Расчет балластировки
Введение.
Балластировка трубопроводов- способ закрепления трубопроводов c помощью утяжеляющих грузов или бетонированием при прокладке их на заболоченных или обводнённых грунтах. Балластировкой трубопроводов называется также сам процесс производства работ, связанных c установкой грузов и бетонированием труб. Утяжеляющие грузы - седловидные, шарнирные, c гибкими элементами и др. (рис.) - укладывают на трубы при сооружении трубопроводов c помощью трубоукладчика, болотного экскаватора, крана-амфибии, вертолёта. Для балластировки трубопровода бетонированием производят сплошное равномерное покрытие труб, осуществляемое часто на стационарной базе, или заполнение бетоном пространства между трубопроводом и внешним кожухом (конструкция типа "труба в трубе"). Балластировка трубопровода выполняется иногда при анкерном закреплении трубопроводов.
1. Исходные данные.
Продукт перекачки: пр. газ;
Рабочее давление Р: 7.5 МПа;
Наружный диаметр Dн: 1220 мм;
Номинальная толщина стенки δн: 10;11;12;13;14;15;16
Марка стали: 08ГБЮ;
Временное сопротивление: МПа;
Предел текучести: Rн2=σт = 350 МПа;
Коэффициент надежности по материалу К1: 1,4;
Категория участка трубопровода: III;
Температурный перепад ∆t; ±50;
Угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости : 08 01 град, мин;
Кривизна изгиба: вогнутая;
Плотность воды с учетом растворенных в ней солей ; 1050 кг/м3;
Схема изоляции трубопровода: 2+2;
Тип изоляционной ленты и обертки: Поликен;
Поверхностная скорость течения Vпов: 2,5 м/с;
Кинематическая вязкость воды ; 1 мм2/с
Длина участка балластировки L, м = 300 м
2.Расчет толщины стенки.
Расчет толщины стенки газопровода ведется по методике, отраженной в разделе 8.22 СНиП 2.05.06-85*.
Расчетные сопротивления растяжению (сжатию) R1 и R2 следует определять по формулам, МПа:
, (2.1)
, (2.2)
где R1н = σвр – нормативное сопротивление растяжению металла трубы, МПа;
R2н = σпр – нормативное сопротивление сжатию металла трубы, МПа;
m – коэффициент условий работы трубопровода при расчете его на прочность, устойчивость и деформативность;
k1, k2 – коэффициенты надежности по материалу, принимаемые соответственно по табл.2.2 и 2.3 ;
kн – коэффииент надежности по назначению трубопровода, принимаемый по табл. 2.4.
Согласно исходным данным
рассматриваемый нефтепровод
Магистральные трубопроводы и их участки подразделяются на категории, требования к которым в зависимости от условий работы, объема неразрушающего контроля сварных соединений и величины испытательного давления приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Категория трубопровода и его участка |
Коэффициент условий работы трубопровода при расчете его на прочность, устойчивость и деформативность m |
Количество монтажных сварных соединений, подлежащих контролю физическими методами, % от общего количества |
Величина давления при испытании и продолжительность испытания трубопровода |
1 |
2 |
3 |
4 |
В |
0,60 |
Принимается по СНиП III-42-80 | |
I |
0,75 | ||
II |
0,75 | ||
III |
0,90 | ||
IV |
0,90 | ||
Примечание. При испытании трубопровода для линейной его части допускается повышение давления до величины, вызывающей напряжение в металле трубы до предела текучести с учетом минусового допуска на толщину стенки.
Принимаем значение коэффициента m = 0,90.
Значения остальных
Таблица 2.2
Характеристика труб |
Значение коэффициента надежности по материалу k1 |
|
1 |
2 |
1. Сварные из малоперлитной и бейнитной стали контролируемой прокатки и термически упрочненные трубы, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой под флюсом по сплошному технологическому шву, с минусовым допуском по толщине стенки не более 5% и прошедшие 100%-ный контроль на сплошность основного металла и сварных соединений неразрушающими методами |
1,34 |
2. Сварные из нормализованной, термически упрочненной стали и стали контролируемой прокатки, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой под флюсом по сплошному технологическому шву и прошедшие 100%-ный контроль сварных соединений неразрушающими методами. Бесшовные из катаной или кованой заготовки, прошедшие 100%-ный контроль неразрушающими методами |
1,40 |
3. Сварные из нормализованной и горячекатаной низколегированной стали, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой и прошедшие 100%-ный контроль сварных соединений неразрушающими методами |
1,47 |
4. Сварные из горячекатаной низколегированной или углеродистой стали, изготовленные двусторонней электродуговой сваркой или токами высокой частоты. Остальные бесшовные трубы |
1,55 |
Примечание: Допускается применять коэффициенты 1,34 вместо 1,40; 1,4 вместо 1,47 и 1,47 вместо 1,55 для труб, изготовленных двухслойной сваркой под флюсом или электросваркой токами высокой частоты со стенками толщиной не более 12 мм при использовании специальной технологии производства, позволяющей получить качество труб, соответствующее данному коэффициенту k1.
