Экозащитные технологические мероприятия на нефтегазовых объектах
Напряжения в трубопроводах и толщина стенок труб
К нагрузкам трубопровода относят внутреннее давление продукта в трубе, вес конструкций, давление грунта, снега и ветра, внешнее гидростатическое давление и архимедова сила. К воздействиям относят предварительное напряжение элементов, изменение температуры, просадки оснований и сейсмические явления. Учет внутреннего давления при расчетах прочности трубопроводов обязателен, а остальные нагрузки учитываются в зависимости от конкретных условий.
Нормативные нагрузки — это наибольшие внешние нагрузки, допускаемые при нормальной эксплуатации трубопровода. Расчетные нагрузки отличаются от нормативных нагрузок на величину коэффициента надежности по перегрузке п при наиболее неблагоприятных сочетаниях.
Нагрузки и воздействия, связанные с осадками и пучениями грунта, перемещением опор определяются на основании анализа грунтовых условий в процессе строительства и эксплуатации трубопровода. Параметры сейсмических колебаний грунта назначаются без учета заглубления трубопровода, а как для сооружения, расположенного на поверхности земли.
Нормативный температурный перепад в металле стенок труб принимается равным разнице между максимальной или минимальной температурой стенок в процессе эксплуатации и наименьшей или наибольшей температурой, при которой фиксируется расчетная схема трубопровода (привариваются компенсаторы, проводится засыпка трубы), т. е. когда фиксируется статически неопределимая система.
При установлении температурного перепада 
и невозможности температурных деформаций в трубопроводе сформируются следующие напряжения:
где 
— коэффициент линейного расширения материала трубы; 
— модуль упругости материала трубы; 
— температура, при которой фиксируются элементы конструкции в проектном положении; 
— наибольшая или наименьшая расчетная температура.
Усилия в трубопроводе, действующие в тангенциальном направлении, называют кольцевыми ( рис. 8.3), в осевом направлении — продольными.
Под воздействием внутреннего давления 
в трубе с внутренним диаметром 
в стенке толщиной 
формируется кольцевое напряжение
Зависимость между продольными и поперечными (кольцевыми) напряжениями определяется через коэффициент Пуассона m следующим образом:
В процессе строительства трубопровод искривляется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Изгиб вызывает появление в стенке трубы дополнительных напряжений, которые зависят от радиуса упругого изгиба 
и геометрических характеристик трубы.
Если трубопровод не может перемещаться в продольном и поперечном направлении, то при совместном действии внутреннего давления, температуры и изгибающего момента продольные напряжения в искривленном трубопроводе определяются следующей зависимостью:
Здесь 
— кольцевые напряжения от рабочего нормативного давления; — внутренний диаметр трубы; 
— номинальная толщина стенки трубы; 
— коэффициент Пуассона материала трубы; — коэффициент линейного расширения металла трубы; 
— расчетный температурный перепад (положительный при нагревании); — модуль упругости ( модуль Юнга) материала трубы; — минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода; 
— наружный диаметр трубопровода.
Знак «минус» в (8.13) относится к случаю, когда имеет отрицательное значение , т. е. расчетная температура меньше начальной температуры. В таком случае растягивающие продольные напряжения увеличиваются. В случае, когда имеет положительное значение , растягивающие напряжения уменьшаются и даже могут стать сжимающими.
Под прочностью трубопровода понимают его способность сопротивляться внутренним и внешним нагрузкам без разрушения и без потери устойчивости. Для обеспечения прочноети необходимо определить напряжения в стенках трубопровода от различных нагрузок и сравнить с контролируемым сопротивлением материала трубы 
. Если расчетные напряжения окажутся меньше значения , прочность считается обеспеченной.
Сопротивление материала нагрузкам характеризуется диаграммой растяжения или сжатия. На этой диаграмме имеются обычно три характерных значения: 
— напряжения на конце участка упругой зависимости: 
— напряжения на площадке текучести; 
— временное сопротивление разрыву, при котором происходит быстрое разрушение материала. Например, для стали Ст.3 
, а 
. Принимая в расчетах в качестве контролируемого сопротивления , получим одно значение толщины стенки труб, а принимая — другое значение толщины стенок.
Магистральные трубопроводы рассчитываются на нагрузки и воздействия по методу предельных состояний. Для всех схем их прокладки принимают два предельных состояния работы материала:
- предельное состояние, за которое принимают условие прочности металла труб на разрыв
(по ГОСТам на трубы): - предельное состояние, за которое принимают условия появления пластических деформаций (по ГОСТам на трубы).
Напряжения в материале трубы определяют от всех нормативных нагрузок и воздействий с учетом продольных и поперечных перемещений трубопровода в соответствии с правилами строительной механики и курса сопротивления материалов.
В строительных нормах в качестве расчетных сопротивлений приняты два контролируемых сопротивления растяжению (сжатию) 
и 
, которые следует определять по формулам:
Здесь 
— коэффициент условий работы трубопровода, зависящий от категории трубопровода и его участка; 
и 
— коэффициенты надежности (безопасности) по материалу труб с учетом технологии их изготовления и сварки; 
— коэффициент надежности, учитывающий внутреннее давление, диаметр и назначение трубопровода.
В последних зависимостях значение 
принимается равным минимальному значению для материала; 
принимается равным пределу текучести по техническим условиям на трубы.
В соответствии с методикой расчета прочности по предельным состояниям различают расчетные и нормативные нагрузки. Расчетные нагрузки учитывают их возможное отклонение от нормативных с помощью различных значений коэоффици-ентов перегрузки.
Расчетная толщина стенки трубопровода определяется следующей зависимостью:
Здесь 
— коэффициент перегрузки или коэффициент надежности по рабочему давлению в трубопроводе: — рабочее нормативное давление: 
— наружный диаметр трубопровода.
Пусть трубопровод с наружным диаметром 1220 мм работает при рабочем давлении 
. Нормативное расчетное сопротивление материала стенки трубы 
. Коэффициент безопасности по материалу 
, коэффициент надежности 
, коэффициент перегрузки 
, коэффициент условий работы 
. При таких условиях работы толщина стенок трубопровода должна быть равной 
.
При наличии в трубопроводе продольных осевых сжимающих напряжений расчетная толщина стенки трубопровода определяется по формуле (8.16), в которой расчетное сопротивление 
умножается на коэффициент 
. учитывающий двухосное напряженное состояние трубы:
где 
— абсолютное значение продольных сжимающих напряжений от расчетных нагрузок и воздействий.
Толщину стенки труб следует принимать не менее 
, но не менее 4 мм для труб диаметром свыше 200 мм. Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляется до ближайшего большего значения, предусмотренного ГОСТом.
Источник