Прочностной расчёт трубопровода по методу предельных состояниям

4.2.1 Схема нагружения подземного трубопровода

Уложенный в грунт трубопровод испытывает кольцевые, продольные и радиальные напряжения (рис. 4.3).

Кольцевые напряжения σ_к возникают под действием разности внутреннего и внешнего давления (P – P_o). Величина σ_к определяется из условия равновесия части трубы, отсечённой плоскостью, проходящей через её ось. Согласно гипотезе тонкостенных оболочек под действием разности давлений (P – P_o) на единице длины трубопровода создается разрывающее усилие равное , где D_ср – диаметр серединного волокна. Ему противодействует сила сопротивления , где d – толщина стенки трубы.

Поскольку в условиях равновесия они равны, то можем записать

, (4.1)

Если в качестве внешнего давления принять атмосферное, то P – P_a = p – есть избыточное давление в трубопроводе. С учётом того, что толщина стенки много меньше диаметра согласно [19] получим

. (4.2)

Продольные напряжения создаются под действием

1) внутреннего давления

;

2) перепада температур

,

где ∆Т – расчетный температурный перепад, обусловленный различием температур эксплуатации трубопровода и замыкания его стыков при строительстве;

4) изгибающих усилий

,

где R_И – радиус изгиба трубопровода.

Знак плюс при расчете относится к растягивающим напряжениям, а знак минус – к сжимающим. Напряжения изгиба возникают на поворотах трассы трубопровода, а также при прохождении через вершины и впадины профиля трассы.

Таким образом, суммарная величина продольных напряжений составляет

. (4.3)

Радиальные напряжения малы и в расчетах не учитываются. Кроме того, при расчетах на прочность пренебрегают давлением грунта и воздействием подвижных нагрузок (автомобили, сельскохозяйственные машины, строительная техника), так как они незначительны и компенсируются внутренним давлением [2, 19–20].

4.2.2 Расчёт несущей способности МН

Магистральный трубопровод рассчитывают по методу предельных состояний, при этом рассматривается такое напряжённое состояние, характеризуемое величиной σ _max, по достижении которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной. Первое предельное состояние наступает при разрушении трубопровода под действием внутреннего давления. Согласно [22] несущая способность МН – максимальное внутреннее давление, которое может выдержать трубопровод без разрушений и отказов при нормативных нагрузках. Характеристикой несущей способности МН в этом случае является расчётное сопротивление R ₁, которое назначается по пределу прочности металла, т.е. σ_K = σ _max£ R ₁.

Для обеспечения надёжной работы МН при определении расчетного сопротивления вводят ряд коэффициентов, отражающих вероятный характер различных факторов, влияющих на несущую способность магистрального трубопровода [4, 19]

, (4.4)

где m_у – коэффициент условий работы трубопровода, зависящий от его категории: (m_у =0,9 для трубопроводов III и IV категорий, m_у =0,75 для трубопроводов I и II категорий, m_у = 0,6 для трубопроводов категории В (краткие сведения о распределении участков по категориям даны в табл. 2.1, более подробные в [4]);

k ₁ – коэффициент надежности по материалу;

k_н – коэффициент надежности по назначению трубопровода, зависящий от его диаметра (для нефте- и нефтепродуктопроводов при D_н £ 1000 мм k_н = 1, при D_н =1200 мм k_н = 1,05).

Учитывая, что конструкция должна иметь некоторый запас прочности, в формуле (4.2) заменим величину p произведением n_р·p (n_р – коэффициент надежности по нагрузке), σ_к – расчетным сопротивлением металла трубы и сварных соединений R ₁, а внутренний диаметр выразим через наружный (D_н– 2 ×d), тогда получим

, (4.5)

Величина коэффициента надежности по нагрузке принимает следующие значения: n_р =1,15 для нефте- и нефтепродуктопроводов, работающих по системе «из насоса в насос»; n_р = 1,1 – во всех остальных случаях.

Из уравнения (4.5) получим несущую способность секции трубопровода

(4.6)

или переходя к единицам напора – максимально допустимый напор

. (4.7)

4.2.3 Эпюра несущей способности и разращенных напоров

Анализ нагружения ЛЧ внутренним давлением удобно выполнять графоаналитическим методом, при котором на сжатом профиле МН сравнивается взаимное расположение пьезометрических линий, соответствующих предельным (по давлению) режимам эксплуатации нефтепродуктопровода с эпюрой несущей способности (рис. 4.4). Под эпюрой несущей способности понимается совокупность всех точек, отстоящих от линии сжатого профиля на величину максимального напора (в выбранном масштабе высот), который допустим в трубопроводе по условиям прочности (4.7) с учетом материала труб, диаметра и толщины стенки, а также категории участка МН (условий работы). Различают эпюры несущей способности секций труб по толщине стенки, определённой проектом, и по фактической толщине стенки, определённой по результатам диагностики внутренними инспекционными приборами [6, 22].

Эпюра несущей способности по толщине стенки, определённой проектом, в целом копируя сжатый профиль МН, на границах участков различной категории и секций труб, выполненных из разных сталей или имеющих разную толщину стенки, изменяется скачком. Этот скачок на участках повышенной категории при неизменной толщине стенок труб и марки стали, направлен вниз, а в случае увеличения толщины стенки трубы или применения более прочной стали может быть уменьшен, равен нулю или даже направлен вверх.

Эпюра несущей способности по фактической толщине стенки в целом копирует эпюру несущей способности по толщине стенки, определённой проектом, при этом отклоняясь вниз в местах её уменьшения.

Гарантией надёжной работы МН при эксплуатации – испытания на прочность и герметичность [21]. Данные фактических гидравлических испытаний должны соответствовать условию:

(4.8)

где – проектная величина максимално допустимого рабочего давления, определённого по формуле (4.6), МПа;

– коэффициент испытания, характеризующий категорию участка трубопровода, согласно [4] для участков категории В – =1,5, категории I – =1,25 и категорий II, III, IV – =1,1 от рабочего давления с учетом величины испытательного давления труб на заводе-изготовителе.

Разрешенное давление для каждой секции труб по результатам фактических гидравлических испытаний на прочность рассчитывается по формуле:

, (4.9)

Фактические давлений гидравлических испытаний и разрешенные давления пересчитываются в метры столба нефти и приводятся в виде эпюр фактических гидравлических испытательных давлений и разрешённых давлений (напоров) по результатам фактических гидравлических испытаний (см. рис. 4.4).

За разрешенное рабочее давление каждой секции трубопровода принимается наименьшая величина из несущей способности труб и разрешенных напоров по результатам фактического гидравлического испытания на прочность [22]:

(4.10)

При гидравлических переиспытаниях на порчность участков эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, со сроком эксплуатации свыше 30 лет, в независимости от категории участка принимается: 1,1 от p_раб в верхней точке и 1,25 от p_раб – в нижней.

Рис. 4.4. Эпюры несущей способности и разращенных напоров

Дата добавления: 2015-08-05