Таблица 2.3
Характеристика труб |
Значение коэффициента надежности по материалу k2 |
|
1 |
2 |
Бесшовные из малоуглеродистых сталей |
1,10 |
Прямошовные и спиральношовные сварные из малоуглеродистой стали и низколегированной стали с отношением |
1,15 |
Сварные из высокопрочной стали с отношением |
1,20 |
Таблица 2.4
Условный диаметр трубопровода, мм |
Значение коэффициента надежности по назначению трубопровода kн | |||
|
для газопроводов в зависимости от внутреннего давления р |
для нефтепроводов и нефтепродуктопроводов | |||
р £ 5,4 МПа р £ 55 кгс/см2 |
5,4 <р£ 7,4 МПа 55 < р £ 75 кгс/см2 |
7,4 < р £ 9,8 МПа 75 < р £ 100 кгс/см2 | ||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
500 и менее |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
600-1000 |
1,00 |
1,00 |
1,05 |
1,00 |
1200 |
1,05 |
1,05 |
1,10 |
1,05 |
1400 |
1,05 |
1,10 |
1,15 |
- |
Принимаем k1 = 1,47, k2 = 1,15 и kн = 1,00.
Нормативные сопротивления растяжению (сжатию) металла труб и сварных соединений R1н и R2н даны в исходных данных:
;
Rн2=σт = 350 МПа;
Расчетную толщину стенки трубопровода d, следует определять по формуле, м:
, (2.3)
Определим минимально необходимую толщину стенки трубопровода по формуле (2.3):
Принимаем предварительное значение толщины стенки проектируемого трубопровода по сортаменту δном = 16 мм.
Внутренний диаметр трубопровода
, (2.4)
При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять из условия:
, (2.5)
где n – коэффициент надежности по нагрузке – внутреннему рабочему давлению в трубопроводе, принимаемый по табл. 13* СНиП 2.05.06-85*, n = 1,10;
p – рабочее (нормативное) давление, МПа;
Dн – наружный диаметр трубы, м;
y1 – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб, определяемый по формуле:
, (2.6)
где sпр.N – продольное осевое сжимающее напряжение, МПа.
Продольные осевые напряжения sпр.N определяются от расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы металла.
В частности, для прямолинейных и упруго-изогнутых участков подземных трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений, просадок и пучения грунта продольные осевые напряжения определяются по формуле:
, (2.7)
где a – коэффициент линейного расширения металла трубы, a = 0,000012 град-1 = 1,212·10-5 град-1;
Е – переменный параметр упругости (модуль Юнга), Е = 206 000 МПа (2100 000 кгс/см2);
Dt – расчетный температурный перепад, принимаемый положительным при нагревании, °С;
n – коэффициент надежности по нагрузке – внутреннему рабочему давлению в трубопроводе, принимаемый по табл. 13* СНиП 2.05.06-85*,, n = 1,10;
m – переменный коэффициент поперечной деформации стали (коэффициент Пуассона), m = 0,3.
Согласно исходным данным, температурный перепад .
Рассчитаем продольное осевое сжимающее напряжение:
Коэффициент, учитывающий
двухосное напряженное
Тогда толщина стенки
Толщину стенки труб, определенную по формулам (2.3) и (2.5), следует принимать не менее , и не менее 4 мм — для труб условным диаметром свыше 200 мм.
; (2.8)
16мм > = 8.714 мм.
Следовательно, оба условия выполняются.
При этом толщина стенки должна удовлетворять условию, чтобы величина давления ри, была бы не менее величины рабочего (нормативного) давления.
Каждая труба должна проходить
на заводах-изготовителях
При величине испытательного давления, на заводе-изготовителе менее требуемой должна быть гарантирована возможность доведения гидравлического испытания при строительстве до давления, вызывающего напряжение, равное 95 % нормативного предела текучести.
Величина ри на заводе для всех типов труб должна определяться по величине нормативного предела текучести по формуле:
, (2.9)
где dмин – минимальная толщина стенки, мм;
R – расчетное значение напряжения, принимаемое равным 95 % R2н, МПа;
Dвн – внутренний диаметр трубы, мм.
