1.5. Применение технической мелиорации при строительстве трубопроводов

Существенные особенности строительства трубо­проводов - разнообразие и изменчивость характе­ристик местности вдоль трассы, в первую очередь грунтовых, гидрогеологических, климатических, что требует значительного разнообразия конструктивных и технологических решений отдельных объектов тру­бопроводного транспорта. Нередко эти ответственные сооружения необходимо возводить в сложных, при­родных и в том числе инженерно-геологических усло­виях, которые считаются малопригодными даже для значительно менее важных объектов. Строительство трубопроводов приходится осуществлять на подра­батываемых территориях, просадочных или набухающих грунтах, в оползневых районах, на болотистых заторфованных отложениях, плывунах и других разно­видностях неустойчивых и слабых грунтов. Поэтому в настоящее время широко используются методы технической мелиорации (улучшение свойств) грунтов (рис. 1.14) [11].

Грунтовые связи Одиночные фундаменты Ленточные фундаменты Сплошные фундаменты Грунтовые утяжелители Анкерные устройства Мягкие оболочки с грунтовым заполнителем Основания дорог Засыпка траншеи Дорожные одежды Ледовые дороги Берегоукрепительные покрытия Противофильрационные экраны R

Рис. 1.14. Направления исследований по использованию методов технической мелиорации грунтов в трубопроводном строительстве. ВМТ – вяжущее вещество для магистральных трубопроводов, СВЧ -сверхвысокочастотная

1.6 Расчеты по сооружению газонефтепроводов

Стальные магистральные трубопроводы, как и другие конструкции, рассчитываются на прочность по методике предельных состояний. Предельным состоянием конструкции называется такое состояние, при котором дальнейшая ее нормальная эксплуатация уже невозможна. Расчетом необходимо установить надлежащую гарантию, что ни одно из возможных предельных состояний не наступит за время ее работы ни в конструкции в целом, ни в отдельных ее частях.

Расчет на прочность выполняется по методике, изложенной в СНиП 2.05.06-85

Устанавливаются три основных вида предельных состояний:

первое предельное состояние — по несущей способности (прочности и устойчивости конструкции, усталости материала), при достижении которого конструкция перестает сопротивляться внешним воздействиям (усилиям и моментам) или получает такие остаточные деформации, которые недопустимы по условиям эксплуатации;

второе предельное состояние — по развитию чрезмерных деформаций от статических или динамических нагрузок, при которых хотя и сохраняется прочность и устойчивость конструкции, однако нельзя эксплуатировать сооружение вследствие возрастания амплитуды колебаний, появления недопустимых прогибов и нарушения кинематических связей;

третье предельное состояние — по образованию и развитию трещин, которые появляются в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, и раскрываются до такой величины, что дальнейшая эксплуатация конструкции или сооружения невозможна вследствие появления течи, водопроницаемости, опасности коррозийного разрушения, появления вмятин и т. д.

Большинство стальных конструкций не может эксплуатироваться после достижения предела текучести металла, так как они при этом разрушаются или получают недопустимо большие деформации. В трубопроводах, у которых металл стенок достиг предела текучести, не прекращается возможность их эксплуатации, поэтому предел текучести не следует принимать за нормативное сопротивление. Эксплуатация трубопроводов прекращается лишь после их разрыва с достижением металлом труб временного сопротивления (предела прочности).

•Для стальных трубопроводов устанавливаются предельные состояния, исходя из фактической несущей способности трубопровода, а именно: прочности на разрыв от воздействия внутреннего давления с проверкой возможности развития чрезмерных пластических деформаций.

•При надземной прокладке, когда трубопровод, уложенный на опоры, работает на поперечный изгиб, осевое сжатие или растяжение от собственного веса, веса продукта и других воздействий, предельным состоянием трубопровода является достижение предела текучести.

Нагрузки и воздействия на магистральный трубопровод подразделяют на постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые).

К постоянным нагрузкам и воздействиям относят те, которые действуют в течение всего срока строительства и эксплуатации трубопровода.

Собственный вес трубопровода, учитываемый в расчетах как вес единицы длины трубопровода,

,

где: - средний диаметр трубы;  - толщина стенки труб;

_ст - удельный вес материала трубы (для стали _ст =0,0785 Н/см³).

Вес изоляционного покрытия и различных устройств, которые могут быть на трубопроводе, для ориентировочных расчетов над­земных переходов можно принимать равным примерно 10% от собственного веса трубы. Точнее вес изоляционного покрытия опре­деляют по формуле

,

где: - удельный вес изоляционного покрытия на единице длины трубопро­вода;

- удельный вес материала изоляции;

и - соответ­ственно диаметр изолированного трубопровода и его наружный диаметр.

Воздействие предварительного напряжения создается в основном за счет упругого изгиба при поворотах тру­бопровода.

Давление грунта на трубопровод с точностью, достаточ­ной для практических расчетов, можно определять по формуле

,

где: q_гр - давление грунта на единицу длины трубопровода;

n_гр - коэффициент перегрузки для веса грунта, равный 1,2, а при расче­тах на продольную устойчивость и устойчивость положения трубо­провода—0,8;

- удельный вес грунта,

h_cp - средняя глубина заложения оси трубопровода.

Гидростатическое давление воды определяют весом столба жидкости

,

где: - давление воды на единицу длины трубопровода;

- удельный вес воды с учетом засоленности и наличия взвешенных частиц;

h_в - высота столба воды над рассматриваемой точкой.

