CC BY
12РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОБТЕКАНИЯ ОБЕТОНИРОВАННЫХ ТРУБ ВОДНЫМ ПОТОКОМ
УДК 621.644.073
А.А. Филатов, к.т.н., ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ)
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ПОДВОДНЫЙ ПЕРЕХОД, НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ, КОЭФФИЦИЕНТЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА
Трубопроводы на участках речных подводных переходов (ПП) подвержены воздействию движущейся водной среды, особенно ощутимому и неблагоприятному во время строительства и ремонта с применением методов протаскивания, при переукладке трубопровода с его полной либо частичной заменой. А также при его подъеме над поверхностью воды. Речной поток способен оказывать существенное воздействие на напряженно-деформированное состояние трубопровода (НДС) и в режиме его эксплуатации, когда происходит размыв грунта на месте укладки вследствие донных и русловых переформирований. Единые нормативные требования, необходимые для расчета вклада данных воздействий в НДС трубопровода, на сегодняшний день не выработаны.
Для определения напряжений необходимо знание коэффициентов лобового сопротивления и подъемной силы для трубопроводов, применяемых на каждом конкретном подводном переходе. Такие данные возможно рассчитать на основе экспериментальных измерений сил лобового сопротивления трубопровода при его обтекании с последовательно изменяющейся скоростью водного потока. По итогам расчетов можно получить значения этих коэффициентов в широком диапазоне изменений числа Рейнольдса - комбинированного параметра, связанного со скоростью течения, диаметром трубопровода и физическими свойствами воды, в частности с плотностью и вязкостью.
A.A. Philatov, C.T.S Gazprom PJSC (St.Petersburg.RF)
Procedure development for water How parameters calculation of concrete coated pipelines
In the construction and repair of river underwater crossings (UC) with the use of pulling techniques for the pipeline relaying with its complete replacement, the replacement of crossing single section under water or ifits lifting above the water surface the pipeline is continuously exposed to the impact of moving water media for a long time. UC are under power loads from the river Row, while in operation. The main reason for their appearance is the erosion ofsoil above the underwater pipeline due to the bottom andchannel reformation. Force impact ofwater Row can significantly affect the overall stress-strain state (SSS) ofthe pipeline. However, to date, no common regulatory requirementsare developed for the calculation of this impact contribution to the pipeline SSS. To determine the stresses it is necessary to know the drag coefficient and lifting forces for the pipelines applied in UC. Such data may be obtained by calculations based on experimental measurements of the pipeline drag forces at water Rowing around with consequently changing rate. According to the results of calculations the values of these coefficientsin a wide range of the Reynoldsnumber variations can be obtained - a combined parameter associated with the Row rate, pipeline diameter and the physical properties ofwater, such as density and viscosity.
KEY WORDS: UNDERWATER CROSSING, STRESS-STRAIN STATE, PIPELINE DRAG COEFFICIENT.
При строительстве и ремонте
речных подводных переходов (ПП) с применением методов протаскивания, при переукладке трубопровода с его полной заменой, с заменой отдельного участка перехода под водой или при его подъеме над поверхностью воды трубопровод длительное время оказывается под воздействием движущейся водной среды. Имеют место также обстоятельства, при которых участки трубопроводов ПП испытывают силовые нагрузки со стороны речного потока, находясь в режиме эксплуатации. Это образующиеся свободные пролеты - оголенные провиса-ющиеучастки трубопровода, не поддерживаемые грунтом дна. Основной причиной их появления является размыв грунта над подводным трубопроводом вследствие донных и русловых переформирований.
Силовые воздействия водного потока способны существенно влиять на общее напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода. Однако к настоящему времени нет выработанных единых нормативных требований к расчету вкладов в НДС трубопровода этих воздействий. Возможности расчетов возникающих при обтекании трубопровода горизонтальных и вертикальных сил в действую-
щей нормативной документации не рассматриваются. Эти аспекты изучались в исследовательских работах российских и зарубежных ученых, по результатам которых имеются некоторые рекомендации по параметрам, характеризующим силовые воздействия на трубопровод при его обтекании [1]. Но данные этих работ многолетней давности относятся к трубопроводам без утяжелителей.
В последние годы появились результаты исследований трубопроводов с кольцевыми утяжелителями. Вместе с тем к настоящему времени нет никаких указаний на исследования на обтекаемость обетонированных трубопроводов, изготовленных по современным технологиям, хотя они находят все большее применение при строительстве и реконструкции речных ПП.