Минимальную толщину стенки труб с наружным диаметром 1220 мм принимаем равной 12 мм.
Таким образом, – условие выполняется.
3.Расчет геометрических параметров трубы.
Приняв окончательно номинальную толщину стенки трубы δН, необходимо подсчитать геометрические параметры трубы:
RСР – радиус срединной поверхности цилиндрической оболочки, м:
- отношение номинальной толщины стенки к радиусу срединной поверхности;
Fδ – площадь поперечного сечения стенки трубы, м2:
, (3.2)
=2*3.14*0,586*0,016=0,588 м2.
J – осевой момент инерции поперечного сечения трубы при ее изгибе, м4:
, (3.3)
=3,14*0,5863*0,016=0,010
(E•J) – жесткость трубы на изгиб, Н•м2. (3.4)
Приближенная формула (3.3) справедлива только для тонкостенных цилиндрических оболочек, у которых
0,016/0,586 = 0,0273 ≤ 1/20 = 0.5 условие выполняется.
4. Расчет параметров балластировки.
Под устойчивостью трубопровода будем понимать его способность сохранять прямолинейное или начальное упруго-искривленное положение на дне обводненной траншеи при выпуклом (вогнутом) рельефе местности при самой неблагоприятной комбинации силовых воздействий, стремящихся вывести его из этого положения.
Устойчивость положения (против всплытия) трубопроводов, прокладываемых на обводненных участках трассы, согласно п. 8.30* СНиП 2.05.06-85* следует проверять (в зависимости от условий строительства на данном участке) по условию:
, (19)
где QАКТ – суммарная расчетная нагрузка на трубопровод, действующая вверх (включая упругий отпор при прокладке свободным изгибом на выпуклом либо вогнутом рельефе), Н/м;
QПАС – суммарная расчетная нагрузка, действующая вниз (включая собственный вес трубопровода), Н/м;
KН.В – коэффициент надежности устойчивого положения трубопровода против всплытия на обводненных участках трассы, принимаемый равным:
- 1,05 для участков перехода через болота Ι, ΙΙ и ΙΙΙ типов по СНиП ΙΙΙ-42-80*, водоемы при отсутствии течения, пойменные участки рек за границами производства подводно-технических работ (ПТР), обводненные и периодически затопляемые участки в пределах ГВВ 1% обеспеченности;
- 1,10 для русловых участков рек шириной до 200 м по среднему меженному уровню, включая прибрежные участки в границах производства ПТР;
- 1,15 для переходов через реки и водохранилища шириной свыше 200 м, а также горные реки.
В общем случае при
протаскивании трубопровода, покрытого
сплошной деревянной
, (20)
- нормативный вес
nБ – коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным:
- 0,9 – для железобетонных грузов типа УБК, УБО, УТК, а также при сплошном обетонировании трубопровода;
- 1,0 – для чугунных грузов;
qB= A – расчетная выталкивающая (Архимедова) сила воды, действующая на единицу длины полностью погруженного в воду трубопровода при отсутствии течения, Н/м:
, (21)
DН.И – наружный диаметр трубы с учетом изоляционного покрытия и футеровки, м, равный:
- - (22)
- наружному диаметру
- - (23)
- наружному диаметру
γВ – плотность воды с учетом растворенных в ней солей и наличия взвешенных частиц, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, g=9,80665 м/с2.
Примечание. При проектировании трубопроводов на участках переходов, сложенных грунтами, которые могут перейти в жидко-пластическое состояние, при определении выталкивающей силы следует вместо плотности воды принимать плотность разжиженного грунта, определяемую по данным изысканий.
δИЗ, δФ – толщина слоя соответственно изоляции и футеровки, м:
,
(24)
δИ.П, δОБ – толщина изоляционного покрытия (мастичной изоляции или изоляционной ленты) и оберточного слоя (обертки) соответственно, м, приведенные для различных материалов в табл. 8;
kИЗ – коэффициент, учитывающий величину нахлеста:
- 1,09 при однослойной
схеме изоляционного покрытия
«1+1», т.е. один слой
- 2,3 при двухслойной схеме изоляционного покрытия «2+2», т.е два слоя изоляционной ленты и два слоя обертки.
