Механический расчет трубопроводов нефтебаз

Технологические трубопроводы нефтебаз. Справочное издание

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ

Технологический расчет трубопроводов нефтебаз заключается в решении следующих основных вопросов: определение оптимальных параметров трубопроводов /диаметр, толщина стенки/; подбор насосного оборудования; расчет режимов эксплуатации трубопроводов; определение температурных напряжений и способы их компенсации.

Трубопровод выполняет свое назначение в том случае, если он обеспечивает перекачку необходимого количества нефтепродукта. Это зависит от ряда факторов: диаметра труб; давления, создаваемого в трубе насосом; разности отметок начала и конца трубопровода; температуры перекачиваемого продукта. Изменение любого из перечисленных факторов неизбежно приведет к изменению пропускной способности. Вследствие этой же взаимозависимости некоторые из факторов при выполнении технологических расчетов не могут быть определены однозначно, т.е. без учета влияния других факторов.

При эксплуатации нефтебазовых трубопроводных коммуникаций часто изменяются условия использования существующего трубопроводно насосного оборудования. Например, появляется необходимость перекачивать по трубопроводам другие нефтепродукты, по своим свойствам отличающиеся от тех, на которые первоначально было запроектировано оборудование, меняются схемы перекачки и т.д. Это вызывает иногда необходимость реконструкции трубопроводно-насосной системы нефтебазы /установка дополнительных насосов или замена имеющихся насосов, замена трубопроводов одного диаметра на трубопроводы другого диаметра, изменение их протяженности и т.д./.

Для технически правильной эксплуатации нефтебаз необходимо иметь гидравлические характеристики трубопроводно-насосных систем, без которых нельзя правильно решать вопросы производительности трубопроводов, а следовательно, и сроков слива и налива нефтепродуктов.

При сооружении или коренной реконструкции существующих нефтебаз гидравлические расчеты и характеристики трубопроводно-насосных систем выполняют проектные организации. На действующих нефтебазах эту работу проводит технический персонал.

Механический расчет трубопроводов нефтебаз

Механический расчет технологических трубопроводов нефтебаз производится на температурные напряжения и на напряжения от изгиба в холодную, когда труба изгибается под собственным весом без нагрева.

В редких случаях производится расчет трубопроводов нефтебаз на внутреннее давление, т.к. трубы изготавливаются на довольно высокие давления, которых в нефтебазовых трубопроводах практически не бывает.

Толщина стенки технологических трубопроводов нефтебаз определяется по формуле:

/1/

где n - коэффициент перегрузки по внутреннему давлению;

Р - внутреннее рабочее давление в трубопроводе, МПа;

R₁ - первое расчетное сопротивление материала труб, МПа;

Dн - наружный диаметр, м.

Первое расчетное сопротивление материала R ₁ определяется по следующей формуле:

/2/

где R₁^н первое нормативное сопротивление, соответствующее пределу прочности материала труб, МПа; m - коэффициент условия работы трубопроводов и т.к. все технологические трубопроводы нефтебазы относятся к высшей категории, то m = 0,6; K₁ - коэффициент безопасности по материалу труб /для нефтебазовых трубопроводов обычно K₁= 1,34 или K = 1,4/; K _н - коэффициент надежности, зависящий от диаметра труб /для труб диаметром d_y<1200 мм K=1/.

Обычно толщина стенки, полученная по формуле /1/, значительно меньше минимальной толщины труб данного диаметра, выпускаемых заводами-изготовителями. Поэтому расчет трубопровода на прочность обычно не производится, диаметр трубопровода определяется из гидравлического расчета, а толщина стенки принимается минимальной для данного диаметра.

Температурные напряжения, возникающие в стенках трубы, определяются по формуле:

/3/

где - коэффициент линейного расширения; E - модуль упругости, Н/м²; - максимальная или минимальная рабочая температура стенок трубы в процессе эксплуатации; - температура фиксации расчетной схемы трубопровода /температура укладки/.

Необходимым условием для возникновения температурных напряжений является жесткая заделка трубопровода. При t _э > t _ф в стенках возникают сжимающие напряжения, а когда t _э < t _ф - растягивающие. При подземной укладке трубопровода в нем возникают силы трения грунта о поверхность трубы, которые будут противодействовать растяжению или сжатию трубы от действия температурных напряжений. Сила трения, приходящаяся на единицу длины трубопровода, будет равна:

/4/

где - наружный диаметр трубопровода, м; f - коэффициент трения наружной стенки трубы о грунт; - удельная нагрузка на трубу от веса грунта, Н /м.

Сила трения противодействует осевой силе, возникающей от действия температурного напряжения, и при определенной длине трубы осевая сила полностью уравновешивается силой трения. Искомая длина определится из условия:

/5/

где F _о - площадь сечения металла трубы. Отсюда:

/6/

Если фактическая длина трубопровода больше полученной длины, то никаких напряжений в нем возникать не будет.

При рассмотрении напряженного состояния подземного трубопровода необходимо знать его возможное удлинение. Ввиду того, что часть осевой силы подземных трубопроводов компенсируется силой трения, то при одинаковых колебаниях температуры они удлиняются по-разному.

Усилие от сил трения на участке трубопровода dx будет равно Т × dx. Напряжение, возникающее в трубе от действия сил трения, будет равно . Это напряжение можно выразить через закон Гука:

/7/

где - бесконечно малое относительное удлинение подземного трубопровода на участке dx.

/8/

где - абсолютное удлинение трубопровода. На основании формул /7/ и /8/ имеем:

/9/

Разделяя переменные и интегрируя, найдем абсолютное удлинение подземного трубопровода:

/10/

Абсолютное удлинение наземного трубопровода:

/11/

Т.е. при одинаковых температурных условиях подземный трубопровод укорачивается или удлиняется в два раза меньше по сравнению с наземным. Отсюда можно сделать вывод, что в подземных трубопроводах надо компенсировать начальные или концевые его участки.

В наземных трубопроводах для снятия температурных напряжений используют различного вида компенсаторы.

Технологические трубопроводы нефтебаз очень часто укладываются на высоких опорах. Такой трубопровод можно представить в виде многопролетной балки. Основной задачей для многопролетной балки является определение допустимой величины пролета. Под действием силы, действующей в пролете, трубопровод прогибается, образуя дугу с радиусом кривизны r, величина которого приближенно равна:

/12/

где l - длина пролета; f - стрела прогиба.

От изгиба в стенках трубопровода возникает напряжение, величина которого:

/13/

Из курса "Сопротивление материала" известно, что максимальная величина прогиба равна:

/14/

где q - удельная расчетная нагрузка от веса металла, изоляции, продукта, снежного покрова и гололеда, Н/м; J - осевой момент инерции трубы, м⁴.

Подставив выражение /14/ в /13/, получим:

/15/

Максимальная величина пролета определяется из условия:

/16/

/17/

Дата добавления: 2015-07-15