Проверочные расчёты несущей способности трубопровода

Несущая способность трубопровода обеспечена, если выполняются условия прочности и недопустимости деформаций.

Внутренние условия в трубопроводах появляются от внешних, внутренних нагрузок. Причём эти нагрузки изменяются в зависимости от характеристики окружающей среды, параметров перекачиваемого продукта и т. д.

Учёт внутреннего давления при расчётах напряжённого состояния трубопровода обязателен во всех случаях, а остальные нагрузки и воздействия учитываются в зависимости от конкретных условий и конструктивных схем прокладки трубопровода на том или ином участке. Установлено, например, что вертикальное давление грунта на остальные магистральные трубопроводы при нормальных глубинах заложения и устойчивом состоянии грунта не вызывают таких напряжений в стенке трубы, которые могли бы разрушить её. Если же рассматривать напряжённое состояние трубопровода на участке оползающего грунта или на сильно деформированном основании, то давление грунта может вызвать наиболее опасное для прочности труб напряжённое состояние. На таких участках вес труб и заполняющего их продукта может привести к опасным для прочности труб напряжениям, а на продольных уклонах внутреннее давление в трубопроводе и силовое воздействие оползающего грунта вызывает в материале труб, кроме того, и продольные напряжения.

От действия нагрузок в стенке трубы возникает продольное усилие Р, действующее по направлению продольной оси трубопровода. Ему соответствует продольное напряжение d_пр = Р/F, где F – площадь поперечного сечения материала трубы. Усилия, действующие в тангенциальном направлении, называют кольцевыми, и соответственно напряжение также называют кольцевыми d_кц.

При совместном действии внутреннего давления и изменения температуры в стенках трубы возникают кольцевые напряжения.

При наличии продольных осевых сжимающих напряжений номинальную толщину стенки трубы определяют по формуле:

d = n× Р× D_н/2(Y₁× R₁+ n× Р), (9.16)

где Y₁ – коэффициент, учитывающий двухосное напряжённое состояние труб.

Толщину стенки трубы, определённую по этим формулам, следует принимать не менее 1/140 D_н, но не менее 3 мм для труб условным диаметром 200 мм и не менее 4 мм – для труб условным диаметром свыше 200 мм

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы следует проверять по прочности, деформациям и общую устойчивость в продольном направлении.

Проверка на прочность подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов в продольном направлении производится по условию:

| d_npN | ≤ y₂× R₁, (9.17)

где d_npN – продольное осевое напряжение от действия расчётного давления и температурного перепада; Y₂ – коэффициент двухосного напряжённого состояния металла труб (Y₂ = 1, если d_npN> 0).

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов, особенно на искривлённых участках, проверку необходимого производить по условиям:

|s_np^н| ≤ Y₃× m/0, 9kн× R2н (9.18)

s_кц^н ≤ m/0, 9kн× R2н, (9.19)

где s_np^н – максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий,

s_np^н= md_кц^н – aDt× E ± E× D_н/2r, (9.20)

R₂^н – второе нормативное сопротивление, равное минимальному значению предела текучести, установленному техническими условиями на трубы;

d_кц = n× p× D_вн/2d, (9.21)

и продольные напряжения

s_np^н= ms_кц^н – aDt× E. (9.22)

В процессе строительства трубопровод искривляется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Изгиб трубопровода вызывает появление в стенах труб дополнительных напряжений, которые зависят от радиуса изгиба, геометрических характеристик трубы и модуля упругости стали.

Проблема прочности магистрального трубопровода включает ряд задач, связанных с физико-механическими характеристиками металла труб, сопротивляемостью их внутренним и внешним усилиям, влиянием концентратов напряжений на несущую способность конструкции в целом. Все эти задачи объединяются в так называемом расчёте на прочность. Основная цель проектировочного расчёта – обеспечение неразрушимости трубопровода в период расчётного времени его эксплуатации. Расчёт трубопровода на прочность производится в соответствии со СНиП 2.05.06-85.