qИЗГ – расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора (стремящаяся вернуть трубопровод в исходное прямолинейное положение) при свободном изгибе трубопровода в вертикальной плоскости по заданной выпуклой (или вогнутой) круговой кривой в соответствии рельефом дна разрабатываемой траншеи (рис. 3), Н/м:
, (25)
Кq – постоянный коэффициент, равный:
8 – для выпуклых кривых (см. рис.3);
32 – для вогнутых кривых;
βВ – угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости, рад ();
ρ – радиус упругого (свободного) изгиба оси трубопровода на участке поворота в вертикальной плоскости, соответствующий рельефу дна траншеи (радиус кривизны рельефа дна траншеи, равный радиусу круговой кривой),м, который должен быть больше или равен минимальному радиусу упругого изгиба оси трубопровода ρmin, определяемому по таблицам СНиП ІІІ-42-80* «Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ» либо специальным расчетом (см. далее) как максимум из двух радиусов, получаемых при выполнении соответствующих условий:
- прочности (предотвращения
недопустимых пластических
- прилегания нижней образующей
трубопровода ко дну
Таким образом, при укладке трубопровода свободным изгибом на выпуклом либо вогнутом рельефе местности в любом случае должно выполняться условие
(26)
где ρmin – минимально допускаемый радиус упругого изгиба оси трубопровода, м.
Значения L – длина балластируемого криволинейного (изгибаемого) участка трубопровода (рис. 3); - расстояние по прямой между началом и концом вертикальной кривой, м; - стрела изгиба трубопровода в пределах расчетного криволинейного балластируемого участка, м, и угол поворота оси трубопровода βВ связаны между собой следующими зависимостями:
, (27)
, (28)
(29)
Из последнего выражения (полагая, что поворот траншеи в вертикальной плоскости происходит по круговой кривой) с учетом (26) следует
.
Предварительную проверку условия (30) производим, приняв минимально допускаемые радиусы упругого изгиба оси трубопровода по табл. 9, приведенной в СНиП ІІІ-42-80*.
Таблица 9
Минимально допускаемые радиусы упругого изгиба
Диаметр трубопровода Dу, мм |
ρmin, м |
Диаметр трубопровода Dу, мм |
ρmin, м |
1400 |
1400 |
600 |
600 |
1200 |
1200 |
500 |
500 |
1000 |
1000-800 |
400 |
400 |
800 |
700 |
300 |
300 |
700 |
700-600 |
200 |
200 |
Рис. 3. Расчетная схема изогнутых (выпуклых) участков трубопровода на дне обводненной траншеи в вертикальной плоскости.
βВ – угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости, рад;
- стрелка прогиба искривленного участка, м;
L – длина криволинейного балластируемого участка, м;
- расстояние по прямой
между началом и концом
ρ – радиус упругого изгиба оси трубопровода, соответствующий рельефу дна траншеи, м;
S – эквивалентное продольное осевое усилие сжатия для криволинейного (выпуклого или вогнутого) участка трубопровода, выполненного упругим изгибом, направленное по касательной к его оси, Н.
В частности для прямолинейных участков трубопроводов и участков, выполненных упругим изгибом в случае пластической связи трубы с грунтом при отсутствии компенсации продольных перемещений, просадок и пучения грунта эквивалентное продольное осевое усилие сжатия в сечении трубопровода S возникает от действия двух расчетных нагрузок и воздействий: внутреннего давления Р и положительного температурного перепада Δt>0 (при нагревании трубопровода)
Окончательную проверку выполнения условия (30) производим специальным расчетом (см. далее).
Если при предварительной (либо окончательной) проверке условие (30) не выполняется, то это значит, что выполнить укладку забалластированного трубопровода с помощью упругого изгиба на данном криволинейном участке (с параметрами L, βВ и ρ, см. формулу (29)) невозможно либо из-за отсутствия полного его прилегания ко дну разрабатываемой траншеи, либо из-за возникающих при таком изгибе в металле сваренных в нитку труб напряжений, превышающих допустимые (см. далее).
Таким образом, если трубопровод не вписывается в траншею, т.е. не выполняется условие (30), следует:
- либо увеличить глубину заложения трубопровода, планируя дно траншеи путем срезки грунта от точки с максимальным изгибом к краям криволинейного участка (уменьшая тем самым стрелу изгиба и угол поворота βВ – см. рис. 3) и увеличивая, в соответствии с формулами (27)-(29) радиус упругого изгиба трубопровода (радиус поворота дна траншеи в вертикальной плоскости);
- либо подобрать трубы, выполненные из другой марки стали, с лучшими механическими характеристиками σТ, σВР;
- либо увеличить толщину стенки трубы до ближайшей большей по сортаменту.
Первый путь трудно осуществим. Поэтому при выполнении данной практической работы в случае нарушения неравенства (30) принимаем решение об увеличении толщины стенки трубопровода и повторяем расчет (пересчитывая все величины).
В полевых условиях идут
- с помощью трубогибочных
станков Кропоткинского
- при больших углах поворота βВ, превышающих возможности трубогибочных станков для холодной гибки применяют крутозагнутые вставки в плеть (отводы), изготовленные методом горячей штамповки или сваренные из отдельных сегментов.
