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

сдвигу по контакту труба-грунт и изменение этих сопротивлений вследствие проявления реологических свойств замерзающего грунта при постоянной сдвигающей нагрузке.

Рассмотрим сначала случай кратковременной быстро возрастающей нагрузки. Зависимость т=/(и) (где т - касательные напряжения по контакту труба-грунт; и -продольное перемещение) имеет вид кривой, приведенной на рис. 10.6. В пределах участка кривой Оа эта зависимость линейная:

t=-kuU [х).

(10.10)

где ku - коэффициент постели мерзлого грунта, полученный па основании лабораторных исследований, для песчаных грунтов с влажностью до 20% « = 8,5-10" Н/см, а для глинистых с влажностью до 30% ku = 2,,b-W Н/см. Формула (10.10) действительна при тТу (на рис. 10.6 Ту - предел упругих касательных напряжений; Тпр - предел прочности грунта на сдвиг). Коэффициенты ku определялись при температуре грунта -2ч-

При длительном действии постоянной нагрузки очень заметным становится проявление реологических свойств мерзлого грунта. Так, в глинистых грунтах с влажностью до 30 %

при температуре -2-.--4 °С при изменении времени действия

постоянной нагрузки с 24 до 1200 ч перемещение увеличивалось: при т=9 Н/см2 в 14 раз; при т=12 Н/см в 14 раз; при т=14 Н/см2 в 23 раза. Для песчаного грунта с влажностью 20 % были получены следующие значения при увеличении времени выдержки нагрузки с 48 до 850 ч; при т = 9 Н/см в 6 раз; при т=12 Н/см в 4 раза и ири т=14 Н/см в 5 раз.

Исследования, проведенные с трубами, покрытыми полимерными пленками, показали, что при смерзании пленки с грунтом сдвиг ггроисходит не по контакту пленки с грунтом, а по клеевой основе. Естественно, что после такого сдвига изоляция раз-рущается. Это позволяет сделать вывод о том, что использование пленки в качестве защитного покрытия при прокладке в вечномерзлых грунтах нецелесообразно.

В процессе опытов, было установлено также, что предельное длительное сопротивление сдвигу мерзлого водонасыщенного песка при температуре до -4 °С составляет 9 Н/см, а мерзлых глин при аналогичных условиях - 7-8 Н/см. При этом продольные перемещения (до срыва) составляют в глинистых грунтах до 3 мм, а в песчаных- не более 0,1-0,15 мм.

3. Влияние образования морозобоины х трещин в грунте на прочность трубопроводов

Образование морозобойных трещин имеет место в северных и северо-восточных районах СССР с резко континентальным климатом, суровой зимой и с незначительной толщиной снежного покрова. Морозобойные трещины образуются в осенний

период при наступлении значительных заморозков. Они могут образовываться и в весенний период, когда суточные температуры поверхности грунта значительно колеблются.

При медленном понижении температуры воздуха и грунта разрывы грунта не наблюдаются. В этом случае развивающиеся в грунте пластические деформации полностью или в больщей части поглощают температурные деформации грунта. Несмотря на то что вопросу образования и воздействия морозобойных трещин на инженерные сооружения посвящено немало работ, сущность этих физических явлений полностью еще не изучена. До настоящего времени нет достаточных данных не только для расчетов, но и для приближенной оценки напряжений, которые могут возникнуть в подземных трубопроводах в процессе их взаимодействия с мерзлыми грунтами, подверженными морозо-бойиому растрескиванию.

Трещины возникают после установления устойчивой отрицательной температуры воздуха. При этом в начале ноября образуется до 90 % от всего числа трещин. Наиболее опасны весенние морозобойные трещины ввиду того, что к этому времени грунт про.мерзает на значительную глубину. Образовавшаяся трещина способствует дальнейшему понижению температуры и глубины промерзания грунта, в результате чего увеличиваются ее ширина и глубина. Сначала трещина быстро распространяется от поверхности до зоны сжатия. В марте максимум температуры становится очень слабым и уходит на глубину 6-7 м, а в апреле градиент температуры становится отрицательным, растяжение сменяется сжатием, в связи с чем исчезают условия для развития трещин. В дальнейшем, если не происходит заполпеине или цементация образовавшихся трещин, они продолжают существовать, сужаясь летом и расширяясь зимой. В области вечной мерзлоты существуют благоприятные условия для заполнения трещин льдом. Вода в половодье или от таяния снега весной попадает в раскрытые трещины, замерзает, образуя ледяные жилы, цементирующие трещины. Жилка льда доходит летом до границы деятельного слоя, а выше трещина заполнена воздухом, водой или сильно увлажненным оплывшим грунтом. При наступлении зимы деятельный слон начинает промерзать. Если трещина в нем заполнена воздухом, то новые трещины ие образуются, но раскроются iJinpe существующие, старые. Если же трещина в дея-телыгом слое заполнена водой или оплывшим грунтом, то при замерзании и соответствующем сжатии слой цементируется, превращаясь па очень короткое время в протяженный монолитный пласт, в котором прежние трещины представлены жилками льда или очень льдистого грунта.

