Лекции по "Сейсмике"

Как известно, сварные  соединения трубопроводов большо¬го  диаметра выполняются без дополнительного  усиления, поэто¬му сварочные материалы, электроды и режим сварки должны обеспечивать достаточную пластичность сварного соединения. Стыки стальных трубопроводов диаметром до 150 мм как свар¬ные, так и резьбовые  на участках, где возможны значительные деформации, могут быть усилены с  помощью муфт. Такие усиле¬ния  можно применять на разводящих водопроводных  и газовых сетях в городах, населенных пунктах, на предприятиях и  т.д.

Чугунные, железобетонные и асбестоцементные трубопрово¬ды  применяют, как правило, с нежесткими раструбными или муфтовыми стыками. Для трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах, рекомендуется  предусматривать более длинные  раструбные части. Длина рабочей  части неподвижных муфт также  должна обеспечивать возможность расчетных  перемещений без разрушения стыковых соединений. В качестве уп¬лотнений  для раструбных и муфтовых стыков используют коль¬ца из морозостойкой  и долговечной резины, различных  поли¬мерных эластичных стойких  материалов и т.п.

Рекомендуется также  применять раструбные стыки с  огра¬ничителями больших перемещений  и "поджатием" уплотняющей набивки. После достижения предельного (расчетного) для дан¬ной конструкции перемещения  сейсмическая нагрузка будет восприниматься самими трубами и ограничителями, установлен¬ными на стыковых соединениях. На углах поворота трубопрово¬дов с  нежесткими стыками со стороны большего угла следует устраивать бетонные массивные  упоры, что позволит в опреде-ленных условиях при знакопеременной сейсмической нагрузке значительно снизить передачу растягивающих усилий на стыко¬вые соединения.

      В ряде случаев весьма целесообразно  уменьшать степень защемления  трубопровода в грунте с помощью  специальных оберток трубопровода (например, геотекстильными неткаными  синтетическими материалами) или  путем засыпки траншей рых¬лым  грунтом, специальными материалами  с малым коэффициен¬том сцепления  и небольшим объемным весом.  Однако эти ме¬ры отрицательно  сказываются при восприятии трубопроводом  температурных воздействий и  давления транспортируемого продукта, т.е. основных эксплуатационных  нагрузок, что может вызвать необходимость  дополнительного устройства компенса¬ционных  участков.

В ряде случаев  для повышения сейсмостойкости  подземных трубопроводов профиль  поперечного сечения траншеи (особен¬но  на наиболее опасных участках, в  районе тектонических разло¬мов) рекомендуется  формировать так, чтобы при землетрясе¬нии обеспечивалось смещение трубопровода по нормали к про¬дольной оси  без значительных деформаций и разрушений- Как показали исследования (Ньюмарк, Холл), даже на участках пересечения  тектонических разломов трубопроводы, которые слабо защемлены в  грунте и могут при определенных условиях "выйти" из траншеи, в  ряде случаев переносят землетрясение  без разрушения самой трубы.

Большая часть (от общей величины) смещений трубопрово¬дов происходит на сравнительно небольших  по протяженности участках, примыкающих  к линии разлома. Трубопроводы диаметром 1220 мм с толщиной стенки 11,5 мм из труб, изго¬товленных из пластичных сталей с пределами прочности до 650 МПа, при подземной прокладке и  толщине слоя засыпки до 90 см могут  выдержать смещение грунта по линии  разлома 3 м, если будет обеспечено смещение трубопровода с малым сопротивлением по обе стороны сброса на участках протяжен¬ностью около 50 м. Если предел прочности труб 700 МПа, но более  низкие пластические  свойства стали, то  при такой же величине сброса длины  примыкающих участков трубопровода должны быть не менее 70 м.

Для повышения  сейсмостойкости трубопроводов, проклады¬ваемых  в скальных грунтах, рекомендуется  отрывать траншеи с весьма пологими откосами стенок, а засыпку траншей  произ¬водить крупнозернистым песком или мелким гравием. Во вре¬мя землетрясения  трубопровод часто немного "приподнимает¬ся", в результате чего сейсмические напряжения частично ком¬пенсируются. На участках, где возможны очень большие смеще¬ния, трубопроводы рекомендуется укладывать в траншеи с та¬кими откосами, крутизна которых мало препятствовала бы перемещению (скольжению) деформируемого участка трубо¬провода по этим откосам  вверх. В этом случае при значительных смещениях грунтовой толщи вдоль  линии разлома трубопровод "выйдет" из траншеи, но не будет разрушен.

Не редки также  повреждения трубопровода на участках вблизи границы толщ с резко отличающимися  свойствами (с различными акустическими  жесткостями)" при значительных деформациях  в массиве вмещающего трубопровод  грунта. В этих случаях также рекомендуется  засыпка трубопровода, как при  прокладке в скальных грунтах, неуплотненным  крупно¬зернистым песком, гравием и  т.п. на участке протяженностью 50-70DH, где DH - наружный диаметр трубопровода.

