Технологічний розрахунок підводної ділянки трубопроводу
При спорудженні і експлуатації підводних переходів сталеві трубопроводи постійно знаходяться в напруженому стані, що викликається різними навантаженнями і діями.
Під час переміщення секцій волочінням тракторами, при перевезенні їх па автомашинах з причепами, знаходження секцій на опорних пристроях, при очищенні, ізоляції і опресовуванні, а також при підйомі труб кранами і стикуванні підводних ділянок з береговими в трубопроводах виникають значні напруження. При укладанні, а іноді і при експлуатації підводного трубопроводу на нього впливає гідродинамічний тиск потоку води.
У практиці будівництва підводних переходів відомі випадки, коли під час укладання підводних трубопроводів виникаючі зусилля викликали пошкодження труб.
Щоб надійно експлуатувати підводний перехід, правильно організувати монтажні роботи і поліпшити їх якість, необхідні дані, що визначають напружений стан трубопроводів, а також його розрахунковий опір силовими впливами.
Навантаження і впливи на підводні трубопроводи
Підводні трубопроводи розраховуються відповідно до СНіП по методу розрахункових граничних станів.
Розрахунковим для трубопроводів є перший граничний стан по несучій здатності (міцності і стійкості конструкції), досягши якого конструкція перестає чинити опір зовнішнім діям або одержує такі залишкові деформації, які недопустимі за умов експлуатації.
Розрахунок по першому граничному стану (по міцності або стійкості) в загальному вигляді повинен здійснюватися за формулою:
(4.1)
де N — розрахункове зусилля в конструкції від суми впливи розрахункових навантажень в найбільш невигідній комбінації;
Ф — несуча здатність конструкції, що є функцією її геометричних розмірів, розрахункового опору матеріалу R і коефіцієнта умов роботи конструкції m.
Розрахунок конструкцій по першому граничному стану по міцності або стійкості ведуть по розрахункових навантаженнях. Розрахункове навантаження рівне похідній нормативного навантаження на коефіцієнт перевантаження.
Нормативними навантаженнями називають встановлені нормами найбільші зовнішні впливи, допустимі при нормальній експлуатації конструкцій. Коефіцієнти перевантаження враховують можливу зміну навантажень, що діють в процесі експлуатації і приводять до перевищення нормативних навантажень.
При розрахунку по формулі (4.1) необхідно, щоб максимально можливе зусилля при всіх можливих перевантаженнях було не більше мінімальної несучої здатності з урахуванням мінливості показників умов роботи трубопроводу і міцності його матеріалу. Ця умова може бути записане у вигляді формули:
(4.2)
де Nн — нормативне навантаження;
n — коефіцієнт перевантаження;
Rн — нормативний опір матеріалу (межа текучості або тимчасовий опір розриву);
k — коефіцієнт однорідності матеріалу;
m — коефіцієнт умов роботи;
E — геометрична характеристика перетину.
Навантаження і за тривалістю їх прикладання діляться на постійні і тимчасові. У свою чергу тимчасові можуть бути тривалими, короткочасними і особливими.
Постійні навантаження і впливи для підводного трубопроводу — це власна вага трубопроводу і ізоляції, вага привантажувачів (баласту), вага перекачуваного продукту, виштовхуючи сила водного середовища, гідростатичний тиск, вага і тиск ґрунту при засипці підводної траншеї, гідродинамічний тиск на трубопровід, прокладений по дну без заглиблення.
Тимчасові тривалі навантаження включають робочий внутрішній тиск, вагу льоду, що утворюється на поверхні трубопроводів, прокладених по дну північних річок, навантаження від тиску потоку води в паводок на трубопровід, прокладений по дну.
Короткочасні навантаження — навантаження, що виникають в процесі монтажу, випробувань і укладання підводних трубопроводів, хвильові впливи на трубопроводи, прокладені по дну.
Особливі навантаження і впливи на підводні трубопроводи —навантаження від вигину трубопроводу на ділянках, що розмиваються, сейсмічні навантаження, тиск льоду і хвиль катастрофічної сили і інші подібні впливи.
На трубопровід не діють одночасно всі навантаження. Тому розрахунки трубопроводів на міцність і стійкість ведуться з урахуванням вірогідності одночасної дії тільки декількох навантажень.
Згідно діючим СНіП навантаження приймаються в наступних поєднаннях:
основне поєднання навантажень — постійні і тимчасові, тривалі навантаження, тобто навантаження постійно діючі на трубопровід або звичайно виникаючі при його експлуатації;
додаткове поєднання навантажень складається з постійних, тривалих і короткочасних навантажень;
особливі поєднання включають всі навантаження додаткового поєднання і одне з особливих навантажень.
У практиці проектування і будівництва підводних переходів мають місце розрахунки підводних трубопроводів на основні і додаткові поєднання навантажень.
При розрахунку трубопроводів з урахуванням додаткових поєднань навантажень значення розрахункових короткочасних навантажень слід помножити на коефіцієнт поєднання навантажень nc = 0,9.
Коефіцієнт перевантаження n у формулі (4.2) передбачає випадкову можливість перевищення нормативного навантаження. Звичайно n > 1. Проте в тих випадках, коли збільшення навантаження покращує роботу трубопроводу (наприклад, збільшення ваги баластування при розрахунку стійкості підводного трубопроводу), коефіцієнт перевантаження приймається меншим одиниці. Коефіцієнт перевантаження n відповідно до будівельних норм і правил приймається:
n = 1,15 — коефіцієнт перевантаження робочого тиску для магістральних газопроводів, а також для нафто- і нафтопродуктів з температурою спалаху нафти або нафтопродукту до 45 0С;
n = 1,1для інших нафто- і нафтопродуктів;
n = 1,1 від власної ваги трубопроводу;
n = 1,2 на тиск ґрунту;
n = 1,0 при розрахунку на температурні деформації.
Згідно СНіП вплив динамічної впливи навантаження на конструкцію або споруду повинне враховуватися незалежно від коефіцієнтів перевантаження. Підводні трубопроводи в період будівництва при вертикальних і горизонтальних переміщеннях сприймають динамічний вплив навантажень. Тому при розрахунку на додаткові поєднання навантажень слід вводити коефіцієнт динамічної впливи навантажень гад, який можна прийняти рівним 1,2.
4.2 Вага трубопроводів у різних умовах
Для розрахунку трубопроводів особливе значення має точне визначення їх ваги в різних станах в повітрі і під водою. Вагу трубопроводу слід визначати дуже ретельно і по можливості безпосередньо перед монтажем його і укладанням.
Вага 1 м довжини труби на повітрі (в кг) в різних умовах визначається по наступних формулах:
а) без ізоляції
, (4.3)
де Dз,Dв — зовнішній до внутрішній діаметри труби в м;
гт — питома вага матеріалу труб в кг/м3; для сталевих труб гт