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

к экономическим потерям, многократно превышающим строительную экономию. К сожалению, спещ1альных исследований, посвященных обоснованию оптимальной глубины заложения, учитывающей перечисленные выше факторы, нет. Если обратиться к требованиям действующих в настоящее время Строительных норм и правил, то она установлена в пределах: для труб диаметром менее 100 см min/i3 = 0,8 м, для труб диаметром 100 см и более min /13= 1,0 м.

Установлены исключения для отдельных участков трассы. Так, в пустынных районах, в скальных и болотистых грунтах допускается уменьшение глубины заложения до 0,6 м независимо от диаметра труб; иа болотах, подлежащих осушению, глубина заложения /13= 1,1 м. Несмотря на четкость этих норм, обоснованность их явно недостаточна, о чем и свидетельствуют аварийные ситуации, возникающие из-за недостаточной глубины заложения труб.

Защита труб от механических повреждений при кз = 0,8 м, как показывает опыт эксплуатации, оказывается недостаточной. Так, в 1976, 1977 и 1978 гг. на действующих магистральных газопроводах соответственно 1,2; 2,8; 4,2% всех аварий было связано с механическими повреждениями труб сельскохозяйственными машинами.

Защита покрытия труб от атмосферных воздействий и сглаживание колебаний температуры труб при /гз~0,8-=-1,0 м оказываются достаточно эффективными, хотя для нефтепроводов, особенно транспортирующих вязкие нефти, такая глубина заложения не обеспечивает эффективной теплозащиты трубопровода. В этих случаях кз должна определяться теплотехническими расчетами.

Обеспечение продольной устойчивости и устойчивости положения трубопровода требует более подробного анализа влияния на них глубины заложения. Известно, что продольная устойчивость как прямолинейных, так и искривленных участков зависит от «защемления» труб грунтом, продольной жесткости трубопровода (см. гл. 3) и продольной сжимающей силы в нем. Продольная жесткость трубопровода не зависит от глубины заложения, продольная же сжимающая сила зависит от нее только в той мере, в какой грунт защищает трубу от резких колебаний температуры (например, иод влиянием солнечной радиации). Однако будем считать, что продольная сила не зависит от- глубины заложения. Тогда решающим фактором при подземной прокладке в обеспечении устойчивости будет «защемление», а точнее, сопротивление грунта поперечным и продольным перемещениям труб.

На рис. 12.3-показаны схемы подземной укладки двух труб разных диаметров DiKDo. Жесткости каждого из сечений Eh и EI2. Допустим, что трубопровод на рассматриваемом участке расположен прямолинейно. Будем полагать возможность потери

Рис. 12.3. Пара.четры положения подземного трубопровода:

а - меньшего диаметра; 6 - большего диаметра

продольной устойчивости в двух главных направлениях: вверх по оси 2 и в поперечном направлении по оси х. В этих случаях критическая сжимающая сила, при которой происходит потеря устойчивости, определяется по формуле (3.28). Выполнив условия моделирования, получим следующую зависимость для коэффициентов подобия:

(12.7)

осг =-

ркр2 кр 1

д - отпор грунта при поперечно.м перемещении труб; F и / - соотвстствепно площадь сечения стенки труб и момент инерции; Ркр - критическая сила, при которой возможна потеря устойчивости.

/Допустим, необходимо определить, насколько может увеличиться критическая сила Рцр в трубопроводе Dz по сравнению с трубопроводом Di, для которого известно, что в таком жь грунте оп работал устойчиво в течение длительного срока эксплуатации.

Из (12.7) находим

(12.8)

При неремещении труб вверх по оси 2 (см. рис. 12.3) сопротивление грунта д, как было установлено опытным путем, определяется по фор.муле

. ? = Vecx(ph + tg?-0,4D2),

•О Заказ Л« 1690

(12.9) 289

а прн горизонтальном перемещении

Yecx(ftcp + 0.7DH) (450 X) + 2cD„ tg(45° + ), (12.10)

где YecT - объемный вес грунта; Нср=кз+0,5Он - средняя глубина заложения труб; ф -угол внутреннего трения грунта; с - сцепление грунта.

