Арочные переходы

3 Расчет основных элементов конструкции

 

3.1 Выбор трубы

По сортаменту [2] выбираем трубу выпускаемую Выксунским металлургическим заводом ТУ 14-3-1573-99 из марки стали 10Г2СФ с       =590 МПа, =460 МПа и =1,34;  =1,0;

3.2 Определение толщины стенки трубопровода

1) Расчетное сопротивление  металла трубы определяется по формуле

                                          
где m - коэффициент условий работы трубопровода, равный 0,9 для участков   трубопроводов категории III;

- коэффициенты надежности по материалу (таблица 2.18 [2]);

- коэффициент надежности по  назначению трубопровода (таблица 2.20 [2])

                                           

2) Толщина стенки нефтепровода определяется по формуле

                                                                                            

где n- коэффициент надежности по нагрузке, n=1,1

                                     

Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляем до ближайшего большего по сортаменту равного δн=12 мм, D_вн=720-2*12=696 мм.

3) По СНиП 2.01.07-85*, находим  для района прокладки трубопровода           t_I=-15^oC, t_VII=20^oC, Δ_I=15^oC, Δ_VII=6^oC.

t_I-среднемесячная температура воздуха в январе;

t_VII- среднемесячная температура воздуха в июле

Нормативное значение температуры  наружного воздуха в холодное и теплое время года

 

                                                      t_н^х = t₁ - Δ_I = -15 – 15= -30 ^oC

                                                      t_н^T = t_VII + Δ_VII =20 + 6= 26 ^oC

Расчетные значения температур

t^x = -30 -6= -36 ^oC

                                                                t^T =26 + 3= 29 ^oC

Температурный перепад при  замыкании трубопровода в холодное и теплое время года

Δt^x = 5 - (-36)=41 ^oC

                                                              Δt^T = 5 - 29= -24 ^oC

                                           

В качестве расчетного температурного перепада принимаем наибольшее значение Δt^x=+41-(-24)= 65 ^oC

4) Продольные напряжения определяются по формуле

                                Δ

 – расчетный перепад температур;

 – коэффициент поперечной  деформации (коэффициент Пуассона), ;

 – коэффициент линейного  расширения металла,  [2];

 – модуль Юнга, [2];

 – коэффициент надежности  по температуре,  [2];

 – внутренний диаметр трубопровода.

                    

5) Знак «минус» указывает  на наличие осевых сжимающих  напряжений, поэтому необходимо  определить коэффициент  ₁ , учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб

                                     

                             

 

6) Пересчитываем значение  толщины стенки нефтепровода по формуле

                                      

                              

Принятая толщина стенки удовлетворяет условиям СНиП 2.05.06-85*

Dн/140=0,72/140=0,0051<δн=0,006м и 0,004<0,006м

3.3 Проверка трубопровода на прочность в продольном направлении

1) Значение кольцевых  напряжений определяются по формуле

                                   

                               

2) Коэффициент учитывающий  двухосное напряженное состояние  металла трубы определяется по формуле

                                   =

                              =

3) Проверяем прочность  трубопровода в продольном направлении по условию

                                         ≤

                                    |-40,10| МПа 0,59·396=223,64 МПа

Условие выполняется

4) Для проверки по деформациям находим сначала кольцевые напряжения от действия нормативный нагрузки- внутреннего давления по формуле

                                            

                                

 

 

5) Проверяем условие по формуле

                                    ≤

                       ≤

Условие выполняется

6) Коэффициент 

                        

                        

11) Определяем значения  продольных напряжений 

                           Δ

ρ- минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода, м (таблица 2.26 [2])

         - для отрицательного температурного перепада

      - для положительного температурного перепада

    12) Выполнение условия определяется по формуле

                                     ≤

- для положительного температурного  перепада

                         

- для отрицательного температурного  перепада

                          

Условия выполняются. Таким образом окончательно принимаем = 12 мм.

