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

Рис. 4.4. Перемещение трубы в вязком грунте

сохранять заданное начальное положение / (рис. 4.4) только в случае, если объемная сила тяжести вязкого грунта 9гр, вытесненного единицей длины труб, равна объемной силе тяжести единицы длины трубы тр-

При 9тр<Агр трубопровод будет всплывать (положение 2), при тр> >гр - опускаться ниже начального положения 3. При этом под силой тяжести единицы длины трубы тр понимается средняя объемная сила тяжести, учитывающая собственно массу трубы, изоляции, утяжеляющих грузов и т. п. Определяется <7тр по формуле

где Q - сила тяжести единицы длины труб с учетом изоляции, продукта и балластировки, приходящейся на единицу длины.

Перемещение трубопровода St за время t можно найти, если известна скорость движения труб Оср в вязком грунте:

st = vj. (4.12)

Рассматривая движение цилиндра в вязкой жидкости, можно получить для Уср выражение

fcp =

(Утр-?гр]

12т1д

(4.13)

Подставляя (4.13) в (4.12), получаем формулу для определения St. Если S:<0, перемещение направлено вверх, т. е. трубопровод всплывает; если St>0, трубопровод опускается вниз. Поскольку трубопровод представляет непрерывную жесткую нить, предельное вертикальное перемещение не может быть больще, чем определяемое уравнение (4.3). При этом в уравнении следует принять д= (дтр-гр) Дальнейщий ход вычислений аналогичен изложенному в п. 1 данного параграфа.

Пример. Пусть нефтепровод Он=122 см уложен в болоте, грунт которого имеет Т1д= 10» H-c/cm; 9rp=Y"t = 0,012 Н/смЗ, <7тр = 0,013 Н/см.

Подставив данные в формулу (4.12), получаем s, = I,24-10-» t. Так, при t=l год=3,16-10 с s, = 39, см, т. е. за 1 год трубопровод опустится па 39,1 см. Если грунт имеет, например, \Vct = 0,015 Н/см и т1д=10 Н-с/см то 9тр - 9гр=-0,003 Н/см н трубопровод всплывает. Всплытие будет s(=-11,6 см/год. Прн т1д=108 Нс/см s(=-116 см/год (знак минус указывает на всплытие). Этот пример наглядно показывает значение вязкости

грунта; уменьшение вязкости приводит к соответствующему увеличению скорости всплытия трубопровода. Если при Т1д=10 Н-с/сы он за 1 год всплывает лишь на 11,6 см, то прн Т1д=10 Н-с/см -на 116 см и прн глубине-заложения труб 1 м вылезет на поверхность. Следует иметь в виду, что пр» ббльшем объемном весе грунта увеличивается вязкость. Поэтому пр» \ест«=0,015 Н/см и более реальнее будет Т1д10 Н-с/см. Однако и пр» Т1д=10 Н-с/см нефтепровод 1220X12 мм будет всплывать со скоростьк> около 11 см/год.

§ 4.3. ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА НА ИСКРИВЛЕННЫХ УЧАСТКАХ

Под искривленными будем понимать участки трубопровода,, уложенные со случайными или заранее предусмотренными отклонениями главной оси труб от прямой линии. Случайные отклонения обусловливаются нарущениями технологического режима укладки трубопровода, искривлением траншей в плане волнистым рельефом дна траншей и рядом других случайных факторов.

Эти отклонения могут быть опасными для нормальной эксплуатации трубопровода, так как о них нет никаких данных в исполнительной документации. Выявляются они только в процессе эксплуатации, когда трубопровод начинает «выпучиваться» из грунта в самых неожиданных местах. Именно поэтому мы еще раз подчеркиваем необходимость тщательного контроля за положением главной оси трубопровода на всем его протяжении (см. табл. 2.1).

Заранее предусмотренными являются повороты труб в вертикальной и горизонтальной плоскостях с заданными характеристиками кривизны. Это позволяет иа стадии проектирования предусматривать возможные изменения напряженного состояния труб, обусловленные продольными и ноперечнымн перемещениями.

Рассмотрим наиболее характерный случай искривлений трубопровода - искривление в форме выпучины (см. рис. 4.2)

Расчетная схема приведена на рис. 4.5. Участок трубопровода длиной имеет начальное искривление со стрелкой прогиба /о и меньшую продольную жесткость, чем участки 1. Поэтому при возникновении в участках / продольной силы Р сечения /-/ под ее воздействием начнут смещаться в направлениях середины участка Ко (вследствие большей продольной жесткости участков /), как показано на рис. 4.5,6.

