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

прогноз поведения трубопровода после ввода его в эксплуатацию. А как показывает опыт, именно на болотах происходят различного рода неисправности, связанные с изменением начального состояния трубопровода. Основные виды изменений начального расчетного состояния (назовем их отклонением от нормы), характерные для строительного и эксплуатационного периодов, следующие: отклонения при строительстве-глубина заложения; метод закрепления; положение труб в плане; отклонения при эксплуатации - всплытие; погружение; искривление труб в плане; пространственное искривление трубопровода.

В зависимости от взаимодействия труб с окружающим их грунтом последствия строительных отклонений, а также эксплуатационные отклонения, обусловленные нарушением технологического режима эксплуатации, могут изменяться в широких пределах.

Рассмотрим, как влияют перечисленные отклонения на поведение трубопровода.

1. Изменение глубины заложения труб может быть равномерным по длине и неравномерным. Равномерное увеличение глубины имеет смысл только в том случае, если в период строительства установлено, что, допустим, на 0,5-I м ниже проектной глубины находится плотный коренной грунт. Расположив трубы на этом грунте или в нем, удается резко улучшить условия работы трубопровода в результате надежной его фиксации в плотном грунте. Равномерное уменьшение проектной глубины может привести к постепенному оголению труб по всей длине участка. Особенно неблагоприятно сказывается неравномерное изменение глубины, когда трубопровод получается волнообразно искривле1шым. В результате действия продольных сжимающих сил на выпуклых участках трубы искривляются еще больше и выходят на поверхность. Так, если в результате отклонения от проекта при строительстве образовался искривленный участок с начальной стрелкой прогиба fo, то изменение стрелки прогиба при изменении сжимающей продольной силы при эксплуатации, например при периодических остановках и пусках газопроводов, составит

WEIfo

-fo,

(10.1)

где Е-модуль упругости; /-момент инерции сечения трубы; q - полный вес трубы, утяжеляющих грузов, продукта и давления грунта, за вычетом выталкивающей силы, если труба на-

ходнтся в водонасыщенном грунте;

Ркр=-

- кр1гтиче-

ская сжимающая сила; X - длина искривленного участка; Р - продольная сила в стенке трубы.

Покажем на примере влияние на-,ал[Г"искр„вле„„я. труба д„а„в.ро

„. ВЛеНИЯ. ipyoa AJiamcipi.j

D„1220 мм," толщиной стенки 5 = 14 мм msmzmP уложена на участке =120 м со стрел- •

кой прогиба fo=120 см. После пуска .. .V"!" • • •• в эксплуатацию давление в трубе со-ставляет р-750 Н/см, температурный , , ,

перепад Л/=30 °С. Определим прогиб /. 1 р- .

По прил. 2 находим /=9,64-105 cm"* тр • ,

и площадь сечения стенки f = 530 см. Продольная сила

PatEFM + Q,2aF,

Рис. 10.3. Силы, действующие на трубу в бо.поте

а,-коэффициент линейного расширения металла;

кольцевые напряжения.

получим

Выполнив вычисления, получим Р = 7,40-10б И; Р,(р = = 8,09-100 Н.

Определим q с учетом веса труб, продукта, давления грунта и выталкивающей силы. Допустим, что = 30 Н/см. По формуле (10.1) находим [ = 542 см, т. е. трубопровод выйдет из грунта на 320 см. Вот к чему может привести необоснованное измене-нне глубины заложения. Если по условиям строительства такое изменение неизбежно, то необходимо увеличить пригрузку. Б данном примере увеличение q до 40 Н/см дает уменьшение прогиба до f=I25 см, что на 5 см больше, чем /о-

2. Метод закрепления труб в болотистых грунтах имеет псключителыюе значение. На трубу, помещенную в водонасыщенпый болотистый грунт, действуют (рис. 10.3);

выталкивающая сила Ра

(10.2)

где Уж - объемный вес жидкости, в которой расположена труба; Утр -объем единицы длины трубы; подъемная сила обусловлена продольной силой, действующей на участке, искривленном в вертикальной плоскости,

вес трубы вместе с продуктом

Ртр = 9тр + Тпр -+- Я»э >

(10.3)

(10.4)

.р вес собственно трубы; из -вес изоляции; упр -вес объема продукта, заполняющего трубу.

