Проектирование и сооружение перехода через водную преграду

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Филиал Российского  государственного университета нефти  и газа имени И.М.Губкина в г.Оренбурге

 

 

  

 

 

Курсовой проект по дисциплине

«Сооружение и ремонт магистральных газонефтепроводов»

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  И СООРУЖЕНИЕ

ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ  ВОДНУЮ ПРЕГРАДУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург  2009 
Содержание

 

 

Введение

Магистральные трубопроводы пересекают, как правило,  большое  число препятствий двух видов: естественные и искусственные.

Под естественными понимают препятствия, сформировавшиеся на земной поверхности без участия человека; под искусственными понимают препятствия, появившиеся в результате деятельности человека.

К естественным препятствиям относятся: реки, озера, болота, пруды, ручьи, овраги и т.п.; к искусственным – населенные пункты, каналы, искусственные водохранилища, железные и автомобильные дороги и т.п.

При решении вопроса  о способе преодоления препятствий, как правило, приходится решать не только конструкторские и технологические, но и экономические вопросы. Так, при необходимости пересечь трубопроводом реку можно применить подземную схему.

Подводные переходы трубопроводов  через водные преграды следует проектировать  на основании данных гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом условий эксплуатации в районе строительства ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, влияющих на режим водной преграды в месте перехода, перспективных дноуглубительных и выправительных работ в заданном районе пересечения трубопроводом водной преграды и требований по охране рыбных ресурсов.

В данном курсовом проекте  ставится цель –  расширение и закрепление материала полученного при изучении дисциплины «Сооружение и ремонт магистральных газонефтепроводов».

Основная задача – изучение методики расчета на устойчивость трубопровода на водном переходе через реку, а так же расчета тягового усилия необходимого для протаскивания трубопровода.

Данный курсовой проект состоит из шести глав. Вторая и третья главы посвящены расчету толщины стенки трубопровода и проверки на прочность трубопровода в продольном направлении, а также сделана проверка недопустимых пластических деформаций трубопровода.

При проектировании подводного перехода через водные преграды обязательно должен выполняться расчет против всплытия трубопровода. Данный вопрос раскрывается в четвертой глава курсового проекта.

При прокладке подводных  трубопроводов наиболее распространенный способ является способ протаскивание его по дну с помощью заранее уложенного троса. В пятой главе определяется тяговое усилие троса и подбор тягового средства.

Одним из способов строительства переходов трубопроводов через водные преграды является способ наклонно-направленного бурения (ННБ). Шестая глава курсового проекта рассматривает этот метод.

 

 

 

 

 

1 Задание на  курсовое проектирование

 

 

Рассчитать устойчивость трубопровода на водном переходе через  реку. Рассчитать тяговое усилие, подобрать трос и тяговый механизм.

 

Исходные  данные для расчета:

 

• наружный диаметр трубопровода D_н = 820мм;
• давление в трубопроводе Р= 5,5 МПа;
• средняя скорость течения воды V_ср= 0,75 м/с;
• длина перехода L_тр= 75 м;
• грунт – глина r_гр= 1800 кг/м³;
• ;
• ;
• плотность бетона r_бет= 2400 кг/м³;
• плотность чугуна r_чуг= 7500 кг/м³;
• плотность битума r_бит= 1040 кг/м³;
• плотность воды r_в= 1075 кг/м³;
• плотность футеровки r_фут= 650 кг/м³.

 

 

2 Расчет толщины  стенки трубопровода

 

Методика определения  толщины стенки труб магистрального трубопровода, основана на принципе предельных состояний.

За предельное состояние, при котором трубопровод перестает  удовлетворять предъявляемым к  нему требованиям, принимается состояние  разрушения. Поэтому расчетное сопротивление  определяется, исходя из временного сопротивления материала труб.

Данные курсовой работы: D_н = 820 мм; Р_в = 5,5МПа.

Выберем трубы стальные электро-сварные прямошовные диаметром 530-1020 мм. Для стенки трубы выбираем материал – сталь ТУ 14-3-1270-84 марки 17ГС (Челябинский трубный завод) со следующими характеристиками: временное сопротивление разрыву s_в=510 МПа, предел текучести s_т=353 МПа, коэффициент надежности по металлу трубы к₁=1,47  [9].