Расчёт трубопровода на прочность заключается в определении толщины стенки труб из условия:

d_кц = n× p× D_вн/2d ≤ R₁ = R₁^н× m/(k₁× k_н), (9.23)

где R₁ – первое расчётное сопротивление; R₁^н – первое нормативное сопротивление, соответствующее минимальному значению предела прочности, принимаемое по техническим условиям на трубы; m – коэффициент условий работы трубопровода, который зависит от категорий участка трубопровода; k₁ – коэффициент надёжности по материалу, принимаемый по СНиП 2.05.06-85; k_н – коэффициент надёжности по назначению трубопровода, принимаемый равным 1 при D_у = 1200 мм и равным 1, 05 для труб D_у = 1200 мм.

Расчётная толщина стенки трубопровода определяется по формуле:

d = n× p× D_н/2(R₁+ nР), (9.24)

где Y₃ – коэффициент двухосного напряжённого состояния; r – минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода; s_кц^н – кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давления.

Если условия прочности и недопустимости деформаций выполняются, то несущая способность трубопровода обеспечена.

При проектировании трубопроводов встречаются два основных расчётных случая:

1. Заданы внутреннее давление P, характеристики стали – d_вр и d_т – требуется определить толщину стенки труб d.

2. Заданы толщина стенки труб d и характеристики стали – s_ври s_т– требуется определить допустимое рабочее давление Р.

Первый случай был рассмотрен выше, а что касается решения второго расчётного случая, то допустимое рабочее давление определяется из формул для определения толщины стенки трубы:

d = n× Р× D_н/2(Y₁× R₁+ n× Р) ® P = 2d × Y₁× R₁/nD_вн, (9.25)

Как видно из последней формулы несущая способность трубопровода по давлению зависит от коэффициента Y₁, который в свою очередь зависит от величины продольных сжимающих напряжений.

Вероятность разрушения бездефектного участка трубопровода чрезвычайно мала, практически равна нулю. Однако разрывы на трубопроводах происходят довольно часто, что говорит о наличии дефектных участков. Любые дефекты с нарушением формы конструкции трубы, являются местами концентрации напряжений.

Виды и классификация отказов линейной

Части трубопроводов

Отказом называют нарушение работоспособности линейной части, приводящее к отключению участка МТ между линейной арматурой для восстановления его работоспособности. За критерий отказа технологического объекта МТ принимаются наличие и величина утечки продукта через разрывы, трещины, свищи, др. повреждения и факт простоя, недопустимые по условиям эксплуатация объекта МТ в целом. Отказы, повреждения объектов МТ отличаются между собой природой возникновения, стадией существования объекта, на которой зародился отказ или повреждение, возможностью их прогнозирования и другими факторами.

В зависимости от того, на какой стадии существования объекта был заложен дефект, явившийся причиной отказа. Отказы делятся на проектные, производственные, конструкционные и эксплуатационные.

Рассмотрим основные виды отказов:

· внезапный отказ – отказ вследствие скачкообразного изменения одного или нескольких параметров системы;

· постепенный отказ – отказ, при котором постепенно изменяются один или несколько основных параметров системы;

· независимый отказ элемента – отказ элемента системы, не обусловленный повреждениями и отказами других элементов системы;

· зависимый отказ элемента – отказ элемента объекта, вызванный повреждениями или отказами других элементов системы;

· полный отказ – отказ, при котором использовании системы по назначению невозможно до восстановления её работоспособности;

· частичный отказ – отказ, после возникновения которого использование системы по назначению возможно, но при этом значения одного или нескольких основных параметров находятся вне допустимых пределах;

· сбой – самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременной утрате работоспособности;

· перемежающийся отказ – многократно возникающий сбой одного и того же характера;

· конструкционный отказ – отказ из-за ошибок конструктора или несовершенства методов конструирования;

· производственный отказ – отказ, вызванный нарушением или несовершенством технологического процесса изготовления или ремонта элементов системы;

· эксплуатационный отказ – отказ, возникающий при нарушении установленных правил эксплуатации или влияния, непредусмотренных внешних воздействий.

В табл. 9.1 приводится полная классификация отказов трубопроводных систем, причины и соответствующие им виды отказов.

Таблица 9.1

Классификация отказов трубопроводных систем, причины и соответствующие им виды отказов

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