Растягивающие продольные напряжения в трубопроводе

Содержание

Определение напряжений в трубопроводе.
Напряжение на растяжение трубы
Определение напряжений в трубопроводе.
НОУ ИНТУИТ | Лекция | Экозащитные технологические мероприятия на нефтегазовых объектах
Напряжения в трубопроводах и толщина стенок труб
Определение напряжений в стенке трубопровода
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ РАСТЯЖЕНИЯ В ИЗОЛЯЦИОННОМ ПОКРЫТИИ ВЕРХНЕЙ ПОЛОВИНЫ ТРУБОПРОВОДА

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_p_и – коэффициенты перегрузки, которые при учете совместного действия могут быть приняты равными единице.

Прочность трубопровода при эксплуатации обеспечена.

Источник

Напряжение на растяжение трубы

Определение напряжений в трубопроводе.

Рис.1. Напряжение в теле трубы

Где d – внутренний диаметр трубы, м

2.3. Определяется продольное напряжение, возникающее от внутреннего давления

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

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;

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

Проверка прочности трубопровода при эксплуатации

Где np, nt, npи – коэффициенты перегрузки, которые при учете совместного действия могут быть приняты равными единице.

Прочность трубопровода при эксплуатации обеспечена.

Таблица вариантов

Вариант
Диаметр трубопровода D, м	0,377	0,82	0,53	1,02	0,63	0,72	0,72	0,53	0,426	0,63
p, МПа	5,5	7,6	5,8	5,6	5,2	5,6	6,0	5,6	5,5	7,6
t1	4,5	3,5
t2	15,5
pи, м
Категория участка	I	II	III	IV	I	II	III	IV	I	II

Вариант
Диаметр трубопровода D, м	1,02	0,426	0,63	1,22	1,22	1,42	0,53	1,22	0,426	0,325
p, МПа	5,8	5,6	5,0	7,6	5,4	7,6	5,2	7,6	5,4	5,6
t1	3,8	4,2
t2	11,5
pи, м
Категория участка	III	IV	I	II	III	IV	I	II	III	IV

Вариант
Диаметр трубопровода D, м	0,82	0,377	1,22	0,72	0,377	1,22	0,63	0,82	1,22	1,42
p, МПа	5,5	7,6	5,2	7,6	5,4	5,6	4,8	5,6	5,0	7,6
t1
t2
t2
Категория участка	I	II	III	IV	I	II	III	IV	I	II

Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда…

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-07
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ!

НОУ ИНТУИТ | Лекция | 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.

Рис.
8.3.
Схема внутренних напряжений в трубе

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:

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.

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 Nкц

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

p – внутреннее давление в трубопроводе, Па;

Dвн – внутренний диаметр трубы,м.

Нормальная сила при равномерном распределении напряжений по толщине стенки определяется выражением

где — толщина стенки трубопровода, м;

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

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

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 Nпр в поперечном сечении трубы

Продольная сила при равномерном распределении напряжений по толщине стенки определяется выражением

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

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

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

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

где — температурный коэффициент линейного расширения;

— температурный перепад в стенке трубы.

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

E0 и μ0 – модуль упругости и коэффициент Пуассона материала.

Интенсивность напряжений вычисляется по формуле

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

Рисунок 29. Схема определения интенсивности деформаций

по диаграмме напряжений материала

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ РАСТЯЖЕНИЯ В ИЗОЛЯЦИОННОМ ПОКРЫТИИ ВЕРХНЕЙ ПОЛОВИНЫ ТРУБОПРОВОДА

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

В изоляционном покрытии верхней половины трубопровода возникают напряжения растяжения, обусловленные действием грунтовой засыпки, оседающей в боковых пазухах траншеи.

При этом касательная составляющая вертикального давления, вызывая растяжение покрытия, является активным фактором, способным привести к разрушению (разрыву) покрытия. Нормальная составляющая вертикального давления обеспечивает силу трения грунтовой засыпки по покрытию, благодаря которой грунтовая засыпка в боковых пазухах траншеи при осадке как бы тянет покрытие за собой.