3.4 Проверка общей устойчивости в продольном направлении и упруго изогнутых участков нефтепровода

1) Площадь поперечного  сечения металла трубы определяется по формуле

                                         

                               

2) Эквивалентное продольное усилие определяется по формуле

                                       Δ

                       

3) Осевой момент инерции  поперечного сечения трубы

                                            

                           

4) Нагрузка от собственного  веса трубопровода

- нормативная

- расчетная    

                       

_{nс.в-коэффициент надежности по нагрузке от действия собственного веса равный 1,1 а при расчете на продольную устойчивость и устойчивость положения – равный 0,95}

5) Нагрузка от веса изоляционного покрытия

Принимаем плотность изоляционного  материала импортного производства Фуракава Рапко НМ-2 (Япония) ρиз=1010 кг/м³

- нормативная 

                            

_{- расчетная}    

                         

6) Нагрузка от веса транспортируемого продукта

- нормативная 

                           

- расчетная    

                         

7) Нагрузка от собственного  веса заизолированного трубопровода  с перекачиваемым продуктом

                                                

                      

                      

8) Среднее удельное давление на трубопровод определяется по формуле

 

_{nгр- коэффициент надежности по нагрузке от веса грунта, принимаемый = 0,8}

_{ϒгр- удельный вес грунта естественной структуры ,ϒгр =15кН/м³ (таблица 2.32 [2])}

_{h0- высота слоя засыпки от верхней образующей трубопровода до дневной поверхности , h0=1,1м (таблица 2.33 [2])}

_{ϕгр- угол внутреннего трения, ϕгр=22°С (таблица 2.32 [2])}

9) Предельные касательные  напряжения определяются по формуле

                                            

_{сгр-сцепление грунта, сгр=8 кПа (таблица 2.32 [2])}

                         

10) Сопротивление грунта  продольным перемещениям трубопровода

                                                

                      

11) Сопротивление вертикальным перемещениям определяется по формуле

                              

  

12) Критическое усилие  прямолинейного участка трубопровода  в случае жесткопластичной связи  его с грунтом определяется по формуле

                                   

 

13) Проверяем выполнение условия по формуле

                                                          ≤

                                             

Условие выполняется, следовательно, устойчивость трубопровода при заданных параметрах обеспечивается.

14) Проверим выполнение условия в случае упругой связи прямолинейного трубопровода с грунтом определяется по формуле

                                                 

_{k0- коэффициент нормального сопротивлениягрунта k0=5 кН/м³ [2]}

                               

15) Проверяем выполнение условия по формуле

                                                         ≤

                                             

Условие устойчивости выполняется

 

16) Расчетная длина волны выпучивания определяется по формуле

                                              

                      

17) Для оценки устойчивости упругоизогнутого участка трубопровода определяем параметры θ и Z по формулам

                                                

ρ- минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода, м (таблица 2.26 [2])

                               

                                                   

                                    

По номограмме определяем

18) Определяем критическое усилие по формуле

                                               

                  

19) Проверяем условие по формуле

                                                        ≤

                                    

Условие устойчивости выполняется.

20) Снеговая нагрузка

Снеговая нагрузка приходящаяся на единицу длины надземного участка  трубопровода определяется по формуле

                                          

_{рс^н - нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной  поверхности на уровне прокладки трубопровода, Па}

_{nc – коэффициент надежности по нагрузке от веса снегового покрова, nc=1,4}

_{Вг – ширина горизонтальной проекции надземного трубопровода}

_{Значение  рс^н находится по формуле}

                                               

_{р^нс.п – нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли,  р^нс.п =1,68 кПа (таблица 2.11 [2])}

_{сc – коэффициент перехода от веса снегового покрова на единицу поверхности земли к весу снегового покрова на единицу поверхности площади на уровне прокладки трубопровода, сc=0,4}

                                            

                                   

                                         

                                         

