Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий эксплуатации и методов расчета на прочность подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок 7
1.1 Анализ условий эксплуатации подземных переходов трубопроводов через автомобильные и железные дороги 7
1.2 Анализ действия наземных нагрузок на подземный трубопровод 13
1.3 Анализ методов расчета на прочность подземных трубопроводов на участке действия наземных нагрузок 3 5
Выводы по главе 1 42
2 Исследование напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов под действием наземных нагрузок 44
2.1 Напряжения и перемещения подземного трубопровода под действием наземной нагрузки 45
2.2 Исследование влияния начальных искривлений трубопровода на прогиб и напряжения 71
2.3 Напряжения и перемещения подземного трубопровода при небольших глубинах его заложения 91
2.3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния подземного трубопровода при малой глубине его заложения под действием наземной сосредоточенной нагрузки 91
2.3.2 Расчет трубопровода с учетом начального искривления при действии наземной сосредоточенной нагрузки 100
2.3.3 Напряжения и перемещения трубопровода при небольших глубинах его заложения и действии наземной распределенной нагрузки 113
2.3.4 Исследование напряженно-деформированного состояния трубопровода при действии наземной распределенной нагрузки и наличии начальной кривизны оси трубопровода 141
2.4 Напряженно-деформированное состояние трубопроводов больших диаметров под действием наземной нагрузки 161
Выводы по главе 2 166
3 Исследование зависимости перемещений трубопровода от продольных усилий 168
3.1 Анализ закономерностей изменения продольных усилий в трубопроводе при его перемещениях 168
3.2 Исследование зависимости между продольными усилиями и прогибом трубопровода 170
Выводы по главе 3 198
4 Разработка методов проектирования подземных трубопроводов, находящихся под действием наземной нагрузки 199
4.1 Расчет напряжений и прогиба трубопровода под действием наземной нагрузки 199
4.2 Методы проектирования подземных трубопроводов, находящихся под действием наземной нагрузки 206
Выводы по главе 4 209
Основные выводы и рекомендации 211
Список использованной литературы
- Анализ условий эксплуатации подземных переходов трубопроводов через автомобильные и железные дороги
- Анализ методов расчета на прочность подземных трубопроводов на участке действия наземных нагрузок
- Напряжения и перемещения подземного трубопровода под действием наземной нагрузки
- Расчет напряжений и прогиба трубопровода под действием наземной нагрузки
Введение к работе
Основными требованиями, предъявляемыми к подземным трубопроводам, являются высокая надежность, экологическая безопасность и эффективность эксплуатации. Эти показатели зависят от качества проектирования и строительства трубопроводов. При эксплуатации важным является обеспечение воздействий и нагрузок на трубопровод на уровне, не превышающем нормативный.
Исследованиями В.Л. Березина, А.Г. Гумерова, П.П. Бородавкина, Э.М. Ясина, О.М. Иванцова, A.M. Шаммазова, Н.А. Малюшина, Л.И. Быкова, Р.С. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, К.М. Гумерова, Х.А. Азметова и других ученых созданы научные основы и определены эффективные пути обеспечения надежности трубопроводных систем при их проектировании, строительстве и эксплуатации. Вместе с тем в результате антропогенной деятельности и изменения ситуации в местах прокладки подземных трубопроводов принятые в годы их сооружения конструктивные решения зачастую не отвечают современным требованиям надежности и безопасности. Специфика указанных изменений обусловлена, прежде всего, возникновением значительных дополнительных нагрузок на подземные трубопроводы от транспортной техники и всевозможного тяжелого наземного оборудования.
Под действием наземной нагрузки в зоне ее влияния происходит изгиб трубопровода, что приводит к появлению в стенке труб напряжений изгиба, в ряде случаев превышающих нормативные значения. В трубопроводах больших диаметров с отношениями толщины стенки к радиусу менее 1/30 под действием наземной нагрузки возможны чрезмерные деформации поперечного сечения трубы и образование гофров в сжатой зоне при изгибе. По результатам анализа методов проектирования подземных трубопроводов и в связи с необходимостью обеспечения их высокой надежности и безопасности при эксплуатации проблема совершенствования методов проектирования
5 подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок является весьма актуальной.
