Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих конструкций надземных трубопроводных переходов и методов их расчета
1.1. Анализ существующих конструкций надземных трубопроводных переходов и способов надземной прокладки отдельных участков 9
1.2. Анализ методов расчета надземных трубопроводных переходов 27 Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2. Разработка новой конструкции трубопроводного балочного перехода 43
2.1. Описание трубопроводного перехода 43
2.2. Обоснование возможности применения предлагаемой конструкции надземного трубопроводного перехода 44
2.3. Разработка методики расчета 48
2.3.1. Общие положения теории расчета упругих систем 48
2.3.2. Принятые допущения 51
2.3.3. Методика расчета трубопроводного перехода 51.
2:4. Область применения и способы монтажа предлагаемого надземного трубопроводного перехода Выводы по главе 2 59
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования условий работы перехода с поддерживающим элементом в виде фермы 60
3.1. Моделирование экспериментальных установок 60
3.1.1. Критерии расширенного подобия 60
3.2.1. Моделирование надземного перехода трубопровода диаметром 1020 мм 63
3.1.2. Моделирование надземного перехода трубопровода диаметром 530мм 66
3.2. Методика проведения экспериментов 67
3.3. Обработка полученных данных 71
3.3.1. Отсев сомнительных значений 71
3.3.2. Характеристика погрешности измерений 75 3.3.2.1. Определение доверительного интервала среднего
арифметического для заданного уровня значимости 75
3.4. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных 76
3.5. Анализ результатов испытаний 78 Выводы по главе 3 82
ГЛАВА 4. Рациональное проектирование балочных трубопроводных переходов 83
4.1. Влияние смещения опор в вертикальной плоскости на напряженное состояние балочных систем трубопроводов 83
4.2. Классификация подвижных опорных частей для надземных трубопроводов 94
4.3.Контактное взаимодействие трубопровода с опорой. 97
4.3.1. Моделирование процесса контакта на примере
одно пролетного трубопроводного перехода 98
4.3.2. Анализ напряженного состояния трубопроводного перехода 101
Выводы по главе 4 106
Основные выводы 107
Литература
- Анализ существующих конструкций надземных трубопроводных переходов и способов надземной прокладки отдельных участков
- Обоснование возможности применения предлагаемой конструкции надземного трубопроводного перехода
- Моделирование надземного перехода трубопровода диаметром 1020 мм
- Влияние смещения опор в вертикальной плоскости на напряженное состояние балочных систем трубопроводов
Введение к работе
В настоящее время в России эксплуатируется более 200 тысяч километров трубопроводов различного диаметра, по которым транспортируются нефть, газ и продукты их переработки. Магистральные трубопроводы прокладываются в различных природно-климатических и гидрогеологических условиях, пересекая при этом большое количество естественных и искусственных препятствий. Как показывает многолетний опыт эксплуатации, подводные переходы при траншейной их прокладке зачастую оказываются не столь надежными и являются дорогими, при этом основная часть затрат приходится на текущие обследования и дальнейшие работы по ликвидации оголений, провисаний трубопроводов и проведение берегоукрепительных мероприятий. Стоимость производства работ методами наклонно-направленного бурения и микротоннелирования, получившими в последние годы широкое признание, на 40-50% выше, чем при траншейном способе. Оба метода достаточно трудоемки и имеют немалые ограничения на производство работ.
Таким образом, не всегда целесообразно использовать традиционный заглубленный способ прокладки, а зачастую проще и дешевле проложить трубопровод поверху, возводя надземные трубопроводные переходы. Это достаточно ответственные сооружения, поскольку нередко находятся в сложных эксплуатационных условиях. Их основными достоинствами являются: возможность визуального контроля за состоянием трубопровода и опор; безопасность и надежность эксплуатации трубопровода при прохождении трассы в сложных гидрогеологических условиях; отсутствие необходимости ведения строительно-монтажных работ в русле реки, что важно с точки зрения экологической безопасности и пр.