Допустим, что потеря устойчивости происходит в направлении оси г, т. е. вверх. При этом примем Di = 72 см, Л = 223 см, /2=1,4.105 см*; D2=142 см; 2 = 618 см2; /2=1,5-106 см*; /13 = = 80 см. YecT = 0,018 Н/смЗ; ф = 25°.

По формуле (12.9) находим qi и qz для труб Di = 72 см и D2=H2 см; <7i=180 Н/м; 2 = 248 Н/см.

Определим далее 1,377; ар = 2,77; aj=10,7. По формуле

(12.8) акр=13,59.7,67- 1,225- 10=2,58. Это говорит о том, что при одинаковой глубине заложения обеих труб критическая сила в трубе 62=142 см, при которой возможна потеря устойчивости, будет только в 2,58 раза больше, чем в трубе Di хотя жесткость трубы Dz в 10,7 раз больше чем трубы Di. К чему это может привести, рассмотрим далее, приняв, что в обоих трубопроводах одинаковое внутреннее давление р = 750 Н/см и температурный перепад Д=50 °С. Продольное сжимающее усилие в первом трубопроводе составит:

Pj = a<£/=iA/ + 0,2aKuFi = 3,98.10 Н.

Аналогично находим 2= 12,41-10 Н. В соответствии с выполненным расчетом продольное усилие во втором трубопроводе должно быть не более

Рг = 3,98-2,58.10«=10,26.10« Н.

Если первый трубопровод находится при принятых значениях величин на пределе устойчивости, то второй трубопровод будет неустойчив; если же первый - устойчив, то неизвестно, будет ли устойчив второй. Но чтобы запас устойчивости в трубопроводах был одинаков, нужно, чтобы P22,58Pi, ибо при этом выполняются условия одинаковости состояний. Именно неучет этого обстоятельства и приводит к многочисленным выпучиваниям труб большого диаметра. Поэтому назначение глубины заложения труб должно быть дифференцированным в зависимости от жесткости труб и сопротивления грунта. Нельзя ожидать от трубопроводов, имеющих различные жесткости, при одинаковой глубине заложения одинакового запаса устойчивости. Это не означает, что во всех случаях обеспечение продольной устойчивости должно достигаться только заглублением. Недостающая пригрузка грунта может быть заменена, па-пример, закреплением труб с помощью анкеров. Так, анкерное крепление в одном сечении с несущей способностью 10 Н может заменить грунтовую засыпку трубопровода диаметром

Рис. 12.4. Схема определения глубины заложения на выпуклом участке

140 см на протяжении 15-20 м при толщине слоя засыпки 0,5 м.

Особое внимание нужно обращать на назначение глубины заложения на выпуклых участках рельефа. На искривленных участках с радиусом R внутреннее давление обусловливает давление труб на грунт с интенсивностью

(12.11)

Соответственно на такую же величину как бы уменьшается пригрузка грунта, поэтому глубина заложения на таких участках должна увеличиваться, как показано на рис. 12.4. Например, при Dbh=140 см, р = 750 Н/см, R = 2-\№ см по формуле (12.11) <7р=57,6 Н/см. Приняв объемную силу тяжести грунта YecT = 0,017 Н/см получим, что высота дополнительного слоя засыпки должна составлять

ДЛ = -

57,6

150-0,017

= 22,6 см === 23 см.

а глубина заложения в сечении А-А - как минимум Л;=(/г + 23) см.

Поэтому стремление расположить упругую линию трубопровода, следуя очертаниям профиля, не всегда целесообразно, а иногда и неправильно. Глубину заложения трубопровода необходимо назначать не только в соответствии со стандартом (глубина заложения 0,8 м или 1,0 м), но и с учетом вида грунта, его состояния, физико-механических характеристик грунта и жесткости труб.