Цель работы - совершенствование методов расчета на прочность и проектирования подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
Анализ условий эксплуатации подземных переходов трубопроводов через автомобильные и железные дороги
Трубопроводы являются линейно-протяженными сооружениями. Диаметры трубопроводов достигают 1420 мм. По трубопроводам перекачиваются жидкие и газообразные продукты, в т.ч. продукты, вредные для окружающей среды. В ряде трубопроводов внутреннее давление продукта достигает 10,0 МПа и более. Температура перекачиваемого продукта в зависимости от его свойств может иметь разные значения, достигающие 80 С.
В зависимости от разности температур при сооружении и эксплуатации в трубопроводах возникают достаточно высокие сжимающие или растягивающие продольные усилия. Основной конструктивной схемой укладки трубопроводов является подземная. Трубопроводы прокладываются в самых разнообразных топографических, геологических, гидрогеологических и климатических условиях. Они пересекают значительное количество железных и автомобильных дорог. Трубопроводы укладываются также под проездами, на территориях заводов и других промышленных предприятий.
В последние годы интенсивно развивается сеть газопроводов в сельских населенных пунктах. Имеется большая сеть промысловых трубопроводов в подземном исполнении, часто пересекающих автомобильные дороги без специальных покрытий, по которым движется тяжелая колесная и гусеничная транспортная техника. Значительная часть работ по техническому обслуживанию и ремонту подземных трубопроводов выполняется с их вскрытием экскаваторами. Так или иначе, при выполнении работ по техническому обслуживанию и ремонту тяжелая ремонтная техника переезжает подземный трубопровод.
Подземные переходы магистральных трубопроводов через категорийные автомобильные дороги, согласно СНиП 2.05.06-85 [72], относятся к участкам магистральных трубопроводов первой или второй категории и сооружаются из труб с увеличенной толщиной стенки с целью обеспечения их прочности и надежности. Участки трубопроводов, прокладываемых на переходах через железные и автомобильные дороги всех категорий с усовершенствованным покрытием капитального и облегченного типов, должны предусматриваться в защитном футляре (кожухе) из стальных труб или в тоннеле, диаметры которых определяются условием производства работ и конструкцией переходов и должны быть больше наружного диаметра трубопровода не менее чем на 200 мм.
Несмотря на это иногда возникают проблемы обеспечения прочности трубопроводов на указанных переходах в связи с появлением высоких напряжений, превышающих нормативное. Появление высоких напряжений связано с увеличением масс транспортных средств по сравнению с данными, заложенными при проектировании трубопровода, и сооружением новых дорог, пересекающих действующие магистральные трубопроводы, которые не учитывались на стадиях проектирования и строительства. Во всех указанных случаях требуется оценка прочности подземного трубопровода с учетом действия не учтенных при проектировании наземных нагрузок.
Аварии на магистральных трубопроводах по причине воздействия наземной нагрузки учитываются совместно с другими аналогичными причинами как внешнее воздействие.
В таблице 1.1, по данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ, представлено распределение аварий по причине внешних воздействий за период 1996...2005 гг. на магистральных газо-, нефте- и продуктопроводах.
Значительную долю аварий составляют аварии по причине чрезмерно высоких воздействий на трубопровод наземных нагрузок. Высокие наземные нагрузки сразу же в момент их действия не всегда могут привести к авариям. Но они приводят к разрушению наружного защитного покрытия от коррозии, к нарушению формы круглого поперечного сечения трубопровода (его сужению) и образованию гофров в сжатой зоне при изгибе трубопровода с появлением остаточных пластических деформаций. В зонах нарушения формы круглого поперечного сечения и образования гофров под действием внутреннего давления возникают локальные повышенные кольцевые и продольные напряжения, которые могут привести к тяжелым последствиям. Указанные сужения и гофры, препятствующие прохождению внутритрубных очистных и диагностических средств, при превышении определенных величин подлежат удалению, что связано с большими затратами.
Имеется ряд работ, направленных на снижение действия наземной нагрузки на трубопровод.
В работе [20] предлагается путем дополнительных инженерных решений снизить напряжения в стенке трубопровода и повысить безопасность перехода трубопровода через автомобильную дорогу. При этом наряду с другими мерами рекомендуется защитный футляр размещать на жесткой постели, а также обеспечить передачу нагрузки от внутреннего давления в трубопроводе на футляр.
