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

ными для дефектных (при условии, что они рассчитаны на испытательное давление), кроме толщины 6 = 1,41 см, но уровень ее надежности будет примерно таким же, как для бездефектной при толщине стенки 1,24 см.

Если определить запас несущей способности по рабочему давлению, то для дефектной трубы он будет: при 6 = 1,24 см Хд=1,22; при 6=1,32 см Ид=1,3; при 6=1,37 см Ид=1,33; при 6=1,41 см ид=1,39.

Соответствующие значения безопасности у и меры надежности Р{Т) (по рис. 6.23) составят: у = 3,22, Р(7)=0,98; у = 4,5, /(Г) =0,999; у = 5,1, (7) =0,9999; у = 5,8, Р(Г) =0,9999... Это говорит о том, что если в процессе испытания выявить дефекты, дающие концентрацию напряжений с ife=l,3 (для данного примера), то при рабочем давлении р = 750 Н/см трубы будут обладать, начиная с 6=1,3 см, практической неразрушимостью (y>3,5). Этот пример еще раз подтверждает, что испытания имеют большое значение как в повышении уровня надежности, так и в экономии металла труб. Последнее становится особенно наглядным, если рассчитать толщину стенки по СНиП И-45-79 для аналогичных условий. В табл. 6.5 такие расчеты приведены; по данным таблицы для III и IV категории участков 6= 1,46см, а для I и II - 1,74 см, что больше, определенного по нашей методике соответственно на 1,3 и 3,5 мм.

Определим далее, как изменится уровень надежности участка трубопровода длиной L = 48 км при длине одной трубы 12 м (число труб п = 4000).

Имея в виду, что для одиночной трубы с дефектами было найдено (7") =0,999 (при 6 = 1,32 см) и приняв такую же надежность для участка L, найдем по формуле (6.67) уровень надежности этого участка в целом: Pl{T) = {\-0,001)*°°°=0,98. Если определить Рь{Т) для Р(Т) =0,9999 при 6=1,37 см, то Рь{Т) = { \ -0,0001)*°°° = 0,9976. Соответственно вероятность аварии Рразр, связанной с разрушением труб на участке L, при 6=1,32 см составляет 0,02, при 6=1,37 см составляет 0,0024.

По найденным значениям Рразр по рис. 6.15 находим характеристику безопасности у(6= 1,32) =2,5 и у(6=1,37 см) =3,2.

Это позволяет при принятых исходных данных расчетную толщину стенки труб на участке L рекомендовать равной 1,3 см. При этом участок обладает следующими характеристиками: до испытаний - безопасность у1, = 2,5; уровень надежности Р(7)=0,98, запас несущей способности (по рис. 6.23) Идоп=1,15; после выявления дефектов при испытании трубопровод будет работать как бездефектный.

§ 6.П. ПРОЧНОСТЬ ТРУБОПРОВОДА ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Строительство магистральных трубопроводов на пересечениях водных преград, в обводненных и болотистых грунтах Западной Сибири и Севера требует решения таких сложных, проблем, как стабилизация положения труб и обеспечение нх продольной устойчивости, повышение пропускной способности, уменьшение теплового взаимодействия труб с окружающим их грунтом.

Стабилизация положения труб и обеспечение их продольной устойчивости в настоящее время достигаются с помощью железобетонных и чугунных грузов, анкеров различного типа. Повысить пропускную способность можно увеличением диаметра и давления. Следует отметить, что существенного увеличения давления при широко используемых трубах достичь не удается. Что касается тепловой защиты, то для обводненных грунтов решение этой проблемы с помощью наносимой на трубу тепловой изоляции пока не представляется возможным.