Рассматривая поперечные перемещения труб в грунте,, можно использовать различные расчетные модели грунта, описанные в гл. 3. Здесь мы рассмотрим перемещения только для упругой и жестко-пластичной моделей грунта. Упругая модель.

Продольная сила Р, приложенная в сечениях д;=0 и x=t, может быть постоянной и переменной. Если Р постоянно, то,

Рис. 4.5. Перемещение участка с начальным искривлением:

а - перемещение в упругой грунтовой среде; б - деформации искривленного участка

как было показано в работе [1], изменение стрелки прогиба определяется из выражения

/i=/o

16л*£/ + Зй(,0„Я<+4Рл2;.2 \ЫЕ1 +ЪkD\ - Pn\l

(4.14)

где ku - коэффициент постели грунта при сжатии.

При неразрывной связи участков I и продольная сила Р будет изменяться при удлинении участков I, которое происходит в результате дополнительного искривления участка ?io- Перемещение сечений л; = 0, л; = ?о можно определить из условия

(4.15)

а также по формулам (2.26) и (2.29). Формула (2.26) применима при условии, что сохраняется упругая связь между грунтом и поверхностью труб в пределах длины участков /, формула (2.29) действительна при образовании участков упругой и пластичной связей.

Наибольшее значение продольной силы Р определяется по формуле (2.60). Оно будет только при отсутствии сопротивления перемещению. В рассматриваемом случае такое сопротивление оказывает упруго искривленный участок Яо. Поэтому

действительное значение Р определяется по формуле (2.25). Принимая линейную зависимость, т. е. п=1, найдем коэффициент продольной жесткости

«о

(4.16)

где Ро принимается равным Р по формуле (4.14), а щ определяется по формуле (4.15), в которой fi найдено при Р=Ро

Если Uo<:, то для определения действительного значения

Uo следует использовать формулу (2.26), в которой Poi = Po. И хотя величина Po>Poinp, перемещение участков / вызывает сила Р=Ро -tiuPqi пр. Поэтому решение (2.26) в данном случае применимо. И только лишь в случае, когда «o> , сле-

дует пользоваться формулой (2.29)., Жестко-пластичная модель.

При жестко-пластичной грунтовой среде, характеризующейся постоянным сопротивлением поперечному перемещеник> трубы q, поперечное перемещение определяется по формуле

/1 =

Ч[Р.р-Р) -Чр.,-р)

-/о.

кр -

4л£/

(4.17)

(4.18)

qi - полная поперечная нагрузка на трубопровод, равномерно распределенная но длине участка ло.

Если труба искривлена в горизонтальной плоскости, то

91 = VecT + л) tg2 (45= + Т) +

x(45° + -) + 9тptgф,

(4.19)

где Уест -объемная сила тяжести грунта в естественном состоянии; Л -высота слоя грунта над верхней образующей трубы; ф -угол внутреннего трения грунта; с -сцепление грунта; О-тр -сила тяжести единицы длины трубы, включая и транспортируемый продукт.

При искривлении трубопровода в вертикальной плоскости величина q\ зависит от состояния грунта.

При неполном водонасыщении грунта (коэффициент водо-насыщения т]в<0,85)

<71 = ?ест£>аЛо + <7тр; (4.20)

при полностью водонасыщенном грунте (т]в>0,85)

71 = ТвЗвОн/1о + тр,

(4.20)

где Yb3b - объемная сила тяжести грунта, взвещенного в воде (см. [3], § 2); Ло -высота слоя грунта над трубой.

Задача решается как и в предыдущем случае.

Поскольку поперечные перемещения труб крайне нежелательны, необходимо принять меры к исключению их возникновения или существенному их уменьшению.

Как видно из формулы (4.17), три переменные величины оказывают влияние на изменение стрелки прогиба: продольная гнла Р, начальная длина выпучины ло и пригрузка д.

Наибольшее влияние оказывает Ко- Чем больше Яо, тем меньше будет при прочих равных условиях fi. Это требует более ровной укладки трубопровода с минимальным искривлением как в плане, так и в вертикальной плоскости. Уменьшение Р тоже способствует уменьшению /,. Наконец, увеличение qi приводит к уменьшению /ь Это, по-видимому, наиболее дорогостоящее управление величиной /ь так как требует либо балластировки труб, либо закрепления их анкерными устройствами, либо более глубокой укладкой труб.

Пример. Рассчитаем поперечные перемещения искривленных участков, приняв исходные данные по трубопроводу из примеров § 2.7. Кроме того, будем считать, что трубопровод искривлен, как на рнс. 4.5, с Хо = 50 Ов = = 6-10 см и /о=2Ья=244 см.