1) При отсутствии продольных осевых сжимающих напряжений толщина стенки определяется по формуле:

 мм;   [6], п. 8.22

где – коэффициент надежности по нагрузке от внутреннего давления,  определим по таблице 13 [6] n_p = 1,0;

р – внутреннее давление в трубопроводе, МПа;

– наружный диаметр трубопровода, мм;

R₁ – расчетное сопротивление материала трубы, МПа.

R₁ рассчитаем по формуле:    ,  [6], п.8.3

где - нормативное сопротивление материала, зависящее от  марки стали, и в расчетах принимаем =s_в=510 МПа;

m – коэффициент условий работы трубопровода, согласно [6] таблицы 1 для второй категории трубопроводов m=0,75;

к₁ – коэффициент надежности по металлу, для данной марки стали к₁=1,47 [9];

к_н – коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с условным диаметром 820 мм и внутренним давлением от 5,4 до 7,5 МПа к_н=1  [6] по таблице 11;

 МПа

Тогда расчетная  номинальная толщина стенки равна:

   Принимаем δ=8,5мм.

 

2) При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять по формуле:

,    [6] п.8.22.

где y₁ – коэффициент двухосного напряженного состояния металла труб и определяемый по формуле:

    [6]  п.8.22.

где - продольное осевое сжимающее напряжение, МПа, определяемое от расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы металла труб в зависимости от принятых конструктивных решений.

,  [6] п.8.25

где   a_t – коэффициент линейного расширения металла, a_t=1,2×10^-5 1/⁰С  [6], таблица 12;

Е – модуль Юнга, Е=2,06×10⁵ МПа [6], таблица 12;

 Dt – расчетный перепад температур;

m - коэффициент Пуассона, m=0,3  [6], таблица 12;

D_ВН – внутренний диаметр трубопровода.

мм;

Предельно допускаемый  перепад температур вычислим по формулам:

положительный  

⁰ С,

отрицательный  

⁰ С.

Найдем значение s_пр.N – при δ = 8,5мм:

Рассчитаем  значение коэффициента двухосного напряженного состояния для s_{пр N(+)}<0 (при s_{пр N(-)}>0  y₁=1 и этот случай уже рассчитан):

Тогда при наличии  продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки будет равна:

Окончательно  принимаем толщину стенки δ = 8,5мм. [6].

 

3 Проверка толщины  стенки трубопровода

 

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы проверяют  на прочность и деформацию в продольном направлении

3.1 Проверка  на прочность трубопровода в продольном направлении.

 

Проверку на прочность подземных  и наземных (в насыпи) трубопроводов  в продольном направлении следует  производить из условия

,    [6, п.8.24]

где s_пр.N - продольное осевое напряжение от расчетных нагрузок и воздействий, МПа, определяемое согласно п. 8.25 [6];

ψ₂ – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных напряжениях (s_пр.N ³ 0) принимаемый равным единице, при сжимающих (s_пр.N < 0) определяемый по формуле

,   [6, п.8.24]

s_кц - кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления, МПа, определяемые по формуле: ,    [6, п.8.24]

Итак   

Тогда:

   ,                при s_пр.N < 0

                    при s_пр.N ³ 0

Как видно из последних  неравенств условия проверки трубопровода на прочность в продольном направлении  выполняются.

3.2 Проверка недопустимых пластических  деформаций трубопровода.

 

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов  проверку необходимо производить по двум условиям:

;   [6], п.8.26

,   [6], п.8.26

где - максимальные (фибровые) суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий, определяемые согласно п. 8.27. [6];

y₃ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб; при растягивающих продольных напряжениях принимаемый равным единице, при сжимающих - определяемый по формуле:    ,  [6], п.8.26

где  m – коэффициент условий работы трубопровода, согласно таблицы 1 [6] для второй категории трубопроводов m=0,75;

к_н – коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с условным диаметром 820 мм и внутренним давлением от 5,4 до 7,5 МПа к_н=1  [6] по таблице 11;

- нормативное сопротивление материала, зависящее от  марки стали, в расчетах принимается =s_т=353 МПа [6], п.8.2.

- кольцевые напряжения от  нормативного (рабочего) давления, МПа,  вычислено выше

Проверим выполнение первого условия:

   , условие выполняется.