На параметры обтекания существенное влияние оказывает состояние внешнего поверхностного слоя балластирующего покрытия трубопровода.
При способе нанесения балластного покрытия методом на-брызга (торкретирование) внешней поверхностью трубопровода является бетонное покрытие.
При способе нанесения балластного покрытия закачкой и набивкой внешней поверхностью является металлополимер-
ная оболочка. Такая оболочка может быть:
- из поверхностной гладкой полимерной пленки;
- полимерной пленки с «абразивным» напылением;
- металлической оболочки каркаса конструкции обетонирован-ного трубопровода.
Для определения напряжений, генерируемых от силовых нагрузок со стороны водного потока, необходимо знание коэффициентов лобового сопротивления и подъемной силы для применяемых на ПП трубопроводов. Такие данные возможно получить путем расчетов, основанных на экспериментальных измерениях сил лобового сопротивления трубопровода при его обтекании с последовательно изменяющейся скоростью водного потока. По итогам расчетов можно получить значения этих коэффициентов в широком диапазоне изменений числа Рейнольдса - комбинированного параметра, связанного со скоростью течения, диаметром трубопровода и физическими свойствами воды, в частности с плотностью и с вязкостью.
На открытый участок трубопровода со стороны водного потока действуют следующие нагрузки: выталкивающая архимедова сила, горизонтальная сила давления, имеющая стати-
ческую (лобовое сопротивление) и динамическую составляющие, подъемная сила, связанная с несимметричным обтеканием. Возникающие в потоке переменные динамические силы вызывают колебания трубопровода, обусловленные срывами вихрей при его обтекании.
Оценка технического состояния перехода с размытыми участками и выбор метода ремонта осуществляются по результатам расчетов напряженно-деформированного состояния открытого участка подводного трубопровода.
Оснащение подводного трубопровода балластирующим бетонным покрытием не изменяет форму профиля обтекания трубопровода водным потоком, но приводит к значительному увеличению внешнего диаметра трубопровода, и этот фактор существенно влияет на характеристики водного потока вблизи открытого участка подводного перехода и, следовательно, на
формирование лобового сопротивления трубопровода.
Воздействия, связанные с гидродинамическим давлением движущейся водной среды, являются наиболее значительными внешними воздействиями на оголенный подводный трубопровод, способными вызвать перемещения, опасные для целостности подводного перехода.
Для определения, насколько критично сложившееся пространственное положение подводного трубопровода для его стабильного функционирования, необходимы расчеты возникающих напряжений, связанных не только с давлением транспортируемого продукта, но и с силовыми воздействиями при обтекании. Корректный учет последних требует знания коэффициентов лобового сопротивления и подъемной силы, которые необходимо рассчитать на базе экспериментальных данных, получаемых с приме-
нением гидрометрических лотков и моделей трубопроводов, построенных с соблюдением геометрического подобия с натурным аналогом.
Для симметричных тел (шар, цилиндр, труба), расположенных в потоке жидкости так, что ось симметрии направлена по потоку, сила воздействия потока также направлена по потоку. Возникающая со стороны тела сила противодействия называется силой лобового сопротивления. Она зависит от формы, от размеров тела, от скорости потока и от физических свойств жидкости. Сила лобового сопротивления тел одинаковой формы пропорциональна площади сечения тела, поперечного направлению потока, скоростному напору и некоторому коэффициенту, называемому коэффициентом лобового сопротивления тела.
При очень малых скоростях потока наблюдается плавное безотрывное движение жидкости около тела, а линии водотока
ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ ГАЗА
№ 9 | 743 | 2016 г.
расходятся перед телом и замыкаются за ним.
Сувеличениемскорости потока картина обтекания значительно изменяется. Линии водотока уже не замыкаются за телом, а отрываются от него, образуя завихренное пространство. В этом случае нетсимметрии давления, действующего на тело со стороны потока спереди и сзади; за телом в зоне завихрений давление всегда меньше, чем перед телом.
В потоке вязкой жидкости на поверхность тела действуют касательные силы трения, тянущие тело в направлении потока. В этом случае, даже если обтекание вязкой жидкости безотрывное, то, несмотря на симметрию потока, появляется лобовое сопротивление, обусловленное касательными силами вязкости.
