Трубопровод через водную преграду

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 = 530мм;
• давление в трубопроводе Р= 6,4 МПа;
• средняя скорость течения топлива V_ср= 0,75 м/с;
• длина перехода L_тр= 100 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 = 530 мм; Р_в = 6,4 МПа.

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 530 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].