CC BY
56
УДК.622.692.4
Исследование напряженно-деформируемого
состояния трубопровода с опорами
из контейнеров с песком при пересечении
талых с островной мерзлотой просадочных многолетнемерзлых грунтов
А.Х. АХМЕТОВ, аспирант,
Г.Е. КОРОБКОВ, д.т.н., профессор,
А.П. ЯНЧУШКА, доцент,
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (450062, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)
E-mail: albertahmetov303@gmail.com
В статье рассматривается напряженно-деформируемое состояние подземного трубопровода, уложенного на опоры из контейнеров с грунтом. Исследуется изменение допускаемой длины пролёта в зависимости от диаметра, толщины стенки, категории участка трубопровода.
Ключевые слова: магистральный трубопровод, напряженно-деформируемое состояние, модель «трубопровод-грунт».
для уменьшения просадки трубопровода при пересечении талых с островной мерзлотой просадоч-ных многолетнемёрзлых грунтов предлагается способ укладки трубопровода на заранее подготовленные пирамиды из контейнеров с песком или несжимаемым грунтом, расставленные с определённым шагом.
Шаг установки будет зависеть от степени про-садочности, механических свойств грунта, его теплопроводности, плотности, пористости, наличия включений льда, нагрузки от трубы на опоры и про-садочный грунт.
Шаг установки опор определяется максимально допустимой с точки зрения прочности величиной пролета.
Выполненные авторами расчёты по исследованию поведения трубопровода выполнялись на основе модели «трубопровод-грунт», которая характеризуется:
-наличием зазора между нижней образующей трубопровода и основанием траншеи, возникшего вследствие просадки и подвижек грунта;
-жёстким защемлением трубопровода на границе раздела мерзлого и талого грунта (в грунтах с островной мерзлотой);
-прямолинейностью рассматриваемого участка;
-компенсацией продольных деформаций от изменения температуры, внутреннего давления, просадки опор за счёт прогибов трубопровода в вертикальной плоскости.
На рис. 1 показана расчётная схема.
За основу принят расчёт балочных переходов без компенсации продольных деформаций [1] с учётом
воздействия давления грунта засыпки на трубопровод и напряжений, возникающих при его удлинении в процессе осадки.
Давление грунта на трубопровод определяется по формуле [2]:
q гр = 1,2 -у гр • D
h 0 •--
п • D
(1)
где В — наружный диаметр трубопровода; ^ — глубина заложения до центра трубы; угр — удельный вес грунта.
Рис. 1. Расчётная схема модели «трубопровод-грунт»
8
Проверка прочности трубопровода в продольном направлении с учётом напряжений от удлинения трубопровода:
пр
+ ое < ^з • К
(2)
где апр — продольные напряжения в трубопроводе; о£ — напряжения от удлинения; R2 — расчётное сопротивление материала трубы сжатию; у3 — коэффициент, учитывающий двухосное напряжённое состояние материала стенки трубы.
Результаты проведённых авторами исследований изменения допустимой величины пролёта от диаметра трубопровода (в данном случае расчёты выполнялись при прочих равных условиях, менялось только значение диаметра трубы) представлены на рис. 2.
Увеличение диаметра от 530 до 1020 мм приводит к увеличению длины пролёта, несмотря на то, что с увеличением диаметра растёт и давление грунта на трубопровод. Это объясняется тем, что вместе с диаметром увеличивается площадь поперечного сечения, осевой момент инерции и момент сопротивления трубопровода. Рост всех этих параметров приводит к снижению продольных напряжений от суммарного изгибающего момента и продольного усилия.
