Лекции по "Сейсмике"

В настоящее время  весьма широко проводятся исследования с целью создания вероятностной  методики расчета трубопрово¬дов на статические воздействия.. В дальнейшем в. качестве слу¬чайных нами приняты  кинематические элементы колебаний  час¬тиц грунта (перемещение, скорость, ускорение), для которых известны плотности распределения вероятностей и соответствую¬щие интегральные распределения. При построении распределений следует  использовать максимальные во времени  значения ука¬занных кинематических параметров.

Учет сейсмических воздействий рекомендуется производить, используя метод суперпозиции, т.е. путем добавления сейсми¬ческих  напряжений к напряжениям, вызванным  действием ста¬тических нагрузок (хотя условность такого подхода в случае возникновения пластических деформаций в трубопроводе оче¬видна) .

/При оценке  конкретных потерь в денежном  выражении из-за возможных аварий  следует рассматривать следующие  два типа аварий.

Тип I. Разрушение протяженных участков, требующих  демон¬тажа старой линии и строительства  новой. Общая стоимость вос¬становления  участка будет равна стоимости  участка единичной длины, умноженной на" протяженность перестраиваемого участ¬ка. В общую величину потерь будут входить стоимость потерь транспортируемого продукта (зависит  от объема подачи продук¬та и времени  до отключения поврежденного участка) и потери от простоя трубопровода (зависят также от подачи, времени  простоя трубопровода и стоимости  резервного запаса продукта, в том  числе воды, доставляемого другим путем, наличия дубли¬рующей трубопроводной сети и т.д.).

Тип И. Ремонт при  отсутствии разрывов трубопровода и  де¬формаций отдельных участков, стоимость которого определяет^ ся как некоторый процент от полной стоимости ремонтируемо¬го участка. В общую величину потерь могут  входить и потери от простоя трубопровода (см. тип I).

Как указывалось, далеко не все трубопроводы можно  рас¬сматривать как объекты с  чисто экономической ответственно¬стью. В связи с этим было предложено вводить повышающие коэффициенты при  определении расчетной балльности, ускоре¬ния и смещения в зависимости от значимости трубопровода, которые повысили бы гарантию безаварийной работы системы (табл. 4.1). Такой способ повышения сейсмостойкости трубо¬проводов из-за отсутствия общепризнанного и апробированного аналитического рекомендован в частности в главе СНиП 2.05. 06-85 и ВСН 2-137-81 [10].

Трубопроводы, включенные в табл. 4.1 во вторую и третью группу, при соответствующем обосновании  в определенных случаях можно  рекомендовать рассчитывать как  объекты с чис¬то экономической  ответственностью. Что же касается трубопроводов,  относящихся  к   категории  систем жизнеобеспечения, обеспечивающих   функционирование   ответственных  объектов (например, водоводов, подающих воду к энергетическим бло¬кам атомных станций), эксплуатация которых не должна прек-ращаться во время землетрясений (группа 1, табл. 4.1). то пере¬чень их должен специально утверждаться Госстроями республик  или соответствующими министерствами и ведомствами. Соглас¬но предлагаемой методике  (СНиП 2.05.06-85), для получения  расчетных значений сейсмических ускорений  или других пара¬метров сейсмических воздействий, определенных в соответствии с требованиями СНиП П-7-81 или с  помощью инструментальных методов, тот или иной параметр сейсмического  воздействия сле¬дует умножить на коэффициент  К0.

Таблица 4.1. Значения коэффициента К , учитывающего ответственность  трубопровода

Значение К0

Характеристика  трубопровода

.  Газопроводы,  рассчитанные на рабочее давление 2,5-  10,0 МПа включительно; проводы  и нефте¬провода при условном  диаметре 1000-1200 мм. Газопроводы (независимо  от рабочего давления), а также  нефтепроводы, нефтепродуктопроводы  и водоводы любого диаметра, обеспечивающего  функционирование особо ответственных  объектов. Переходы магистрадьных  трубопроводов через водные преграды  с шириной по зеркалу воды  в межень 25 м и более

1,2 Газопроводы, рассчитанные на рабочее давление 1,2^-2,5 МПа; нефтепроводы и нефтепродукто¬проводы при условном диаметре 500-800 мм; магистральные водоводы диаметром более 500мм

1,0 Газопроводы, рассчитанные на рабочее давление ниже 1,2 МПа, и нефтепровода? при условном диаметре 500 мм; магистральные водоводы, водопроводные сети, канализационные сети

4.2.  ОСНОВНЫЕ  МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ   МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Сейсмостойкость трубопроводов обеспечивается целым  комп¬лексом мероприятий: выбором  благоприятной-в сейсмическом отношении  трассы, применением рациональных конструктивных решений, правильным назначением расчетной  балльности воз¬можных землетрясений, прочностью и устойчивостью конструк¬ций, подтвержденными соответствующими расчетами или спе¬циальными  исследованиями, высоким качеством  строительно-монтажных работ, организацией контроля за состоянием кон¬струкций и созданием системы связи  и оповещения о недопус¬тимых  деформациях (и повреждениях трубопроводов  На наибо¬лее опасных участках трассы.