Сила лобового сопротивления записывается следующим выражением:
^ = с. ^ «■■
где Сх- безразмерный коэффициент лобового сопротивления; р - плотность воды, кг/м3; V- скорость набегающего потока, м/с;
й, /. - соответственно, максимальный диаметр и длина обтекаемого тела, м.
Одной из основных задач исследования обтекания тела определенной формы является получение зависимости его коэффициента лобового сопротивления отчисла Рейнольдса Ре:
йв ■■
руй
где ц - динамическая вязкость воды при температуре эксперимента, Па'С.
Характер обтекания зависит также от расположения обтекаемого тела (трубопровода) по отношению к дну реки или к ее поверхности. Когда трубопровод не испытывает влияние дна или поверхности реки, то обте-
Рис. 1. Схема, поясняющая метод прямого измерения сил лобового сопротивления модели трубопровода в гидрометрическом лотке.
1 - модель трубопровода; 2,4- тонкие стальные нити; 3 - перекладина на верхней раме каркаса; 5 - неподвижные блоки; 6 - динамометры; 7 - поперечная навесная балка
кание симметричное. При этом скорость потока распределена равномерно по высоте трубопровода. Для несимметричного обтекания характерны существенные изменения скорости уже в пределах диаметра трубы. При несимметричном обтекании трубопровода, расположенного вблизи дна, наряду с горизонтальной силой лобового сопротивления появляется и вертикальная, направленная вверх сила. Подводный трубопровод в случае размыва грунта траншеи оказывается именно в такой ситуации. Происхождение подъемной силы связано с логарифмическим распределением скоростей течения по глубине реки [2], и поэтому величина этой силы должна зависеть от расстояния «труба - дно» и от диаметра трубы. Эта подъемная составляющая /^действия несимметричного обтекания вычисляется по аналогии с выражением для силы лобового сопротивления:
= с, *
где Су-коэффициент подъемной силы, также зависящий отчисла Рейнольдса.
Экспериментальные исследования процессов обтекания
с помощью гидрометрического лотка сопряжены с большим объемом измерений, проводимых на моделях исследуемых реальных объектов. Первым условием корректности проведения таких измерений является геометрическое подобие «модель-натура» и подобие потоков в лотке и в реке.
Задача эксперимента состоит в измерении силы лобового сопротивления и подъемной силы при различных измеряемых скоростях набегающего на модель потока и в расчетах с последующим графическим построением зависимостей коэффициентов лобового сопротивления Сх и подъемной силы Суот числа Рейнольдса Ре.
Изучение патентных и литературных материалов показало, что не существует общепринятого способа экспериментального измерения силы лобового сопротивления. Каждая группа экспериментаторов приспосабливала для этих целей различного рода «гидродинамические весы» или пружинные динамометры со сложной системой тяг и блоков.
Для предстоящего эксперимента разработана методика прямого измерения силы лобового сопротивления в двух вариантах.
Рис. 2. Конструкция двуосной тележки - подвижной части измерительной системы, жестко связанной с исследуемой моделью трубопровода
В первом варианте модель 1 обетонированного трубопровода подвешивается на двух тонких стальных нитях 2 к перекладине 3, закрепленной на верхней раме металлического каркаса гидро-метрическоголотка (рис. 1).
К лицевой стороне модели в двухточках, симметричных относительно продольной оси лотка, крепятся концы тонких стальных нитей 4, которые перекидываются снизу через неподвижные блоки 5, прикрепленные кбоко-вым ребрам нижней рамы каркаса лотка. Блоки должны быть достаточно удалены (1,5-2,0 м) от модели, чтобы не влиять существенно на распределение скоростей течения вблизи модели. Развернутые блоками в вертикальную плоскость стальные нити выводятся наверх за пределы верхних кромок лотка (на 20-30 см). Верхние концы нитей снабжены стальными кольцами или крючками, посредством которых нити соединяются с нагрузочными крюками динамометров б. Статические крюки динамометров прикрепляются к поперечной навесной балке 7, жестко связанной с каркасом лотка.
Необходимое оборудование: гидрометрический лоток, модель трубопровода, микровертушка, тонкие стальные нити, неподвижные блоки, набор чувствительных динамометров (по 2 каждого вида), отрезки стальных профилей, крепежный материал.
Величины сил лобового сопротивления измеряются для каждой скорости потока, и вычисляются значения коэффициента лобового сопротивления по величине силы, скорости потока, эффективного диаметра и длины модели. Вычисляются также числа Рейнольдса по значениям измеренных скоростей, эффективного диаметра модели, плотности воды и еединамиче-ской вязкости при данной температуре.