Предложенная конструкция трубопровода «труба в трубе» с заполнением межтрубного пространства жестким упругим заполнителем (цементно-песчаный раствор или какие-либо другие отвердевающие смеси) позволяет весьма просто совместить решение перечисленных выше проблем в одной конструкции с помощью используемых в настоящее время труб. Суть ее, как показано в гл. 1, состоит в том, что две трубы располагаются концентрически одна внутри другой, а пространство между ними заполняется, например, цементо-песчаным раствором. После отвердения раствора обе трубы оказываются жестко связанными друг с другом, работают на восприятие внутреннего давления, бетон является рабочей средой и одновременно утяжелителем и теплозащитой. Не требуется ни внешняя пригрузка, ни анкерное закрепление. В силу того, что труба состоит из трех разнородных сред, лавинное разрушение газопровода полностью исключается. И, наконец, трубопровод нового типа диаметром, например, 1200 мм из сталей типа 17Г1С может выдерживать давление до 1500 Н/см; при этом, обладая огромной продольной жесткостью, трубопровод в диапазоне температур 0-75 °С не теряет продольной устойчивости. Рассмотрим эту конструкцию трубопровода более подробно.

1. Напряженное состояние

Рассмотрим схему трубопровода, показанную на рис. 1.15. Допустим, что пространство между трубами заполнено цементо-песчаным раствором. Вследствие неизменности водосодержания замкнутого объема раствора усадки не будет даже при применении обычного портландцемента. Поэтому между внутренней и наружной трубами будет постоянный плотный контакт через слой отвердевшего бетона h (рис. 6.24).

Рнс. 6.24. Схема расчета напряжений в трубопроводе типа «труба в трубе»

Как ТОЛЬКО во внутренней трубе давление р поднимется, она начнет удлиняться и ее радиус увеличится на nii. В бетоне возникнет радиальное давление ро, которое в свою очередь вызовет растяжение наружной трубы и увеличит ее радиус на Шг. В стенках обеих труб возникнут растягивающие усилия Si и S2. Задача заключается в определении этих усилий или, что одно и то же, напряжений в стенках внутренней oi и наружной аг труб.

Под действием ai и аг длина окружности труб увеличится на

(6.77)

А/о = nd«

(6.78)

где £1 и е2 - модули упругости труб. Индексы «1» и «2» в дальнейшем обозначают соответственно внутреннюю и наружную трубы.

Кроме условий (6.77) и (6.78) можно записать

ml = я (Di -f 2mi)-aDi = 2nmi и аналогично A/а = 2лт2.

Учитывая формулы (6.77) -(6.80), находим

и m. = D, А

mi = dy

2£i

2£.

(6.79) (6.80)

(6.81)

Имея в виду, что 5i = 6iai и 52 = 6202, и принимая во внимание условие

2Si + 2S2 = pDi + 2pA (6.82) получаем уравнение

Пхб + аА-+Рб/г. (6.83)

Вследствие неизменности объема бетона в межтрубном пространстве

(6.84) (6.85)

(6.86)

mi-ш? + dm.-оуш = 0. Подставив (6.81) в формулу (6.84), получим уравнение

е. Е,

Учитывая, что D2=Di-f2/z, из формулы (6.85) имеем

(D, 4- 2hf -di + 2{di + 2hf

2D\o,

£2

= 0.

Подставляя в это уравнение oi, определенное из (6.83), а также учитывая давление в бетоне

Рб =

(6.87)

получаем уравнение для определения

- в +Ув - ААМ

2[D\-[1Dih + 4fi] pD\82

7И= -

E\b\D,

E\ь\

£,6, j

Напряжение в стенке внутренней трубы pDx SjOzDj

а, =

Е\Ь\

(6.88)

(6.89) 177

2. Прочность

Прочность комбинированной трубы обеспечивается совместной работой внутренней и наружной труб и заполняющего межтрубное пространство слоя бетона.

Рассмотрим два основных расчетных случая:

1) напряжения в заполняющем слое появляются только после создания внутреннего давления во внутренней трубе;

2) в заполняющем слое создается предварительное напряжение в результате расширения при отвердевании специального цемента или закачки раствора под давлением.