В некоторых случаях  на особо опасных в сейсмическом от¬ношении участках вместо подземной  целесообразно применить надземную  прокладку на опорах (аналогично прокладке  нефте¬провода Транс-Аляска) или  открытую наземную прокладку без  обвалования грунтом с надземными компенсационными участ¬ками.

Не рекомендуется  снижать сейсмические нагрузки на трубо¬провод путем дополнительного его заглубления. Однако, если трубопровод собирают из хрупких труб или имеются нежесткие  стыки, то трубопровод целесообразно  прокладывать в более плотных  грунтах. Для этого трубопровод  располагают на боль¬шей глубине, применяют  дополнительное уплотнение основания, заменяют просадочный грунт непросадочным  и т.д.

Устройство подсыпки из мягких грунтов при строительстве  трубопроводов в сейсмических районах  в ряде случаев может повысить опасность повреждений трубопроводов  во время землетрясений. Так, при  прокладке трубопроводов в скальных грунтах по дну траншеи отсыпают мягкий грунт (песчаную подушку). Если толщина отсыпки превысит 10-15 см, то может быть резкое возрастание  пиковых ускорений во время землетря¬сения, а следовательно, при определенных условиях увеличение максимальных напряжений изгиба в зоне высокочастотного спектра  сейсмических колебаний. Кроме того, возможно возрас¬тание сейсмических продольных усилий, направленных вдоль продольной оси трубопровода.

При строительстве  трубопроводов, как известно, устраива¬ют, на склонах специальные полки. В  сейсмоопасных районах рекомендуется  снижать крутизну откосов полок  или проводить специальные работы по их укреплению. При уклонах более 8°

трубопроводы рекомендуется  прокладывать в полувыемке —полунасыпи. При землетрясении весьма часто  разрушаются уча¬стки дорог в  результате оползания отсыпанной части  полки, поэтому трубопровод следует  прокладывать только на той час¬ти полки, которая расположена в  полувыемке. Так как на скло¬нах землетрясение проявляется с  большей интенсивностью, откосы полунасыпи необходимо делать более пологими (по рас¬чету). 

На косогорах  с поперечными уклонами до начала строитель¬ства 12—18°, согласно СНиП 2.05.06-85, предусмотрено устрой¬ство подпорных  защитных стенок. Не рекомендуется  прокла¬дывать трубопроводы по гребню водораздела, так как в этих условиях (как и в теле земляных плотин) возможно увеличе¬ние сейсмических колебаний от основания к вершине. Если такой вариант прокладки  трубопровода необходим, следует рассчитывать насыпь на повышенную сейсмическую нагрузку.

Весьма нежелательна подземная прокладка трубопроводов  на подрабатываемых территориях, так  как интенсивность сейс¬мических  колебаний значительно возрастает из-за уменьшения жесткости грунтовой  толщи в разрезе. На подрабатываемых  территориях, особенно в сейсмических районах, целесообразнее применять  надземную или наземную без обвалования  прокладку трубопроводов (при категории  участков не ниже второй по СНиП 2.05.06-85).

Значительные деформации трубопроводов и их всплытие воз¬можны  на участках, где в результате сейсмического  воздействия происходит разжижение мелкопесчаных водонасыщенных грун¬тов (особенно в местах подсоединения  трубопроводов к каким-либо сооружениям). В этих случаях рекомендуется  уплотнять или заменять местный  мелкопесчаный грунт крупнопесчаным. Протяженность участка с мелиорируемыми грунтами должна быть не менее 50-70 DH (где ./)н - наружный диаметр трубо¬провода). Следует иметь в виду, что возможны значительные деформации на границе  уплотненного и рыхлого песка, если такая граница достаточно четкая. На участках, удаленных от мест защемления, трубопровода, в результате сейсмического  разжижения водонасыщенных мелкопесчаных  грунтов возмож¬но всплытие трубопровода. В данном случае эффективной мерой  может служить дополнительная пригрузка  трубопровода.

Как известно, обводненность  участков трассы может не только способствовать разжижению грунта при сейсмических воздействиях, но и повышению интенсивности  проявления зем¬летрясения. Если такие  участки обойти невозможно, необходимо проводить осушение территорий, прилегающих  к трассе, отвод вод и т.д.

При прокладке  трубопроводов из. непластичных материалов и с нежесткими стыками: целесообразно  закреплять поверхност¬ные слои грунтов  основания методом силикатизации, битуми¬низации и др.