При прокладке трубопроводов различного назначения около 90% препятствий встречаются шириной от 10 до 100 м, для их пересечения наиболее рациональными являются балочные трубопроводные переходы, от эффективности использования которых зависит работоспособность линейной части трубопро-
водных магистралей в целом. Под эффективностью в данном случае понимается более полная реализация прочностных свойств материала, получение конструкций, обладающих высокими эксплуатационными и строительными качествами.
Поэтому проблема повышения эффективности использования балочных трубопроводных переходов является достаточно актуальной проблемой трубопроводного транспорта, решение которой имеет немаловажное значение.
Цель работы - повышение эффективности использования балочных трубопроводных переходов путем разработки новых, улучшения существующих конструкций и совершенствования методик их расчета.
Поставленная цель достигается путем последовательного решения следующих задач:
произвести анализ существующих конструктивных решений надземных трубопроводных переходов, методов их расчета и разработать классификацию переходов по конструктивным признакам;
разработать новую конструкцию надземного трубопроводного балочного перехода с поддерживающими элементами и методику его расчета;
на экспериментальной основе исследовать напряженно-деформированное состояние и провести анализ работоспособности трубопроводного перехода при действии статической нагрузки;
исследовать влияние вертикальной подвижки опор на напряженное состояние многопролетных балочных трубопроводных систем и рассмотреть контактное взаимодействие трубы с опорной конструкцией при реализации рационального высотного положения.
На защиту выносятся следующие положения:
теоретические обобщения и классификация надземных трубопроводных переходов;
конструктивное решение и методика расчета надземного трубопроводного балочного перехода с поддерживающим элементом в виде фермы;
6 - рекомендации по уточнению существующей расчетной методики балочных трубопроводных переходов. Основными научными результатами, имеющими значение для трубопроводного транспорта, являются:
классификация надземных трубопроводных переходов, куда в отличие от ранее существующих внесена дополнительно подгруппа по возможности регулирования напряжений и введен новый класс по конструктивным формам;
экспериментально обоснованная новая конструкция трубопроводного балочного перехода с поддерживающим элементом в виде фермы и методика расчета ее напряженно-деформированного состояния;
рекомендации по уточнению существующей расчетной методики балочных трубопроводных переходов с учетом влияния высотного положения опор и контактного взаимодействия их с трубой;
новая опорная конструкция балочного трубопроводного перехода для реализации рационального, с точки зрения равнопрочности, высотного положения.
На основании научных результатов, полученных в работе, разработана инструкция предприятия для МУП «Уфимское предприятие тепловых сетей» «Руководство по проектированию надземных трубопроводных переходов с поддерживающими элементами в виде ферм». Результаты исследований влияния высотного положения опор на напряженное состояние балочных систем трубопроводов внедрены отделом капитального ремонта магистральных продукто-проводов Уфимского ПО ОАО «Уралтраснефтепродукт».
Основные результаты работы поэтапно докладывались на 49-й, 50-й, 53-й, 54-й научно-технических конференциях студентов аспирантов и молодых ученых Уфимского государственного нефтяного технического университета (Уфа, 1998, 1999, 2002, 2003 гг.); межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли» (Уфа, 2000 г); межрегиональной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2002», посвященной 35-летию Ухтинского государственного технического университета (Ухта, 2002
г.); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 50-летшо с начала подготовки специалистов трубопроводного транспорта в УНИ-УГНТУ (Уфа, 2002 г); VI международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2002 г.); международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт - сегодня и завтра» (Уфа, 2002 г.).
По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы включающего 137 наименований и приложений. Содержание работы изложено на 129 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 7 таблиц.
Во введении показана актуальность выбранной темы диссертации, приводится общая характеристика работы, сформулированы цель, основные задачи исследования, приведены основные научные результаты и практическая ценность работы.
В первой главе выполнен литературный обзор существующих надземных трубопроводных переходов и анализ методов их расчета. На основании обобщения многочисленных публикаций по данной тематике разработана классификация надземных трубопроводных переходов, где применительно к балочным трубопроводным переходам, на основе анализа конструктивных особенностей, внесена дополнительно подгруппа по возможности регулирования напряжений. Кроме того, введен новый класс по конструктивным формам -предлагаемое нами конструктивное решение трубопроводного перехода с поддерживающим элементом в виде фермы.
