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

отЬоДов. Поэюму при расчете магистральных трубопроводов полрсдельн состояниям кольцевые напряжепня, возникающие в отводах при их из1 учитывать не следует. Однако в тех случаях, когда по трубопровода.м тр нортируются агрессивные среды, как например газ с содержанием дорода, этн локальные и довольно значительные напряжения должны yJ тыватьси. Расчет трубопроводных систем,, транспортирующих газ с сод жанием сероводорода, рекомендуется проводить по методике допускаем напряжений, так как при развитии пластических деформаций сероводор интенсивно проникает в кристаллическую решетку металла, что вызыва коррозионное разрушение труб. Допускаемые папряження устанавливай в определенном проценте от предела текучести металла труб в зависимс от концентрации сероводорода и его парциального давления.

§ 5. Напряженное состояние отводов под совместным воздействием внутреннего давления и изгиба

Ранее рассматривалось напряжешюс состояние отводов при изгибе, при отсутствии внутреннего давления. Однако на практике отводи нах дятся под воздействием внутреннею дав.1Синя. Поэтому пеоб-ходиыо ус" иовить в какой степени впутреппее давлепне оказывает влияние на преде ное состояние отводов. Уже отмечалось, что под действием пиутреип! давления жесткость отводов возрастает. Это объясняется тем, что виутр нее давление препятствует овализации, т. с. деформации cc4efnra otboJ при изгибе, поэтому давлепне является фактором снижающим как продо ные, так и кольцевые напряжения в отводах. С.юдовательно, под влияв внутрегтего давления изгибные папряження в отводах уменьшаются, т.] уменьшаются коэффициенты интепснфикацпн продольных т, и кольцеи Шг напряжеппй.

Внутреннее давление оказывает сущестисннос влияние на папряжени состояние отводов с малыми зиачсниямц л, т. е. на отводы большой i\ ьизпы. Так, при изгибе крутоизогнутого отвода диаметром 1420 мм cj диусом н3иба R=Da при дав.пепии 7,5 МПа коэффициент шпепснфш продольных напряжений с учетом пнутрсннего давления mp=3,G, а Отвода тех же параметров, но при отсутствии внутреппего давления ш - 6,?Я Таким образом, в данном случае в результате воздействия внутрь .croj давления нз/ибные продольные нанряжеиия сократились в 1,8 раза. В же время для аналогичных отподов с радиусом изгиба R 50в внутре нее дав.асние не оказывает существенного влияния на изгибные nantf жения.

На рис. 94 приведена помо1рамма для определения коэффициент интенсификации продольных напряжений /Пр с учетом впутрсннсго дан" ния. Номограмма построена на основе параметра X, определяемого по муле (15.9) и параметра w - по формуле (15.16). Патучснныс по н грамме значения гпр следует умножить на коэффициент 0,8. Прн рас отводов самокомпенсирующих систем необходимо в каждом конкретно случае учитывать действительные условия работы трубопроводов. Если ра Четные деформации отоодоп могут иметь место прн отсутствии внутренне! Давления, т. е. под воздействием температурных факторов (изменение те» пературы наружного воздуха, солнечная радиация), то отводы следует ра считывать с учетом гаиффнцнента т,. В том случае, когда расчетные формации обусловливаются внутренним давлением и связанным с инм на гревом трубопровода прн транснортироваппи горячего газа, отводы след"" рассчитывать с учетом коэффициента тр.

Как уже было показано, кольцевые напрялссния в степках отводов, вызванные изгибом, не оказывают влияния иа предельное состояние отводо даже при достиженнн в них пластических деформаций. Отсюда, однако, следует, что напряжения изгиба можно не ограничивать. Прн больших чениях изгибающего момента стенкн отводов могут потерять устойчив что приведет к исчерпанию их несущей способности.