Рассмотрим сначала случай упругого грунта с коэффициентом постели при сжатии 0=1 Н/см. Если считать продольную силу постоянной, то f\ находим непосредственно по формуле (4.14). Из § 2.7 имеем: Ро=8,49-10 Н, £/=21 105-8,3-10= 1,743-10" H-cmI

Выполнив вычисления по формуле (4.14), получим fi=252 см, т. е. начальный прогиб увеличился на 12 см. Это наибольший прогиб, возможный в рассматриваемом случае при упругой модели грунта. Поскольку продольная сила в сечениях х=0 и х=% уменьшается вследствие их сближения при увеличении стрелки прогиба, то и сама стрелка будет меньше.

По формуле (4.15) находим "о при fi = 252 см.

Выполнив вычисления, имеем uo=1.4 см. По формуле (4.16) ti = =6,064-10° Н/см. Далее по (2.26) находим действительное значение продольного перемещения граничных сечений участка и(х=0, х=Х) = \ см. Наконец, по (4.15) находим при этом значении перемещения действительные значения прогиба fi = 249,8 см, т. е. прогиб увеличился на 9,8 см по сравнению с {о, что на 2,2 см меньше, чем без учета снижения силы Р.

Рассмотрим далее пример жестко-пластичной грунтовой среды. Пусть газопровод искривлен в вертикальной плоскости и находится в полностью водонасыщенном песчаном грунте. Характеристика искривленного участка: Яо=6-10 см, /о=244 см, £/=1,743-10" Н-см, 0=8,49-10°. Характеристики грунта: объемный вес скелета грунта уск=0,0115 Н/см, коэффициент пористости е=0,7. В дайной модели нагрузка qi считается одинаковой по всей длине Хо н не зависит от изменения стрелки прогиба. Объемный вес взвешенного грунта определим по известной формуле

, = YcK -

Уводы = 0,00862 Н/см".

Как и в § 2.7, принимаем 9тр=35,8 Н/см. По формуле (4.20) находим (7i = 0,00862 • 122-100 + 35,8 = 140,9 Н/см.

По (4.18) иаходим Ркр= 1,936-10 Н, что больше Ро, поэтому полной потер» устойчивости участка ht ие будет. По (4.17) находим /i = 522,7 см, т. е. трубопровод может выйти из грунта иа 282,7 см по сравнению с начальным , прогибом Как известно, такие случаи наиболее часты. Проанализируем далее, как влияют на ft участки I.

По формуле (4.15) uo=44,9 см. Однако максимально возможное продольное перемещение сечений х-О и х=Хо не может быть больше чем 10,14 см при Р=Ро=8,49-10в (см. пример 2, § 2.7). Гринимая коэффициент продольной жесткости при таком перемещении

ti --=0,837-10° Н/см, по формуле (2.29) находим действительное

20,14

значение щ. Выполнив вычисления Тпр=3,8 Н/см и = 5 Н/см, получаем «0=3,83 см. Таким образом, действительное значение стрелки прогиба определяется по значению uo, полученному по формуле (4.15). Выполнив вычисления, получаем /i=275 см. т. е. на 35 см больше, чем fo. При таком увеличении прогиба разрушается грунтовая засыпка трубы. Однако следует иметь в виду, что такое равновесное состояние не является устойчивым и при длительном действии Р в пределе величины может быть близкой к значению. Определяемому величиной uo= 10-4-14,8 см. Так, прн ыо=10 см fi = = 324 см, т. е. на 84 см больше /о. Такой прогиб уже опасен для прочности труб, можно ожидать их разрушения.

§ 4.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ТРУБОПРОВОДА

Стабилизация трубопровода на искривленных участках заключается в обеспечении такого положения, при котором возможна его нормальная эксплуатация. При этом не обязательно полное исключение продольных и поперечных перемещений. Необходимо только, чтобы эти перемещения не нарушали условия нормальной эксплуатации трубопровода. Рассмотрим два основных вида искривления в вертикальной плоскости, которые наиболее характерны для практики.

1. Искривление в форме выпучины Будем считать, что длина выпучины Ко меньше критической Ккр, при которой возможно образование двух полуволн, т. е. будет иметь место общая потеря устойчивости выпучины. Предельным значением вертикального перемещения серединного сечения выпучины, при котором не разрушается грунтовая засыпка труб, можно считать

d/=(0,l-0,2)/io, (4.21)

где ho - высота засыпки грунта, над верхней образующей трубы (рис. 4.6).

Исходными уравнениями для расчетов стабилизации искривленного участка является уравнение (4.17). В уравнение входит несколько регулируемых параметров: Р, Ко, /о, EI и gi. Из этих величин EI регулируется только для всего трубопровода в целом; продольная сила Р также не может регулироваться на отдельном участке. Остаются Ко, /о и qi. Из них наи-