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

ГЛАВА 4

ПОПЕРЕЧНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

§ 4 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОПЕРЕЧНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В общем случае подземный трубопровод, находящийся под воздействием внутренних и внешних сил, может изменять свое положение относительно положения, занимаемого им в период укладки, в направлениях /, 2, 3, 4 а между ними (рис. 4.1), т. е. по существу может занять любое пространственное положение. В направлениях 2 н 4 трубопровод может перемещаться только в том случае, если в нем имеется сжимающее или рас-тягиваюнюе продольное усилие. Перемещение какого-либо участка труб вверх по направлению / (см. рис. 4.1) называется выпучиванием или всплытием; в направлениях 2 и 4 - боковым перемещеинем; в направлении <? -осадкой. Осадка может проходить как при наличии в трубопроводе продольной силы, так и без нее.

Выпучивание труб может быть только при сжимающей продольной силе. Боковые перемещения (направления 2 к 4) при сжимающей продольной силе Р могут быть только в сторону увеличения начальной стрелки прогиба /о (см. рис. 4.2, положение 2). Если трубопровод уложен прямолинейно (/о=0), то до P<P,tp, т. е. до потери устойчивости в направлениях /, 2, 4, перемещений быть не может; при Р>-Р,;р происходит быстрая потеря прямолинейной формы равновесия и образуется упруго искривленная равновесная форма на участке X со стрелкой прогиба /о- Дальнейшее увеличение ее возможно только при сжимающей продольной силе.

Если на каком-то участке трубопровод был уложен с искривлением (в плане), то при уменьшении продольной силы по сравнению с начальной или яри возникновении растягивающей продольной силы трубопровод будет перемещаться в направлениях 2 н 4 (см. рис. 4.1) к прямолинейному состоянию (положение 3, см. рис. 4.2), т. е. стрелка прогиба будет умень-ишться.

Осадка труб (даже при отсутствии продольной силы) происходит за счет уплотнения грунта под трубопроводом или в результате опускания труб в жидкий (болотистый) грунт. В последнем случае перемещение труб можно охарактеризовать как движение цилиндра в вязкой жидкости.

Наиболее неблагоприятным для нормальной эксплуатации трубопровода является перемещение вверх, так как прн этом он выходит из грунта и подвергается различным внешним воз-

л - --------

Рис. 4.1. Основные на- Рис. 4.2. Выпучивание трубопровода

правления поперечных

перемещений

действиям (погодные условия, механические воздействия ИТ. п.). Особенно опасно то, что трубопровод на выпучившемся участке не защемляется грунтом и является наиболее слабым местом, которое «собирает» продольные перемещения прилегающих участков. Это, в свою очередь, приводит к большему искривлению труб, их перенапряжению и в итоге -к разрушению. Отказы по этой причине наиболее часты на трубопроводах, уложенных в так называемых слабых грунтах.

Таблица 4.1

Виды поперечных перемещений

Вертикальное перемещение типа «всплытие» может иметь место только при условии положительной плавучести труб, уложенных в полностью водонасыщенный грунт (коэффициент во-донасыщения более 0,8). Всплытие может быть как при отсутствии в трубопроводе продольной силы, так и при ее наличии. В последнем случае всплытие сопровождается выпучиванием.

Все виды поперечных перемещений представлены в табл. 4.1.

§4.2. ВЕРТИКАЛЬНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТРУБОПРОВОДА

Рассмотрим участок подземного прямолинейного трубопровода. Допустим, что он уложен в сухой грунт, который в период расчетного срока эксплуатации ие будет обводнен. В этом случае вертикальное перемещение (осадка) происходит в результате уплотнения грунта под трубой. Осадка определяется по известным решениям механики грунтов, например, по методу эквивалентного слоя или методу послойного суммирования. Она, как показывают расчетные данные, оказывается ничтожной, так как давление на грунт, определяемое массой трубы, не превышает 0,5 Н/см, и учитывать ее влияние на изменение положения трубопровода по сравнению с первоначальным его положением нет необходимости. Это относится как к газопроводам, так и к нефтепроводам, уложенным в любых грунтах на незатапливаемой и необводнениой территории.

Допустим, что трубопровод уложен в слабом водоиасыщен-ном грунте (болото) или периодически затапливаемой пойме реки. Если он обладает отрицательной плавучестью, то будет происходить осадка труб, которая может быть весьма значительной. В зависимости от консистенции грунта, характеризуемой показателем

W - Wt

где W - естественная влажность грунта; Шт - влажность на пределе текучести; Wan - влажность на пределе пластичности, осадка может происходить за счет фильтрационного уплотнения (В<;0,80) и за счет движения трубы в грунте, находящемся в текучем состоянии (В>0,8), как в вязкой жидкости. Рассмотрим оба этих вида вертикального перемещения.