К - длительным временным нагрузкам относятся следующие.

Внутреннее давление устанавливается проектом. Внут­реннее давление создает в стенках трубопровода кольцевые и про­дольные напряжения, которые определяют по формулам

,

где: - кольцевые напряжения;

n_р - коэффициент перегрузки для внутреннего давления р;

D_вн - внутренний диаметр трубопровода;

- продольные осевые напряжения от воздействия внутреннего давления и температуры для прямолинейных и упругоизогнутых участков подземных и наземных трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений, просадок и пучения грун­та;

 - коэффициент линейного расширения металла трубы;

Е— модуль Юнга;

t - расчетный температурный перепад, принимае­мый положительным при нагревании.

Продольные напряжения от внутреннего давления в прямоли­нейном трубопроводе бесконечной длины определяют по формуле:

,

где: n_р=1,15 для нефтепроводов диаметром 700-1400 мм с проме­жуточными перекачивающими станциями без подключения емко­стей и n_р=l,l в остальных случаях.

Вес перекачиваемого продукта на единицу длины трубопрово­да, определяют по формулам:

для природного газа

;

для нефти, нефтепродуктов и воды

Температурные воздействия при невозможности де­формаций вызывают в трубопроводе продольные напряжения q_пр= - Et, где t=t_o—t_ф, здесь t_o - максимальная (минималь­ная) возможная температура стенок трубы при эксплуатации; t_ф - наименьшая (наибольшая) температура, при которой фикси­руется расчетная схема трубопровода; = 0,000012 1/°С (для ста­ли). В расчетах для подземных трубопроводов нормативный тем­пературный перепад принимают не менее ±40 °С; для надземных - не менее ±50°С.

К кратковременным нагрузкам и воздействиям на трубопровод относят такие, действие которых может длиться от нескольких се­кунд до нескольких месяцев.

Снеговая нагрузка, приходящаяся на 1 м² площади гори­зонтальной проекции трубопровода, q_сн= n_сн p_сн D_н 10^-4, где p_сн = р_о.сн С_сн; n_сн - коэффициент перегрузки, равный для снеговой на­грузки 1,4; p_сн - нормативная снеговая нагрузка; р_о.сн - вес сне­гового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли; С_сн - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на трубопровод (для однониточного трубопровода С_сн = 0,4).

Нормативная нагрузка от обледенения q_лед=n_лед 1,710^-3D_н, где q_лед - коэффициент перегрузки, равный 1,3; b - толщина слоя гололеда.

Нормативная ветровая нагрузка на единицу длины тру­бопровода (для однониточного трубопровода), перпендикулярная его осевой вертикальной плоскости, q_вет=n_вет (q_с.н+ q_д.н) D_н 10^-4, где q_вет - коэффициент перегрузки, равный 1,2; q_с.н, q_д.н - норма­тивные значения соответственно статистической и динамической составляющих ветровой нагрузки, определяемые для магистраль­ного надземного трубопровода как Для сооружения с равномерно распределенной массой и постоянной жесткостью.

Выталкивающая сила воды, приходящаяся на единицу длины полностью погруженного в воду трубопровода, q_в = 0,8D_н²_в (при отсутствии течения воды).

Нагрузки и воздействия, возникающие в результате осадок и пучения грунта, оползней, перемещения опор и других причин, оп­ределяют на основании анализа грунтовых условий и их возмож­ного изменения при строительстве и эксплуатации трубопровода. Дополнительно рассчитывают динамическое воздействие на над­земный трубопровод и очистные устройства во время очистки по­лости трубопровода.

Особыми нагрузками и воздействиями на магистральные трубо­проводы принято называть те, которые возникают в результате селевых потоков, деформаций земной поверхности в карстовых районах и районах подземных выработок, а также деформаций грунта, сопровождающихся изменением его структуры.

Подземные и наземные (проложенные в насыпи) трубопроводы проверяют по прочности, деформациям, на общую устойчивость в продольном направлении и против всплытия.

Проверку прочности трубопроводов проводят по условию , где: ₂ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб; при растягивающих осевых продольных напряжениях , а при сжимающих ( )

,

где: R₁ - расчетное сопротивле­ние растяжению (сжатию) металла труб и сварных соединений, , где - нормативное сопротивление; т—коэффи­циент условий работы трубопровода, равный 0,6 для участков тру­бопроводов категории В, 0,75, для участков категорий I и II и 0,9 для участков категорий III и IV; k₁ - коэффициент безопасности по материалу, равный 1,34—1,55; k_н - коэффициент надежности.

Толщину стенки магистрального трубопровода во всех случаях необходимо принимать не менее 1/140 наружного диаметра, но не менее 4 мм. Толщина стенки трубопровода

,

а при наличии продольных осевых сжимающих напряжений

,

где: - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное со­стояние металла труб,

Проверка деформаций подземных и наземных трубопроводов проводится по условиям

;

,

где: - максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий,

;

где:  - минимальный радиус упругого изгиба оси;

- кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давле­ния, ;

с - коэффициент, равный 0,65 для категории В, 0,85 для категорий I и II и 1 для категорий III и IV;

- норма­тивное сопротивление ( и принимают соответственно равны­ми минимальным значениям временного сопротивления _вр и пре­дела текучести _т по ГОСТ и ТУ на трубы;

₃ - ко­эффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние ме­талла труб; при растягивающих продольных напряжениях ( >0) ₃ =1, а при сжимающих ( )