Весьма серьезное  внимание при проектировании любых  объектов в сейсмических районах  Должно быть уделено установ¬лению  расчетной балльности, зависящей  не только от сейсмич¬ности площадки, определяемой во многом грунтовыми усло¬виями, но и от капитальности (ответственности) сооружения.

Очень важным является требование, выдвигаемое СНиП 2.05.06-85 и обоснованное рядом работ, согласно которому сейсмичность гшощадки должна определяться с учетом прогноз¬ных  данных об изменении грунтовых и  гидрогеологических ус¬ловий в процессе эксплуатации трубопроводов. Учет прогноз¬ных  данных особенно важен, если трубопроводы прокладывают в районах распространения  вечно мерзлых грунтов, в горных районах, где в результате обводнения или увлажнения грунтов при сотрясении возможны развитие оползневых явлений, обва¬лы, разжижение грунтов и т.д. Расчётную сейсмичность для под¬земных магистральных трубопроводов и  параметры сейсмичес¬ких колебаний  в практических расчетах следует  принимать такими же, как на поверхности  земли без учета заглубления  тру¬бопровода.

В тех случаях, когда толщина стенки трубопровода, опреде¬ленная расчетом на статические  нагрузки, будет недостаточной при  учете дополнительных сейсмических нагрузок, необходимо предусмотреть  конструктивные мероприятия по снижению дополнительных напряжений, возникающих  в трубопроводе от сейсмических воздействий. Увеличивать толщину стенки трубо¬провода  в связи с учетом сейсмических воздействий следует лишь в тех  крайних случаях*1 когда снижение сейсмических напряжений в результате применения других мероприятий не¬возможно  или экономически нецелесообразно, а себестоимость трубопровода должна быть обеспечена.

Разработан ряд  требований, направленных на повышение  сейсмостойкости трубопроводных систем, характерных как для подземных, так и надземных трубопроводов. Все сварные сое¬динения стальных магистральных трубопроводов, прокладывае¬мых  в сейсмических районах, должны быть проконтролированы физическими  методами независимо от категории магистрально¬го  трубопровода или его участка.

Как уже указывалось, весьма чувствительными к сейсмичес¬ким  воздействиям являются различные узлы подсоединения трубопроводов к  резервуарам, оборудованию, трубопроводам  других направлений, а также участки  подземных трубопроводов с резко  изогнутой продольной осью. В1 связи  с этим, не рекомен¬дуется применять  на магистральных трубопроводах  сложных соединительных узлов, жестких  соединений трубопроводов раз¬личных направлений или жестких соединений трубопроводов со стенами зданий, сооружений и оборудованием. В местах под¬соединения трубопроводов к  трубопроводам других направле¬ний или к оборудованию и сооружениям  необходимо предусмотреть устройство надземных криволинейных вставок  й компенса¬ционных участков, сильфонных, сальниковых или других ком¬пенсаторов, размеры и компенсационная способность  которых должны устанавливаться  расчетом".

Для резервуаров, сооружаемых в сейсмических районах, предложен вариант жесткого ввода  трубопровода с-гибкой Кри¬волинейной вставкой на подводящем участке или  с компенса¬тором. Для ввода трубопровода в железобетонный резервуар рекомендуется  сальниковый ввод, который обеспечивает не только его большую подвижность  при линейных перемещениях, но и  возможность поворота его на некоторый  угол.

Ввод трубопровода в различные технологические  здания (насосные, компрессорные и  т.д.) должен осуществляться через проемы, размеры которых превышают диаметр  трубопровода не менее чем на 40 см. При этом ось трубопровода при  монтаже должна проходить через  центр проема.

 Весьма важно  правильно оценить возможные  деформации в толще грунтов,  вмещающей трубопровод, на различных  участках трассы, выбрать необходимые  исходные данные для проектиро¬вания  в конкретных условиях и принять  наиболее целесообраз¬ную в этих  условиях систему прокладки трубопроводов.  Напри¬мер, на участках, где трубопровод  пересекает зоны активных тектонических  разломов (если их невозможно  обойти при трас¬сировании трубопроводов), наиболее • целесообразной может  оказаться надземная прокладка,  при которой могут быть обес¬печены  достаточно свободные перемещения  трубопровода при подвижках вдоль  линии разлома.

4.3.   Повышение сейсмостойкости подземных  трубопроводов.

Одним из основных антисейсмических мероприятий при  про¬ектировании трубопроводов (в  первую очередь подземных) является выбор трассы с учетом данных сейсмического  райони¬рования. При назначении трассы трубопроводов желательно не пересекать линий тектонических разломов, избегать участков, сложенных динамически  неустойчивыми грунтами, склонными  к разжижению, и т.д.