1. Вертикальное перемещение трубопровода типа осадки.

В водонасыщенном грунте осадка определяется в предположении уплотнения грунта под трубой в соответствии с основными допущениями фильтрационной теории консолидации.

Из механики грунтов известно, что полностью водонасыщенный грунт можно рассматривать как двухфазную систему, уплотняемость которой определяется отфильтровыванием воды из пор скелета грунта под воздействием уплотняющей нагрузки.

Рис. 4.3. Перемещение типа осадки:

а - общий вид; б -расчетная схема

Методы решений этой задачи подробно рассмотрены в работах [1, 3].

Пусть предельная осадка трубопровода Snp. Эта осадка называется стабилизированной. На рис. 4.3 Snp по длине трубопровода показана пунктирной линией. Если бы слабый грунт равномерно распределялся по всей длине трубопровода, то и осадка была бы по всей длине одинакова. Однако на практике наиболее характерно чередование слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несущей способностью. На последних, как уже отмечалось, осадка практически равна нулю. В середине участка слабого грунта осадка могла бы достичь предельного значения Snp. Трубопровод иа участке / изгибается, как показано на рис. 4.3. Поскольку удлинение труб возможно только вследствие их растяжения на участке / н прилегающих к нему участках /ь то в трубах появляется растягивающая продольная сила Р, и участок / начинает работать как жесткая нить. Действительная осадка s оказывается существенно меньше Snp. В трубах появляются напряжения от продольной силы и от изгиба. Это обстоятельство нужно иметь в виду при расчете отрицательной плавучести которая для нефтепроводов определяется массой труб и нефти, а для газопроводов- массой труб и утяжеляющих грузов.

На рис. 4.3,6 приведена расчетная схема искривления трубопровода, обусловленная вертикальным перемещением типа осадки. Уравнение трубопровода на участке /, как было показано нами в работе [1], имеет вид

г/= C,ch;fex +С, sh Ух- №-

Mo . q

\ihk-

(4.2)

Наибольшее значение прогиба при данном q:

Smax- V p + fe2p ;

ch й --1

(4.3)

Неизвестными в (4.3) являются Mq и P. Найти Afo можно по формуле

feP 2

(4.4)

где

Jfeo -коэффициент постели грунта в сечениях .v = 0 и х = 1; D„ - наружный диаметр труб, если учитывать упругость грунта за пределами участка /.

Если считать за пределами I груит практически несжимаемым, что вполне допустимо, то

ql q

2k\hk-

(4.5)

Продольную растягивающую силу Р найдем из следующих соображений.

Полное удлинение и участка / можно найти из двух условий:

и =

и = -

(yfdx

(4.6) (4.7)

где но1 и но2 - перемещения соответственно сечений д;==0 и х = 1; Исл - продольное перемещение труб за счет слабины трубопровода.

Приравнивая (4.6) и (4.7), находим

I L 2 о

I {yf йх-Щ1-и-и

(4.8)

Поскольку в г/ входит Р, то решение (4.8) можно получить последовательным заданием ряда значений Р. Эта процедура может быть реализована на ЭВМ.

Проще и, как показали проверочные расчеты, с погрешностью в 3-5 %, решение можно получить, приняв

(4.9)

и =-

Приравняв (4.7) и (4.9), получим

+ («01 + «02 + «сл) I.

(4.10)

Задавая ряд значений Р, находим по (4.10) соответствующие им значения s. Аналогичную процедуру при тех же значениях Р проводим по формуле (4.3). Построив совмещенный график s = f(P), находим действительное значение осадки

Smax И Р.

Входящая в формулы (4.8) и (4.10) Нсл учитывает удлинение трубопровода на участке I вследствие его перемещений от прямолинейного положения, а также вследствие удлинения, возникающего при положительном температурном перепаде стенок труб и при повышении внутреннего давления. В общем случае

(4.11)

где Нот - удлинение в результате отклонений оси трубопровода от прямолинейного положения; а< -коэффициент линейного расширения; At = t-to (t - температура стенки трубопровода в рассматриваемый момент; to - температура стенки труб при соединении трубоповода в непрерывную нитку); р, - коэффициент Пуассона; р - внутреннее давление; б - толщина стенки труб; -модуль упругости материала труб.

2. Поперечное перемещение трубопровода в грунте текучей консистенции.

Допустим, что трубопровод уложен в грунте текучей консистенции (показатель консистенции 51,0). В этом случае грунт можно рассматривать как вязкую жидкость, которая характеризуется динамической вязкостью Т1д. Трубопровод будет