Повздовжні напруження у підводних трубопроводах

Подовжні напруги в підводному трубопроводі можуть виникнути від внутрішнього тиску в трубопроводі, зміни температури трубопроводу, його вигину і поперечного зсуву осі трубопроводу, тягового зусилля при протяганні трубопроводу по дну.

Подовжні напруги від внутрішнього тиску. Під дією внутрішнього тиску в трубопроводі створюються подовжні розтягуючі напруження. Значення цих напружень в трубопроводі, що лежить на поверхні ґрунту (на суші і під водою) або в траншеї, не засипаній ґрунтом, тобто в незатисненому трубопроводі, що має повну свободу переміщення, якщо кінці його повністю закриті (заглушені), визначають по формулі:

. (4.29)

Повздовжні напруження, що виникають від внутрішнього тиску в трубопроводі, укладеному в траншею і засипаному ґрунтом, тобто в затисненій трубопроводі, слід визначати по формулі:

, (4.30)

де µ— коефіцієнт Пуассона. Для сталі він приймається рівним 0,3.

Із зіставлення формул (4.29) і (4.30) витікає, що подовжні напруження від внутрішнього тиску в трубопроводі, укладеному в траншею і засипаному ґрунтом, складають 60% від напружень в трубопроводі, що лежить на поверхні ґрунту без засипки.

Температурні напруження в трубопроводі. При визначенні повздовжніх напружень, що виникають в трубопроводах із зміною температури, передбачається, що прямолінійні ділянки трубопроводу після засипки їх ґрунтом практично не можуть змінювати свою довжину. Значення цих напружень визначають за формулою:

, (4.31)

де б — коефіцієнт лінійного розширення (для сталі — 0,000012);

Е — модуль пружності в Па (для сталі Е — 2,1 х 10е 11 Па);

дt— температурний перепад — різниця температур металу труб при укладанні і при експлуатації.

При монтажі і укладанні трубопроводів влітку метал труб під впливом сонячного проміння нагрівається до 40—50° C. У зимовий час з пониженням температури ґрунту труби охолоджуються. При транспортуванні світлих нафтопродуктів, які в зимовий час можуть мати температуру до —15° C перепад температур досягає максимального значення.

Сумарні повздовжні напруження з урахуванням внутрішнього тиску досягають великого значення і при нерівномірності зварного стику з основним металом можуть викликати розрив з'єднання трубопроводів. Тому зварні з'єднання трубопроводів розриваються головним чином в зимовий час при мінімальних температурах ґрунту і рідини, що транспортується.

Якщо у формулу (4.31) підставити приведені для сталі значення коефіцієнта лінійного розширення і модуля пружності, неважко помітити, що температурному перепаду в 1°С відповідатимуть напруження в трубопроводі, рівні 25 Па.

Температурні напруження в підводних трубопроводах будуть меншим, ніж в сухопутних, оскільки при укладанні температуривши стінок буде рівна температурі води.

Напруження, що виникають в трубопроводі при його монтажі, залежать від перетину труби, ваги і розташування опорних обладнань.

При транспортуванні батога трубопроводу по роликоопорам до зрізу води і в інших випадках слід визначати довжину вільного кінця трубопроводу, що допускається.

Допустима довжина вільного кінця трубопроводу l1 (у м) визначається по формулі:

, (4.32)

звідки

, (4.33)

де g — вага 1 м довжини труби в H;

R2 — розрахунковий опір металу труб (по межі текучості) в Па.

Якщо секція трубопроводу спирається своїми кінцями або має одну опору в середній точці, то напруження в середньому перетині секції трубопроводу

, (4.34)

звідки допустима довжина секції або відстань між опорами може бути визначене по формулі

. (4.35)

Мінімальні напруження в секції будуть при тому, що спирається її в двох крапках, що знаходяться від кінців на відстані а = у = = 0,207. Розташування опор при цьому створює рівність згинаючого моменту посередині прольоту і на опорах.

Допустима довжина секції при цьому збільшиться, вона може бути визначена по формулі:

. (4.36)

Відстань між опорами трубопроводу великої довжини можна визначити розрахунком як багатопролітну балку. Такий розрахунок відповідатиме положенню трубопроводу на вагонетках, на опорах під час монтажних робіт, при укладанні з плавучих опор і ін. У всіх цих випадках допустиму відстань між опорами можна визначити по формулі

, (4.37)

де к0— коефіцієнт опорного моменту багатопролітної нерозрізної балки.

Напруження, що виникають в трубопроводі при його пружному вигині. Підводний трубопровід можна укладати способом протягування по спусковій доріжці, змонтованої по кривій (у плані) зважаючи на обмежені розміри монтажного майданчика. Спускова доріжка біля урізання води звичайно має криволінійний контур у вертикальній площині. З метою зменшення об'ємів земляних робіт підводні траншеї розробляються також по кривих в межах радіусу вигину, що допускається (у вертикальній площині). У всіх цих випадках в трубопроводі, укладеному по криволінійній поверхні, виникнуть напруження, які можна визначити по формулі:

, (4.38)

де с — радіус кривої, по якій укладений трубопровід, в м.

При розтягуванні трубопроводу, що прокладеного по криволінійній поверхні і знаходиться в ґрунті, подовжні сили вирівнюють напруження по поперечних перетинах при досягненні металом труб межі текучості. Тому, визначаючи товщину стінки, вплив напруження від попереднього вигину трубопроводу не враховують.

Мінімальний допустимий радіус вигину трубопроводу може бути одержаний з формули (4.38):

. (4.39)

На трубопроводи звичайно впливає декілька видів навантажень. Тому слід враховувати сумарні напруження, що виникають в цих випадках. Для прикладу розглянемо напружений стан трубопроводу, змонтованого з окремих секцій, встановлених на вагонетках, розміщених по спусковому шляху. Трубопровід перед укладанням піддається гідравлічному випробуванню. Сумарні напруження, що виникають при цьому в трубопроводі:

, (4.40)

де у— напруження від вигину як для багатопролітної балки з прольотами, рівними відстані між вагонетками (напруження