§ 12.3. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ

Под оптимальным будем понимать профиль, при котором требуются минимальные затраты на обеспечение высотного положения трубопровода и выполняются необходимые условия по надежности, зависящие от этого положения. К ним относятся

10* 291

обеспечение продольной устойчивости, защита от механических повреждений, обеспечение необходимой тепловой защиты и т. п. Перечисленные условия обеспечиваются необходимой глубиной заложения ha, пригрузкой или закреплением труб анкерами, установкой кривых труб малого радиуса, упругим искривлением трубопровода. Перед началом профилирования должны быть определены и четко зафиксированы: минимально допустимая глубина заложения труб ha ты, наибольи1ая глубина заложения ha max, минимальный радиус упругого искривления трубопровода mln, радиус кривизны поворотов из кривых труб Rap.

Рассмотрим сначала случай профилирования только при упругом искривлении труб.

При условии выполнения перечисленных требований должен быть получен минимум затрат на земляные, изоляционно-укладочные работы и работы по пригрузке труб. Кроме того, должны быть обеспечены прилегание труб к дну трапн1еи и прочность трубопровода.

Условие прилегания труб к грунту обеспечивается, если

EI + 4>(x)==q{x),

(12.12)

где ф(х)-упругая реакция грунта основания; (х) - paciipe-деленная нагрузка от массы труб, нригрузки и удерживающей силы анкерных креплений.

Реакция грунта может возникнуть только в случае ф(х)>0; именно это условие и определяет прилегание труб к дну тран-щен. С учетом этого из уравнения (12.12) получим условие прилегания в виде

d*y д{х)

(12.13)

Поясним значение q{x). Если прилегание труб происходит только за счет силы тяжести, то (x)==const и равно силе тяжести единицы длины труб.

Если прилегание обеспечивается пригрузкой бето1шыми и иными утяжеляющими грузами, то

q(x)=q + qrp (х),

(12.14)

где гр (л:) - распределенная на единицу длины труб сила тяжести отдельных грузов.

Анкерное крепление при профилировании в качестве нагрузки учитывается только в том случае, если с помощью анкеров «дожимают» трубопровод на вогнутом участке рельефа, например, как показано на рис. 12.5. Если бы трубопровод был уложен без утяжеления или анкеров, то он занял бы положение /. С помощью анкеров трубопровод можно «дожать» до дна

Рис. 12,5. Схема дополнительной пригрузки труб на ногнуто.м участке

траищен. Однако на практике такой способ пригрузки не применяется. Часто для обеспечения устойчивости трубопровода на обводненных грунтах используют в качестве балласта грузы. Прочность труб при укладке обеспечивается, если

dy dx-

(12.15)

где /?min определяется по формуле (12.4) или задается из ка-Kirx-либо иных соображений, например, из условия обеснечеиня продольной устойчивости.

Наконец, условие собственно оптимизации профиля можно записать в виде функции затрат на земляные работы и пригрузку труб:

= min 2 (Шз. р \у{х), h ix) - w„ (х) ] ),

(12.16)

где оУз. р - затраты на выполнение земляных работ в сечении х; у(х), /г(х)-соответственно отметки дна траншей и поверхности грунта в том же сечении; оУп(х)-распределенная пригрузка от веса грузов в сечении х.

Задача (12.16)*может быть решена различными методами, в частности, с использованием динамического программирования или идеи оптимального уравнения при наложении ограничений на поведение функции у(х) во всех точках вдоль участка рассматриваемой длины L.

Это ограничение имеет следующий вид. В местах предусмотренных разрывов трубы, например, в местах установки отсекающей арматуры (кранов, задвижек),

х = 0, у = уо, y = igcc„, у" = у" = 0-

x = L, у = у, у = 1ёа, у" = у"=0, -

где Оо и kl - угол наклона оси трубопровода к горизонту