.0.0003 0,0006 0.001

0,0015 0,002 0,003 0.00t 0,005 0,006

001 0,02 0,0i 0,05

0.2 а

1,5 0,7 1,0 л

Рис. 94. Номограмма для определения коэффициента нитенси фикацин продольных папряжений изгиба отвонов Шр с уче том внутреппего давления

Для оценки влияния изгиба на устойчивость поперечного сечения отводов были приведены исследования, которые ставили своей целью изучение характера и условий потери устойчивости отводов при изгибе и определение тех предельных моментов или перемещений, прн которых исчерпывается их несущая способность. Исследовапня были поставлены па отводах диаметром от 60 до 377 мм в широком диапазоне значенией Л. Для приближения условий эксперимента к действительным условиям работы отводов в самокомпенсирующих трубопроводных системах к отводам приваривались прямые отрезки труб, к концам которых прикладывались нагрузки, изгибающие отводы. В процессе исследований фиксировались стягивающие усилия, изменения овальности, кривизны н углов поворота поперечных сечений. Характерная зависимость между приложенным изгибающим моментом и изменением центрального угла отвода изображена на рнс. 95. Кривая наглядно показывает, что в упругой области работы материала отвода изменение центрального угла 11ропорцио11ально азменеиню изгибающего момента. По мере возрастания нагрузки момент достигает своего максимума, а затем с развитием пластических деформаций постепенно уменьшается. Характерно, что даже при значительном из.менении центрального угла - примерно на 15 20°, т. е. с 90 до 75-70°, поперечное сечение отводов не теряло устойчивости. Следовательно, даже ири столь больших деформациях Несущая способность отводов пе исчерпывалась. Прн дальнейшем изменении центрального угла до 55-60° в сжатой зоне отводов наблюичалось образо-вапне незначительных гофр, характерных для местной потери устойчивости. В отличие от прямых труб, у которых в условиях чистого изгиба локальный характер потерн устойчивости определяется ослаблением какого-либо поперечного сечення и место складкообразования неизвестно, у отводов складкообразование наблюдается п среднем сеченин. В от.шчие от тонкостенных ободочек прн этом не наблюдается резкого перехода от одного равновесного состояния к другому. Потеря устойчивости стенок отводов проявля-етсл очень медленно и не сопровождается хлопком, как это происходит п тонкостенных оболочках. Характерным для отводов является то, что принудительная деформация после местной потери устойчивости не приводит

I/olO* , 291

iilM, радиан

Рис. 95. Зависимость между изгибающим моментом н измене-jHiCiM центрального угла отвода при изгибе

к .мгновенному падению несущей способности отв дов и каждое дефор.мировапное состояние являет рапновесны.м, поэтому изменение кривизны otbojuiI ие ирнводпт к исчерпанию и.х несущей способности) В условиях стационарной работы трубопроводпь систем даже иод воздействием значительных перем? щений в десятки раз превышающих встречающие на практике, несущая способность отводов не исчер нывается.

Таки.м образом, исследования показалн, что на. пряжении нзгнба при стационарном режиме работ систем не оказывают влияния на несущую способ4 ность отводов. Отсюда следует, что при малом чнсл< цикла измепелщя напряженного состояния, т. е. iipri отсутствгш яплепия усталостп, нет основания onaj саться высоких нЗгибных (компепсациопных) напря жепий в отводах, тем более что внутреннее давлц нис я1з,1яетея фактором, прелятстБуюши.ч росту эти напряжений и потере устойчивости поперечного чения Отводов.

§ 6. Расчет отводов на усталостную прочность

Как известно, трубопроводные системы, работающие в условиях сам\ компенсации тсмнсратурпых деформаций, подверкепы воздействию не толь* однократных загружсннй. При пуске и остановке, а также прн нз.мененй температуры транспортируемых продуктов трубопроводы подвергаются п пториым эагрзження.ч и, следовательно, в отводах появляются переменив нанрижеиня. Частота изменении напряжений зависнг, во первых, от тенл вого режима работы трубопроводов и, во-вторых, от числа пусков и ocrj новок системы. Магистральные трубопроводы работают нри относител стационарном режиме. Однако надземные трубопроводы под влиянием точного и ссзощюго изменений температуры наружного воздуха н солнс пой радиации могут испытывать циклические папряження, вызванные те! псрагурными деформациями. Г