Представленная классификация обеспечивает возможность прогнозирования перспективных направлений исследований по совершенствованию конструкций и методик расчета надземных переходов трубопроводов.
Во второй главе на основе анализа достоинств и недостатков существующих конструкций предложено конструктивное решение трубопроводного балочного перехода с поддерживающим элементом в виде фермы. Переход дает
возможность увеличить перекрываемый пролет в 2-3 раза без устройства промежуточных опор и специальных ветровых систем.
Приведены основные положения теории расчета упругих систем на основе, которой разработана расчетная методика трубопроводного перехода. Трубопроводный переход представляется в виде расчетной схемы, где он рассматривается в виде балки кольцевого поперечного сечения, а ферма заменяется упру-гоподатливыми опорами, количество которых соответствует числу точек опоры трубопровода внутри этой фермы.
В третьей главе выполнено моделирование экспериментальной установки, получены экспериментальные данных о напряженно-деформированном состоянии (НДС) модели трубопроводного перехода и проведен анализ особенностей поведения при воздействии статической нагрузки.
Корректность поставленных экспериментов доказана отсутствием превышения абсолютных ошибок измерения как при определении перемещений, так и напряжений над абсолютной погрешностью используемых измерительных приборов.
Четвертая глава посвящена вопросу рационального проектирования балочных трубопроводных систем. Трубопроводы, проложенные над землей, представляют собою в статическом отношении многопролетные неразрезные балки и оказываются весьма чувствительными к просадке какой-либо из опор или просто к расположению опор не на одном уровне. На практике же нередки случаи смещения опор от проектного уровня. Эти вертикальные смещения опор приводят к появлению дополнительных изгибающих моментов, зависящих от величины смещения и жесткости трубы. Общая картина напряженного состояния трубопровода становится в этом случае существенно отличной от предполагаемой расчетной схемы. Поэтому принятие в процессе проектирования и сооружения расположения всех опор на одном уровне относительно друг друга указывает на необходимость уточнения существующих расчетных методик.
Анализ существующих конструкций надземных трубопроводных переходов и способов надземной прокладки отдельных участков
Повышение эффективности это проблема дальнейшего развития технического прогресса в области трубопроводного транспорта.
Для получения эффективного сооружения, необходимо руководствоваться как новейшими методами расчета и проектирования, так и прогрессивными нормами. Этого можно достигнуть на основе следующих признанных теоретико-конструктивных принципов проектирования [59]:
1) совмещение функций с учетом пространственной работы, направленное на более полную реализацию несущей способности всех элементов системы, а также улучшение эксплуатационных и строительных качеств сооружения;
2) компоновка пролетных строений с учетом пространственной работы, основанной на изучении особенностей взаимодействия элементов пространственных конструкций;
3) устойчивая прочность в упругопластической стадии, дающая возможность в максимальной степени использовать прочностные свойства материала и снизить материалоемкость, при обеспечении надежности.
Этими принципами устанавливается взаимосвязь между теорией расчета и конструктивными формами, и определяются пути получения эффективных сооружений. Их реализация возможна на основе теоретической базы с одновременным проведением соответствующих экспериментальных исследований.
Значительный вклад в развитие различных сторон рассматриваемой проблемы внесли работы институтов: ВНИИСТа, ВНИИГАЗа, проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР), РГУНГ им. И.М. Губкина; проектных организаций: Гипротрубопровод, ВНИПИтрансгаз, Нефтегазпроект. Вопросам проектирова ния, сооружения и эксплуатации надземных трубопроводных переходов посвящены работы Азметова Х.А., Айнбиндера А.Б., Бабина Л.А., Березина В.Л., Бо-родавкина П.П., Булгакова А.В., Быкова Л.И., Гольдштейна А.С., Гумерова А.Г., Казакевича М.И, Камерштейна А.Г., Кантемирова И.Ф., Киреенко В.И., Лунева Л.А., Папаценко Х.И., Перуна И.В., Петрова И.П., Спиридонова В.В., Тартаковского Г.А., Харионовского В.В., Шувалова В.Ю., Ясина Э.М. и др.[ 10,14,19,22,27,28,29,44,46,61,62,63,69,82,91,93,94,117,122,127,131 ]. Ниже представлен краткий обзор отечественного и зарубежного опыта строительства надземных систем трубопроводов. Наиболее распространенные схемы надземной прокладки магистральных трубопроводов нами выделены в табл. 1.1.
