solution of pipeline construction

8/19/2019 solution of pipeline construction

1/20

1

1. Цель занятия

1. Рассчитать устойчивость трубопровода на водном переходе через

реку.

2. Рассчитать тяговое усилие, подобрать трос и тяговый механизм.

2. Решение задание

2.1 Исходные данные для расчета

плотность бетона бет= 2400 кг/м3;

плотность воды в= 1075 кг/м3;

плотность футеровки фут= 650 кг/м3;

плотность битума бит= 1040 кг/м3;

плотность чугуна чуг= 7500 кг/м3;

вязкость воды νВ =1,31.10

-6 м

2/с;

минимальный радиус изгиба min =5000 м;

DH = 1420 мм;

Р =5,5 Мпа;

Vcp = 0,66 м;

Lm = 222 м;

грунт : суглинок.

2.2 Расчет толщины стенки трубопровода

1. Выбор марки стали

В этом случае, будет выбрана труба с спецификацией API 5 L

X65. API5L Х65 стали является одним из наиболее

распространенных материалов трубопровода в нефтяной и газовой

промышленности.

2. Определение толщины стенки трубы на основе СНиП 2.05.06 – 85


2/20

2

Расчетную толщину стенки трубопровода , см, следует определятьпо формуле

где n – коэффициент надежности по нагрузке от внутреннего давления,

n = 1,1 (таблица 13 СНиП 2.05.06 – 85);

р – рабочее давление, МПа;

НD – наружный диаметр трубы, см;

R 1 – расчетное сопротивление материала трубы :

н1

н1

1 кк

mR R

гден

1R нормативное сопротивление материала, для API 5L X65 : н

1R

=в=530 МПа;

m – коэффициент условий работы трубопровода, для первый

категории трубопроводов : m = 0,75 (таблица 1 СНиП 2.05.06 – 85) ;к1 – коэффициент надежности по материалу, для характеристики

труб сварные из горячекатаной низколегированной или

углеродистой стали, изготовленные двусторонней электродуговой

сваркой или токами высокой частоты : к1=1,55 (таблица 1 СНиП

2.05.06 – 85);

кн – коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с

условным диаметром 1400 мм и внутренним давлением от 5,4 до 7,5

МПа кн=1,1 (таблица 11 СНиП 2.05.06 – 85).

14,2331,155,1

75,05301

R МПа

ммсм 188,1)5,51,114,233(2

1425,51,1


3/20

3

При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину

стенки следует определять из условия

)(2 11 np R

D pn Н

,

где

1 - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние

труб, определяемый по формуле

1

Nпр

2

1

Nпр

1 R 5,0

R 75,01 ,

где N пр. - продольное осевое сжимающее напряжение, МПа,

определяемое от расчетных нагрузок и воздействий с учетом

упругопластической работы металла труб в зависимости от принятых

конструктивных решений.

Продольныеосевые напряжения пр.N МПа, определяются от

расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы

металла. Расчетная схема должна отражать условияработы трубопровода

и взаимодействие его с грунтом.

В частности, для прямолинейных и упруго-изогнутых участков

подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов при отсутствии

продольных и поперечных перемещений, просадок ипучения грунта

продольные осевые напряжения определяются по формуле:

н

ВН пр

D pnt E

2 N

где t – коэффициент линейного расширения металла, t=1,210-5

/0С (таблица 12 СНиП 2.05.06 – 85);

Е – модуль Юнга, Е=2,06105 МПа (таблица 12 СНиП 2.05.06 –

85);


4/20

4

t – расчетный температурныйперепад, принимаемый

положительным при нагревании;

- коэффициент Пуассона, =0,3 (таблица 12 СНиП 2.05.06 –

85);

н - номинальная толщинастенки трубы;

DВН – внутренний диаметр трубопровода.

138418214202 Н ВН D D мм;

Абсолютноезначение максимального положительного t(+) или

отрицательного t(-) температурного перепада определяютсядля

рассматриваемого частного случая соответственно по формулам

3,281006,2102,1

14,2333,055

1)(

E

Rt

0С

661006,2102,1

)13,0(14,233)1(55

1)(

E

Rt

0С

Продольныеосевые напряжения пр.N :

.18,0182

13845,51,13,03,281006,2102,155

)( N МПапр

.233182

13845,51,13,0)66(1006,2102,1 55)( N МПапр

Коэффициент, учитывающийдвухосное напряженное состояние труб

( 1) :

9996,014,233

18,05,0

14,233

18,075,01

2

1

Коэффициент 1 при растягивающих осевыхпродольных

напряжениях ( пр.N 0) принимаемый равным единице.