Как известно, о прочности стальных конструкций, находящихся п< воздействием статических нагрузок, можно с достаточной гочностью суд по дангтм испытания образцов. Совершенно но другому оценивается ус лостная прочность отводов. При цик:шческих нагрузках усталостная пр ность зависит пе только от механических свойств данного материала, в бо.чьшей степени от состояния поверхности, чувствительности к надрез! формы надреза, и, главное, от размеров элемента, т. е. маснтабного фа тора. Несмотря на то что вопросам усталостной прочности посвящено мно работ, все еще нет достаточно обоснованной методики, иа основании торой можно было бы оценить усталостную прочность конструкции и, в стности трубопроводных систем. Поэтому для оценки усталостной прочно бы.чи проведеиы специальные исследования па прямых грубах и на крут изогнутых отводах диа.метром от 89 ло 377 мм из стали 20 в шнрок(] диапазоне значении Л О,]-0,7. С целью приближения зсчовнй экспе{ мента к действительным условиям работы отводы испытывались непо< стветю в П образных компенсаторах, на специальном стенде, где они вергались 1200 симметричным циклам в час. Исследования показали, под действием циклического момента во всех испытуемых отводах пс лились продольные трещины усталости, ])асполагавшнеся в области не ральной осн изгиба отвода. Как и следовало ожидать, трещины возника/ на внутренней поверхности, где кольцевые напряжения достигают макс мума. Следует указать на различную природу возникновения трещин ук лости в прямых трубах и отводах. В прямых трубах трещины возннка в поперечном направлении под действием одноосных переменных напр

женнй растяжения и сжатня, а в отводах в продольном направлении в результате воздействия двухосных нанряженнй изгиба стеики, вызванных сп.ющнванпем поперечного сечении. Кривые, построепиые по pcsy.ibiaiasi экспериментальных иссюдований, изображены на рнс, 96, с. Но осн абсцисс отложено число циклов Л, предшествующих разрушению, а по осн ор,чи-пат - ианряжения изгиба в отводах без учета коэффициента интенсификации напряжепнй, т. е. a=MIW. Как видно нз графика, усталостная прочность отводов зависит от коэффициента интенсификации иаиряженнй, причем чем выше коэффициент, тем ниже предел усталости. Сопоставление усталостной прочности отводов ц прямых труб нри равных диаметрах и толщинах стенок показало, что при одно.м и том же числе циклов разрушение отводов происходит нри напряжениях примерно в mi раз меньших, че.м в прямых трубах, где mj- коэффициент интенсификации продольных па-приженнй. В условиях статического загружения кольцевые напряжения, возникающие в результате сплющивания отводов, превосходят паиряжепия изгиба в прямых трубах в шг раза. Поэтсму при оценке усталостной прочности отводов можно по.чьзоваться коэффициентом так же, как и прн оценке нх прочности под действием статических на1рузок. На рис. 9.6,6 экспериментальные да1:иые обработаны несколько иначе, на графике по оси ординат Нанесены напряжения изгиба, умножетшые на mi. В результате такой обработки экспериментальные точки сгруппировались на относительно узкой полосе, что дало возможность построить прямую, характеризующую зависимость между числом циклов и разрушением отводов. Указанным i рафиком можно пользоваться для решения практических задач. Так, естн отвод в процессе эксплуатации будет испытывать 5000 полных цик.т1оц изменеиия напряженного состояния, то он, согласно графику на рнс. 96,6,

.может разрешиться при наприженни-=310 МПа, 1де Л1 - изгибающий

момент,- действующий при цик.1ической рабою отвода, W мо.меит ссшро 1ив.1сния сечеиня отвода, а «1 коэффициент интенсификации продольных напряжений. Однако папрялчение 310 ЛШа приведет к разрушению отвода Поэтому прп расчете следует принять определишый запас по числу циклов например четырехкратный. Тогда сог.шсно графику разрушающее напряжение при 20 тыс. циклов cociaBHT 237,5 МПа. Отсюда может быть наидеи предельный циклический момент для данного отвода, при котором его разрушение не может иметь место. Экспериментальные исследовання усталостной прочности проводились при полных симмсгрнчпых циклах изменения напряженного состояния отводов. В действительности надземные трубонро-1ЮДЫ работают при несимметричных циклах, что повышает усталостную прочность отводов и обеспечивает онреде.чеипый запас прочности трубопроводных систем.