По результатам эксперимента строится графикзависимости коэффициента лобового сопротивления Схотчисла Рейнольдса Ре.
Получение такого графика позволит вычислять силу гидродинамического давления на обе-тонированные трубопроводы в зонах размытыхучастков речных подводных переходов МГ.
Модели обетонированныхтру-бопроводов имеютзначительный вес. В связи с этим обстоятельством описанный вариант измерительной системы подходит для моделей трубопроводов с малым внешним диаметром при небольших скоростях течения.
Во втором варианте измерительной системы исследу-
емая модель трубопровода с помощью двух тонких стальных стержней жестко связана с двуосной тележкой на роликах, способной легко передвигаться по пластиковым дорожкам (желобам), установленным на горизонтальных продольных гранях верхней рамы каркаса рабочего блока лотка. Измерение сил гидродинамического давления на модельтрубопровода производится с помощью набора чувствительных динамометров. При этом нагрузочный крюкдинамо-метра соединен с тележкой с ее тыльной стороны, а статический крюк-с поперечной планкой, прикрепленной к верхней раме каркаса лотка.
В этих условиях динамометр измеряет силу лобового сопротивления модели движущейся водной среде. Изготовленная подвижная часть такой измерительной системы показана на рис. 2.
Предусмотрена возможность учета сил трения, возникающих при перемещениях тележки с моделью трубопровода, находящейся в воде.
Для минимизации влияния дна лотка и поверхности потока и получения симметричного обтекания модельтрубопровода при измерениях лобового сопротивления должна устанавливаться на уровне середины глубины потока.
Экспериментальные измерения с помощью гидрометрического лотка сил лобового сопротивления и скоростей течения могут быть проведены в двух вариантах:
• скорость стечения перед моделью и сила лобового сопротивления ^измеряются одновременно;
• когда модель в потоке, измеряется только сила лобового сопротивления Гх, а при измерениях скорости утечения модель выводится из потока.
На участках свободного пролета речного подводного перехода влияние трубопровода приводит кзаметному гашению скорости течения уже на дальних подступах кзоне расположения трубопровода.Реальностьтакой ситуации должна быть учтена при измерениях. Поэтому при нахождении модели в водном потоке следует измерять только
силу лобового сопротивления, а перед измерением скорости течения модель должна выводиться из потока.
Для измерения подъемной силы с помощью гидрометрического лотка подготовлена измерительная система следующей конструкции. Модель трубопровода с двух концов подвешивается на двух идентичных динамометрах, статические крюки которых соединяются с поперечной планкой, жестко скрепленной с верхней рамой каркаса лотка. Дополнительно для надежного предотвращения горизонтальных перемещений модели и отклонений динамометров от вертикального положения используются тонкие горизонтальные тяги с возможностью регулирования их натя-
жения. Такая конфигурация измерительной системы позволяет определять подъемную силу по изменению веса модели в воде в режиме обтекания.
Степень несимметричности обтекания и, соответственно, подъемная сила определяются величиной отношения Ь/й-расстояния от нижней кромки трубопровода до дна к его максимальному диаметру. Поэтому для получения более полной картины зависимости коэффициента подъемной силы отчисла Рейнольдса измерения следует проводить при нескольких начальных положениях модели трубопровода относительно дна лотка.
Основные результаты сводятся к следующему:
1) разработаны методики прямого измерения силы лобового сопротивления и подъемной силы, действующих на модели обетонированного трубопровода при обтекании водным потоком;
2) в качестве дополнительного оборудования к гидрометрическому лотку предложены конструкции измерительных систем, адаптированные для исследований обтекания трубопроводов с утяжеляющим железобетонным покрытием с внешним поверхностным слоем различной модификации;
3) определена последовательность расчетных операций и графических построений, позволяющих получать основные параметры обетонированных труб, характеризующие их обтекание водным потоком. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружения магистральных газопроводов. -М.: Недра, 1977. -407 с.
2. ШтеренлихтД.В.Гидравлика.-М.:Энергоатомиздат,1984.-321 с.
REFERENCES
1. Borodavkin P.P., Berezin V.L. Facilities of main gas pipelines. M.: Nedra, 1977. 407 p.
2. Shterenlikht D.V. Hydraulics. M.: Energoatomisdat, 1984. 321 p.