Одной из основных работ, посвященных надземным трубопроводным переходам, является монография «Надземная прокладка трубопроводов» [99] в которой достаточно подробно описаны различные конструктивные схемы надземных трубопроводов, методики их расчета и рекомендации по их проектированию и сооружению.
Как известно, в условиях многолетнемерзлых грунтов надземная прокладка является основным способом строительства трубопроводов, и в этом случае применяют простейшую систему, в которой трубопровод работает как неразрезная балка — балочная система прокладки [18,62].
Монография Г.А. Тартаковского [122] посвящена, преимущественно, вопросам проектирования балочных систем трубопроводов и систем в виде «провисающей нити». Представляют интерес выводы сделанные автором. После теоретического рассмотрения работы трубопроводов балочного типа он предложил следующее. При сооружении многопролетной балочной системы рационально устанавливать неравные, чередующиеся по величине, пролеты с оптимальным между ними соотношением, обеспечивающим минимальную величину расчетного изгибающего момента, а также положение, при котором прогибы в соседних пролетах имеют разные знаки (рис. 1.1). Все это позволяет, по мнению автора, получить наиболее простую компенсацию температурных дефор маций. Такое устройство исключает необходимость в специальных компенсаторах или искусственном расположении оси трубопровода в плане в виде «змейки», тем самым упрощает и удешевляет сооружение трубопровода балочного типа. Рис. 1.2. Участок надземной прокладки трубопровода в плане в виде «змейки»: 1-неподвижная опора; 2- трубопровод; 3-промежуточные опоры
При балочной системе прокладки обычно предусматриваются специальные компенсаторы продольных перемещений, вызванных изменением температуры и внутреннего давления. В этой связи, следует отметить разработанный А.В. Булгаковым способ прокладки трубопровода в виде «змейки» в плане, рис. 1.2 [28]. В этом случае продольные перемещения компенсируются за счет смещения вершин «змейки» и поперечного перемещения трубопровода на подвижных опорах и поэтому здесь нет необходимости в устройстве компенсаторов. С другой стороны, данный способ надземной прокладки имеет тот недостаток, что из-за поперечных перемещений трубопровода приходится предусматривать довольно широкие опоры, особенно в вершинах полуволн, несмотря на это, не исключается возможность схода трубы с опоры, что может привести к аварийной ситуации.
Обоснование возможности применения предлагаемой конструкции надземного трубопроводного перехода
Опыт проектирования и строительства воздушных переходов больших пролетов, в частности, на нефтепроводе «Дружба» [44] в условиях горных рек с сильно размываемым руслом, показал их преимущества по сравнению с траншейным способом прокладки. Условия эксплуатации трубопровода на воздушных переходах более благоприятны, чем при заглубленном способе, к тому же трубы доступны для профилактического осмотра и окраски. Таким образом, в случае, когда подземная прокладка неприемлема, надежность магистрального трубопровода будет зависеть от обоснованности выбора той или иной схемы воздушного перехода.
На основе обобщения публикаций, посвященных надземным трубопроводным переходам, предлагается конструкция трубопроводного балочного перехода с поддерживающим элементом рабочего трубопровода в виде фермы.
Трубопроводный переход (рис.2.1), опирающийся на концевые опоры 2 и 4 содержит поддерживающий элемент в виде фермы 3, внутри которой размещается трубопровод 1. Ферма может иметь прямоугольное поперечное сечение (рис.2.1 а) либо сечение в виде равнобедренного треугольника (рис.2.1 б).