Для трубопровода диаметром 1220 мм характерно падение длины пролёта по сравнению с трубопроводом диаметром 1020 мм. Такое изменение длины пролёта объясняется изменением коэффициента надёжности по назначению k . Согласно требованиям [3] значение коэффициента kн для трубопровода диаметром 1020 мм равно 1, для трубопровода с диаметром 1220 мм — 1,05, что приводит к уменьшению расчётного сопротивления материала трубы сжатию. Линия изменения допустимой величины пролёта от диаметра трубы (см. рис. 2, линия 1) соответствует тому случаю, когда производится перекачка природного газа по рассматриваемому участку, линия 2 соответствует транспортировке нефти. Как и ожидалось, нагрузка от веса перекачиваемой нефти на единицу длины трубопровода значительно больше аналогичной нагрузки при транспортировании природного газа. Уменьшение нагрузки ведёт к увеличению длины пролёта трубопровода.
Значительное влияние на величину пролёта оказывает категория участка трубопровода, которая характеризуется коэффициентом условий работы т, и чем выше категория участка трубопровода, тем меньше величина пролёта. Для трубопровода диаметром 1020х13 мм при прочих равных условиях зависимость длины пролёта от категории участка трубопровода следующая:
Категория участка трубопровода
В
I, II III, IV
Допустимая величина пролёта L, м
22,6
32,9
39,8
При невыполнении условия формулы (2) одной из простейших рекомендаций является увеличение толщины стенки трубопровода. Результаты проведённых авторами расчётов по изучению характера изменения допустимой длины пролёта от толщины стенки трубы для газопровода и нефтепровода представлены в виде графиков на рис. 3.
& С
1
2
Диаметр трубопровода;, мм
Рис. 2. Зависимость допускаемой величины пролёта от диаметра трубопровода: 1 — газопровод; 2 — нефтепровод
ч 30
"Ч?
10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 Толщина стенки трубы, мм
Рис. 3. Зависимость допускаемой величины пролёта от толщины стенки трубопровода: 1 — газопровод; 2 — нефтепровод
&
о % :
2
ч
1
3
Пролет трубопровода[.м
Рис. 4. Зависимость продольных напряжений в трубопроводе от длины пролёта: 1 — суммарные продольные напряжения при положительном Дt =40°С; 2 — суммарные продольные напряжения при отрицательном Дt = -40°С; 3 — допускаемые напряжения при положительном Дt =40°С; 4 — допускаемые напряжения при отрицательном
2
Продольные напряжения в трубопроводе в зависимости от длины пролета
Пролёт трубопровода L, м Суммарные продольные напряжения при положительном АЬ, МПа Суммарные продольные напряжения при отрицательном АЬ, МПа Допускаемые напряжения при положительном АЬ, МПа Допускаемые напряжения при отрицательном АЬ, МПа
25 107,55 213,85 159,11 267,39
25,5 110,31 215,96 159,11 267,39
26 113,13 218,09 159,11 267,39
26,5 116,01 220,25 159,11 267,39
27 119,18 222,57 159,11 267,39
27,5 122,22 224,80 159,11 267,39
28 125,33 227,05 159,11 267,39
28,5 128,50 229,32 159,11 267,39
29 131,75 231,62 159,11 267,39
29,5 135,06 233,94 159,11 267,39
30 138,45 236,29 159,11 267,39
30,5 141,90 238,66 159,11 267,39
31 145,43 241,06 159,11 267,39
31,5 149,03 243,47 159,11 267,39
32 152,71 245,91 159,11 267,39
32,5 156,46 248,37 159,11 267,39
33 160,29 250,86 159,11 267,39
33,5 164,20 253,36 159,11 267,39
34 168,19 255,88 159,11 267,39
34,5 172,26 258,43 159,11 267,39
35 176,41 260,99 159,11 267,39
35,5 180,65 263,57 159,11 267,39
36 184,97 266,18 159,11 267,39
36,5 189,38 268,80 159,11 267,39
37 193,87 271,44 159,11 267,39
37,5 198,46 274,10 159,11 267,39
38 203,13 276,77 159,11 267,39
38,5 207,91 279,47 159,11 267,39
39 212,77 282,18 159,11 267,39
39,5 217,74 284,91 159,11 267,39
40 222,80 287,66 159,11 267,39
40,5 227,96 290,42 159,11 267,39
Характер изменения величины пролёта с увеличением толщины стенки имеет непостоянный тренд, интенсивность роста максимально допустимой величины пролёта уменьшается. Из данных рис. 3 видно, что линии 1 и 2 идут параллельно, разница в величине пролёта для газопровода и нефтепровода постоянна, характер изменения обеих линий одинаков, ввиду чего, дальнейшие исследования напряжённого состояния участка трубы проводились на примере нефтепровода.
