Расчет балластировки

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Балластировка трубопроводов- способ закрепления трубопроводов c помощью утяжеляющих грузов или бетонированием при прокладке их на заболоченных или обводнённых грунтах. Балластировкой трубопроводов  называется также сам процесс производства работ, связанных c установкой грузов и бетонированием труб. Утяжеляющие грузы - седловидные, шарнирные, c гибкими элементами и др. (рис.) - укладывают на трубы при сооружении трубопроводов c помощью трубоукладчика, болотного экскаватора, крана-амфибии, вертолёта. Для балластировки трубопровода бетонированием производят сплошное равномерное покрытие труб, осуществляемое часто на стационарной базе, или заполнение бетоном пространства между трубопроводом и внешним кожухом (конструкция типа "труба в трубе"). Балластировка трубопровода выполняется иногда при анкерном закреплении трубопроводов. 

 

 

 

 

1. Исходные данные.

Продукт перекачки: пр. газ;

Рабочее давление Р: 7.5 МПа;

Наружный диаметр D_н: 1220 мм;

Номинальная толщина стенки δ_н: 10;11;12;13;14;15;16

Марка стали: 08ГБЮ;

Временное сопротивление: МПа;

Предел текучести: R^н₂=σ_т = 350 МПа;

Коэффициент надежности по материалу К₁: 1,4;

Категория участка трубопровода: III;

Температурный перепад ∆t; ±50;

Угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости : 08  01 град, мин;

Кривизна изгиба: вогнутая;

Плотность воды с учетом растворенных в ней солей ; 1050 кг/м³;

Схема изоляции трубопровода: 2+2;

Тип изоляционной ленты и  обертки: Поликен;

Поверхностная скорость течения  V_пов: 2,5 м/с;

Кинематическая вязкость воды ; 1 мм²/с

Длина участка балластировки  L, м = 300 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Расчет толщины стенки.

Расчет толщины стенки газопровода ведется по методике, отраженной в разделе 8.22 СНиП 2.05.06-85*.

Расчетные сопротивления  растяжению (сжатию) R₁ и R₂ следует определять по формулам, МПа:

, (2.1)

, (2.2)

где  R₁^н = σ_вр – нормативное сопротивление растяжению металла трубы, МПа;

R₂^н = σ_пр – нормативное сопротивление сжатию металла трубы, МПа;

m – коэффициент условий работы трубопровода при расчете его на прочность, устойчивость и деформативность;

k₁, k₂ – коэффициенты надежности по материалу, принимаемые соответственно по табл.2.2 и 2.3 ;

k_н – коэффииент надежности по назначению трубопровода, принимаемый по табл. 2.4.

Согласно исходным данным рассматриваемый нефтепровод относится  к трубопроводу II категории.

Магистральные трубопроводы и их участки подразделяются на категории, требования к которым в зависимости  от условий работы, объема неразрушающего контроля сварных соединений и величины испытательного давления приведены  в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Категория трубопровода и его участка	Коэффициент условий работы трубопровода при расчете его на прочность, устойчивость и деформативность m	Количество монтажных сварных соединений, подлежащих контролю физическими методами, % от общего количества	Величина давления при испытании и продолжительность испытания трубопровода
1	2	3	4
В	0,60	Принимается по СНиП III-42-80
I	0,75
II	0,75
III	0,90
IV	0,90

 

Примечание. При испытании трубопровода для линейной его части допускается  повышение давления до величины, вызывающей напряжение в металле трубы до предела текучести с учетом минусового допуска на толщину стенки.

Принимаем значение коэффициента m = 0,90.

Значения остальных коэффициентов k₁, k₂ и k_н принимаем по табл. 2.2, 2.3 и 2.4 соответственно.