Нагрузка от транспортируемого продукта в трубопроводе 1 воспринимается опорными узлами фермы 3 и посредством ее общей работы передается на шарнирно-подвижную 2 и шарнирно-неподвижную 4 концевые опоры перехода.
Данный трубопроводный переход дает возможность увеличить перекрываемый пролет в 2-3 раза без устройства промежуточных опор и специальных ветровых систем. Конструкция трубопроводного перехода может предусматривать наличие эксплуатационного мостика, что в свою очередь дает возможность осмотра и обслуживания трубопровода.
Экономичность конструкций является одним из основных требований проектирования надземных переходов трубопроводов. Ниже будет рассматриваться не вся проблема экономичности, а только вариант ее выявления для различных поддерживающих элементов рабочего трубопровода на стадии эскизного проектирования надземных трубопроводных переходов.
Несмотря на множество конструктивных форм существующих ныне надземных трубопроводных переходов, структура их стоимости отличается определенной стабильностью. Так, соотношение затрат на создание конструкций примерно следующее [124]: проектирование 2-3%; сталь и другие материалы 63-73%; изготовление 16-22%; транспортирование 3-7%; монтаж 5-20%.
Из приведенной структуры затрат видно, что основная часть приходиться на материалы, поэтому снижение их расходов является одним из важных условий выбора рациональной конструкции.
Для обоснования целесообразности использования предлагаемой конструкции трубопроводного перехода нами выполнена оценка его материалоемкости путем сравнения безразмерных коэффициентов, выражающих отношение погонного веса перехода к погонным действующим нагрузкам [82,83]:
Сравнивались наиболее распространенные трубопроводные переходы, имеющие один диапазон перекрываемых пролетов. Показатели материалоемкости для гибкого висячего перехода, вантовых переходов с горизонтальной стяжкой и двумя вертикальными подвесками вычислены по формулам, полученным Л.А. Луневым [83] и представлены в табл. 2.1.
Материалоемкость надземных трубопроводных переходов определяли при следующих принятых параметрах: длина перекрываемого пролета =108 м, расчетное сопротивление материала тросов Rf=700 МПа, расчетное сопротивление материала пилонов /?,/=200МПа, плотность стали 7850 кг/м3, конструктивный коэффициент цгт, для тросовых элементов принимаем равным 1,3 [65,66], конструктивный коэффициент у/п, для пилонов принимаем равным 1,6 [65,66], коэффициент продольного изгиба р = 0,7, величина отношения 1//=10, диаметр рабочего трубопровода 1020 мм.
Как можно видеть из табл.2.1, предлагаемая нами конструкция надземного трубопроводного перехода занимает по материалоемкости промежуточное положение между гибким висячим трубопроводным переходом и вантовым трубопроводным переходом с горизонтальной стяжкой.
Необходимо заметить, что хотя вантовые переходы с горизонтальной стяжкой и двумя подвесками имеют меньшие показатели материалоемкости, они обладают малой вертикальной и горизонтальной жесткостью, и для ее увеличения обычно устраивают специальную ветровую систему, которая, безусловно, повысит материалоемкость конструкции. Для предложенного перехода нет необходимости принятия дополнительных мер по увеличению его жесткости.
Безразмерные показатели материалоемкости поддерживающих элементов некоторых надземных трубопроводных переходов позволяют на уровне эскизного проектирования оценить степень рациональности их конструкций. Окончательный выбор схемы перехода, очевидно, будет зависеть от конкретных параметров и условий эксплуатации.
Моделирование надземного перехода трубопровода диаметром 1020 мм
Экспериментальные исследования НДС трубопроводных переходов проводились в лаборатории кафедры «Сопротивление материалов и строительная механика» Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Определение необходимого количества измерений из условия уменьшения случайной ошибки до доверительного интервала с заданной надежностью выполнялось согласно рекомендациям [39,56,76,107]. Было принято необходимое количество опытов равным не менее 15.