Для того, чтобы определить как изменяются продольные напряжения, возникающие в трубопроводе при изменении пролёта, рассмотрим трубопро-
вод диаметром 1020x13 мм из стали класса прочности К56 с температурным перепадом М=40°С, плотность грунта засыпки остаётся постоянной. Задаваясь величиной пролёта, рассчитаем напряжения. Результаты проведённых авторами расчётов представлены в таблице, где допускаемые напряжения представляют собой произведение коэффициента у3, учитывающего двухосное напряженное состояние, и сопротивления материала трубы растяжению (сжатию).
По полученным значениям построены графики зависимостей напряжений в трубопроводе от величины пролета (рис. 4).
На рис. 4 линии 3 и 4 идут горизонтально, т.е. допускаемые напряжения не изменяются с увеличением длины пролёта. Объясняется это тем, что допускаемые напряжения зависят от класса прочности стали. Так как авторы задаются только значениями длины пролёта, а материал трубопровода и прочие параметры остаются постоянными, то и допускаемые напряжения не будут изменяться.
Из данных рис. 4 можно сделать вывод, что для рассматриваемого случая напряжения в трубопроводе при положительном температурном перепаде (линия 1) увеличиваются интенсивнее с ростом величины пролёта по сравнению с напряжениями при отрицательном температурном перепаде (линия 2). Точка пересечения линий 1 и 3 будет определять максимально допустимую длину пролёта. При положительном температурном перепаде в трубопро-
воде возникают растягивающие либо сжимающие продольные напряжения. В рассматриваемом примере при положительном ДЬ в стенке трубы возникают растягивающие напряжения, которые и являются определяющими при выборе максимально допустимой величины пролёта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Быков Л.И., Мустафин Ф.М., Рафиков С.К. и др. Типовые расчеты при проектировании, строительстве и ремонте газонефтепроводов. — СПб.: Недра, 2011. — 748 с.
2. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. — М.: Недра, 1982. — 384 с.
3. СНиП 2.05.06.85*. Магистральные трубопроводы. ЦИТП Гостроя РФ. — М.: 1997. — 60 с.
INVESTIGATION OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE PIPELINE WITH THE SUPPORT FROM THE CONTAINER WITH SAND CROSSING WITH ISLAND MELT PERMAFROST SUBSIDENCE PERMAFROST
Akhmetov A.Kh., Graduate Student, Korobkov G.Ye., D-r Tech. Sci., Prof., Yanchushka A.P., Docent
Ufa State Petroleum Technological University (1, ul. Cosmonauts, Ufa, Republic of Bashkortostan,
450062, Russian Federation)
E-mail: albertahmetov303@gmail.com
ABSTRACT
The purpose of this paper is to consider the stress-strain state of the underground pipeline, which laid on the support of the containers with soil. We investigate the change of the allowable span length according to the diameter, wall thickness, the category of the pipeline section. Keywords: pipeline, stress-strain state, model «pipe-soil».
REFERENCES
1. Bykov L.I., Mustafin F.M., Rafikov S.K. end etc. Tipovyye raschety pri proyektirovanii, stroitel'stve i remonte gazonefteprovodov [Model calculations for the design, construction and repair of oil and gas pipelines]. SPb., Nedra Publ, 2011, 748 p.
2. Borodavkin P.P. Podzemnyye magistral'nyye truboprovody [Underground pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 1982, 384 p.
3. SNiP 2.05.06.85*. Magistral'nyye truboprovody [The main pipelines]. 1997. Moscow, Gostroy RF Publ., 60 p.