Таблица 2.2

Характеристика труб	Значение коэффициента надежности по материалу k1
1	2
1. Сварные из малоперлитной и бейнитной стали контролируемой прокатки и термически упрочненные трубы, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой под флюсом по сплошному технологическому шву, с минусовым допуском по толщине стенки не более 5% и прошедшие 100%-ный контроль на сплошность основного металла и сварных соединений неразрушающими методами	1,34
2. Сварные из нормализованной, термически упрочненной стали и стали контролируемой прокатки, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой под флюсом по сплошному технологическому шву и прошедшие 100%-ный контроль сварных соединений неразрушающими методами. Бесшовные из катаной или кованой заготовки, прошедшие 100%-ный контроль неразрушающими методами	1,40
3. Сварные из нормализованной и горячекатаной низколегированной стали, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой и прошедшие 100%-ный контроль сварных соединений неразрушающими методами	1,47
4. Сварные из горячекатаной низколегированной или углеродистой стали, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой или токами высокой частоты. Остальные бесшовные трубы	1,55

Примечание: Допускается применять коэффициенты 1,34 вместо 1,40; 1,4 вместо 1,47 и 1,47 вместо 1,55 для труб, изготовленных двухслойной сваркой под флюсом или электросваркой токами высокой частоты со стенками толщиной не более 12 мм при использовании специальной технологии производства, позволяющей получить качество труб, соответствующее данному коэффициенту k₁.

Таблица 2.3

Характеристика труб	Значение коэффициента надежности по материалу k2
1	2
Бесшовные из малоуглеродистых сталей	1,10
Прямошовные и спиральношовные сварные из малоуглеродистой стали и низколегированной стали с отношением	1,15
Сварные из высокопрочной стали  с отношением	1,20

 

Таблица 2.4

Условный диаметр трубопровода, мм	Значение коэффициента надежности по назначению трубопровода kн
	для газопроводов в зависимости  от внутреннего давления р			для нефтепроводов и нефтепродуктопроводов
	р £ 5,4 МПа р £ 55 кгс/см2	5,4 <р£ 7,4 МПа 55 < р £ 75 кгс/см2	7,4 < р £ 9,8 МПа 75 < р £ 100 кгс/см2
1	2	3	4	5
500 и менее	1,00	1,00	1,00	1,00
600-1000	1,00	1,00	1,05	1,00
1200	1,05	1,05	1,10	1,05
1400	1,05	1,10	1,15	-

Принимаем k₁ = 1,47, k₂ = 1,15 и k_н = 1,00.

Нормативные сопротивления  растяжению (сжатию) металла труб и  сварных соединений R₁^н и R₂^н  даны в исходных данных:

;

R^н₂=σ_т = 350 МПа;

 

 

 

Расчетную толщину стенки трубопровода d, следует определять по формуле, м:

, (2.3)

Определим минимально необходимую толщину стенки трубопровода по формуле (2.3):

 

 

Принимаем предварительное  значение толщины стенки проектируемого трубопровода по сортаменту δ_ном = 16 мм.

Внутренний диаметр трубопровода

, (2.4)

 

 

 

При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять из условия:

, (2.5)

где n – коэффициент надежности по нагрузке – внутреннему рабочему давлению в трубопроводе, принимаемый по табл. 13* СНиП 2.05.06-85*, n = 1,10;

p – рабочее (нормативное) давление, МПа;

D_н – наружный диаметр трубы, м;

y₁ – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб, определяемый по формуле:

, (2.6)

где  s_пр.N – продольное осевое сжимающее напряжение, МПа.

Продольные осевые напряжения s_пр.N определяются от расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы металла.

В частности, для прямолинейных  и упруго-изогнутых участков подземных  трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений, просадок и пучения грунта продольные осевые напряжения определяются по формуле:

, (2.7)

где a – коэффициент линейного расширения металла трубы, a = 0,000012 град^-1 = 1,212·10^-5 град^-1;

Е – переменный параметр упругости (модуль Юнга), Е = 206 000 МПа (2100 000 кгс/см²);

Dt – расчетный температурный перепад, принимаемый положительным при нагревании, °С;

n – коэффициент надежности по нагрузке – внутреннему рабочему давлению в трубопроводе, принимаемый по табл. 13* СНиП 2.05.06-85*,, n = 1,10;

m – переменный коэффициент поперечной деформации стали (коэффициент Пуассона), m = 0,3.