В качестве данных о напряженно-деформированном состоянии на первой модели измерялись прогибы трубопровода и возникающие в нем напряжения в трех сечениях, и напряжения в поясах поддерживающей фермы в середине пролета. В процессе проведения опытов на второй модели регистрировались перемещения трубопровода в трех сечениях.
На рис.3.2 изображена схема экспериментальной модели перехода трубопровода диаметром 1020 мм с указанием определяющих размеров, показано расположение тензодатчиков сопротивления и индикаторов перемещений по сечениям трубопровода и поддерживающей фермы. Аналогичная схема экспериментальной модели перехода трубопровода диаметром 530 мм изображена на рис.3.3.
Прогибы трубопровода в моделях регистрировались индикаторами перемещений часового типа (ИЧ 10 МН) 2 первого класса точности с пределом измерения 10 мм, которые были установлены на специальных кронштейнах в зонах рассматриваемых сечений трубопровода.
Для измерения напряжений применялись проволочные тензодатчики 6 на бумажной основе [105], наклеенные вдоль верхней и нижней образующей стержней моделирующих трубопровод 1 и пояса фермы 3. Кроме этого были наклеены два компенсационных датчика с теми же параметрами, что и рабочие. Технология наклейки датчиков осуществлялась по рекомендациям завода-поставщика. Напряжения вычисляли путем перемножения разности величин относительной деформации тензодатчика, по показаниям цифрового измерителя деформаций (ИДЦ- 1) 4, на модуль Юнга. сгд=(Пх-П2).Е, (3.18) где ад -действующие напряжения, МПа; Я,, П2 - начальный и конечный отчеты по прибору ИДЦ, единицы относительной деформации (еод); Е - модуль Юнга, МПа.
Согласно техническому описанию диапазон измеряемых деформаций прибора составляет от 0 до 19990 еод. Цена одной единицы показаний прибора равна 10 еод. Абсолютная погрешность измерителя деформаций ИДЦ-1 определяется половиной цены деления и равна 5 еод.
С целью исключения возможных погрешностей измерений связанных с деформацией основания модель трубопроводного перехода крепилась на станине из двух перфорированных швеллеров №6 длиной 2,5 м каждый.
В качестве поперечной нагрузки использовались подвесные тарированные грузы 5, которые подвешивались к стержню трубопровода в точках опоры на ферму.
Затем выполнялась статистическая обработка данных эксперимента заключающаяся в выявлении сомнительных значений, вычислении среднеквадра-тических отклонений, средних арифметических значений прогибов и напряжений и их доверительных интервалов.
При неоднократных измерениях какой-либо величины отдельные измерения могут значительно отличаться от остальных измерений. Такие измерения должны подвергаться анализу, дающему право их оставить или отсеять как брак [56].
Покажем порядок исключения промахов на примере данных полученных после испытания первой модели. В табл. 3.1 сведены необработанные данные по прогибам трубопровода и данные по относительной деформации при расчетной нагрузке. Они же представлены в виде диаграмм (рис.3.4 и 3.5), на которых можно визуально оценить наличие резко выделяющихся значений (промахов). Грубой ошибкой или промахом будем считать какое-либо измерение, вероятность случайного появления которого в данном ряду измерений составляет менее 5%. Однако принять решение о признании того или иного замера промахом возможно лишь после проверки. Как правило, при малом объеме выборки п 25 для проверки может применяться метод вычисления максимального относительного отклонения.
Влияние смещения опор в вертикальной плоскости на напряженное состояние балочных систем трубопроводов
В практике проектирования и строительства линейной части магистральных трубопроводов при пересечении естественных и искусственных препятствий довольно широко используются различные хмногопролетные балочные системы. В качестве примера можно привести воздушный переход газопровода Челябинск - Петровск диаметром 1420 мм через реку Юрюзань. Суммарная длина перехода вместе с поймой реки составила 540 м. Переход имеет 12 пролетов по 45 м каждый. В условиях же Крайнего Севера прокладка на опорах — основной способ строительства трубопроводов, так как он обеспечивает сохранность многолетнемерзлых грунтов, предотвращает техногенные процессы, нарушение тундрового покрова и удовлетворяет требованиям охраны окружающей среды [99]. Основным достоинством балочных трубопроводных переходов является простота их конструкции.
