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 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

осуществлять кривыми естествспного изгиба. Однако нри проектировании встречаются условия, нри которых сопряжение естественными. радиусами изгиба невозможно, например, когда по краю болота проходит дорога и т. п. В этих случаях сопряжение приходится выполнять коленами искусственного гнутья. Такое сопряжение требует мер, обеспечивающих устойчивость трубопровода. Ото достигается увеличением размеров валика установлеипеы на данном участке утяжеляющих грузов или закреплением трубопровода анкерами.

Над.земная укладка трубопроводов. Укладка трубоироводов па опорах проектируется по нормам и правилам, изложенным в § 5.9 на основании технико-экономических сравнений с другими вариантами.

Укладка трубопроводов в насыни. Укладкой в насыпи называется сооружение трубопровода в теле минеральной насыпи, возведенной в пределах болота (рис. 5.21). Хотя укладка в насыпи ио виепшей форме схожа с укладкой паземной, но качественно они отличаются друг от друга. Насыпь ВОЗВОДИТСЯ из привозного качествеппого минерального грунта, в то время как при наземной укладке, как указывалось выше, трубопровод сооружается на поверхности болота но торфяной или хворостяной подготовке и обваловывается местным торфяным грунтом. Укладка трубопроводов в насыни на переходах через болота возможна ночтп во всех случаях, однако это весьма трудоемко и требует длительного времени, поэтому область применения такого способа сильно ограничена. Укладка в насыни становится реальной в следующих случаях:

1) трубопровод пересекает болота III типа;

21 трубопровод пересекает болота любого типа, на которых наблюдается продолжительное стояние вод на глубине более 0,3 м;

3) для эксплуатации требуется сплошной проезд, а трубопровод пересекает болота III типа.

1. Если при эксплуатации не требуется сплошного проезда вдоль Tpjfllo-провода, то на болотах III типа переход может быть выполнен надземно или подземно с укладкой на ьшперальное дно. При протяженности перехода более 500 м подземная укладка требует сооружения резервной нитки, что почти удваивает стоимость перехода. С другой стороны, надземная укладка возможна только в зимний период или с плавучих средств. Последние обстоятельства не всегда приемлемы из-за директивных сроков окончания строительства или отсутствия плавучих средств. Возможны случаи, когда болота П1 типа имеют глубипу 1,5-2,0 м и объем насыпи относительно незначителен, а карьер грунта необходимого качества находится на близком расстоянии от перехода. Сопоставление технико-экономических показателей вариантов нередко подсказывает целесообразность укладки трубопровода в насыни, так как укладка в насыпи ликвидирует необходимость балластировки, автоматически открывает доступ к любой точке перехода во время эксплуатации.

2. Переходы через замкнутые болота I и II типа, в понижениях которых после весеннего снеготаяния или весенне-осенпих дождей скапливается слой воды более 0,3 м, согласно СНиП 11-45-75 требуют при подземной укладке сооружения резервной нитки из-за недоступности во время эксплуатации. Надземная укладка при этом не всегда целесообразна, так как свойства транспортируемого продукта (вязкие нефти) могут не позволить открытую прокладку, а теплоизолированный трубоирбвод имеет худшие техппко-экономические показатели. Эти причины и ряд других приводят к тому, что укладка в насыни становится более приемлемой. Если магистральный трубопровод пересекает заливаемое пойменное болото, то наземная уклад«а пе-приемле»ш но ранее нриведенным причинам. По техническим условиям она должна быть вынолпена в двухниточном исиолнении из-за недоступности в паводок. Надземная ук.7адка на опорах не всегда возможна из-за ледохода или корчехода но реке. При этих обстоятельствах укладка в насыпи может стать предметом детального рассмотрения.

3. Трассы некоторых трубопроводов проходят по необжиты.м районам страны с нолнн.м отсутствием дорожной сети. На таких трассах наличие

резервной нитки на отдельных переходах через болота не исключает необходимости дороги, так как для обеспечения нормальной эксплуатации требуется сплошпоп проезд вдоль трубопровода. Ярким npirMepoM могут служить газо- и нефтепроводы, сооружаемые в районах Западной Сибири. Насыпь на таких переходах является одновременно и проезжей дорогой, и основа-ппе.м для укладки трубопровода.

Насыни необходимо отсыпать из хорошо дренирующих грунтов: супеси, песка, гравия. При отсутствии на болоте поперечного тока грунтовых вод допускается применение суглинистых грунтов. Размер н конструкция насыпи зависят от следующих факторов: типа болот (по дорожной классификации), мощности торфяной залежи, диаметра трубопровода и ширины эксплуатационного проезда, уровня стояния паводковых вод.