Таким образом, на пермом этапе расчета определяется толщина стенок отводов от воздействия внутреннего давления в зависимости от радиуса изгиба его осн. Если отводы подвергаются воздействию изшбающего момента, проверяется условие нх прочности. При этом учитываются рас1Я1И-вающие нанряжения в отводах от виутреинего дав.чсння, равные для трубопроводных систем с компенсацией по.товинс кольцевых напряжений. Прочность при изгибе нроперястся по форму.че

(15.31)

Если давле1Пе оказывает существенное влияние па коэффЩиент интепсификацин Продольных изгибных напряжений, то в форму.ш (15.31) вместо т, принимается тр. В то.м случае, когда трубопроводная система подвергается циклическим воздействиям, следует учитывать усталост1[ую прочность отводов. По графику на рис. 96,6 определяется предельный циклический момент Л1п1).ц с четырехкратным запасом по числу циклов, а затем вы-шсляются соответствующие ему изгибные напряжения, равные MJW. Учи-

е, МПа

If Б 8 W 20 во 80 100 N-10

С, Mild

as 1 1,5 2 J 4 5 6 7 8 310 20 30 tO 50 6UW80 JOOIZO

Рис. 96. График по результатам экспериментальных исслсдованнй усталое*

пой прочности отводов: (

/ -D-89 мм. Я-0.7. m,-I,04: 2 -Г)-108 ым, Я.-0,53. m,= I,38: 3 -Z)-I52 мм, Х=0.2! mi-2,25; 4 D=.2I9 мм; Я.-=0.187, mi-2,7S: 5 - D-32S мм; Я.-0,148, т,-3- С - D=32S Я.-0.108; т, 3.8; 7 -D-377 мм; ?ь=0.102; mi4,l8

тывая, что отводы под действием внутреннего давления испытывают растягивающие напряжения, прочность отводов при циклической работе системы проверяется по условию

nil -f

(15.32)

Если давление оказывает существенное влияние па коэффициент интенсификации продольных напряжений прн изгибе, то в фор.муле (15.32) в,место mi принимается тр.

§ 7. Сварные из секторов отводы

Гнутые гладкие отводы, изготовленные из труб путем горячей протяжки через рог, или штампосварные отводы, сваренные из двух половин, япля-ются более экономичными по сравнению с отводами, сваренными из отдельных секторов, поэтому при сооружении любых трубопроводных систем следует при.менять отводы заводского изготовления. Однако в некоторых случаях из-за отсутствия отводов заводского нзготовлеияа строители вынуждены изготовлять сварные из секторов отводы (рис. 97) непосредственно на строящихся объектах, в специальных мастерских.

Исследования показали, что сварные отводы, изготовленные в соответствии с нормативными требованиями, обладают высокой несущей способностью и по своим прошосг-ным показателям не отличаются от бесшовных или штампосварных отводов заводского изготовления. Сварные отводы следует изготовлять пе менее чем из трех секторов с обязательной по*паркой корня шва и 100 7о-иым контролем сварных соеднненип. Кроме того, для снятия сварочных напряжепий сварные отводы Д0.ПЖПЫ быть подвергнуты термообработке. Исслетопания показа.аи, что под действием впутрениего давления разрушение сварных отводов с отношсшем ЩВЗ пропсходит на вогнутой поперхности, аналогично тому, как это имеет место прн разруи1енпи гнутых отво.чов. Под действием т13гибающего момента поперечное сечепие сварных отподов сн.чю-щивается так же, как и гнутых отводов. Поэтому гибкость сварных отводов с достаточной для практических целей точностью может рассчитываться по аналогии с гнутыми отводами. То же относится к определению коэффигси-еитов интенсификации напряжений при изгибе. Такнм образом, расчет сварных из секторов отподов можно выполнять, исходя из основных положений теории расчета кривых труб, изложенной ранее. Многолетний опыт применения сварных отводов прн сооружении магистральных и технологических трубопроводов показал пх высокую надежность.

Рнс. 97. Отвод спарпоп,

секторный: /? -радиус изгиба отиоаа: Cq- наружный диаметр отвода; й - толщина" стеики отвода

§ 8. Расчет трокннковых соединений

При проектировании магистральных газонефтепроводов возникает необходимость в устройстве различного рода отвстапеннй, .для чего используются тройпиковые соединения различных конструкций, представляющих собой сопряжение двух цилиндрических оболочек под прямым углом. Трой-никовые соед1П1епия применяются при подк.чючениц отводов к .магистральным трубопроводам, при устройстве перемычек, на переходах трубонро-