Наиболее глубокое морозное растрескивание происходит в поймах рек, на недавно вышедших из-под воды морских равнинах и склонах.

Для расчета продольных усилий, возникающих в трубопроводе при образовании морозобойных трещин, примем следующую упрощенную схему (решение Р. А. Гильметдинова). Предположим, что в мерзлом грунте находится трубопровод, имеюпшй отрицательную температуру. На каком-то участке в мерзлом грунте проходит температурная трещина глубиной h и длиной /. В результате образования трещины в трубопроводе возникает продольное усилие Р. Если принять жесткое защемление трубопровода в мерзлом грунте, то трещина не раскроется и, следовательно, при х = 0 и и = 0 (где «- перемещенне в продольном направлении). Очевидно, что это же условие будет соблюдено, если вместо усилия в трубопроводе Р к стенкам трещин приложить горизонтальные нормальные напряжения Ох, суи1ествовавшие в этом сечении до образования морозобоиной трещины. Отсюда следует, что усилие Р в трубопроводе должно быть равно сумме напряжений сТ:с, которые необходимо приложить к стенкам трещины, чтобы не допустить ее раскрытия, т. с.

р= j оАФ.

1 °

(Ю.И)

Величина Р, полученная по формуле (10.11), будет явно завышенной, так как мы исходили из требования, что трещина должна оставаться закрытой на всей ее длине. Поэтому примем ориентировочно, что должна быть закрыта только некоторая часть трещины, например, равная трем диаметрам трубопровода. Тогда вместо выражения (10.11) получаем

a.dz.

(10.12)

Таким образом, зная температурные напряжения в мерзлом грунте, которые существовали до появления трентны, по выражению (10.12) можно приближенно определить продольное усилие в трубопроводе, возиикаюп1ее при ее появлении. Для определения температурных напряжений в полупространстве существует несколько формул, полученных разными авторами, исходя из различных предположений о свойствах среды и о характере изменения температуры в ней. В связи с очень медленным изменением отрицательной температуры мерзлых грунтов определение температурных напряженнй может рассматриваться как квазистатическая задача механики сплошной среды. Основой расчета для такой задачи должна быть реологическая модель упруго- и вязкопластичного тела, которая, как правило, наилучшим образом отражает истинные механические

(10.13)

свойства мерзлых грунтов. Однако использование такой модели для расчета представляется чрезвычайно сложным. Поэтому для определения температурных напряжений в мерзлых грунтах были использованы более простые реологические модели и, кроме того, приняты следующие допущения: мерзлый грунт полагается однородным и изотропным; физические показатели .мерзлого грунта не зависят от температуры.

В первом приближении рассмотрим мерзлый грунт как идеально упругую среду.

8 такой постановке продольное усилие в трубе р 3D„Eah (25-0,0312/i)

где £ -модуль упругости, принимаемый 10* Н/см2; а -коэффициент температуропроводности мерзлого грунта, равный 3-10- 1/°С; ц - коэффициент Пуассона, равный 0,5.

Например, при глубине трещины h = 3 м и D„=1020 мм по (10.13) имеем Р = 8,6- 10 Н. Аналогично можно рассчитать продольное усилие Р для трубопровода любого диаметра.

Интересно отметить, что учет ползучести существенно уменьшает продольную силу. Так, для приведенного примера, при температуре грунта -4 °С и постоянной нагрузке, действующей 8- 10 ч, продольная сила составит 1,98- 10 Н, что в 4,34 раза меньше, чем в предыдущем случае. Здесь не приводятся формулы для расчета продольной силы с учетом вязких свойств замерзшего грунта. Ее можно определить по формуле для идеально упругого тела (10.13) и уменьшить в 3-5 раз, что с некоторым приближением будет отражать действительную картину для трубопроводов диаметром 50-120 см.

Приведем далее методику определения продольного усилия в трубопроводе с учетом вязких свойств мерзлого грунта.