При разработке проектов и строительстве трубопроводов  с раструбными и Муфтовыми  стыками (в основном водоводов, канализационных: трубопроводов и т.п.) для повышения  их сейсмостойкости рекомендуется:

1) обеспечивать возможность каждому стыку перемещаться в обе стороны от положения равновесия и изгибаться;       •

2) намечать трассу трубопровода в твердых грунтах,. а в случае прокладки в мягких грунтах необходимо предусмотреть соответствующие меры;

3) не допускать на незначительных по протяженности участ¬ках трассы большие углы поворота как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях;

4) предусматривать. бетонные упоры-блоки для предотвра¬щения перемещений колен трубопроводов и тройников и разру¬шения в связи с этим нежестких стыков трубопровода.

Следует отметить, что вместо бетонных блоков могут  быть применены компенсаторы с устройством  для восприятия растя¬гивающих усилий, например, сальниковые с ограничителями де¬формаций. Рекомендуется устанавливать  прлнопроходные ком¬пенсаторы с  обе,их сторон фитинга, по обе стороны  от задвижек, кранов и других конструкций  или участков с динамическими  характеристиками, отличающимися от соответствующих харак¬теристик основного  трубопровода. Компенсаторы должны быть рассчитаны на восприятие продольных усилий и деформаций изгиба, вызываемых как статическими, так и сейсмическими  нагрузками.

4.4. ПОВЫШЕНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ   НАДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

При прокладке  надземных трубопроводов необходимо пред¬усматривать возможность перемещения  трубопровода и компен¬сацию его  перемещений при изменении температуры  стенок и внутреннего давления в  трубопроводе, а также при сейсмичес¬ких  воздействиях. Компенсационные участки  или компенсаторы должны быть рассчитаны на восприятие дополнительных нагру¬зок  при землетрясениях, например, от продольных перемещений трубопровода. Если усилие, вызывающее перемещение опоры, превысит эксплуатационное, рекомендуется применять  специ¬альные устройства, способствующие рассеянию энергии колеба¬ний.

Если надземные  трубопроводы пересекают линии тектони¬ческих разломов, конфигурация их в горизонтальной и верти¬кальной плоскостях должна быть такой, чтобы обеспечивалось свободное  перемещение (скольжение) трубопровода но опорам

Ригели опор, на которые опирается трубопровод, должны иметь упоры, ограничивающие его перемещение свыше некоторого предельного и препятствующие сбросу трубы с опор. Заглубле¬ние свай и размеры в плане поверхностных  опор должны быть такими, чтобы под  действием сейсмических нагрузок не про¬изошло их падения или чрезмерной осадки.

На трубопроводе необходимо установить специальные  устрой¬ства или предусмотреть.специальные  конструкции опор с вклю¬чающимися при сейсмических воздействиях связями, не препят¬ствующими работе трубопровода в процессе нормальной экс¬плуатации.

Наибольшее распространение  получили конструкции надзем¬ных трубопроводов  с так называемой самокомпенсацией пере¬мещений от температурных воздействий  и давления транспорти¬руемого продукта. Как и при подземной прокладке  трубопрово¬да, на надземных системах могут быть использованы сильфонные компенсаторы различных конструкций, но без защитных рубашек. Особенно целесообразно  применять сильфонные ком¬пенсаторы  при параллельной прокладке группы трубопроводов, укладываемых на одном  ригеле с небольшими зазорами, при  размещении трубопроводов в стесненных условиях, на участках подключения  трубопроводов к каким-либо сооружениям  и ап¬паратам или к трубопроводам, расположенным под углом к  присоединяемому.

Для сейсмических районов рекомендуются достаточно прове¬ренные современные самокомпенсирующиеся системы надзем¬ных  трубопроводов,  в   которых  чередуются   (желательно  с постоянным шагом) прямолинейные и компенсационные  участ¬ки,  набираемые  из  криволинейных  вставок искусственного гнутья на специальных  трубогибочных машинах типа УГТ (до 12-15°) или из кривых труб, фитингов, изготовленных в завод¬ских условиях  (до 90°). Формы компенсационных участков в плане могут быть с треугольным  и полигональным очертанием оси  и углом 12-15° между осью прямолинейного участка и осью компенсатора (углами входа), с П-образными компенсаторами и др. На нефтепроводе Транс-Аляска на участке с высокой сейс¬мичностью применена так называемая плоскопараллельная про¬кладка или прокладка с Z-образными  компенсационными уча¬стками. В сейсмических районах применяется прокладка  трубо¬провода в виде "змейки».

Систему прокладки  в каждом конкретном случае необходи¬мо  выбирать с учетом рельефа трассы, технико-экономических оценок и  т.д. Как показал анализ аварий на надземных трубо¬проводах, наиболее приемлемыми являются прямолинейные  системы с достаточно податливыми  компенсационными участ¬ками. Компенсирующая способность достаточно жестких  ком¬пенсационных участков (треугольных  в плане или полигональ¬ных  с  небольшими "углами входа")   может быть повышена путем включения  в конструкцию этих участков сильфонных ком¬пенсаторов. Вставка сильфонных компенсаторов на подходах в П-образному  компенсатору и в средней части  полки компен¬сатора также может  значительно повысить гибкость системы.