Измерение напряжений в трубопроводах

Определение напряжений в трубопроводе.

Трубопровод, уложенный в грунт, находится под воздействием внешних сил. Эти силы вызывают сложные напряжения в теле трубы и стыковых соединениях.

В результате действия внутреннего давления в теле трубы возникают следующие главные нормальные напряжения; продольные, кольцевое, радиальное. (см. рис. 1).

2.1. Определяется радиальное напряжение, обусловленное внутренним давлением, равное ему по величине и противоположное по направлению

Рис.1. Напряжение в теле трубы

2.2. Определяется по формуле Мариотта кольцевое напряжение, возникающее в трубе под действием внутреннего и внешнего давлений.

Где d – внутренний диаметр трубы, м

= 240,0

2.3. Определяется продольное напряжение, возникающее от внутреннего давления

где μ – коэффициент Пуассона (коэффициент поперечного сужения при продольном растяжении). Для стали μ = 0,3

= 72,0 МПа

2.4. Определяется по формуле Гука продольное напряжение, возникающее вследствие изменения температуры трубопровода

Где α – коэффициент линейного расширения металла, град -1 . Для стали α = 000012 град -1 =

E – модуль упругости стали при растяжении, сжатии и изгибе трубы (модуль Юнга), МПа.

T₁ – наименьшая температура грунта на глубине укладки трубы, К;

T₂ – температура воздуха во время укладки трубопровода в траншею, К;

2.5. Определяются продольные напряжения, появляющиеся в трубе при ее холодном упругом изгибе, который является следствием неровностей рельефа

Где ρ_и — радиус изгиба трубы, м. В соответствии со СНиП III – 42-80 * радиус изгиба трубы равен не менее 1000 D_y – условный диаметр трубопровода. У проектируемого газопровода ρ_и = 1000 м.

Проверка прочности трубопровода при эксплуатации

При эксплуатации трубопровода совместное действие внутреннего давления и изгибающих условий может вызвать гораздо большие суммарные напряжения в продольном направлении трубы, чем в момент испытаний. Уязвимым местом трубопровода в этом случае могут оказаться поперечные сварные швы. Прочность поперечных сварных швов в наиболее тяжелый период эксплуатации проверяют из условия, что суммарная продольная нагрузка должна быть меньше расчетного сопротивления трубы (так называемой несущей способности трубы).

Где n_p, n_t, n_pи – коэффициенты перегрузки, которые при учете совместного действия могут быть приняты равными единице.

Прочность трубопровода при эксплуатации обеспечена.

Источник

Определение напряжений в стенке трубопровода

При определении напряженного состояния стенки магистрального трубопровода учитываются только те напряжения, которые влияют на разрушение. Экспериментально установлено, что к ним относятся кольцевые напряжения от внутреннего давления и продольные напряжения (рисунок 26).

Рисунок 26. Напряженное состояние в стенке трубы магистрального трубопровода.

В качестве расчетной схемы трубопровода принимается тонкостенная цилиндрическая оболочка. Для тонкостенных конструкций полагается, что напряжения равны по толщине стенки, рассматриваемого сечения.

Кольцевые напряжения определяются из условия равновесия части трубы, отсеченной плоскостью, проходящей через ось трубы (рисунок 27).

Рисунок 27. Расчетная схема для определения кольцевых напряжений.

Условие равновесия отсеченной части в проекциях сил на горизонтальную ось х будет формулироваться, как равенство сил от внутреннего давления в трубе p внутренним силам в сечении N_кц

, (8.32)

где N_кц – нормальная сила в осевом сечении, приходящаяся на единицу продольной длины цилиндрической оболочки, Н/м;

p – внутреннее давление в трубопроводе, Па;

D_вн – внутренний диаметр трубы,м.

Нормальная сила при равномерном распределении напряжений по толщине стенки определяется выражением

, (8.33)

где — толщина стенки трубопровода, м;

— кольцевые напряжения, Па.

