Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

[ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56

Сооружение магистральных трубопроводов - одна из важнейших отраслей строительства, обеспечивающих развитие нефтяной и газовой промышленности и энергетики нашей страны.

За X пятилетку, выполняя основные задачи целевой программы, намеченной XXV съездом КПСС, сооружено 50 тыс. км магистральных трубопроводов, в том числе 11 тыс. км трубопроводов .чиамстром 1420 мм. Общая протяженность магистральных газопроводов в стране составила 132,4 тыс. км, нефтепроводов - 59 тыс. км [17].

«Основными направления.ми экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года» предусмотрено к 1985 г. обеспечить добычу 620-640 млн. т нефти (с газовым конденсатом) и 600- 640 млрд. м газа.

Чтобы обеспечить выполнение этого плана, необходимо резко увеличить объемы строительства, в первую очередь трубопроводных магистралей. По предварительным подсчетам [17] объемы трубопроводного строительства на нефтяных и газовых промыслах возрастут более чем в 2 раза, строительство газопроводов диаметром 1420 мм - в 1,7 раза, будет осуществляться переход к строительству в 1982-1983 гг. газопроводов, рассчитанных на давление 10 МПа.

Отмечая важное значение трубопроводного транспорта, XXVI съезда КПСС поставил перед строителями отрасли серьезную задачу по повышению качества и безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов. Магистральные газо- и нефтепроводы относятся к взрыве- и пожароопасным сооружениям, отказ в работе которых может привести к очень тяжелым последствиям. Так, загрязнение водоемов и окружающей среды в результате аварии с газо-, нефте- и нефтепродуктопроводами оказывает губительное воздействие на флору и фауну. Поэтому обеспечению высокой надежности магистральных трубопроводов уделяется особое внимание. Повышение надежности-основная и глобальная задача дальнейшего развития технического прогресса в области строительства трубопроводного транспорта. Обеспечение надежности трубопроводных систем как инженерных конструкций должно формироваться, начиная с выбора трассы и кончая испытаниями законченных сооружений.

Одно из основных условий обеспечения надежности - строгое соблюдение норм и правил расчета и проектирования трубопроводов. Однако нормы не в состоянии охватить все многообразие факторов, силовых воздействий и требований, которые должны учитываться при расчете и проектировании. В нормах ие приводятся методики проведения расчетов при проектировании и не указываются значении и влияния тех или иных факторов и воздействий на несущую способность трубопроводов, в них лишь даются основные требования, которые должны предъявляться к расчету и проектированию трубопроводных систем. Поэтому авторы книги поставили своей целью систематизировать основные силовые воздействия и факторы, влияющие на прочность и устойчивость трубопроводов с учетом действительных условий их работы, и предложвтъ методику расчета трубопроводов с учетом этих воздействий.

В книге приведена методика определения толщины стенок труб и соединительных деталей магистральных трубопроводов. Осиовиое внимание уделено расчету подземной системы прокладки трубопроводов как наиболее распространенной. Описаны расчетные модели грунта, взаимодействующего с трубопроводом, рассмотрены вопросы определения продольных перемещений и продольной устойчивости подземных трубопроводов, в том числе и прокладываемых на обводненных участках трассы, изложены особенности расчета трубопроводов в районах горных выработок н др. В книге изложены методы расчета с применением ЭВМ трубопроводов различных конструктив-

ных решений, которые позволяют не только сократить сроки проектирования но и за счет учета многочисленных факторов более полно отразить действительные условия работы трубопроводов.

Для практического использования изложенных методик расчета и программ на ЭВМ даны примеры расчета, а также вспомогательные таблицы и графики.

Гл. 3-13 написаны А. Б. Айнбиндером, гл. 1, 14, 15 и § 1, 2 гл 2 - А. Г. Камерштейном, § 3 и 4 гл. 2 написаны ження составлены А. Г. КамерштеИном.

авторами

и S I, i; гл. совместно, прило-

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ

§ 1. Основные предпосылки

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

Как известно, магистральные трубопроводы прокладываются на обшир-[loii 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 па их прочность и устойчивость. Как показала практика, эти воздействия в ряде случаев имеют большое значение в общей проблеме обеспечения надежности трубопроводов, т. е. расчет грубопроводов на внутреннее давление есть условие, необходимое для обеспечения их эксплуата-пиониов 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 состояние трубопроводов. Толщина стенок труб магистральных трубопроводов обычно определяется, только исходя из внутреннего давления продукта. Однако при этом конструктивное решение трубопровода как строительной консгрукцни выбирается с учетом всех возможных воздействий Для принятой схемы прокладки труболровода.

