а- початок розмиву ґрунту з низової сторони трубопроводу (сx= 0,25);

б — розмив ґрунту з низової і верхової сторін трубопроводу (cx= 0,50);

в — ґрунт в основі розмитий; трубопровід провисає на дні (сy= 1,0)

Рисунок 4.2-Зміна лобового опору X і підйомної сили Y при розмиванні ґрунту в основі підводного трубопроводу.

Горизонтальна сила збільшується, оскільки збільшуються площа, на яку впливає потік води, і коефіцієнт лобового опору, залежний від форми обтічного трубопроводу. Значення цього коефіцієнта збільшується в порівнянні із значенням, показаним на схемі 4.2, а, в два рази і може бути прийнято рівним 0,5. У цьому положенні діюча на трубопровід підйомна сила Y може висмикнути його з ґрунту в тому випадку, якщо трубопровід недостатньо привантажений. У міру продовження розмиву ґрунт буде вимитий з-під трубопроводу і характер руху потоку води зміниться ( рисунок 4.3,), динамічний тиск збільшиться в два рази (сx = 1,0). У початковий період розмиву ґрунту з-під трубопроводу напрям вертикальної підйомної сили зміниться. Ця сила прагнутиме притиснути трубопровід до підстави. Проте при двосторонньому обтіканні потоком води трубопроводу за ним утворюється вихрова доріжка (рисунок 4.3), внаслідок чого вертикальна сила не буде стійка по напряму і значенню.

1 — мертва зона; 2 — зона відділення вихорів; 3— змінні вихри.

Рисунок 4.4 Вихрова доріжка з низової сторони трубопроводу, обтічного потоком води.

Коефіцієнт опору рекомендується визначати залежно від числа Рейнольдса. Число Рейнольдса, що характеризує режим потоку, можна визначити з виразу:

,

де Re - число Рейнольдса, безрозмірна величина;

Dз— зовнішній діаметр трубопроводу в см;

н - коефіцієнт кінематичної в'язкості в см/с.

На рисунку 4.4 показані залежності коефіцієнтів лобового опору сх і підйомної сили сy при різних відносинах глибини потоку до діаметру трубопроводу від числа Фруда:

,

де Fr — середня швидкість потоку в м/с;

g — прискорення вільного падіння в м/с;

Н — глибина потоку в м.

При впливі на підводний трубопровід потоку води із значними швидкостями течії можливі вібрації трубопроводу, які можуть привести до його розриву. Вібрація трубопроводу — найчастіша причина їх пошкодження.

Внутрішній тиск і розрахунок

товщини стінки підводного трубопроводу

Згідно Сніп II-Д.10-62, підводні трубопроводи на переходах розраховуються на міцність їх на розрив від впливи внутрішнього тиску з перевіркою можливості розвитку надмірних пластичних деформацій.

Розрахунковий опір металу труб і з'єднань R1 і R2 є творенням нормативного опору Rн на коефіцієнт m1, що враховує ступінь однорідності металу труб, і на коефіцієнт умов роботи m2, що враховує ступінь відповідальності трубопроводу, доступність його для огляду і ремонту.

Розрахунковий опір металу труб визначають по формулах

, (4.19)

, (4.20)

де — нормативний опір металу труб, рівний тимчасовому опору розриву;

- нормативний опір металу труб, рівний межі текучості;

к1 — коефіцієнт однорідності при розриві стали, що враховує можливе зниження тимчасового опору трубної сталі проти прийнятого якнайменшого значення, а також можливу різностінність труб;

к2 — коефіцієнт однорідності металу труб при визначенні межі текучості.

Нормативні і розрахункові характеристики сталевих труб приведені в таблиці[].

Для розрахунку товщини стінок підводних трубопроводів, що прокладаються по дну водоймищ або вище за граничний профіль розмиву русла річки, для підводних переходів, споруджуваних в районах Крайньої Півночі, труднодоступних для ремонту, коефіцієнт умов робіт не варто приймати більше 0,55.

При розрахунку на внутрішній тиск кільцеві напруги в стінці трубопроводу визначаються по формулі

, (4.21)

, (4.22)

звідки товщина стінки труб

, (4.23)

, (4.24)

де б — номінальна товщина стінки труби в м;

р — робочий (нормативне) тиск в трубопроводі в Па;

Dв,Dз— відповідно внутрішній і зовнішній діаметри труби в м;

п — коефіцієнт перевантаження робочого тиску в трубопроводі.

Щоб не розвинулися високі пластичні деформації при випробуваннях трубопроводу і його експлуатації, напруги не повинні перевищувати 90% нормативного значення межі текучості.. Цю умову можна записати у вигляді

, (4.25)

звідки мінімальна товщина стінки

. (4.26)

При розрахунку приймається велика з двох величин товщини стінки, одержаних по формулах (4.25) і (4.26).

Перевірка розрахункової товщини стінки при впливі інших навантажень. При випробуваннях перед укладанням і після неї (до засипки) в підводному, трубопроводі можуть виникнути подовжні напруги від внутрішнього тиску, пружного вигину і зміни температури. Сумарні подовжні напруги не повинні перевищувати 90% нормативного значення межі текучості. Якщо ці напруги будуть більше допустимих при товщині стінок, прийнятої по розрахунку, слід змінити технологічну схему випробувань (зменшити відстань між роликоопорами, збільшити радіус кривизни спускової .доріжки і ін.).

При зовнішньому тиску, рівномірно розподіленому по периметру кільцевого перетину труби, втрата її стійкості наступить при критичному тиску.

, (4.27)

звідки з урахуванням коефіцієнтів перевантаження і умов роботи номінальна товщина стінки:

, (4.28)

тут р — зовнішній тиск в Па..

Визначаючим при розрахунку товщини стінки може бути спосіб укладання підводного трубопроводу. При укладанні способом протягування по дну через водні перешкоди вширшки в декілька кілометрів трубопроводі виникають тягові зусилля в 100—150 т і більше. Напруги в трубопроводі від цих зусиль підсумовуються з напругою пружного вигину і можуть перевищити межу текучості.

При проектуванні підводних газопроводів невеликих діаметрів (до 325 мм) і нафтопроводів великого діаметру (понад 720 мм) товщину стінок труб слід розраховувати з урахуванням необхідного привантаження і її конструкції. У ряді випадків буде економічно доцільним використовувати труби з дешевших вуглецевих сталей з меншим