии и исследований. URL: https://www.maplesoft.com (дата обращения 15.01.2019).
REFERENCES
1. Balochnyye perekhody truboprovodov (Girder-type pipeline overpasses) Available at: http://www.mining-enc.ru/b/ balochnye-perexody-truboprovodov/ (accessed 16 March 2019).
2. Kotov M.YU., Bykov L.I. Evaluation of the characteristics of the stress-strain state of the model of girder-type pipeline overpass. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov, 2013, no. 2, pp. 76-78 (In Russian).
3. Avtakhov Z.F., Bykov L.I. Rational design of girder-type pipeline overpasses. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz, 2003, no. 1, pp. 60-64 (In Russian).
4. Avtakhov Z.F., Bykov L.I. Assessment of the influence of reference conditions on the work of girder-type pipeline overpasses. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz, 2003, no. 5, pp. 79-85 (In Russian).
5. Kotov M.YU., Bykov L.I. On the issue of modeling and experimental research of the stress-strain state of a girder-type pipeline overpass. Neftegazovoye delo: elektronnyy nauchnyy zhurnal, 2013, no. 4, pp. 234-242 (In Russian).
6. Kuz'bozhev A.S., Birillo I.N., Vishnevskaya N.S. Balochnyye perekhody. Metody rascheta i rekonstruktsii na stadiiekspluatatsii truboprovoda [Girder-type overpasses. Methods of calculation and reconstruction at the stage of pipeline operation]. Ukhta, UGTU Publ., 2013. 111 p.
7. Aynbinder A.B. Raschet magistral'nykh i promyslovykh truboprovodov na prochnost' i ustoychivost' [Calculation of trunk and field pipelines for strength and stability]. Moscow, Nedra Publ., 1991. 287 p.
8. Borodavkin P.P., Berezin V.L. Sooruzheniye magistral'nykh truboprovodov [The construction of trunk pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 1977. 407 p.
9. Perun I.V. Magistral'nyye truboprovody v gornykh usloviyakh [Trunk pipelines in mountain conditions]. Moscow, Nedra Publ., 1987. 175 p.
10. Petrov I.P., Spiridonov V.V. Nadzemnaya prokladka truboprovodov [Overground laying of pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 1965. 447 p.
11. Feodos'yev V.I. Soprotivleniye materialov [Resistance of materials]. Moscow, MGTU im. N.E. Baumana Publ., 1999. 592 p.
12. Programmnoye obespecheniye i uslugi na osnove matematiki dlya obrazovaniya, inzhenerii i issledovaniy (Software and services based on mathematics for education, engineering and research) Available at: https://www.maplesoft.com (accessed 15 January 2019).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Быков Леонид Иванович, д.т.н., проф. кафедры сооружения и
ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский
государственный нефтяной технический университет.
Гулин Денис Алексеевич, ст. преподаватель кафедры сооружения
и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский
государственный нефтяной технический университет.
Камалов Марсель Ильдарович, студент, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Каримов Динар Дамирович, студент, Уфимский государственный
нефтяной тех-нический университет.
Махмудова Индира Фанилевна, студент, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Leonid I. Bykov, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Denis A. Gulin, Senior Lecturer of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
Marcel I. Kamalov, Student, Ufa State Petroleum Technological University. Dinar D. Karimov, Student, Ufa State Petroleum Technological University. Indira F. Makhmudova, Student, Ufa State Petroleum Technological University.