Подставляя выражение (8.33) в (8.32) получаем формулу для вычисления нормативных кольцевых напряжений

(8.34)

Расчетные кольцевые напряжения будут вычисляться с учетом коэффициента надежности по внутреннему давлению в трубопроводе n

(8.35)

Продольные напряжения возникают в поперечных сечениях трубы, т.е. распределены по кольцу, ограниченному наружной и внутренней окружностью, и, в частности, от внутреннего давления р будут вычисляться в зависимость от заданной расчетной схемы. На рисунке 28 показана расчетная схема для случая, когда давление в трубе р действует на поперечное сечение трубы, как на заглушку.

Рисунок 28. Расчетная схема для определения продольных напряжений.

В этом случае для определения продольных напряжений рассматривают условие равновесия элемента трубы от сил направленных вдоль его оси. Проекция сил от внутреннего давления р на заглушку равна продольной силе N_пр в поперечном сечении трубы

(8.36)

Продольная сила при равномерном распределении напряжений по толщине стенки определяется выражением

(8.37)

Подставляя (8.35) в (8.36) получаем выражение для продольных напряжений

(8.38)

или с учетом того, что внутренний диаметр трубы намного больше её толщины

(8.39)

Таким образом, кольцевые напряжения от внутреннего давления в трубе (8.34) практически в два раза больше продольных напряжений (8.39)

(8.40)

В частном случае, на участке подземного прямолинейного трубопровода, который можно считать защемленным, т.е. когда отсутствуют продольные перемещения поперечных сечений трубопровода, продольные напряжения будут возникать от температурных воздействий и от внутреннего давления, которое, действуя на внутреннюю стенку, стремится увеличить трубу в радиальном направлении и уменьшить её длину в осевом направлении.

В СНиП 2.05.06-85 приведена формула для определения для такого частного случая с учетом упругопластического характера деформаций трубопровода

(8.41)

где — температурный коэффициент линейного расширения;

— температурный перепад в стенке трубы.

В этой формуле, с учетом упругопластичности материала необходимо использовать пластический модуль деформаций Е_пл и коэффициент поперечных деформаций , которые определяются, с учетом двухосного напряженного состояния в стенке трубы, по интенсивности напряжений и деформаций

, (8.42)

, (8.43)

E₀ и μ₀ – модуль упругости и коэффициент Пуассона материала.

Интенсивность напряжений вычисляется по формуле

. (8.44)

Интенсивность деформаций – определяется по диаграмме напряжений материала (рисунок 29)

(8.45)

Рисунок 29. Схема определения интенсивности деформаций

по диаграмме напряжений материала

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Измерение напряжений в трубопроводах

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО НАТУРНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

РАЗРАБОТАНЫ в лаборатории прочности газопроводных конструкций ВНИИГАЗа к.т.н. В.В.Харионовским, к.т.н. В.И.Дегтяревым, зав. группой С.А.Стрельцовым, инж. В.В.Сараевым, ст. инж. В.В.Калявиным. Оформление материалов выполнено лаборантом Борисовой О.И.

Заместителем Начальника Управления по транспортировке и поставкам газа МИНГАЗПРОМА СССР А.Н.Козаченко

Заместителем директора д.т.н., профессором Э.М.Гутманом

Руководителем лаборатории прочности газопроводных конструкций, к.т.н. В.В.Харионовским

УТВЕРЖДЕНЫ Начальником Технического Управления Мингазпрома СССР А.Д.Седых 27 июня 1984 г.

Методические рекомендации по натурным измерениям напряженного состояния магистральных газопроводов разработаны в развитие рекомендаций, выполненных ВНИИГАЗом в 1983 г. и включают в себя описания методов измерения на газопроводах, измерительных схем и типов тензорезисторов, расчетов напряженного состояния. Составлены методики, отражающие особенности измерений и расчетов напряжений в трубопроводах КС и линейной части магистральных газопроводов, в том числе, в условиях Крайнего Севера, а также методики измерения вибрационных деформаций.