Анализ методов расчета на прочность подземных трубопроводов на участке действия наземных нагрузок
В соответствии с требованиями СНиП 2.05.06-85 ; максимальные суммарные продольные напряжения а „ определяются от всех нормативных нагрузок и воздействий с учетом поперечных и продольных перемещений трубопровода.
В частности, для прямолинейных и упругоизогнутых участков трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений трубопровода, просадок и пучения грунта максимальные суммарные продольные напряжения от нормативных нагрузок и воздействий - внутреннего давления, температурного перепада и упругого изгиба aL, - определяются по формуле ED о пр=№щ-аШ± — (L26)
В указанных строительных нормах и правилах расчетные формулы для определения 5пПр с учетом поперечных (прогиба) и продольных перемещений подземного трубопровода, в т.ч. на участках его пересечения с автомобильными и железными дорогами, не представлены.
На прочность подземных трубопроводов, находящихся под действием наземной нагрузки, влияют продольные напряжения от внутреннего давления и температурного перепада. Продольные напряжения от внутреннего давления: np.pe=V n, (I-27) 28 где / e - внутреннее давление в трубопроводе; D - наружный диаметр трубопровода; 5 - толщина стенки труб; р. - коэффициент Пуассона материала труб. Продольные напряжения от температурного перепада: nPAt=atEAt О-28) где at - коэффициент линейного расширения материала труб (для стали сс,= 12-Ю"6), 1/град; Е - модуль упругости материала труб; F - площадь стенки поперечного сечения трубы; At - температурный перепад.
Температурный перепад следует принимать равным разнице между максимально или минимально возможной температурой стенок в процессе эксплуатации и наименьшей или наибольшей температурой, при которой фиксируется расчетная схема трубопровода: свариваются захлесты, привариваются компенсаторы, производится засыпка трубопровода и т.п., т.е. когда фиксируется статически неопределимая система.
Трубопроводы сооружаются при положительной и отрицательной температурах воздуха. Перекачиваемые по трубопроводу продукты могут иметь температуру до 80 С. В связи с этим температурный перепад меняется в широких пределах. В настоящее время сооружаются трубопроводы для перекачки продукта при давлениях до 10,0 МПа и более.
Практика эксплуатации магистральных трубопроводов показывает, что тонкостенные трубы теряют устойчивость при изгибе с образованием вмятин в сжатой зоне. Поэтому в зоне, где апр 0, следует производить проверку устойчивости стенки трубы.
Проверка устойчивости стенки трубы производится из условия апр такр, (1.29) где сКр - критическое напряжение, при котором происходит выпучивание стенки трубы, определяемое по формуле [80]: а р={ъй+0 5) - (1-30)
При исследовании напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов используется величина сопротивления продольным перемещениям трубопровода единичной длиныргр. Для определения/? имеется ряд формул.
В работе [5] для определения приведена следующая формула: Ргр =n,p[qTtgq + 2yCHnD2tg(p + 0,6nDC\, (1.31) где пгр - коэффициент перегрузки для грунта; qT вес трубопровода с перекачиваемым продуктом; у- объемный вес грунта засыпки над трубопроводом; Ф - угол внутреннего трения грунта; С„- коэффициент, учитывающий образование свода естественного равновесия, определяемый в зависимости от относительной глубины заложения TJ трубопровода — (Нв- высота засыпки над верхней образующей трубы); С - сцепление грунта.
При определении сопротивления грунта поперечным перемещениям трубопровода (перпендикулярно его продольной оси) единичной длины широко используется формула q = k0vD, (1.32) где к0- коэффициент постели грунта при сжатии или коэффициент пропорциональности при сжатии грунтового основания; v - поперечное перемещение трубопровода.
Напряжения и перемещения подземного трубопровода под действием наземной нагрузки
Рассмотрим изгиб трубопровода под действием наземной нагрузки и определим возникающие при этом напряжения в стенке трубопровода и его прогиб [4, 32-34]. На рисунке 2.1 представлена расчетная схема.