Теперь проверим выполнение второго условия, для этого найдем ψ₃:

 

Определим максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе по формуле:

,   [6], п.8.27

где ρ- минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода,

Тогда  максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе для:

• положительного перепада температур:

•  отрицательного перепада температур:

Проверим выполнения условия:

при  <0,    

, выполняются оба условия

при >0,    

, выполняются оба условия.

 

4 Расчет устойчивости  трубопровода на водном переходе.

 

Уравнение устойчивости подводного трубопровода согласно СНиП 2.05.06-85* имеет следующий вид

, [6, п. 8.30]

где  n_б – коэффициент надежности по материалу балластировки, n_б=0,9 для железобетонных пригрузов [2];

к_н.в - коэффициент надежности против всплытия, к_н.в=1,1 для русловых участков переходов при ширине реки до 200 м [6];

q_изг – расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода соответственно рельефу дна траншеи.

q_в – расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод;

q_верт – величина пригруза, необходимая для компенсации вертикальной составляющей Р_у воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода, q_верт=Р_у;

q_г – величина пригруза, необходимая для компенсации горизонтальной Р_х составляющей воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода, q_г=Р_х /к;

к – коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях, к=0,4  [2];

q_доп – нагрузка от веса перекачиваемого продукта,  q_доп=0 т.к. рассчитывается крайний случай -  трубопровод без продукта;

q_тр – расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода;

 

Расчетная выталкивающая  сила воды, действующая на трубопровод

,

где D_н.ф. – наружный диаметр футерованного трубопровода.

На подводном переходе применяется двойная изоляция, т.е. два слоя изоляционной ленты и  два слоя обертки. Для изоляции трубопровода выбираем изоляционную ленту «Поликен» толщиной δ_и.л.=0,635 мм, плотностью ρ_и.л.=1046 кг/м³ и обертку «Поликен» толщиной δ_об.=0,635 мм, плотностью ρ_об.=1028 кг/м³   [2].

 

Горизонтальная  составляющая гидродинамического воздействия  потока

,

С_х–гидродинамический коэффициент лобового сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и характера внешней поверхности трубопровода.

где V_ср – средняя скорость течения реки, V_ср=0,75 м/с;

ν_в – вязкость воды, ν_в =1,31 10^-6 м²/с.

Для офутерованного трубопровода и 10⁵<Re<10⁷ коэффициент С_х=1,0  [2].

 

 

Вертикальная  составляющая гидродинамического воздействия  потока

,

С_у – коэффициент подъемной силы, С_у=0,55  [2];

Расчетную нагрузку от собственного веса трубопровода рассчитаем по следующей  формуле

q_тр = n_св (q_м^н + q_из^н+q_фут^н₎,

    где n_св – коэффициент надежности по нагрузкам от действия собственного веса, n_св=0,95   [6];                                      

q_м^н – нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы;

   q_из^н -нормативная нагрузка от собственного веса изоляции;

q_фут^н – нормативная нагрузка от собственного веса футеровки.

 

Нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы

,

g_м – удельный вес металла, из которого изготовлены трубы (для стали g_м=78500 Н/м³   [2]);

D_Н – наружный диаметр трубопровода, м;

D_ВН – внутренний диаметр трубопровода, м;

 

Нормативная нагрузка от собственного веса изоляции

,

q_и.л.^н – нормативная нагрузка от собственного веса изоляционной ленты;

q_об^н – нормативная нагрузка от собственного веса обертки.

q_и.л.^н =к_из×p×D_Н×g×d_и.л.×r_и.л.,

                               q_об^н =к_из×p×D_Н×g×d_об×r_об,

к_из – коэффициент, учитывающий величину нахлеста, при двухслойной изоляции (обертки), к_из=2,3  [2].

q_и.л.^н =2,3×3,14×0,820×9,81×0,635×10^-3×1046=38,59 Н/м,

q_об^н =2,3×3,14×0,82×9,81×0,635×10^-3×1028=37,92 Н/м,

Тогда    

Нормативная нагрузка от собственного веса футеровки

,

где r_фут – плотность деревянной футеровки;

D_н.ф – наружный диаметр офутерованного трубопровода;

D_н.и – наружный диаметр изолированного трубопровода.