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие газовой промышленности на основе мощных магистральных газопроводов и эксплуатация их в районах со сложными природными условиями поставили на повестку дня вопросы контроля и оценки прочности и работоспособности газопроводных конструкций. При этом теоретические расчеты прочности магистральных газопроводов, закладываемые в проекты, являются ориентировочными, т.к. в принципе не могут учесть всех эксплуатационных факторов. С учетом того, что при строительстве неизбежны различные отклонения от проекта, реальный газопровод может иметь совсем другое напряженное состояние. Указанные соображения приводят к необходимости изучения действительного напряженного состояния газопроводов методами натурных измерений.

При натурных исследованиях напряженно-деформированного состояния положительно зарекомендовал себя метод тензометрирования, который применяется в авиации, машиностроении, строительстве, когда затруднительно вычислить напряжения и деформации в нагруженной конструкции или детали /1-3/.

Применительно к газопроводам метод тензометрирования имеет свои особенности, в первую очередь, это относится к условиям измерений. Если в вышеупомянутых отраслях тензометрирование применяется, как правило, в условиях стабильных температур, нормальной влажности, силового нагружения, то натурные условия газопровода включают в себя весь комплекс природных факторов-воздействий грунта, температур, осадков, а также переменного давления газа. Очевидно, напряженное состояние газопроводной конструкции будет сложным. Отсюда понятно, почему являются неудачными отдельные попытки измерить напряженное состояние трубопроводов магнитными, рентгеновскими, ультразвуковыми методами, которые оценивают, в основном, одноосное напряженное состояние деталей в лабораторных условиях и в принципе не могут отразить истинную картину напряжений.

Свободным от указанных недостатков является метод тензометрирования, который требует тщательной установки тензорезисторов на трубе. При выполнении этого требования тензометрирование является надежным долговременным инструментом получения информации о деформациях и напряжениях газопровода в эксплуатации.

Данные методические рекомендации служат для практического использования метода тензометрирования в натурных условиях эксплуатации трубопроводов компрессорных станций и линейных участков магистральных газопроводов и последующей оценки прочности обследуемых объектов. Они отражают особенности измерений на магистральных газопроводах и обобщают опыт натурных прочностных исследований, выполняемых в газовой промышленности начиная с 1977 года, в различных климатических и эксплуатационных условиях /4-6/.

Методические рекомендации предназначены для специализированных объединений отрасли, газотранспортных объединений, а также для научно-исследовательских организаций отрасли.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Опытным путем можно измерить только линейные деформации, то есть измерять удлинения или укорочения выбранного отрезка прямой, расположенного на поверхности трубы. Такой отрезок прямой называется фиксированной длиной; величина этого отрезка определяется базой прибора. Измерение удлинений (или укорочений) фиксированной длины (или базы) при помощи приборов в пределах упругих деформаций называется тензометрированием.

Тензометрирование может быть осуществлено оптическими, механическими и электрическими приборами, которые, в конечном счете, регистрируют (непосредственно или косвенно) величину изменения фиксированной длины (базы) и называются тензометрами. Измерив тензометрами относительные удлинения и зная значения модуля упругости и коэффициента Пуассона , можно определить величины и направления напряжений в интересующих точках трубы надземного трубопровода; в этом и заключается сущность тензометрирования.

Большое распространение получили приборы, позволяющие электрическими методами измерять неэлектрические величины (относительное удлинение и т.д.), используя в качестве измерительных преобразователей тензорезисторы (тензометры сопротивления или тензосопротивления).

Сущность электрического метода заключается в использовании линейной зависимости величины изменения омического сопротивления тензорезистора от величины его удлинения; сам же тензорезистор наклеивается на исследуемую трубу или в определенное место в агрегате и деформируется вместе с ней.

Преимуществами этого метода измерения деформаций являются:

а) возможность измерения деформаций на расстоянии, а следовательно, и возможность организовать централизованную в одном пункте регистрацию показаний тензорезисторов, расположенных в различных точках исследуемого объекта;

б) определение деформаций трубы при ее транспортировке;

в) измерение деформаций в одной точке по нескольким направлениям;

г) достаточно большая точность измерений.

Обычно для измерения величины изменения омического сопротивления тензорезистора используют мостик Уитстона; существуют различные методы измерения , основанные на применении мостика.