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 тр5б (отклоггения формы поперечного сечення от круговой) наряду с кольцевыми растягивающими напряжениями и возникают изгибпые напряжения, но их в расчетах по предельным состояниям не учитывают. Это объясняется тем, что в пределах допусков, устаповлсниих 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 не 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 болыпе концентрация и парциальное давление сероводорода и напряженное состояние трубопровода. Для обеспечения падежной работы таких систем допускаемое максимальное напряжение определяется в зависимости от предела текучести металла труб. При определении же кольцевых напряжений от внутреннего давления необходимо учитывать начальную овальность сечения трубопровода.

Внутреннее давление в магистральных трубопроводах непостоянно, так как при движении, транспортнруелгого продукта затрачивается значительная энергия на преодоление гидравлического сопротивления в трубах. Поэтому

виутреписе давление по д.1ине трубопроводов между компрессорными и насосными станциями постепенно уменьшается.

В случая.х, если исключается возможность обратной перекачки продукта или если не предполагается п будущем установка по трассе дополнительных компрессорных или пасенных станций для увеличения пропускной способности трубопровода, при определении толщин стенок трубопровода можно учитывать фактическое давление на 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 уста-нопится 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 в этом случае может быть повышен.

Внутреннее давление в трубопроводе вызывает не только кольцевые напряжения, по й 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 непрямолинейной 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 TcvmepaTypHoro перепада. Этот параметр определяет напряженно-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 механики 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 элемеитоп. Поэтому для такой конструкции под температурой строительства следует понимать температуру, при 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 окружающей 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. . - - -

Допускаемый температурный ntpeiiaA

В табл. 1 приведены допускаемые температурные перепады, определенные с соответствии со СНиП 11-45-75 в зависимости от радиуса упругого изгиба подземного трубопровода.

Данные таблицы показывают, что даже небольшое снижение температурного перепада позволяет укладывать трубопровод при значительно меньших радиусах упругого изгиба.

Положительный температурный перепад при определенном своем значс-[щн вызывает в трубопроводе продольные осевые сжимающие напряжения, которые влияют на толщину стенки трубы. Поэтому температурный перепад обычно ограничивают значением, полученным из условия минимума толщины стенки. Температурный перепад в существенной мере определяет продольную 5стойчивость подземного трубопровода, которая обеспечивается выбором соответствующей кривизны трубопровода, глубины его заложения и балластировки.

Для уменьшения температурного перепада, который может быть особенно значительным для газопроводов больших диаметров, газ на вы.ходе из компрессорной станции охлаждают.

§ 4. Воздействие деформаций грунта

Деформации грунта, влияющие на напряженно-деформированное состояние трубопровода, могут быть связаны с перемещением грунта в результате горных разработок в районе прокладки трубопровода.

При разработке полезных ископаемых в недрах земли образуется свободное пространство, и верхние слои почвы перемещаются к центру образовавшейся пустоты. РаВои земной поверхности, подверженный влиянию горных разработок, образует так называемую «мульду сдвижения», представляющую собой участок, в котором происходит оседание земной поверхности. В результате сползания грунта в «мульде сдвижения» в трубопроводе в связи с его защемлением возникают значительные растягивающие напряжения. Поэтому при расчете трубопроводов напряжения от воздействия этого фактора должны быть определены и в проекте предусмотрены специальные конструктивные решения, обеспечивающие надежность работы трубопровода в этих условиях.

Деформации грунта, влияющие на прочность трубопровода, могут быть, связаны также с колебаниями грунта, возникающими при землетрясениях.

Как нзвестио, в результате сейсмического толчка в грунте создаются н распространяются сейсмические волны. Поэтому подземный трубопровод, • представляюшлй собой единую систему «грунт - труба», вовлекается в колебательный процесс. Сейсмическая волна, имеющая, как правило, большую скорость распрострапення в трубопроводе, чем в грунте, достигает по трубопроводу участков, еще не вовлеченных в колебательный процесс. На этих