Устойчивость трубопровода будет обеспечена, если

Рг,>Ра + Р,. (10.5)

Запас устойчивости определяется коэффициентом устойчивости у, т. е.

P.p=ky{Pf, + P,). (10.5>

Если труба уложена горизонтально, то Рр = 0, на участке выпуклости РрФО. К сожалению, этот фактор не всегда принимается во внимание, и трубопроводы часто всплывают. Покажем это на примере, используя данные предыдущего примера.

Рассчитаем устойчивость газопровода Z)„=1220 мм в жидком болотистом грунте с ун, = 0,011 Н/см, уложенного горизонтально. Выталкивающая сила по формуле (Ш.2) Рл = = 0,011 -118,7=130,5 Н/см.

Общий расчетный вес трубопровода найдем по формуле (10.5), приняв йу=1,15, Ртр= 1,15-130,5=150,1 Н/см.

Если учесть, что </тр = 41,6 Н/см, 9из=1 Н/см и qr=l Н/см, то действительный вес трубы составляет Ртр=43,6 Н/см, что на 106,5 Н/см меньше расчетного. Следовательно, прямолинейный трубопровод должен быть пригружен равномерно распределенной нагрузкой (балласт, анкера, грузы и т. п.) 106,5 Н/см.

Определим далее, на сколько нужно дополнительно пригру-зить трубопровод, чтобы вертикальное перемещение на искривленном участке было бы не более 5 см. Из примера пункта 1 видно, что Рр по формуле (10.3) должно быть принято равным 40 Н/см. Таким образом, общий вес трубопровода с учетом компенсации продольной силы на искривленном участке должен составить Ртр= 190,1 Н/см, из которых 146,1 Н/см должны быть обеспечены за счет пригрузки. Используя формулу (10.1), можно найти донолиительиую пригрузку для компенсации продольной силы на искривленном выпуклом участке при заранее заданном возможном увеличении начальной стрелы прогиба Af=f-fo:

р W£ o (2/о-д/)п(Рнр-Р)

К* 2Х -

Здесь Рцр следует принимать как в формуле (10.1), а при кру-говои кривой Л<р=-

3. Отклонение положения трубопровода от расчетного в плане приводит при возникновении продольной силы в ис-кривлеином участке к еще большему искривлению, а это, в свою очередь, приводит к чрезмерному перенапряжению труб и даже их излому. Величину дополнительного искривления можно найти по формуле (10.1), приняв в ней q равным сопротивлению болотистого грунта поперечному перемещению.

4. Всплытие труб при эксплуатации происходит, как правило, при недостаточной их пригрузке, особенно на участках, искривленных в вертикальной плоскости.

5. Погружение труб в грунт происходит в тех случаях, когда трубопровод имеет отрицательную плавучесть и удлиняется при повышении температуры. Этот процесс развивается очень медленно, так как движение трубы происходит в вязком грунте. Если рассматривать участок трубопровода в болоте длиной I как жесткую нить в вязкой жидкости, опертую по концам на твердый грунт, то наибольшее погружение труб будет происходить посередине участка и предельное его значение составит

4а,/2Д/

(10.7)

При необходимости этот процесс можно исследовать по методике, приведенной в гл. 4.

6. Искривление труб в плане в процессе эксплуатации имеет ту же природу, что и дополнительное увеличение стрелки прогиба трубопровода, искривленного при укладке.

Этот вопрос рассмотрен в гл. 4.

7. Вопрос пространственного искривления трубопровода требует решения.

§ 10.3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДОВ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

1.Тепловое взаимодействие с грунтом Основная особенность вечномерзлых грунтов (см. § 10.1) - их сгюсобность оттаивать и давать значительные осадки. Для прогнозирования возможных последствий в работе труб при оттаивании грунта необходимо рассчитывать тепловое взаимодействие грунта с трубой. Если трубопровод расположен в грунте иа глубине Л (рис. 10.4), при температуре стенки трубы тр>0°С вокруг нее образуется зона оттаивающего грунта, называемая ореолом оттаивания. Граница ореола нспостояшга; она перемешается в зависимости от изменения температуры грунта и трубы.