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

3.1. Измеритель статических деформаций типа ИСД-3.

Одним из приборов, созданных на основе мостика Уитстона, является измеритель статических деформаций ИСД-3.

Технические данные прибора ИСД-3

2. Диапазон измеряемых деформаций в относительных единицах деформации

,

где — относительная деформация

3. Длина симметричного кабеля «датчик-прибор» с погонной емкостью до 150 пф/м не более

4. Цена деления шкалы реохорда при коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов, равном 2,0 е.д.

5. Сопротивление применяемых тензорезисторов

7. Диапазон рабочих температур

8. Допустимая относительная влажность воздуха при температуре +20±2 °С

9. Напряжение питания прибора (от батарей 3336)

Этот прибор предназначен для многоточечных и одиночных измерений статических деформаций в сооружениях и узлах машин в лабораториях, цеховых и полевых условиях. В приборе используется уравновешенная мостовая схема с измерением нулевым методом. На рис.1 представлена принципиальная схема прибора, поясняющая его работу.

Рис.1. Принципиальная схема прибора ИСД-3

Прибор состоит из компенсационного тензорезистора , рабочего тензорезистора , реохорда , двух сопротивлений и , соединенных по мостовой схеме. В диагональ ВД моста включен через усилитель нульорган, а в диагональ AC — питание. Подвижной контакт делит омическое сопротивление реохорда на части и .

Схема работает следующим образом. Если при ненагруженном состоянии исследуемого объекта подвижной контакт разделит сопротивление реохорда на равные части если , то стрелка нульоргана будет стоять на нуле (баланс мостика), то .

Если исследуемый объект деформируется, то омическое сопротивление тензорезистора изменяется, и стрелка нульоргана отклоняется от нулевого положения.

Вращая в ту или иную сторону ручку подвижного контакта , добиваемся возвращения на нуль стрелки нульоргана (что нарушит равенство между и ). Отсчитанная по лимбу — круговой шкале подвижного контакта — разность показаний, равная , дает возможность определить искомую величину относительной линейной деформации по формуле

,

где — цена одного деления шкалы лимба.

Следуeт отметить, что для исключения влияния температуры на изменение омического сопротивления рабочего тензорезистора в схему вводится компенсационный тензорезистор с сопротивлением . Этот тензорезистор наклеивается на ненагруженную пластинку, изготовленную из того же материала, что и испытываемый объект и находящуюся в тех же температурных условиях. Этот способ измерения относительного удлинения не зависит от величины напряжения электрического тока в питательной цепи, кроме того, такая схема исключает влияние начального сопротивления тензорезисторов на результаты измерений.

Измеритель статических деформаций ИСД-3 является переносным прибором, смонтированным в металлическом корпусе, снабженном ручкой для переноски.

На лицевой панели прибора размещены:

а) два разъема типа РШТПБ-20 для подключения рабочих и компенсационных тензорезисторов при многоточечных измерениях;

б) клеммы , , , , 0 — для подключения рабочих и компенсационных тензорезисторов;

в) микроамперметр (нульоргана);

г) ручка переключателя тензорезисторов;

е) тумблер «контроль» — «работа»;

ж) тумблер «ВКЛ»-«ВЫКЛ» для включения и выключения прибора.

Батарея питания (типа 3336) помещается в нижней части корпуса в специальном отсеке и закрывается крышкой.

Измерение деформаций производится следующим образом:

а) тензорезисторы подключаются к клеммам прибора (рис.2);

б) нижний тумблер устанавливается в положение «ВКЛ», а верхний — в положение «работа»;

в) вpaщeнием ручки реохорда проводится балансировка моста;

г) производится отсчет по шкале реохорда (большая стрелка указывает единицы, а малая — сотни делений);

д) нагружается исследуемая конструкция и после балансировки прибора вновь производится отсчет.

Рис.2. Схема соединения тензорезисторов

Относительная деформация, как было сказано выше, пропорциональна изменению сопротивления тензорезисторов при погружении* конструкции, т.е.

* Текст соответствует оригиналу. — Примечание изготовителя базы данных.

, ,

Источник