Глава 1 основные воздействия и факторы, влияющие на прочность и устойчивость трубопроводов

Одним из основных силовых воздействий, влияющих на прочность магистральных трубопроводов, является внутреннее давление, на основе которого определяется толщина стеиок труб, т. с. такой важный параметр, как металлоемкость трубопроводов. Однако расчет тр> бопроводов иа воздействие одного только внутреннего давления недостаточен для обеспечения прочности и устойчивости трубопроводов.

Как известно, магистральные трубопроводы прокладываются на обширной территории нашей страны, характеризующейся большим разнообразием климатических, почвенных, гидрогеологических и других условий, и находятся под влиянием различных силовых воздействий, которые в той или иной степени влияют на их прочность и устойчивость. Как показала практика, эти воздействия в ряде случаев имеют большое значение в обшей проблеме обеспечения надежности трубопроводов, т. е. расчет трубопроводов на внутреннее давление есть условие, необходимое для обеспечения их эксплуатационной надежности, но недостаточное, поскольку трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются воздействию ряда факторов.

§ 2 Внутреннее давление

Внутреннее давление продукта - одно из основных силовых воздействий, определяющих напряженное состояпие трубопроводов. Толщина стенок труб магистральных трубопроводов обычно определяется, только исходя из внутреннего давления продукта. Однако при этом конструктивное решение трубопровода как строительной конструкции выбирается с учетом всех возможных воздействий Для принятой схемы прокладки трубопровода.

Под воздействием внутреннего давления в трубах возникают кольцевые растягивающие напряжения, которые рассчитывают по безмоментной теории тонкостенных цилиндрических оболочек, пренебрегая изменением радиальных напряжений по толщине трубы и начальным несовершенством формы поперечного сечения. Хотя вследствие овальности труб (отклонения формы поперечного сечения от круговой) наряду с кольцевыми растягивающими напряжениями и возникают ичгибные напряжения, но их в расчетах по предельным состояниям не учитывают. Это объясняется тем, что в пределах допусков, установленных на овальность (отношение фактического диаметра трубы к номинальному), разрушающее давление практически одинаково для труб с различной овальностью. Однако имеются случаи, когда предельным состоянием для трубопровода является ие его разрушение, а определенный уровень допускаемых напряжений. Это относится к трубопроводам, транспортирующим газ с содержанием сероводорода. Исследования показали, что склонность такого трубопровода к коррозионному разрушению тем выше, чем больше концентрация и парциальное давление сероводорода и напряженное состояние трубопровода. Для обеспечения надежной работы таких систем допускаемое максимальное напряжение определяется в зависимости от предела текучести металла труб. При определении же кольцевых напряжений от внутреннего давлепня необходимо учитывать начальную овальность сечения трубопровода.

Внутреннее давление в магистральных трубопроводах непостоянно, так как при движении транспортируемого продукта затрачивается значительная энергия на преодоление гидравлического сопротивления в трубах. Поэтому внутреннее давление по длине трубопроводов между компрессорными и насосными станциями постепенно уменьшается.

В случаях, если исключается возможность обратной перекачки продукта или если пе предполагается в будущем установка по трассе дополнительных компрессорных или насосных станций для увеличения пропускной способности трубопровода, при определении толщин стенок трубопровода можно учитывать фактическое давление иа конкретном участке трубопровода. Практически трубопровод между станциями разделяется на три участка, давление для каждого из которых принимается равным давлению в начале участка. При остановке перекачки, что происходит очень редко, в трубопроводе установится среднее давление. Это давление всегда будет меньше начального и даже в том случае, если оно превысит расчетное и возникнут дополнительные напряжения, которые носят кратковременный характер. Допускаемый уро пень напряженного состояния и этом случае может бы гъ повышен.

Внутреннее давление в трубопроводе вызывает не только кольцевые напряжения, но и продольные. Продольные напряжения зависят от очертания оси трубопровода и взаимодействия его с окружающей средой. Так, при прямолинейной оси трубопровода и отсутствии поперечных и продольных его перемещений продольные осевые напряжения равны примерно 30 % кольцевых, При иепрямолинейной оси трубопровода продольные осевые напряжения зависят от перемещений трубопровода, которые определяются взаимодействием его со средой (грунтом, опорами и др.). При этом продольные осевые напряжения могут достигать 50 % кольцевых.

§ 3. Воздействие температуры

Температура трубопровода изменяется во времени, так как при строительстве она определяется в основном температурой наружного воздуха, а в процессе эксплуатации — температурой транспортируемого продукта.

Для расчета трубопроводов па прочность и устойчивость используется понятие температурного перепада. Этот параметр определяет иапряженно-деформируемое состояние трубопроводной конструкции. Температурный перепад для рассчитываемой конструкции равен разности между температурой трубопровода в процессе эксплуатации (расчетный период) и температурой, при которой сооружена эта конструкция.

При расчете реальная конструкция заменяется расчетной схемой, которая отражает с точки зрения строительной механнкн распределение усилий, перемещений и напряжений в трубопроводной конструкции. Поэтому в нормах на проектирование магистральных трубопроводов записано, что под температурой сооружения понимается температура, при которой фиксируется расчетная схема трубопровода.

Для подземного трубопровода расчетная схема представляет собой стержень с поперечными и продольными связями, поэтому под температурой строительства следует понимать температуру уложенного на дно траншеи трубопровода в момент засыпки его грунтом.

Для надземного трубопровода расчетная схема представляет собой балку на опорах с определенными граничными условиями, отражающими влияние примыкающих к надземному трубопроводу конструктивных элементов. Поэтому для такой конструкции под температурой строительства следует понимать температуру, прн которой осуществляется строительство концевых участков: привариваются компенсаторы, соединяется подземная и надземная части трубопровода и др.

Продольные напряжения от температурного перепада определяются конструктивным решением трубопровода н взаимодействием трубопровода с ок ружающей его средой. Наибольшие температурные напряжения возникают при отсутствии поперечных и продольных перемещений. Допускаемый темпе ратурный перепад определяется расчетом для принятого конструктивного решения, исходя из установленного нормами предельного состояния трубопровода.