Для прогноза возможных изменений положения трубопро- р„с. 10.4. вода важно иметь такую харак- грунта

Линия оттаивания

теристику, как глубина протаивания грунта под трубой /г„. Это позволит рассчитать осадку труб, используя известные зависимости.

Величину h„ найдем по формуле

(1-6)

(10.8)

где

2<гр In

4/10

(10.9)

В (10.9): Up - температура мерзлого грунта; тр - температура стенки трубы; А,м и - коэффициенты теплопроводности мерзлого и талого грунта.

Формула (10.8) определяет глубину протаивания в произвольном сечении, но поскольку трубопровод - линейное сооружение, то даже при постоянных по его длине характеристиках грунта hn постоянной не будет, если /тр бзт изменяться по длине. Известно, что температура трубопровода ме1гяется по длине прежде всего за счет передачи тепла в окружающий трубу грунт. Например, газ в летний период поступает в трубопровод с КС, имея температуру до 70 °С, а подходит к следующей КС с температурой 20-35 °С; в зимний период температура может изменяться от плюс 30-40 °С до минус 30 °С в зависимости от температуры окружающей среды. Графически изменение температуры по длине трубопровода для одного и

того же участка можно представить, как показано, например, на рис. 10.5.

Как видно из рисунка, на участке до сечения А-А трубопровод в любой период года находится в горячем состоянии, а на участке от сечения А-А до Б-Б в течение некоторого времени - в горячем со-

-=--j4jijjjmIИ . 1111 ? стоянии, а оставшееся вре-I ••ШХщЦ] м- мя года в холодном.

Рнс. 10.5. Температура по длине трубопровода:

а - летом; б - зимой 238

Следовательно, в течение всего периода эксплуатации на участке до сечения А-А в грунт будет поступать тепло, и он будет

непрерывно оттаивать. На участке А-Б грунт будет периодически оттаивать и замерзать. В связи с этим приведем существующую в настоящее время классификацию (разработанную Гипроспецгазом), согласно которой участки трубопроводов делятся на горячие, холодные и теплые.

Под горячим понимается участок, температура которого в течение всего года выше О °С; под теплым - участок, на котором температура может быть выше и ниже О °С, но среднегодовая-ниже нуля; под холодным - участок, температура труб на котором ниже О °С в любое время года (может быть лишь эпизодическое повышение температуры более О °С).

Таким образом, определив принадлежность участка трубопровода к одному из перечисленных типов, можно заранее сказать, что на горячем участке будет происходить только оттаивание грунта, на теплом - периодическое оттаивание - замерзание, а па холодном оттаивания не будет. Это позволяет заранее наметить возможные конструктивные схемы трубопроводов в соответствии с рекомендациями § 10.1 по классификации вечиомерзлых грунтов.

2. Механическое взаимодействие трубопровода с веч померзлым грунтом при продольном перемещен пи

Оттаивание и неравномерные осадки, карсты, провалы - лишь одна группа неблагоприятных для работы трубопровода факторов. Вторая группа - это факторы, обусловливаемые вмерзанием труб в замерзающий оттаявший грунт. Это может иметь место, например, при периодических изменениях температуры перекачиваемого продукта (газа) в период перехода с летнего на зимний режим эксплуатации. Смерзание поверхности изолированных труб в десятки н даже сотни раз увеличивает силы сопротивления продольным перемещениям труб, вследствие изменения температуры сте-iroK труб появляются значительные продольные силы, стремящиеся сдвинуть трубы в продольном направлении. Это, в свою очередь, ведет к разрушению изоляционного покрытия. Очень неблагоприятные воздействия на прочность труб оказывает пучение замерзающих грунтов, особенно в местах изменения их влажности.

Специальные исследования взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами выполнил Р. А. Гиль-метдинов. Интерес представляют сопротивление мерзлых грунтов

Рис. 10.6. Зависимость касательных напряжений и перемещений