Представим свойства мерзлого грунта моделью Максвелла при периодическом изменении температуры на поверхпости грунта по закону

9 = 00 cos (О/, (10.14) где 00-измерешгая температура поверхности грунта (по данным метеонаблюдений); {о = - -частота температурных колебаний на поверхности грунта; Т - перепад температурных колебаний; / - время действия продольной силы.

Напряжения в грунтовой среде Oxiz) на глубине z (для полупространства) можно определить по формуле

(2) =

Eafioatp

(l-!i)[l-f (юр)]

/-со/)+со/сов(г]/-со/)

(10.15)

ff, граОусы

-O&padjjcbi ррафики температурных наблю-

Ш z,cm

дений:

а - изменение температуры грунта; /- на глубине г = 0; 2 - на глубине г=2,75 м; 3 - аппроксимирующая кривая;

б - изменение температуры по глубине; / - опытная кривая; 2 - линейная аппроксимация; в - изменение температуры поверхности грунта; / - опытная кривая; 2 -расчетная кривая

где /р -время релаксации; а--коэффициент температуропроводности; аг - коэффициент линейного расширения грунта.

Напряжения в стенке трубы при возникновении и развитии морозобоиной трещины

3Eat%tp Ума

n6(l-n)[l-f (ш<р)2]

-Ь со/г, COS

V 2а

8 + /1

- О)/

- sin (0,8- О)/) - (о/р cos (0,8-0)0] 1,

(10.16)

где Л -глубина трещины; б -толщина стенки трубы.

Многочисленные расчеты показывают, что в тех случаях, когда нет достоверных исходных данных о свойствах мерзлого грунта, ориентировочно продольное усилие в трубопроводе можно определить по формуле (10.13) и уменьшить его в 3- 5 раз.

Пример. Рассчитаем напряжения в стенке трубы, приняв следующие данные: /р=370 ч; период температурных колебаний Г==90 ч; £=10* Н/см: а( = 3 • 10~1/°С; р,=0,5;а=18 см/ч. Величины 9о и со определяем по данным температурных наблюдений (рнс. 10.7). Представляя опытную кривую температур / (рис. 10, в) на поверхности грунта синусоидой 2, получаем Оо= = 30° и (0 = 0,7-10- 1/ч. Приняв далее /г = 300 см, 6=1 см и время / = = 8,4-10 (для наиболее холодного времени года), по формуле (10.16) получим 0тр=6,18-1ОЗ н/см1

Для трубы диаметром 102 см продольное усилие составит Я=я1)яО0тр = = 1,98-10 Н, что в 4,3 раза меньше, чем в первом примере.

ГЛАВА И ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАССЫ

Положение магистрального трубопровода на местности на-протяжении сотен, а иногда и тысяч километров определяет столь большое многообразие различного рода условий, что в реальном проектировании учесть даже их незначительное количество не представляется возможным. Часто даже прп самом тщательном подходе к выбору трассы, когда, кажется, предусмотрено и учтено «все», сразу же после пуска трубопровода в эксплуатацию выявляются совершенно неожиданные обстоятельства, которые существенно уменьшают намеченные при проектировании технические и экономические характеристики трубопровода.

Когда идет речь об оптимальном проектировании, о выборе или расчете оптимальной трассы, не следует понимать эту проблему таким образом, что при оптимизации учтено все и получено лучшее из лучших решений среди этого множества. Более уместно говорить о получении лучшего решения с точки зрения главного качества, достижение которого в той или иной конкретной обстановке является наиболее важным. Глубина же проработки исходных условий определяется уровнем необходимой меры надежности трубопровода. Последнее не всегда согласуется со временем и затратами на проведение необходимых исследований и изысканий.

Учитывая изложенное, под оптимальной будем понимать трассу, вдоль которой полная величина критерия оптимальности будет достигать максимума или минимума в зависимости от его смыслового значения, а также достоверности и достаточности исходных данных.

§ 11.1. КРИТЕРИИ

Все критерии оптимальности можно разделить на два класса. К первому классу относятся критерии, не зависящие от пути, по которому пройдет трасса, или, иначе говоря, критерии, которые однозначно определены для всех возможных путей от начальной до конечной точек. Второй класс включает критерии (или показатели качества), значение которых зависит не только от длины отрезка пути, но и от того, какой частью допустимого пути этот отрезок является.

Из определения ясно, что критерии первого класса обладают свойством аддитивности, заключающимся в том, что полная величина критерия равна сумме отдельных ее частей, независимо от их числа.