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

Устойчивость подземных трубопроводов

В связи с условиями перекачки продукта, а также вследствие особенностей укладки и рельефа местности, изменений его, вызванных гидрогеологическими процессами или промышленными разработками, в подземном трубопроводе действуют осевые сжимающие усилия. Превышение температуры тела трубы при эксплуатации над температурой трубопровода в процессе укладки (положительный температурный перепад), отступления от технологии укладки, просадки местности, горизонтальные сдвижения грунта при подработке - таковы основные причины возникновения напряжений сжатия в трубопроводе.

До определенной величины этих напряжений равновесие трубопровода остается устойчивым: не возникает изменений в положении трубопровода либо малому приращению напряжений сжатия соответствует также малый изгиб трубопровода. Напротив, по достин<ении некоторого критического значения напряжений сжатия трубопровод теряет устойчивость, т. е. переходит в смежные состояния равновесия, для которых характерны большие изменения прогиба при малом увеличении сжимающих усилий.

Следствием потери продольной устойчивости трубопровода может быть нарушение условий эксплуатации, повреждение конструкции и, наконец, авария. Примерами таких аварий могут служить выпучивание «горячего» трубопровода Карская - Краснодар [23], выпирание четырех ниток газопровода Ставрополь - Москва в пойме р. Луганки, многократные выбрасывания трубопроводов из открытых траншей при строительстве и капитальном ремонте [13].

Очевидно, поэтому, что критическое усилие как граница устойчивого состояния трубопровода само по себе

ожет не представить практического интереса, тем более го существуют трубопроводы, которые, можно сказать, гонструированы на принципе потери продольной устой-1В0СТИ [6].

Тем самым расчет по устойчивости трубопровода нужно 1ссматривать в связи с прочностным и деформационным 1Счетом с целью обеспечения прочности трубопровода, шостности сооружения, соблюдения условий эксплуата-ш и безопасности обслуживающего персонала.

Глава первая

УСТОЙЧИВОСТЬ УЛОЖЕННЫХ в ГРУНТ ТРУБОПРОВОДОВ

1. Устойчивость прямолинейного положения трубопровода

Изучение устойчивости подземного трубопровода начнем с определения его критического усилия как прямолинейного бесконечного стержня.

Очевидно, на самой первой стадии выпучивания трубопровода можно говорить о малых прогибах и, следовательно, ограничиться рассмотрением упругого отпора засыпки поперечным перемещениям трубопровода.

Имея в виду модель линейно упругого основания, рассмотрим дифференциальное уравнение равновесия для балки в упругой среде [22]

(1.1)

где Е - модуль упругости материала трубопровода; / - момент инерции сечения металла трубы; Р - сжимающее усилие, действующее на трубопровод до потери устойчивости; V - поперечные перемещения трубопровода; х - координата вдоль прямолинейной оси трубопровода; с - отпорность основания; для трубопровода

(1.2)

где /Сц - коэффициент отпорности основания; - эффективная ширина подошвы трубопровода (в дальнейшем предполагается равной диаметру трубопровода). Пользуясь обозначениями

/С2 =

4г =

(1.3)

вместо (1.1) получаем однородное линейное уравнение

(1.4)

dx* " rf«a

Соответствующее характеристическое уравнение имеет вид

pi + kpl + Ar*==0, (1.5)

- 11пйй1М

Приравнивая производную от А; по тИх нулю, получаем

тЬ-=2г2. (1.8)

Согласно (1.3) критическая нагрузка оказывается

равной

P,2VEIc. (1.9)

РИГ 1 Потеря устойчивости трубопровода в траншее.

а его корни будут

(1.6)

где pi = im; i = Y - i

При потере устойчивости бесконечного трубопровода форма прогиба остается неопределенной: любой вид волнообразования, соответствующий параметру т, удовлетворяет граничным условиям. Из (1.6) имеем

r- = ml + . (1.7)

Рис. 2. Потеря устойчивости наземного трубопровода.

Этот же результат получен энергетическим методом С. П. Тимошенко [22], а также в работе [5).

Уравнение (1. 1) может быть уточнено введением членов, учитывающих продольные смещения трубопровода и изменение напряжений сжатия при изгибе, если сжимающая нагрузка носит характер начальных напряжений.

Однако эти члены имеют высший порядок малости по сравнению с (1. 3) и в пределах малых деформаций не учитываются. К сожалению, результаты прямых расчетов по (1. 9), даже при заниженных значениях коэффициента