НОУ ИНТУИТ | Экология. Лекция 8: Экозащитные технологические мероприятия на нефтегазовых объектах

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 30.01.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 4121 / 1135 | Длительность: 15:35:00

Тема: Экология

Специальности: Эколог

Теги: газ, загрязнение, нефть, природа, геосфер

|

Вам нравится? Нравится 115 студентам

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

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 $\Delta t=(t-t_0)$ и невозможности температурных деформаций в трубопроводе сформируются следующие напряжения:

$\sigma_t=\pm\alpha_t E\Delta t,$

( 8.10)

где $\alpha_t$ - коэффициент линейного расширения материала трубы; - модуль упругости материала трубы; t_0 - 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 $\delta$ формируется кольцевое напряжение

$\sigma_{кц}=\frac{pd}{2\delta}.$

( 8.11)

Зависимость между продольными и поперечными (кольцевыми) напряжениями определяется через коэффициент Пуассона m следующим образом:

$\sigma_{пр}=\mu\sigma_{кц},$

( 8.12)

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:

$\sigma_{пр}=\mu\sigma_{кц}\pm\alpha_t E\Delta t+\frac{ED}{2R}.$

( 8.13)

Здесь $\sigma_{пр}=pd/2\delta_н$ - кольцевые напряжения от рабочего нормативного давления; - внутренний диаметр трубы; $\delta_н$ - номинальная толщина стенки трубы; $\mu$ - коэффициент Пуассона материала трубы; $\alpha_t$ - коэффициент линейного расширения металла трубы; $\Delta t$ - 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 $\Delta t$ имеет отрицательное значение, т. е. расчетная температура меньше начальной температуры. В таком случае растягивающие продольные напряжения увеличиваются. В случае, когда $\Delta t$ 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 R_к . Если расчетные напряжения окажутся меньше значения R_к , прочность считается обеспеченной.

Сопротивление материала нагрузкам характеризуется диаграммой растяжения или сжатия. На этой диаграмме имеются обычно три характерных значения: $\sigma_у$ - напряжения на конце участка упругой зависимости: $\sigma_т$ - напряжения на площадке текучести; $\sigma_{вр}$ - временное сопротивление разрыву, при котором происходит быстрое разрушение материала. Например, для стали Ст.3 $\sigma_т = 240 МПа$ , а $\sigma_{вр} = 400 МПа$ . Принимая в расчетах в качестве контролируемого сопротивления $\sigma_т$ , получим одно значение толщины стенки труб, а принимая $\sigma_{вр}$ - 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 $R_1^{н}$ (по ГОСТам на трубы):
предельное состояние, за которое принимают условия появления пластических деформаций $R_2^{н}$ (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) R_1 и R_2 , которые следует определять по формулам:

$К_1=\frac{R_1^{н}m}{k_1 k_н},$

( 8.14)

$К_2=\frac{R_2^{н}m}{k_2 k_н},$

( 8.15)

Здесь m = 0,6-0,9 - коэффициент условий работы трубопровода, зависящий от категории трубопровода и его участка; k_1 = 1,34-1,55 и k_2 = 1,11-1,20 - коэффициенты надежности (безопасности) по материалу труб с учетом технологии их изготовления и сварки; k_н = 1,0-1,05 - коэффициент надежности, учитывающий внутреннее давление, диаметр и назначение трубопровода.

В последних зависимостях значение $R_1^{н}$ принимается равным минимальному значению $\sigma_{вр}$ для материала; $R_2^{н}$ принимается равным пределу текучести $\sigma_т$ 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:

$\delta=\frac{npD_н}{2(R_1+np)},$

( 8.16)

Здесь n = 1,10-1,15 - коэффициент перегрузки или коэффициент надежности по рабочему давлению в трубопроводе: - рабочее нормативное давление: D_н - наружный диаметр трубопровода.

Пусть трубопровод с наружным диаметром 1220 мм работает при рабочем давлении p = 7,5 МПа . Нормативное расчетное сопротивление материала стенки трубы $R_1^{н} = \sigma_{вр} = 480 МПа$ . Коэффициент безопасности по материалу k_1 = 1,34 , коэффициент надежности k_н = 1,05 , коэффициент перегрузки n = 1,1 , коэффициент условий работы m = 0,75 . При таких условиях работы толщина стенок трубопровода должна быть равной $\delta=19,2 мм$ .

При наличии в трубопроводе продольных осевых сжимающих напряжений расчетная толщина стенки трубопровода определяется по формуле (8.16), в которой расчетное сопротивление К_1 умножается на коэффициент $\psi_1$ . учитывающий двухосное напряженное состояние трубы:

$\psi_1=\sqrt{1-0,75\left(\frac{\sigma_{пр}}{R_1}\right)^2}-\frac{\sigma_{пр}}{2R_1},$

( 8.17)

где $\sigma_{пр}$ - абсолютное значение продольных сжимающих напряжений от расчетных нагрузок и воздействий.

Толщину стенки труб следует принимать не менее 1/140D_н , но не менее 4 мм для труб диаметром свыше 200 мм. Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляется до ближайшего большего значения, предусмотренного ГОСТом.

Дальше >>

Авторизоваться

Экология

Экозащитные технологические мероприятия на нефтегазовых объектах

Напряжения в трубопроводах и толщина стенок труб

Вопросы и ответы