Таким образом при наличии продольных осевых сжимающих

напряжений толщину стенки будет равна:


5/20

5

мм мм 1896,17)5,51,19996,0.14,233(2

14205,51,1

2.3 Проверка прочности и устойчивости подземныхи наземных (в

насыпи) трубопроводов

2.3.1 Проверка на прочность трубопровода в продольном

направлени

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводыследует проверять

на прочность, деформативность и общую устойчивость впродольном

направлении и против всплытия.

Проверку на прочность подземных и наземных (в

насыпи)трубопроводов в продольном направлении следует производить

из условия :

12пр. ψσ R N

где пр.N - продольное осевое напряжение от расчетных нагрузок и

воздействий, МПа;

ψ2 – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное

состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных

напряжениях ( пр. N 0) принимаемый равным единице, при

сжимающих ( пр. N < 0) определяемый по формуле

1

кц

2

1

кц2

σ5,0

R

σ75,01ψ

R

,

кц - кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления,

МПа, определяемые по формуле:


6/20

6

н

внкц

2σ

прD

с помощью приведенной выше формулой, можно рассчитать:

МПа59,23218.2

1384.5,5.1,1σкц

00047,014,233

232,595,0

233,14

232,5975,01ψ

2

2

как требование СНиП 2.05.06 – 85 :

12пр. ψσ R N

при пр. N < 0

0,18 ≤ 0,00047.233,14

0,18 ≤1,096 (правильно)

при пр. N 0

233 ≤ 1.233,14

233 ≤ 233,14 (правильно)

Значение толщины стенки выполнить требование прочность

подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов в продольном

направлении.

2.3.2 Проверка недопустимых пластических деформаций

трубопровода

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций

подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов проверку необходимо

производить по двум условиям:


7/20

7

н2

н

нкц

9,0σ R

k

m

;

н

2н

3

н

пр 9,0ψσ Rk

m

,

гденпрσ - максимальные (фибровые) суммарные продольные

напряжения в трубопроводе от

нормативных нагрузок и воздействий;

3 - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние

металла труб; при растягивающих продольных напряжениях

)0σ( нпр принимаемый равным единице, при сжимающих )0σ(нпр -

определяемый по формуле:

н2

н

нкц

2

н2

н

нкц

3

9,0

σ5,0

9,0

σ75,01ψ

Rk

m R

k

m

,

где н2R нормативное сопротивление материала, для API 5L X65 :

н2

R =т=448 МПа

нкцσ - кольцевые напряжения от нормативного (рабочего)

давления, МПа,

Итак

46,0

448.1,1.9,0

75,0

232,595,0

448.1,1.9,0

75,0

232,5975,01ψ

2

3

Максимальные суммарные продольные напряжения нпрσ , МПа,

определяютсяот всех (с учетом их сочетания) нормативных нагрузок и

воздействий с учетом поперечных и продольных перемещений


8/20

8

трубопровода в соответствии с правиламистроительной механики. При

определении жесткости и напряженного состояния отвода следует

учитывать условия его сопряжения с трубой и влияние

внутреннегодавления.

В частности, для прямолинейных и упруго-изогнутых участков

трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений

трубопровода, просадок и пучения грунта максимальные суммарные

продольные напряжения от нормативных нагрузок и воздействий -

внутреннего давления, температурного перепада и упругого изгиба нпрσ ,

МПа, определяются по формуле

2ραμσσ ннкц

нпр

EDt E

где ρ- минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровод,

м5000min

Итак ,

при t(+) :

МПа07,291050002

14201006,23,281006,2101,259,2320,3σ

3

555-н

пр(1)

МПа43,291000052

14201006,23,281006,2101,259,2320,3σ

3

555-н

пр(2)

при t(-) :

МПа18,2621050002

14201006,2)66(1006,2101,259,2320,3σ

3

555-н

пр(1)

МПа68,2031000052

14201006,2)66(1006,2101,259,2320,3σ

3

555-н

пр(2)

как требование СНиП 2.05.06 – 85 :


9/20

9

н2

н3

нпр

9,0ψσ R

k

m

при нпр 0, 3 =1

4481,19,0

75,01332

233≤339,39(правильно)

Значение толщины стенки выполнить требование недопустимых

пластических деформаций трубопровода.