Значительное снижение сейсмических нагрузок на подземные  трубопроводы могут обеспечить компенсаторы различных кон¬струкций или надземные  компенсационные участки (криволи¬нейное участки трубопровода), переход на наземную в насыпи или открытую, а также надземную прокладку  трубопроводов в местах пересечения  линий возможных разломов и т.д. Надзем¬ные компенсационные участки, входящие с определенным ша¬гом в  состав подземного трубопровода, будут  обеспечивать так¬же снижение продольных напряжений, вызываемых изменения-Ми температуры  трубы и давлением в процессе нормальной эксплуатации трубопровода.

Перспективным является применение сильфонных компен¬саторов, которые обладают гибкостью, имеют  небольшие разме¬ры, обеспечивают более  четкую работу трубопроводной систе¬мы. Сильфонные компенсаторы различных  конструкций уста¬навливают как  на прямолинейных, так и криволинейных  участ¬ках трубопроводов. При подсоединении  трубопроводов к раз¬личным сооружениям, аппаратам, агрегатам, установкам и  т.д., а также к другим трубопроводам  сильфонные компенсаторы можно устанавливать  на участках трубопроводов, пересекающих границу двух грунтовых толщ с  резко отличающимися свойст¬вами.

Сильфонные компенсаторы воспринимают перемещения, вы¬зываемые  растягивающими и сжимающими усилиями, а также изгибающими моментами, возникающими в трубопроводе. Эти  компенсаторы практически не увеличивают  степень защем¬ления трубопровода в грунте. Различные конструкции  сильфон¬ных компенсаторов (многослойные, однослойные, с ограничи¬телями  перемещений и др.) производят в  СССР, ГДР, США, ФРГ, Италии и др. Широкую  известность получили сильфонные компенсаторы фирм Witzenmann GMBH (ФРГ) и Flexider Ale-xandr (Италия).

Сильфонные компенсаторы представляют собой гофрирован¬ный (волнистый) элемент трубопровода либо без дополнитель¬ных элементов, ограничивающих перемещение его  сечений, либо с шарнирно закрепленными  вне гофрированной части ограничи¬телями, препятствующими чрезмерному его  удлинению или повороту. Ограничители представляют собой одиночные или  составные шарнирно соединенные  тяги. На рис. 23 представлены схемы компенсаторов, которые обеспечивают угловые и  линей¬ные перемещения на любых  системах трубопроводов.

Сильфонные компенсаторы применяют при сооружении над¬земных трубопроводов различных объектов, например атомных станций, где требуется  высокая надежность конструкций, а  условия монтажа весьма стесненны. Если сильфонные компен¬саторы устанавливают  на подземных трубопроводах, то устраи¬вают  специальную камеру или гофрированную  часть защищают специальным кожухом  от попадания в кольцевые впадины  силь-фОна грунта, камней и т.п., которые  могут резко снизить ком-пенсационную способность системы.

Нами предложена новая конструкция сильфонного  компен¬сатора для подземных  трубопроводов, не требующая устройст¬ва  специальной камеры или установки  защитного кожуха (рис. 24). Гибкий сильфрн  снабжен предохранительной рубашкой в виде единой втулки из эластичного* (в диапазоне рабочих темпе¬ратур) материала с профилем, внутренний контур которого соответствует профилю  наружной кольцевой впадины сильфо-на. Эластичный материал 1 полностью заполняет  кольцевые впадины 2 с внешней  стороны сильфона. Втулка приклеивается  к сильфону по всей поверхности контакта. Втулки должны быть выполнены таким  образом, чтобы ее наружный диаметр  превышал диаметр сильфона, что обеспечивает защиту от кор¬розии всего металлического сильфона. Технология изготовления компенсаторов  должна предусматривать плотное (без  зазора) заполнение наружных полостей между волнами компенсатора эластичным материалом с защитными антикоррозионными  свой-ствами. Заполнение полостей компенсатора эластичным материа¬лом возможно методами вулканизации, путем приклеивания к  стенкам сильфона или радиального  обжатия эластичной втулки. В качестве заполнителя можно использовать морозостойкую резину, мягкие пластмассы и другие материалы. При выборе материалов для заполнения полостей сильфонного  компенсатора следует учитывать  соотношение, полученное в результате пре¬образования существующих критериев  определения жесткости балок  и плит, лежащих на упругом основании.

Заполнение полостей между волнами компенсатора эластич¬ным  материалом повышает также степень  защиты наружных поверхностей сильфона от коррозии. Упругие элементы служат одновременно и ограничительными кольцами, препятствую¬щими соударению смежных  волн компенсатора. При применении на подземных трубопроводах сильфонных компенсаторов вместо надземных  криволинейных участков повышается надежность работы трубопровода при  сейсмических воздействиях, упроща¬ется  разбивка трассы, сокращаются расход труб, объемы земля¬ных и сварочно-монтажных  работ. Внедрение сильфонных ком¬пенсаторов (особенно для трубопроводов большого диаметра) сдерживается сравнительно высокой их стоимостью.