2.2.1. Оценка конструктивной надежности трубопровода
Магистральные трубопроводы на прочность рассчитываются по методу предельных состояний. Предельным называется такое состояние, по достижении которого нормальная эксплуатация рассчитанной конструкции становится невозможной. Первым предельным состоянием называется такое, по достижении которого конструкция теряет свою несущую способность, т. е. разрушается. Второе предельное состояние характеризуется чрезмерными, недопустимыми при эксплуатации остаточными деформациями или колебаниями. Третье предельное состояние определяется чрезмерными, недопустимыми при эксплуатации трещинами. По достижении третьего и второго состояния конструкция не разрушается и устойчивость сохраняется.
Уложенные в грунт трубопроводы рассчитываются по первому предельному состоянию, т. е. испытываемое трубопроводом наибольшее усилие не должно превышать его несущей способности. При эксплуатации трубопровод испытывает длительные временные нагрузки, кратковременные нагрузки и особые. К длительным нагрузкам относятся следующие.
1. Внутреннее давление (устанавливается проектом), которое создаёт в стенках трубопровода кольцевые и продольные напряжения (рисунок1).
Рисунок 1. Схема напряженного состояния трубопровода.
Кольцевые напряжения определяют по формуле
,
где Рd – нормативное значение внутреннего давления, МПа; D – внутренний диаметр трубы, м; th – толщина стенки трубы, м.
Продольные напряжения создаются под действием внутреннего давления, температуры и изгибающих усилий. Их величина находится по следующим формулам
,
,
где – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона), – коэффициент линейного расширения; Е0 – модуль упругости, МПа; ΔТ – расчетный температурный перепад, принимаемый положительным при нагревании, °С; Rуи – радиус упругого изгиба, м (если имеет место изгиб газопровода, то Rуи определяется по СТО Газпром 2-2.1-249-2008 в прил. В);
,
где t0 – максимально или минимально возможная температура стенок трубы при эксплуатации; tф – наименьшая или наибольшая температура, при которой фиксируется расчётная схема трубопровода (укладка трубы в траншею или на опоры).
Газопровод испытывает сложное напряженно-деформированное состояние, которое учитывается интенсивностью изменения напряжений и деформаций. Необходимо уточнить значения модуля и коэффициента деформации.
Эквивалентная интенсивность напряжения, eq (обобщенная нагрузка), и эквивалентная интенсивность деформации, eq, соответствующие теории Мизеса, МПа:
;
Переменный коэффициент поперечной деформации материала труб, μ; переменный модуль деформации материала труб, Е:
;
Уточняем продольные напряжения в газопроводе:
4.1. Характеристики материала труб газопроводов
Свойства материала труб, из которых изготавливается магистральный газопровод, являются определяющими при анализе напряженно-деформированного состояния газопровода. От материала трубы зависят упруго-пластические свойства трубы при эксплуатации. Для определения модуля деформации и коэффициента поперечной деформации по рекомендациям [10] используют диаграммы деформирования стали в зависимости от уровня эквивалентных напряжений (интенсивности напряжений).
Значения нормативного предела текучести и нормативного предела прочности (временного сопротивления) стали следует принимать по принятым в проекте техническим условиям или стандартам на поставку труб и соединительных деталей [10].
Для магистральных газопроводов применяются трубы и СДТ классов прочности К42-К65 (табл. П2.7). Свойства труб класса прочности свыше К65 устанавливаются специальными техническими требованиями к трубам.