3. Расчет устойчивости трубопровода При укладке трубопровода свободным изгибом и равномерной

балластировке по длине величина нормативной интенсивности

балластировки - вес на воздухе , Н/м, определяется из условия

доптр

хизгввн

б

нвбал qq

к

Р Р qqк

nq у..

1

где nб – коэффициент надежности по материалу балластировки, nб=0,9

(для железобетонных грузов) ;

кн.в - коэффициент надежностиустойчивости положения

трубопровода против всплытия, принимаемый равным

дляучастков перехода, для русловых через реки шириной до 200 м

по среднему меженному уровню, включая прибрежные участки в

границах производства подводно-технических работ кн.в=1,1;


10/20

10

q в – расчетная выталкивающая сила воды, действующая на

трубопровод;

q изг – расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора при

свободномизгибе трубопровода;

Ру – вертикальную составляющую воздействия

гидродинамического потока на единицу длины трубопровода ;

Рх – горизонтальная составляющая гидродинамического

воздействия потока на единицу длины трубопровода;

к – значения коэффициента трения трубы о грунт, к=0,4 (для

илистые и суглинистые грунты);

q тр – расчетная нагрузка от массы трубы;

q доп – расчетная нагрузка от веса продукта.

На подводном переходе применяется двойная изоляция, т.е. два слоя

изоляционной ленты и два слоя обертки. Для изоляции трубопровода

выбираем изоляционную ленту «Поликен 980-25» толщиной δи.л.=0,635мм, плотностью ρи.л.=1046 кг/м

3и обертка «Поликен 955-25» толщиной

δоб.=0,635 мм, плотностью ρоб.=1028 кг/м3

.

Расчетная выталкивающая сила воды, действующая на

трубопровод :

g D

q Вфн В

4

2

.

где Dн.ф. – наружный диаметр футерованного трубопровода.

.08,1475252635,04635,041420

244 ....нн.ф.

мм

D D фоб пи

м Н q В

/7,1801281,910754

47508,1 2


11/20

11

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия

потока :

фнср В х х DV C Р .25,0

где Сх – гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным

потоком, зависящий от числа Рейнольдса, Сх = 1,1-1,2 при Re < 105; Сх =

0,7-0,8 для гладких труб и Сх = 1 для обетонированных или

офутерованных труб при 105


12/20

12

q изн -нормативная нагрузка от собственного веса изоляции;

q футн – нормативная нагрузка от собственного веса футеровки.

Нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы :

)(4

22

ВН Н м

н

м D Dq

где м – удельный вес металла, из которого изготовлены трубы ;

м=78500 Н/м3 (для стали);

DН – наружный диаметр трубопровода, м;

DВН – внутренний диаметр трубопровода, м.

м Н q н м /6220)384,1420,1(4

14,378500 22

Нормативная нагрузка от собственного веса изоляции :

н

об

нн qqq и.л.из ,

где q и.л.н – нормативная нагрузка от собственного веса изоляционной

ленты;

q обн – нормативная нагрузка от собственного веса обертки.

q и.л.н =кизDНgи.л.и.л.,

q обн =кизDНgобоб,

киз – коэффициент читывающий величину нахлеста, киз=2,3 (при

двухслойной изоляции/обертки)

q и.л.н

=2,33,141,4209,810,63510-3

1046=66,82 Н/м, q об

н =2,33,141,429,810,63510-31028=65,67 Н/м,

Тогда

./49,13267,6582,66из м Н qн

Нормативная нагрузка от собственного веса футеровки :

4

)( 2.2

.н

фут

инфн

фут

D Dgq

,


13/20

13

где фут – плотность деревянной футеровки;

Dн.ф – наружный диаметр офутерованного трубопровода;

Dн.и – наружный диаметр изолированного трубопровода.

Dн.и=DН+4и.п+4об=1420+40,635+40,635=1425,08 мм;

м Н qн

/84,7254

)42508,147508,1(14,381,9650

22

фут

Расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода:

q тр = 0,95∙(6220+132,49+725,84)=6724,41 Н/м

Определим дополнительную выталкивающую силу за счет изгиба

трубопровода :

3

min

29

32

J E

qизг

где рад20

1045.173.57

10

J- осевой момент инерции поперечного сечения трубы

44

64 внн D D J

444 0195,0384,142,164

14,3 м J

м

Н qизг 75,3

)5000()1045,17(9

0195,01006,232322

11

Величина пригрузки трубопровода в воде:

м Н q н вбал /1608406724,414,0

98,44559,26775,37,180121,19,0

1.