При расчете устойчивости против всплытия подводного трубопровода, пересекающего реки, необходимо учитывать вертикальную и горизонтальную составляющие силового гидродинамического воздействия потока воды на трубу в процессе укладки трубопровода на дно траншеи, имея в виду следущее:
Ру – вертикальная составляющая гидродинамического воздействия потока жидкости на единицу длины трубопровода (Н/м), действует в том же направлении, что выталкивающая силы воды qВ и, следовательно, входит в основную формулу (20) с тем же положительным знаком:
;
(50)
Рх – горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия на единицу длины трубопровода (Н/м) действует на трубу, сдвигая ее в сторону от оси траншеи:
.
(51)
Силе Рх противодействует
- (52)
- сила трения трубы
о грунт при горизонтальном
поперечном перемещении
- коэффициент трения трубопровода, покрытого сплошной деревянной футеровкой, о грунт в воде при поперечных перемещениях потока воды при укладке его в проектное положение протаскиванием по дну подводной траншеи, который можно в первом приближении принять
, (53)
, - соответственно расчетное и нормативное значения коэффициента трения грунта при сдвиге;
kУ.С=0,8 – коэффициент устойчивости на сдвиг (коэффициент безопасности по грунту, устанавливаемый в зависимости от φ);
- (54)
- коэффициент трения грунта при сдвиге;
φГР – угол внутреннего трения грунта.
Из формулы (52) с учетом, что , следует
. (55)
Величина входит в формулу (20) также с положительным знаком;
Сх, Су – гидродинамические коэффициенты трубопровода (коэффициенты лобового сопротивления трубопровода потоку жидкости);
V – средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, м/с.
VДОН – донная скорость течения воды, м/с;
hT – глубина траншеи (высота откоса), м;
- заложение откоса траншеи, м;
ВН, ВВ – ширина траншеи по дну и но верху соответственно, м;
α – угол наклона откоса траншеи, характеризующий крутизну откоса;
1:m=hT/c=tgα – отношение высоты откоса (глубина) траншеи к ее заложению, т.е. уклон или крутизна откоса траншеи, обозначаемая на строительных чертежах отношением 1:m и устанавливаемая в соответствии со СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» как для грунтов естественной влажности, так и для грунтов, разрабатываемых на болотах;
где m=1/tgα (т.о. крутизна откоса траншеи может быть выражена либо отношением 1:m (т.е. уклоном), либо углом наклона α).
В формулах (50)-(51) в качестве V можно с достаточной точностью принять V2, значение которой отыскивается по номограммам [1] в зависимости от крутизны откосов траншеи 1:m, ее ширины по дну ВН и глубины hT/ ориентировочно значения Рх и Ру можно рассчитать, приняв в качестве V скорость V2, а донную скорость VДОН определить через поверхностную, т.е.
, (56)
. (57)
Коэффициенты Сх и Су зависят от числа Рейнольдса
где - кинематическая вязкость воды (м2/с),
μВ – динамическая вязкость воды, Па*с;
а значение V2 ориентировочно определяется по формуле
По экспериментальным данным
- при Re≤105 Сх=1,1÷1,2;
- при 105<Re≤107 Cx=0,7-0,8 для гладких труб и Сх=1,0 для обетонированных или офутерованных труб.
Ориентировочно значение Су можно принять:
- при Re≤105 Су=0,76;
- при 105<Re≤107 Cу=0,5 для гладких труб и Су=0,66 для обетонированных или офутерованных труб.
Значения угла внутреннего трения грунта φГР приведены в табл. 10.
Таблица 10
Характеристики уплотненных влажных грунтов Западной Сибири
Характеристика грунта |
Угол внутреннего трения φГР, градус |
tg φГР |
|
В русловой части реки, в т.ч.: Песок крупный и гравелистый, гравийный и галечниковый грунт |
36-40 |
0,7265-0,839 |
Песок средней крупности и неоднородного зернового состава |
33-38 |
0,6494-0,7813 |
Песок мелкий |
30-36 |
0,5774-0,7265 |
Песок пылеватый |
28-34 |
0,5317-0,6745 |
На сезонно обводняемых поймах рек, в условиях обводненной и заболоченной местности, в т.ч.: Супесь |
26-32 |
0,4877-0,6249 |
Суглинки и илистые грунты |
24-30 |
0,4452-0,5774 |
Глины |
22-28 |
0,404-0,5317 |
На болотах всех типов, в т.ч.: Заторфованные грунты (торф) и илы |
16-30 |
0,2867-0,5774 |