Исходя из изложенного ранее, выражения для нормального и касательного напряжений в изоляционном покрытии верхней части трубопровода можно записать следующим образом:

где Но — глубина заложения трубопровода (от уровня земли до его верхней точки);

D — наружный диаметр трубопровода;

β — угол между вертикальным диаметром и радиусом, проведенным из точки, в которой определяется напряжение;

Н1 — величина, учитывающая увеличение вертикального давления грунта при оседании грунтовой засыпки в боковых пазухах траншеи, определяется по формуле (35);

H2 — увеличение высоты засыпки при отсутствии рекультивации земель, определяется по формуле (38);

ΔН1 — увеличение значения Н1, при отсутствии рекультивации земель, определяется по формуле (39).

На элементарном участке поверхности трубопровода единичной длины шириной действуют элементарные силы:

При сползании грунта по поверхности трубопровода происходит сдвиг в системе труба — покрытие — обертка — грунт по границе, имеющей наименьшее сцепление.

В случае несвязных грунтов граница разлома определяется из условия статического равновесия и место разрыва характеризуется углом β, равным углу внутреннего трения φ. Предельное растягивающее усилие при этом определяется значением интегральной силы трения, препятствующей сдвигу, так как усилие, передаваемое на покрытие, не может превышать эту величину

Пределы интегрирования при вычислении силы Т по уравнению (45) от β=φ до β=π/2.

Подставим в (45) значения dN и Н2 из (38)

Произведя преобразования, получим:

В случае рекультивации земель (Н2=0 и ΔН1=0) выражение (47) приводится к виду:

Так как при обследованиях действующих трубопроводов разрушение обертки наблюдалось в окрестности точки, соответствующей углу φ =35…45°. То для приблизительного расчета растягивающих усилий в изоляционном покрытии трубопровода, уложенного в грунте, принимают φ =35°:

Расчет растягивающих усилий в изоляционном покрытии трубопровода выполняют по формулам (49) и (50) в случае, когда трение покрытия о трубу отсутствует – т.е. случай, когда в результате повышения температуры эксплуатации трубопровода клеевой слой покрытия расплавлен и выполняет функции смазочной жидкости — при малой скорости перемещения трение в этом случае пренебрежимо мало и может не учитываться при расчете. Такое явление может наблюдаться при применении клеевого подслоя с температурой размягчения меньшей, чем температура эксплуатации трубопровода.

При применении неклеевой обертки сила Т уменьшается на значение силы трения обертки по покрытию, равное:

Сопоставляя уравнение с (45), видим, что в этом случае сила, растягивающая покрытие, равна

где КТР — коэффициент трения защитной обертки по изоляционной ленте, значение его может изменяться от 0,2 до 0,6.

Усилия растяжения, обусловленные усадкой грунта, не могут возникнуть в покрытии, когда адгезионная прочность соединения покрытия с трубой больше максимальных касательных напряжений, приведенных в табл. 3. Этим свойством обладают покрытия заводского нанесения, не имеющие мягкого подслоя, например покрытия из полиэтилена.

Для оценки способности изоляционных покрытий противостоять усилиям растяжения по этим усилиям рассчитывают напряжения растяжения, учитывая реальную толщину применяемого покрытия, по следующей формуле:

№ варианта	Тип грунта и его характеристика	Размеры траншеи, м	Силы растяжения, Н/мм, при эксплуатации трубопроводов
D	B	H0	с рекульти-вацией земель ТР(50)	без рекульти-вации земель Т (49)
Песок γГ = 1,6ּ104 Н/м3 с = 0 φ = 35˚	1,42	1,9	1,0
1,22	1,7	1,0
1,02	1,5	1,0
0,82	1,2	1,0
глина γГ = 2,1ּ104 Н/м3 с = 0,06 МПа φ = 20˚	1,42	1,9	1,0
1,22	1,7	1,0
1,02	1,5	1,0
0,82	1,2	0,8
суглинок γГ = 1,9ּ104 Н/м3 с = 0,025 МПа φ = 17˚	1,42	1,9	1,0
1,22	1,7	1,0
1,02	1,5	1,0
0,82	1,2	0,8

Также рассчитать напряжения растяжения, если толщина изоляционного покрытия δИЗ = 0,33 мм

Источник