Тип болота

Схемы

:о-

Рис. 5.21. Схемы укладки тр-бопровода в насыпи (тип болот - по классификации

К. С. Ордуяпца).

На неглубоких болотах I и II тина (до 2 м), а также па болотах III тина любой мощности торфяно!! залежи насыпь возводится на минеральное основание (см. рис 5.21, схемы 3, 6, 7, 8). На болотах I и II тина глубиной более 2 м насыпь может быть уложена на торфяное основание без выторфовывания (см. рис. 5.21, схемы J, 4) либо с частичным выторфовыванием верхнего слоя торфяной залежи, замедляющим осадку насыни. Ширина насыпи назначается в зависи.мости от диаметра и габарита засынки трубопровода и ширины эксплуатационного проезда. Последний может быть организован либо на уровне верха Засынки (см. рис. 5.21, схемы 4,5), либо на уровне, превышающем отметку расчетного горизонта воды на 0,5 м. Засыпка трубопровода определяется теплотехническим расчетом, но должна быть не менее 0,8-1,0 м над верхом трубы (в зависимости от диаметра). При отсутствии проезда высоту засыпки над трубой можно принять 0,5 м. Откосы надземной части насыни назначаются с учетом физико-механических свойств грунтов в пределах от 1 : 1,25 до 1 : 1,5. В некоторых случаях засыпку трубопровода (устройство валика) можпо предусматривать из местного торфяного грунта.

форма пасыпи ниже уровня поверхпости болота зависит от его типа Для ориентировочных подсчетов объемов земляпых работ можпо принимать следующие значения откосов насыпи в зависимости от глубины болота и характеристики грунтов насыпи: па болотах I типа - 1 : 1; II типа - 1:0-111 THjja - 1 : 1-1 : 1,25 (см. рис. 5.21).

При проектировании переходов трубопроводов в насыпи нужно помнить, что возведенная насыпь, особенпо если она посажена па минеральное дпо, нарупгает Зстаповившипся режим движеппя груптопых вод. Преграждая путь фильтрации, пасыиь может образовать одпосторопнее скопление воды. При высоком напоре начинается усилеппая фильтрация воды через тело насыпи с выносом частиц. В результате дамба-пасыпь будет постоянно оседать и дополнительная подсыпка грунта мол!ет оказаться бесполезной. Поэтому необходимо зпать коэффициент фильтрации торфов Kj, слагающих залежь, и копффяциепт фильтрации групта АГрр, из которого возводится пасыпь! Если Кх <[ Лгр, то ничего опасного произойти пе может.

Часть насыпи, паходящаяся BJjnie дпевпой поверхности, может оказаться препятствием для движения поверхиостиых вод. Во избежапие этого необходимо предусмотреть водопропускные соорунгепия, аналогичные рекомеидо-валным выше, либо мосты и трубы, сооруягаемые дорожными организация-Мп.

При расчете осадок пасыпей на болотах без выторфовывапия пли при частичном выторфовывапии основпуго сложность представляют изыскания исходных данных. Допускаемая осадка пасыпей железных и автомобильных дорог при эксплуатации исчисляется саптнметрамп. Для соблюдоппя таких допусков требуется проведение глубоких изыскашп! с точпы.м опродолепием глуоипы залежи, степепи разложеппя торфа, папраплсппя движения повер-х-ностпых и грунтовых вод и других характеристик. Для трубопроподо» такая точность определения конечных осадок пе требуется. Трубопровод, будучи гибкой нитью, может безаварийпо работать, даже при больпюй осадке (до 0,5-1,0 м), по при ус.товии ее paBno.viepHocTn по длине. Неравпомерпая осадка, даже пезпачительпая, опасна. 11оэто.му при проектпропапии переходов трубопроводов в пасыпп пеобходимо пметь данные, ио.чполяющие Оценивать с точностью до 5-10 см осадку и главное - ее равпомериость, исключающую изгиб трубы радиусом, мепьтим минимально допускаемого прн свободном изгибе. Оцопку осадок можно вести по формуладг, изложенным в [25J.

§ 5.12. Колебания трубопроводов

Трубопроводы имеют отпосительио малую массу и небольшую жесткость. Поэтому при эксплуатации и в отдельных случаях прп строительстве из-за аэрогидродинамического воздействия во.здуха (при надземной укладке) или воды (при подводной укладке) они подвергаются колебательному движению. Это требует при проектировапии предусматривать мероприятия и методы сооруя!епия, обеспечивающие безаварийную эксплуатацию трубопровода и целостность трубы при строительстве.

Колебания систем е конечным числом степеней свободы, равноиие какой-либо точки упругой спстемы, каковой является трубопровод, при гармоническом колебании имеет вид

y = asin (шг-Ьфо),

(5.108)

где а - амплитуда колебаппй (наибольшее отклонение колеблющейся точки от положения равновесия); со - угловая частота колебаппй в секунду за 2л; t - время; фо - угол сдвига фазы.