Расстояние между пригрузами и число пригрузов

Для балластировки трубопровода выбираем железобетонные

кольцевые пригрузы, марка УТК 1420-24-2 массой 8240 кг, объемом 3,58

м

3

, толщина груза гt =0,285м, ширина груза 2,4м, наружный диаметр гн D .


14/20

14

=2,080м

Расстояние между пригрузами :

.

н

вбал

Вггг

q

gV gQl

где Qг – масса груза;

Vг – объем груза;

м.68,216084

81,9107558,381,98240

гl

Число пригрузов :

838,8268,2

222

гг

l

L

N

Принимаем количество пригрузов Nг=83 шт.

4. Расчет тягового усилия, подбор троса и тягового механизма

Чрезмерное завышение тягово усилия потребует дополнительных

тяговых средств;занижение может привести к задерже и даже срыву

операции.

Первая стадия : трогание трубопровода с места на берегу

Tпр=f .G + C + Eпас ,

G = L.(q тр +q бал + q фут)

G = L (nсв (q мн +q из

н + q фут

н) +nб q бал

н)

где f – коэффициент трения поверхности трубы о грунт

f = tg гр

гр – угол внутреннего трения грунта ; гр = 190(для суглинка); f

=0,34 ;

С – сопротивление трубопровода сдвигу, обусловленное

сцеплением грунта;

Епас – пассивный отпор грунта;

G – общий вес офутерованного трубопровода в воздухе;


15/20

15

Рассчитаем нормативный вес балластировки в воздухе

внвб

б н

вбал

н

балкgg

gqq

.

.

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

м Н q нбал /317061,181,9107581,92400

81,9240016084

Общий вес офутерованного трубопровода в воздухе

G= 222.(0,95( 6220+132,49+725,84)+0,931706) = 7827,7 k Н

Сопротивление трубопровода сдвигу :

С=Lcгрiтр ,cгр – сцепление грунта, для суглинок cгр=15 кПа ;

iтр – длина части окружности трубы, врезавшейся в грунт,

iтр= 0,3Dн.ф = 0,31,47508 = 0,4425 м.

С = 222150,4425 = 1473,5 кН.

Пассивный отпор грунта врезающимися в него неровностями наповерхности трубы:

)

245(2)

245(

2

002

2

гр

ггр

грггр

ггпас tgt сtgt g

i N Е

,

где Nг – число выступающих элементов на поверхности трубы

iг – длина хорды той части пригруза, которая погружена в

грунт;

ρгр – плотность грунта (суглинок) гр= 1500 кг/м3;

tг – толщина груза гt =0,285м;

гр – угол внутреннего трения грунта, для суглинка

принимаем ,гр=190 .

2

..

2

.

22

2

фнгнг D D

i ,


16/20

16

Dн.г – наружный диаметр груза, Dн.г=2,08 м

,466,12

47508,1

2

08,22

22

мiг

H

tgtgпас

Е

68,2187680

2

0190452285,01500022

0190452

2

2285,081,91500466,183

Усилие протаскивания :

Tпр= Gf + C + Eпас ,

Тпр=7827,7 0,34+550,9125 +2187,68068= 5400 кН.

Вторая стадия : скольжение по грунтовойдорожке

Тпр=GL,

Тпр=7827,7 0,34= 2661,41 кН.

Третья стадия: скольжение по дну подводной траншей

Тпр=Gв f в

Gв = L.( q тр+ q бал.в-q в)

Gв = L.( q м +q из +q фут +q бал.в-q в)

Gв = G-Lq в

где f в – коэффициент трения трубопровода о грунт в воде,

ориентировочно f в=0,8tg гр=0,8tg 190=0,275;

Gв – общий вес офутерованного трубопровода в воздухе

протаскиваемого трубопровода в воде.

Gв =7827,7 – 222. 18,0127= 3828,88 кН

Тпр= 3828,880,275 = 1052,9 кН


17/20

17

Четвертая стадия: трогание трубопровода с места, после

вынужденной (более одного часа) остановки протаскивания.