При анализе напряженно-деформированного состояния трубопровода учтем тот факт, что изгиб трубопровода приводит также к возникновению дополнительных продольных растягивающих усилий. Суммарные продольные усилия в равновесном состоянии трубопровода после его прогиба зависят от начального продольного усилия, возникающего из-за разности температур металла трубопровода при сооружении и эксплуатации, внутреннего давления перекачиваемого продукта, величины прогиба трубопровода и продольных перемещений участков, прилегающих к нагруженному участку. В зависимости от значений начального продольного усилия и прогиба трубопровода суммарные продольные усилия могут быть растягивающими, сжимающими и равными нулю. Проведем исследования всех этих возможных вариантов. Следует отметить, что в зависимости от знака суммарного продольного усилия N расчетные формулы будут различными. Кроме того, в зависимости от соотношения между величинами N и (4kQDEj) расчетные формулы также различны. Здесь Е - модуль упругости металла трубы; J -момент инерции сечения трубопровода.
Дифференциальное уравнение упругой линии трубопровода, изогнутого под действием наземной нагрузки, для случая растягивающих продольных усилий, в соответствии с [83], примем в виде EJv1V -Nv11 +k0Dv = q(x), (2.1) где v - прогиб трубопровода; q(x) - распределенное усилие, действующее на трубопровод от наземной нагрузки; v11 и vIV - вторая и четвертая производные v по оси х.
При выводе формул для определения изгибающего момента и прогиба трубопровода, используя условие симметрии, рассмотрим часть участка трубопровода в одну сторону от середины загруженного участка. Тогда в качестве граничных условий имеем
Определим постоянные Сі, Сг, Сз, С4 . В точках, бесконечно удаленных от загруженного участка трубопровода, прогиб трубопровода и v равны нулю. Так как при положительных х функции е {Х и е 2Х продолжают возрастать при возрастании х, то произвольные постоянные Сі и Сз уравнения (2.3), чтобы удовлетворить условию на конце при JC = со, должны быть равны нулю. Используя кроме этого граничные условия при х = 0, определены Сг и С4:
Безразмерные параметры X, A,j, А, 2, otj, (3, присутствующие в формулах для вычисления со и v, определяются в зависимости от величин а и к. Величины а и к характеризуют исходные данные, включающие вид наземной нагрузки, геометрические характеристики трубопровода, глубины его заложения и значения действующего в нем суммарного продольного усилия. Для конкретно рассматриваемого подземного трубопровода с заданной наземной нагрузкой параметр к характеризует упругие свойства грунта, а параметр а -суммарные продольные усилия в трубопроводе после его изгиба в равновесном состоянии. Геометрические характеристики труб, значения продольных усилий N и коэффициент ко меняются в широких пределах, и поэтому параметры а и к могут иметь различные значения по величине.
Проведем анализ зависимости параметров v и со от параметров а и к. Отметим, что с учетом принятых условных обозначений условия N (4k0DEJ)0 5, N = (4k0DEjf 5 и N (4k0DEj)0,5 могут быть записаны как а 24к,а = 24к иа 24к.
На рисунке 2.2 представлены зависимости между безразмерными параметрами v и а при различных к и а 2ык. Как видно из рисунка 2.2 и как показали выполненные нами расчеты, большим значениям v соответствуют меньшие значения а. Так, например, для к = 0,1-Ю"4 при v = 965,0 имеем а = 0,1, а при v = 440,0 параметр а = 0,5. Характерно, что с уменьшением к взаимное влияние параметров v и а становится более существенным. Так, например, для к = 10,0-10" значению а = 0,1 соответствует v = 70,0, а при а = 0,5 имеем v = 41,0 , т.е. с увеличением параметра v на 29,0 а уменьшается на 0,4. А для к = 0,01-10"4 увеличение параметра v на 1680,0 приводит к уменьшению ос на 0,4.
Расчет напряжений и прогиба трубопровода под действием наземной нагрузки
Анализ условий эксплуатации и методов расчета на прочность подземных трубопроводов на участках действия наземных нагрузок, результаты наших исследований позволяют разработать методы расчета на прочность и проектирования подземных трубопроводов на пересечениях с дорогами, переездах и тому подобных случаях, когда давление грунта непосредственно воспринимается трубопроводом. Под действием наземной нагрузки происходит изгиб трубопровода. Изгиб трубопровода сопровождается его поперечными (прогибом) и продольными перемещениями. Полученные нами аналитические зависимости позволяют определить напряжения изгиба в трубопроводе с учетом указанных факторов. Разработанная нами методика является дополнением к п. 8.27 СНиП 2.05.06-85 [72], где указывается, что максимальные суммарные продольные напряжения определяются от всех нормативных нагрузок и воздействий с учетом поперечных и продольных перемещений трубопровода.