Первый случай. Для создания наилучших условий работы внутренней трубы необходимо увеличение ее диаметра при действии внутреннего давления р. При этом наружная труба воспринимает тем большую часть р, чем большим будет давление в заполняющем слое бетона рб. Это условие отражено в выражении (6.89). Исходя из этого, а также учитывая, что при расширении внутренняя труба плотно обжимается обоймой из бетона и наружной трубы, предельным состоянием для внутренней трубы примем

1 - одиОвр.

(6.90)

Условие (6.90) определяет как допустимый предел кольцевых напряжений oi, так и наибольшую толщину стенки внутренней трубы:

(max) = -J

2(Jepkon»

(6.91)

где Gap - математическое ожидание предела прочности металла стенки трубы; йодн - коэффициент однородности.

Напряжения в наружной трубе при таком подходе, как показывают расчеты, не имеют существенного значения, и поэтому толщина стенки наружной трубы может назначаться исходя из конструктивных или иных (например, металлургических, транспортных) соображений.

Не имеет существенного значения и наличие в наружной трубе дефектов как металлургических, так и строительных. Это позволяет использовать для наружной трубы обычные стали.

Для иллюстрации изложенного приведем пример, приняв следующие данные: p=1200 H/cм; £i = £2=2,1.107 Н/см; Di = = 120 см; D2=140 см; 62=1 см; Л=10 см, внутренняя и наружная труба изготовлены из стали 17Г1С с пределом прочностп 0Ер = 6-1О Н/см2, /годн = 0,85 и пределом текучести ат = = 4,2-10" Н/см2. По формуле (6.91) находим 61 (max) = 1,41 см. Толщину стенки внутренней трубы принимаем 6, = 1,4см. По формуле (6.88) определяем напряжение в стенке наружной трубы.

Выполнив необходимые вычисления, получим 02 = 2072 Н/см (входящие в формулу (6.88) коэффициенты равны Л = 0,000032; £ = 0,00422; М = -146,2).

Далее находим действительные напряжения во внутренней трубе по формуле (6.89)

01 = 5,016-10* Н/см2.

Определим давление, возникающее в бетоне межтрубного пространства, по формуле (6.87)

Рб = 29,6 Н/см

Давление незначительное. Это говорит о том, что резерв несущей способности у рассматриваемой конструкции велик. При повышении давления в бетоне внутренняя труба может разрушиться только в результате нагружения наружной трубы.

Сравним полученный результат исследования несущей способности конструкции «труба в трубе» с несущей способностью однослойной трубы. При этом отметим, что па давление р = = 1200 Н/см однослойных труб нет. Допустим, что они сделаны из стали 17Г1С. Тогда в соответствии с методикой СНиП 11-45-75, приняв коэффициенты п=1,1, т = 0,75, i = l,34, /г„=1,05, авр= = 6- 10 H/cм, по формуле

б = -

получаем для трубопровода Di = 120 см 6 = 2,48 см. Масса 1 м длины такой трубы составляет 729 кг (см. прил. 2), а масса обеих труб в конструкции «труба в трубе» (411-f 343) =754 кг. Практически при одинаковой массе новая конструкция имеет большой запас несущей способности, внутренняя труба надежно защищена от каких-либо внешних воздействий, конструкцию не нужно утяжелять пригрузами и закреплять анкерами. И, самое главное, в газопроводе можно обеспечить давление в 12 МПа и более, что пока недостижимо в обычных трубопроводах.

Второй случай. В предыдущем случае предполагалось, что в бетоне внутри межтрубного пространства давление создается в результате расширения внутренней трубы. Это не дает возможности более полно использовать несущую способность внешней трубы.

Если создать в бетоне предварительное давление, то можно разгрузить внутреннюю трубу и загрузить дополнительно наружную. Рассмотрим этот случай. Создадим в бетоне давление Рб, обеспечивающее начальные растягивающие кольцевые напряжения в наружной трубе ат, где g - коэффициент уменьшения предела текучести ат. Давление рб найдем по формуле (6.87), а напряжение во внутренней трубе ai - по формуле