D_н.и=D_Н+4×d_и.п+4×d_об=820+4×0,635+4×0,635=825,08 мм;

 

В результате расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода будет равна:

q_тр = 0,95∙(1701+76,51+425,69)=2093,04 Н/м.

Теперь определим дополнительную выталкивающую силу за счет изгиба трубопровода

где

        J- осевой момент инерции поперечного сечения трубы

Таким образом, величина пригрузки трубопровода в воде, равна:

 

 

Определим расстояние между пригрузами и их число.

Для балластировки трубопровода выбираем железобетонные кольцевые пригрузы, марка УТК 1020-24-2 массой 4048 кг, объемом 1,76 м³ , толщина груза =0,200м, ширина груза 2,4м, наружный диаметр

=1,50м [2].

Расстояние между пригрузами

где Q_г – масса груза;

V_г – объем груза;

_{Число пригрузов}   .

Принимаем количество пригрузов N_г=21 шт.

 

5 Расчет тягового  усилия, подбор троса и тягового  механизма.

 

Расчет тягового усилия ведем из условия

где  Т_р – расчетное тяговое усилие;

m_тяг – коэффициент условий работы тягового устройства, m_тяг=1,1  при протаскивании лебедкой  [2];

Т_пр – предельное сопротивление трубопровода на сдвиг.

 

Расчет предельного  сопротивления трубопровода на сдвиг  можно разбить на три этапа.

1. Первый этап расчета предельного сопротивления трубопровода.

Трогание трубопровода с места на берегу.

Усилие протаскивания  определим по формуле:

                                             T_пр=q_i ×f × L + C + E_пас ,  

где  q_i – вес полностью снаряженного трубопровода единичной длины в воздухе (металл трубы, изоляция, футеровка, балластировка);

f – коэффициент трения трубопровода о грунт при продольных перемещениях, который можно в первом приближении принять равным тангенсу угла внутреннего трения грунта , для глин   tg j_гр=0,287  [2];

С – сопротивление  трубопровода сдвигу, обусловленное сцеплением грунта;

Е_пас – пассивный отпор грунта.

                                       q_i =n_св (q_м^н +q_из^н + q_фут^н) +n_б q_бал^н.  

Рассчитаем нормативный  вес балластировки в воздухе

                                             ,  

ρ_б – плотность материала пригрузки (бетон), ρ_б=2400 кг/м³;

 

Вес единицы длины  трубопровода в воздухе

q_i= 0,95×( 1701+76,51+425,69)+0,9×11218 = 12189,24 Н/м.

Теперь определим сопротивление  трубопровода сдвигу по формуле

                                                     С=L×c_гр×i_тр ,                                          

c_гр – сцепление грунта, для глин  c_гр=19,5 кПа [2];

i_тр – длина части окружности трубы, врезавшейся в грунт,

i_тр= 0,3×D_н.ф =  0,3×0,875 = 0,2625 м.

С = 60×19500×0,2625 = 307125 Н.

Пассивный отпор грунта врезающимися в него неровностями на поверхности трубы:

,

где  N_г – число выступающих элементов на поверхности трубы

i_г – длина хорды той части пригруза, которая погружена в грунт;

ρ_гр – плотность грунта r_гр= 1800 кг/м³ [4];

t_г – толщина пригруза =0,200м;

j_гр – угол внутреннего трения грунта, для суглинка принимаем j_гр=16⁰  [2].

                                            ,    

D_н.г – наружный диаметр груза, D_н.г=1,50 м [2].

Усилие протаскивания

Т_пр=12189,24 ×0,287×75+307125+276734,61= 846233,001 Н.

 

2. Второй этап расчета предельного сопротивления трубопровода.

а)  по берегу:

Т_пр=q_i×f×L,

Т_пр=12189,24 ×0,287×75= 262373,391 Н.

б) в воде по дну траншеи:

Т_пр=q_iв× f_в×L

где f_в – коэффициент трения трубопровода о грунт в воде, ориентировочно f_в=0,8×tg j_гр=0,8×tg 16⁰=0,229;

q_iв – вес единицы длины протаскиваемого трубопровода в воде.

q_iв=q_м +q_из +q_фут +q_бал.в-q_в=q_i - q_в,

q_iв=12189,24 – 6342,5 = 5846,74 Н,

Т_пр= 5846,74 ×0,229×75 = 100417,76 Н.