Определяем усилие протаскивания при балластировке одиночными

грузами:

Тпр= Gв f в +Епас.в+q псSпс,

где Епас.в – пассивный отпор грунта в воде;

q пс – интенсивность «присоса» трубопровода ко дну подводной

траншеи, в суглинках qпс=0,3 кН/м2 ;

Sпс – площадь поверхности контакта трубопровода и пригрузов с

грунтом.

)

245(2)

245(

2

)(0

.

02

2

.

гр

гвгр

гргвгр

гг В ПАС tgt сtgt g

i N Е

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

сгр.в=0,1 сгр=0,115= 1,5кПа

Н

tgtg Е В ПАС

54,186345

)2

1945(285,015002)

2

1945(

2

285,081,9)10751500(466,183

0022

.

Sпс=iтрL=0,4425 222=98,235 м2,

Тпр=1052,90,275+186,345 +0,3. 98,235 = 505 кН.

Результаты расчетов усилия протаскивания Тпр показывают, что на

первой стадии протаксивания по грунтовой дорожке значение Тпр

превышает технические возможности самой мощной лебедки ЛП-151,

даже при использовании подвижного блока. Для уменьшения Тпр

используем рельсовую спусковую дорожку ОСД-3 с собственным весом

одной тележки GT = 13кН, коэффициентом трения качения f k =0,0012 м ;


18/20

18

радиусом колеса тележки R T = 0,4м ; радиусом оси тележки r T = 0,09м

;грузоподъемностью 250 кН.

Сопротивление , создаваемое трением качения колеса тележки по

рельсам :

T =qтр +qбал(1+ GGГ)f

R

T =(0,95(6,220+0,13249) +31,706) 1+ 13

2500,0012

0,4 = 0,12кН/м

Сопротивление , создаваемое трением скольжения в подшипниках осей

тележки :

=тр +бал(1+ Г) с

=(0,95(6,220+0,13249) +31,706) 1+ 13

2500,05.0,09

0,4 =0,45кН/м

Дополнителное сопротивление , создаваемое трением реборд колес о

рельсы при движении :

T3 = 0,5 (T1+T2)

T3 = 0,29 кН/м

Сопротивление, создаваемое трением тягового каната о грунт :

T4 = q k f кн

где f кн – коэффициент трения каната о грунт ,f кн = 1

q k – погонный вес тягового каната, q k = 140 Н/м для каната лебедки

ЛП-151 диаметром 60,5 мм

T4 = 0,14.1 = 0,14 кН/м

Усилие протаксивания :

Тпр= [кТМ(Т1+ Т2+ Т3)+ Т4] L


19/20

19

где кТМ – коэффициент трогания трубопровода с места,равен 1,5-2,0

Тпр= [2(0,12+ 0,45+ 0,29)+ 0,14].222=412,92 кН

Расчетное тяговое усилие в этом случае :

Т р=mтягТпр ,

где mтяг – коэффициент условий работы при протаскивании лебедкой,

mтяг =1,1.

Т р=1,1412,92 = 454,212 кН

Для четвертой стадии протаксивания по тй же формуле :

Т р=1,1454,212 =500 кН

Очевидно, теперь можно заменить леведку ЛП-151 на ЛП-1А с тяговым

усилием Ттяг=720 кН. В обоих случаях условие Ттяг≤ Т р выполняется.

5. Заключение

При проектировании толщины стенки трубы должна рассмотреть

рабочее давление, с учетом внешних механических нагрузок. Толщина

стенок труб зависит от диаметра, рабочего давления, прочности

материала.

При проектировании подводного перехода через водные преграды

обязательно должен выполняться расчет против всплытия трубопровода.

При прокладке подводных трубопроводов наиболее

распространенный способ является способ протаскивание его по дну спомощью заранее уложенного троса.


20/20

20

Список литературы

1. Бабин Л.А., Быков Л.И., Волохов В.Я. Типовые расчеты по

сооружению трубопроводов. М., «Недра», 1979, 176с.

2. Быков Л.И.,Мустафин Ф.М.,Рафиков С.К,Нечваль

А.М,Лаврентьев А.Е. Типовые расчеты при сооружении и ремонте

газонефтепроводов. М., «Недра», 2006, 824с

3. Земенков Ю. Д.,Справочник инженера по эксплуатации

нефтегазопроводов и продуктопроводов Земенков Ю. Д. М.: Инфра-

Инженерия, 2006. - 928 с.

4. СНиП 2.05.06 – 85 Магистральные газопроводы

solution of pipeline construction

Documents