21) Гололедная нагрузка  определяется по формуле

                              

q_лед и q^н_лед -расчетная и нормативная нагрузки соответственно, Н/м

n_лед –коэффициент надежности по гололедной нагрузке,  n_лед=1,3

b – толщина слоя гололеда, b =5мм (таблица 2.12 [2])

k – коэффициент, учитывающий изменение толщины слоя гололеда в зависимости от высоты положения трубопровода над поверхностью земли k=0,8м (таблица 2.13 [2])

                             

                             

                             

22) Ветровая нагрузка на  трубопровод определяется по  формуле

                            

_{nвет – коэффициент надежности по ветровой нагрузке, nвет=1,2}

q^н_c – нормативное значение статической составляющей ветрового давления на трубопровод, Па

q^н_д – нормативное значение динамической составляющей ветрового давления на трубопровод, Па

Величина q^н_c определяется по формуле

                                                  

q^н₀ – нормативное ветровое давление на вертикальную плоскость, q^н₀=0,30 кПа

с_х – коэффициент лобового сопротивления трубопровода ветровому потоку, определяемый по графику в зависимости от числа Рейнольдса, с_х=0,5

                             

                      

                                

                                           

ζ – коэффициент пульсаций давления ветра, ζ=0,85

ξ – коэффициент динамичности

ν – коэффициент пространственной корреляции пульсации давления ветра

                                                       

                                 

                                                         q_тр=q_м+q_пр                                                                                            (43) 
                                             q_тр=2245,1+3083,82= 5328,27 Н/м                                                                                          

                                     

                                                            ₍₄₄₎

                                                   ₍₄₅₎

 

_{3.5 Рассчитать двухтрубный арочный переход на прочность и устойчивость .}

          (46)

Параметры арки:     

 Расчетные нагрузки:

- собственный вес конструкции       Н/м

-нефть в трубе                                       Н/м

-пешеходы, гололед                             Н/м

-всего                                                       

1) Длина дуги арки

 

2) Усилия в спаренной  арке от полной симметричной  вертикальной нагрузки

 

;

 

Моменты в четверти

,

т.е. это случай рациональной формы оси арки, когда моменты  во всех сечениях равны нулю.

3)Усилия в двух трубах от собственного веса конструкции и несимметричной нагрузки нефтью и момент заполнения труб (трубы заполнены на половину пролета) ;

 

 

 

 

 

 

4) При данном загружении  наибольшее напряжения

 

 

5) Условие обеспечение  поперечной устойчивости

 

 

 

6) Условие обеспечения поперечной устойчивости

 

 

Следовательно, условия прочности  и устойчивости для данных случаев  загружения арочного перехода обеспечиваются.

 

В арке без специальных  массивных опор продольному смещению труб в местах выхода из грунта препятствует распор, возникающий в арке от собственного веса и продукта ,от изменения температуры и от внутреннего давления ;

 

 

 Распор, вызванный смещением  пят арок, без специальных опор  равен:

 

 

где ;;

 

При отсутствии участка предельного  равновесия, когда 

 

 

 

 

Приняты следующие обозначения: - толщина стенок труб на подходах; - расчетный перепад температуры стенок труб арки; - расчетное значение продольных напряжений в трубах на примыкающих подземных участках от перепада температуры и внутреннего давления

 

 

- принимаются для труб  на примыкающих подземных участках) - коэффициент постели при сдвиге труб в грунте.

Перемещение трубопровода в  месте выхода его из грунта определяется по формуле 

 

 

где -площадь поперечного сечения стенок труб на примыкающих к переходу участках; -расчетная величина продольного усилия, -распор, возникающий от смещения пят арки;-сопротивление грунта сдвигу при продольном перемещении трубопровода, приходящееся на единицу его длинны;

-удельное сопротивление  грунта сдвигу при продольном  перемещении трубопровода,.

Получаем длину, на которой  происходит смещение трубопровода

 

где

 

Суммарное перемещение  пят арки

;

 

Или

;