Согласно исходным данным, температурный перепад .

Рассчитаем продольное осевое сжимающее напряжение:

 

 

 

Коэффициент, учитывающий  двухосное напряженное состояние  труб

 

Тогда толщина стенки

 

 

Толщину стенки труб, определенную по формулам (2.3) и (2.5), следует принимать не менее , и не менее 4 мм — для труб условным диаметром свыше 200 мм.

; (2.8)

16мм > = 8.714 мм.

Следовательно, оба условия  выполняются.

При этом толщина стенки должна удовлетворять условию, чтобы величина давления р_и, была бы не менее величины рабочего (нормативного) давления.

Каждая труба должна проходить  на заводах-изготовителях испытания  гидростатическим давлением р_и (МПа), в течение не менее 20 с, величина которого должна быть не ниже давления, вызывающего в стенках труб кольцевое напряжение, равное 95 % нормативного предела текучести.

При величине испытательного давления, на заводе-изготовителе менее  требуемой должна быть гарантирована возможность доведения гидравлического испытания при строительстве до давления, вызывающего напряжение, равное 95 % нормативного предела текучести.

Величина р_и на заводе для всех типов труб должна определяться по величине нормативного предела текучести по формуле:

, (2.9)

где  d_мин – минимальная толщина стенки, мм;

R – расчетное значение напряжения, принимаемое равным 95 % R₂^н, МПа;

D_вн – внутренний диаметр трубы, мм.

Минимальную толщину стенки труб с наружным диаметром 1220 мм принимаем равной 12 мм.

 

 

Таким образом,   – условие выполняется.

 

3.Расчет геометрических  параметров трубы.

Приняв окончательно номинальную  толщину стенки трубы δ_Н, необходимо подсчитать геометрические параметры трубы:

R_СР – радиус срединной поверхности цилиндрической оболочки, м:

                             

                                  , (3.1)

                              

                              - отношение номинальной толщины стенки к радиусу срединной поверхности;

F_δ – площадь поперечного сечения стенки трубы, м²:

                        

                          , (3.2)

=2*3.14*0,586*0,016=0,588 м².

                    

J – осевой момент инерции поперечного сечения трубы при ее изгибе, м⁴:

 

                      , (3.3)

 

=3,14*0,586³*0,016=0,010

 

(E•J) – жесткость трубы на изгиб, Н•м². (3.4)

 

 

Приближенная формула (3.3) справедлива только для тонкостенных цилиндрических оболочек, у которых

0,016/0,586 = 0,0273 ≤ 1/20 = 0.5 условие выполняется.

 

4. Расчет параметров балластировки.

Под устойчивостью трубопровода будем понимать его способность сохранять прямолинейное или начальное упруго-искривленное положение на дне обводненной траншеи при выпуклом (вогнутом) рельефе местности при самой неблагоприятной комбинации силовых воздействий, стремящихся вывести его из этого положения.

Устойчивость положения (против всплытия) трубопроводов, прокладываемых на обводненных участках трассы, согласно п. 8.30* СНиП 2.05.06-85* следует проверять (в зависимости от условий строительства на данном участке) по условию:

, (19)

где Q_АКТ – суммарная расчетная нагрузка на трубопровод, действующая вверх (включая упругий отпор при прокладке свободным изгибом на выпуклом либо вогнутом рельефе), Н/м;

Q_ПАС – суммарная расчетная нагрузка, действующая вниз (включая собственный вес трубопровода), Н/м;

K_Н.В – коэффициент надежности устойчивого положения трубопровода против всплытия на обводненных участках трассы, принимаемый равным:

  - 1,05 для участков перехода  через болота Ι, ΙΙ и ΙΙΙ  типов по СНиП ΙΙΙ-42-80*, водоемы при отсутствии течения, пойменные участки рек за границами производства подводно-технических работ (ПТР), обводненные и периодически затопляемые участки в пределах ГВВ 1% обеспеченности;