Порядок расчета трубопровода на прочность следующий [23,24,25]: - устанавливаются исходные значения нагрузок и воздействий (рв, At, qo, ргр, р), характеристики трубопровода (Д 3, J, W, F, Е, К , qTp) и его укладки (Нв, р), свойства грунта (угр, Сгр, р, С„, к0); - вычисляются величины, не зависящие от перемещений трубопровода (N0,pip,a,a1,k,.$Q,k1); - вычисляются параметры, относящиеся к прогибу трубопровода (а, а , v,w); - вычисляются изгибающий момент М, прогиб v, напряжения изгиба тя, суммарные продольные напряжения спр; - производится проверка прочности трубопровода в продольном направлении согласно строительным нормам и правилам; тонкостенные трубы, кроме того, проверяются по (1.32) на устойчивость стенки трубы.
Напряжения изгиба от действия наземной нагрузки определяются по формуле аи = ±—, где W- момент сопротивления поперечного сечения тру-W N бопровода. Продольное напряжение от действия усилия N адг = ±—, где F F площадь поперечного сечения стенки трубы. Если усилия N растягивающие, берется знак «плюс», а если сжимающие - знак «минус». Продольное напряжение от внутреннего давления ал„„ определяется по (1.27). Продольные напряжения от изгиба по рельефу местности определяются по формуле пр.р -— Тогда суммарные продольные напряжения будут Н»р=аир.Рв ±GN±{ M + Vp)- (4-0 Рассмотрим некоторые конкретные примеры и проведем их анализ. Расчеты проводятся по формулам, которые соответствуют рассчитываемому переходу трубопровода через дороги, виду наземной нагрузки.
На рисунке 4.1 даны зависимости напряжений изгиба от коэффициента постели грунта на сжатие при глубине заложения трубопроводов 80 см и действии одной сосредоточенной наземной нагрузки.
Рассмотрены трубопроводы 0 219x8 мм и 0 325x9 мм и различные значения усилия #о, воспринимаемого трубопроводами от наземной нагрузки, и случай, когда суммарные продольные усилия равны нулю. Как видно из рисунка 4.1, увеличение коэффициента постели грунта на сжатие к$, т.е. увеличение сопротивления грунта прогибу трубопровода, приводит к снижению напряжений изгиба си.
Причем в области относительно меньших значений к0 его увеличение приводит к более существенному снижению напряжений изгиба, а в области больших к0 влияние изменения этого коэффициента снижается. Так, например, для трубопровода 0219x8 мм при q0= 5,0 кгс/см, к0= 0,005 кгс/см3 напряжения изгиба стя= 26,9 МПа, а при том же значении q0 и к0= 0,01 кгс/см3, т.е. при увеличении к0 на 0,005 кгс/см3, имеем аи= 21,7 МПа, т.е. напряжения изгиба уменьшились в 1,2 раза. Такое снижение напряжения в 1,2 раза происходит также при увеличении к0 от 0,5 до 1,0 кгс/см3, т.е. при его увеличении на 0,5 кгс/см3.
Увеличение значения q0 приводит к росту напряжений изгиба. Такая закономерность представляет, прежде всего, интерес с точки зрения количественных характеристик этого роста и влияния возникающих напряжений на прочность трубопровода. В связи с этим характерным является то, что при больших значениях к0 увеличение q0 приводит к небольшому по значению росту напряжений, а в слабых грунтах с меньшими значениями к0, наоборот, тяжелые наземные нагрузки приведут к появлению значительных напряжений изгиба.
Эти факторы необходимо учитывать при работе в зоне подземных трубопроводов, засыпанных неуплотненным грунтом. С увеличением диаметров труб напряжения изгиба уменьшаются. Закономерности изменения этих напряжений в зависимости от свойств грунта, характеристик наземной нагрузки для всех диаметров трубопроводов одинаковы.
В таблицах 4.1 и 4.2 даны результаты расчета напряжений изгиба, суммарных продольных напряжений в трубопроводах 0 219x8 мм и 0 529x9 мм от изгибающего момента и продольных усилий, возникающих в результате действия одной сосредоточенной наземной нагрузки разных значений. Глубина заложения трубопровода 80 см до его верхней образующей. Трубопровод находится под воздействием отрицательного температурного перепада. Для анализа они взяты равными 25 С и 50 С.