 

3. Третий этап расчета предельного сопротивления трубопровода.

Третья стадия  – трогание трубопровода с места, после вынужденной (более одного часа) остановки протаскивания.

Определяем усилие протаскивания  при балластировке одиночными грузами:

                                        Т_пр= q_iв× f_в ×L +Е_пас.в+q_пс×S_пс, 

                                         

где  Е_пас.в – пассивный отпор грунта в воде;

q_пс – интенсивность «присоса» трубопровода ко дну подводной траншеи, в суглинках q_пс=0,3 кН/м²  [2];

S_пс – площадь поверхности контакта трубопровода и пригрузов с грунтом.

               

где с_гр.в – сцепление грунта в воде, для футерованного трубопровода.

с_гр.в=0,1× с_гр=0,1×19,5= 1,95кПа,

S_пс=i_тр×L=0,2625×75=19,69 м²,

Т_пр=5846,74 ×0,229×75+34284,065+300× 19,69 = 140608,82  Н.

 

Наибольшее предельное сопротивление трубопровода на сдвиг  наблюдается при трогании с места на берегу, поэтому для определения расчетного тягового усилия будем использовать Т_пр=872588,673 Н.

Определим расчетное  тяговое усилие Т_р

Т_р=m_тяг×Т_пр ,

где m_тяг – коэффициент условий работы при протаскивании лебедкой, m_тяг =1,1.

Т_р=1,1×872588,673 = 959847,54 Н =959,8 кН

Данное тяговое усилие обеспечивает лебёдка ЛП – 151 с тяговым  усилием 1500 кН. Диаметр троса лебедки 60,5 мм. Проверим трос на разрыв. Условие  проверки

где  m_т – коэффициент условий работы, m_т=1,1  [2];

n_т – коэффициент надежности по нагрузке от тягового усилия, n_т=2  [2];

k_од – коэффициент однородности троса, k_од=1 (трос новый)  [2];

t_т.с – коэффициент тросового соединения, t_т.с=0,7 (через крюк) [2];

 кН;             

Трос диаметром 60,5 мм данное тяговое усилие не обеспечивает.

 

Принимаем протаскивание  через блок, усилие делится пополам.

По табл.14 выбираем трос диаметром 60,5 мм для которого R_тр=1895 кН.

R_пр= 2R_тр =2×1895=3790 кН >3110,8 кН   

Условие выполняется.

 

6 Схема сооружения  перехода

 

Одним из способов строительства переходов трубопроводов через водные преграды является способ наклонно-направленного бурения (ННБ)

Этот способ рекомендуется осуществлять на стесненных, застроенных участках рек, вблизи действующих переходов трубопроводов, существующих заповедных или закрытых зон, в местах, требующих высокой экологической защиты в процессе строительства перехода. Применение этого способа на данной трассе производится на основе технико-экономического обоснования, выполняемого проектной организацией.

Строительство переходов  способом наклонно-направленного бурения  должно осуществляться специализированными  организациями, имеющими на вооружении специальную буровую и другую технику, оборудование и специалистов. Работы в таких случаях выполняются по специальному проекту, выполненному с учетом требований нормативных документов и согласованному с органами Ростехнадзора, охраны природы и других заинтересованных организаций и утвержденному Заказчиком.

Проектные и строительные организации, выполняющие работы по данному способу, должны обладать соответствующими лицензиями и опытом, дающими им право на подобные работы на территории Российской Федерации.

При выборе створа перехода, применительно к данному способу  строительства, рекомендуется учитывать следующее:

• участок реки должен быть прямолинейным, без излучин, рукавов, стариц, больших обводненных пойм;
• геологические условия должны быть благоприятны для бурения скважины; участки с оползневыми, карстовыми и солефлюкционными процессами не допускаются;
• берега должны быть без резких перепадов и по высоте близки между собой;
• применение кривых механического гнутья рабочего трубопровода и предельных радиусов его изгиба не допускается.

Основой для разработки проекта строительства переходов  способом ННБ должны являться инженерные изыскания, выполненные согласно техзаданию по специальной программе, специальные строительные нормы на данный вид строительства и требования данного нормативного документа.

Техническое задание  на изыскания согласовывается Заказчиком с подрядными - проектно-изыскательской и строительной организациями.