Период одного цикла колебания Т связан с угловой частотой зависимостью

Г = 2я/ш.

Частота колебяний в секунду

Я,= со/(2л)=1/Т.

(5,109)

(5.110)

Собственными называются частоты, характеризующие свободные колебания упругих систем, предоставленных самим себе после того, как их вывели из состояния равновесия. Частоты собствеппых колебаний зависят от упругих свойств системы, от массы элементов, образующих систему, и ее распределения. При совпадепии частот собствепных колебаний трубопровода с частотами внешних периодических (возбуждающих) сил наступает резонанс, характеризующи1ся большими амплитудами колебаний и связаииыми с ними бо.тьшимц папряжепиями. Амплитуда колебаний в состоянии резопанса сугцествеипо зависит от сил затухания и в большинстве случаев из-за их псопредслсппости не может быть точно определена. При па.тичии затухания выпуждошыо колебания происходят с частотой внешней возмущающей силы, по со сдвигом фаз т) относительно этой силы.

Амплитуда динамических (вынужденных) колебаний, возникающая под действием силы „ ,,.,

P=Poco,su)f, (5.111)

"ст (Р„)

/(1-а)ад)Н-1у/-)- ("А)

(5.112)

где (р) - статическая деформация под действием силы Р»; f - коэф-

у=2л;сУл, (5.113)

к - коэффициент вязкости, зависящий от свойства материала. В области резонанса можно принять

а=:2яаст/г1г, (5,114)

где - коэффициент; для трубопроводов из стали можно принимать = = 0,15.

Сдвиг фаз т] вынужденных колебаний относительно возмущающей силы определяют по зависимости

Колеблющаяся точка может одновременно участвовать в нескольких гармонических колебаниях, имеющих одно и то же направление, по различные частоты. Ото явление называется биением, так как результирующее колебание характеризуется периодически следующими друг за другом усилениями и ослаблениями размаха колебаншг, которые происходят с частотой, равпой разности частот слагаемых колебаний.

Колеоапия подводных трубопроводов. Прп проектироваппи и строительстве подводпых трубопроводов учитывается воздействие па них воды. Давление ее па трубопровод определяет конструкцию и способы укладки послед-пего на дпо водной преграды. Устойчивое положение трубопровода па дпе зависит от его массы. Прп гидродинамическом давлении требуется увеличивать массу труб или применять специальные мероприятия (примепеиие якоря) для закрепления трубопровода па дпе, а прп скоростях потока, вызывающих размыв русла и берегов, - увеличивать заглублепие его в дно водной преграды. Во время строительства, чтобы трубопровод пе сносило течением, предусматриваются оттяжки с якорпым закреплением плавучих опор, направляющие и удерживающие свайные конструкции и т. п. Все расчетные величины прямо или косвеппо зависят от скорости и давления потока воды.

Если при эксплуатации происходит размыв отдельных участков подводного перехода, то под воздействием потока при определеппых условиях трубопровод начинает колебаться. Наблюдения за поведением размытых участков Труб показывают, что первопачальпо при малых участках заметных колебаний под воздействием потока пе прослеживается. Однако при увеличении со временем размеров участка поток воды вызывает и регулярно

поддерживает заметные колебания трубы, которые перпендикулярны к вектору скорости потока. По мере последующего увеличения в результате размыва груита участка можпо наблюдать, что при некотором его размере амилитуда колебаний резко возрастает, размытый участок тр5бопровода колеблется в опасном для его прочности режиме и это нередко приводит к разрушению трубопровода.

Внезапное возрастание а.мплитуды колебаний свидетельствует о том, что частота возмущающей силы стала близкой или совпала с частотой собственных колебаний участка длиною I и возник резонансный режим колебаний. Еслн колебания будут продолжаться длительное вре.мя, то могут наступить усталость материала труб и в результате разрушение последних. Силы, вызывающие колебание трубы, имеют гидродинамическое происхождение. Если принять, ЧТО подводный трубопровод (в равной степепи и надземный) - это цилиндрическое тело, па которое действуют при обтекапип водой вертикальная и горизонтальная силы, то в соответствии с законами гидродинамики можно найти горизонтальные и вертикальные силы, действующие па трубу. Обтекающий трубу поток воды образует за neii вихревой след, причем вихри сбегают с определенной периодичностью, зависящей от диаметра цилиндра (трубы) и скорости иабегаюпщго потока. Направление вихрей периодически меняется, а их частота

n=Sh v/D,

(5.116)

где Sh - число Струхаля; v - скорость потока.