Как отмечалось в главе 1, расчетная схема балочных переходов представляется в виде балки кольцевого сечения на шарнирных опорах. Сотрудниками ВНИИСТа И.П. Петровым и В.В. Спиридоновым в своей монографии [99] подробно освещен статический расчет таких переходов. В развитие расчета балочных трубопроводных систем Г.А. Тартаковский и Л.А. Лунев в работах [83,122] предлагают дополнительно учитывать передачу изгибающих моментов на компенсаторы от нагрузки в пролетах и влияние компенсаторов на защемленность трубопровода. В своей книге «Магистральные трубопроводы в горных условиях» [93] И.В. Перун предлагает расчет балочных трубопроводных переходов вести также с учетом прилегающих подземных участков, поскольку они существенно влияют на устойчивость надземной части.
Трубопроводы, проложенные над землей, представляют собою в статическом отношении многопролетные неразрезные балки и как всякие статически неопределимые системы оказываются весьма чувствительными к просадке какой-либо из опор или просто к расположению опор не на одном уровне. На практике же нередки случаи смещения опор от проектного уровня, что может быть вызвано, например, несовершенством процесса строительства или условиями строительства (просадка опор на заболоченной местности, выпучивание опор при смерзании грунта в районах многолетней мерзлоты). Эти вертикальные смещения опор приводят к появлению дополнительных изгибающих моментов, зависящих от величины смещения и жесткости трубы. Общая картина напряженного состояния трубопровода становится в этом случае существенно отличной от предполагаемой расчетной схемы. Поэтому принятие в процессе проектирования и сооружения расположения всех опор на одном уровне относительно друг друга указывает на необходимость совершенствования существующей расчетной методики.
ЯМ. Лихтарниковым, В.В. Бирюлевым, М.Н. Лащенко и другими и исследователями, занимающимися изучением напряженно - деформированного состояния различных металлических конструкций и мостов [21,23,24,79,85] установлено, что одним из основных способов создания предварительного напряжения в неразрезных балках и фермах с целью повышения их эффективности является изменение высотного положения опор. В результате перемещения опор по вертикали искусственно создаются дополнительные изгибающие моменты, которые складываются с моментами в расчетных сечениях, и этим изменяют их в нужном направлении. Перемещение опор в неразрезных конструкциях, как способ регулирования напряжений, широко применяется в практике возведения мостов [43,77]. Все это позволило перенести опыт регулирования напряжений в металлических конструкциях для использования при проектировании надземных балочных переходов трубопроводов.
Мощным научным инструментом в процессе разработки новых промышленных образцов продукции являются методы математического моделирования на ЭВМ. Они позволяют сократить сроки и затраты на разработку новых видов изделий высокой наукоемкости, модернизировать ранее разработанные конструкции. Кроме того, математические методы в условиях адекватности моделей к реальным процессам исследований дают правильное представление о явлениях, определяющих обеспечение высоких технических характеристик изделий, что позволяет целенаправленно проводить мероприятия по повышению их качества и надежности. Деятельность по проведению расчетов, обработке и интерпретации их результатов с применением численных методов и профаммных комплексов, реализованных на ЭВМ можно рассматривать как аналог реального физического эксперимента в лаборатории [102].
Напряженное состояние балочного перехода
На примере двухпролетного балочного перехода трубопровода 1020x10 мм (рис. 4.1) разберем подробнее влияние вертикального перемещения опор на его напряженное состояние. Расчетная нафузка включала в себя вес трубы и вес перекачиваемого продукта (нефти) ?=9,2 кН/м. Материал трубы - сталь 17Г1С. Длина основного пролета определена по методике [62] из условия прочности рабочего трубопровода и равна L-36 м. Кроме этого назначались длина консолей а и вылет компенсатора 1к. По этим исходным данным строилась стержневая конечно-элементная модель перехода.