В результате отделения вихрен то сверху, то снизу на цилиндр действует переменная сила, перпендикулярная к паиравлепиго потока. Опа и играет важную роль в возбуждении колебаний. При малых значениях I трубоировод имеет большую жесткость. Поэтому при одних и тех же скоростях потока воды размытая часть трубопровода начинает колебаться пе сразу, а при достижении I определенного значения. Здесь происходит взаимоусугубля-ющий процесс: с увеличением пролета уменьшается жесткость и возрастает суммарное значение возмущающей силы. На оспованип нсследовапий П, П. Бородавкин [1, 2, 3, А] установил, что так называемый захват колебаний происходит для субкритического режима при Sh s« 0,1 0,22 и q/t; для суперкритического - 0,02-0,45. При этих значениях начинаются колебания, которые могут привести к опасному pesonancHOMj- режиму.

Определение собственной частоты колебаний подводного трубопровода. Для определения частоты колебаний подводных трубопроводов и установления условий, при которых возникает резонансный реяшм, необходимо рассмотреть два варианта. Первый - размытый или уложенный па дно, по незакреиленный трубопровод имеет открытый участок и работает как балка, шарпирио опертая по концам. Такие случаи возможны при равномерной загрузке по всей длине подводного трубопровода, концевые участки которого весьма слабо закреплены, что имеет место иа реках с пологпм дном и спокойными берегами. Второй - концы размытого участка жестко закреплены и открытый (размытый) трубопровод работает как защсмлеппая балка. Такая расчетная схема возникает на реках с крутыми берегами, где на концах трубопровода велика высота засыпки или где принят способ закрепления Трубы путем пригрузки только по концевым участкам. Собственная частота колебаний трубопровода, шарнирно опертого по концам.

(5.117)

для варианта с жестко, закрепленными концами

4,7.ЯЗ -

(5.118)

где т - масса единицы длины трубы, 236

Резонансные колебания, как уже отмечалось, появляются при совпадении частоты п вынуждающей силы и собственной частоты колебании трубопровода или при равенство чисел Струхаля, рассчитанных для копструкции трубопровода и по частоте вынуждающеп силы. Число Струхаля копструкции трубопровода sh = XZ>/.. (5.119)

Приняв для субкритического режима обтекания трубопровода Sh = = 0,1 -т- 0,22 и Sh = 0,4 и для суперкритического режима Sh =• 0,02 -г--т- 0,45, получим уравнения для определения частоты вынуждающей силы: субкритический режим -

n = (vlD) (0,1 -т- 0,22) и k = OAvlD;

(5.120)

суперкрнтический режим -

K = (v/D) (0.02 -f- 0,45).

(5.121)

Длину размытого или свободно опертого по концам укладываемого Tpj6o-провода I, при которой возникают резонансные колебания, можно определять по формулам, изложенным в [1].

При проектировании необходимо предусмотреть конструктивные решения, исключающие возможность вибрации трубопровода под воздействием потока воды, например заложение трубопровода ниже отметки размыва дна водотока. При балластировке трубопровода по краям перехода иезабалласти-роваиный участок должен быть меньше длины I, при которой возможны опасные колебания.

Оиредедение собственной частоты колебаний надземных трубопроводов. При надземной прокладке трубопроводов в балочных системах, как правило, применяют жесткое опирание труб на опоры. Тогда частота собственных колебаний, соответствующая i-ii форме колебаний,

2яг2

Vei/п

(5.122)

где ai - коэффициент, принимаемый в вависимости от характера закрепления На опорах, схемы трубопровода и формы колебаний, который можно принимать по табл. 4.1, 4.2 и 4.3 [39, с. 57].

Собственные колебания для арочных и висячих переходов можно определить по формулам и таблицам [39]. Если частота возмущаюпщх усилий находится в области частоты собственных колебаний системы трубопровода, то последний подвергается резонансной вибрации со вначительпыми амплитудами колебаний. Максимальные значения динамических коэффициентов, а следовательно, и амплитуды колебания прп наличии затухания будут при частотах возмущаюпщх сил несколько ниже частоты собственных колебаний системы.

От безразмерного числа Рейнольдса

, Re=p-. (5.123)

где р - плотность воздуха; v - скорость ветрового потока; р. - вязкость воздуха, зависит характер обтекающего трубопровод ветрового потока.

Если Re << 50, то за трубопроводом появляется симметричный установившийся след. При Re 50 за трубой образуется дорожка чередующихся вихрей, попеременно сбегаюгцих то с одного, то. с другого конца трубопровода. 8а трубой всегда существуют чередуюнщеся вихрп, так как даже при небольших скоростях ветра Re 5> 50. Эти вихри создают периодические импульсы, частота п которых зависит от диаметра D, скорости ветра v и безразмерного коэффициента к, равного 0,18-0,20:

n=:kvlD. (5.124)