Особенности работы газопроводов, закрепленных анкерами

Стабилизация трубопроводов любым способом, требующим при­ложения к поверхности труб сосредоточенных или распределен­ных в пределах малой площади внешних нагрузок, снижает уровень надежности трубопровода на участке закрепления. Каждая из нагрузок оказывает силовое воздействие на изоля­ционное покрытие, а при значительной нагрузке — и на стенки труб. Допустим, что нагрузка определяется массой одиночного груза для утяжеления труб. При массе 1—2 т давление на по­верхность трубы не превышает 0,5—1 МПа. Такое давление не приводит к нарушению сплошности покрытия. Если же дав­ление на трубу создается силовым поясом (иногда его назы­вают хомутом), соединяющим два анкера, то нельзя быть уве­ренным в том, что изоляция не будет нарушена, а также в том, что труба не будет перенапряжена под силовым поясом. А это одно из важных условий потери стенкой устойчивости. Анкерное крепление трубопроводов применяют при прокладке их в усло­виях болот и обводненных грунтов.

Были предложены анкеры, несущая способность которых не превышает 15- 10⁴ Н. Оказываемое воздействие на покрытие си­лового пояса винтового анкера еще недостаточно для разруше­ния изоляции, не говоря уже о металле труб. Однако опыт по­казывает, что при длительной эксплуатации трубопровода изо­ляция под силовым поясом разрушается. Объясняется это тем, что трубопровод перемещается в продольном направлении, что и приводит (даже при незначительном перемещении) к посте­пенному разрушению изоляции. Малая несущая способность вин­товых анкеров обусловливает частую их расстановку. Понятно желание строителей увеличить расстояние между анкерами за счет увеличения их несущей способности. Особенно большой несущей способностью обладают анкеры с раскрывающимися лопастями (до 7-10⁵ Н). При диаметре трубы 1,4 м и ширине пояса 20 см на 1 см² поверхности трубы под поясом приходится нагрузка 180 Н; при ширине пояса 40 см — до 90 Н; при ширине пояса 60 см — до 60 Н. Только в последнем случае изоляция не будет чрезмерно напряженной. Достаточно даже очень ма­лых перемещений, чтобы изоляция начала разрушаться. В связи с изложенным представляется необходимым рассмотреть неко­торые особенности работы изолированного трубопровода, за­крепленного мощными анкерами.

Совместная работа трубы и анкера при продольном ее перемещении

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 9.17. Трубопровод / прижат к грунту силой Р, передаваемой на него через си­ловой пояс 2 от анкеров 3. Если сечение А — А не перемещается в продольном на­правлении, что может быть только при полном защемлении трубопровода, то си­ловой пояс и труба не изменяют своего положения относительно друг друга. В таком случае в изоляции возникают каса­тельные напряжения, распределенные по окружности трубы. Если сечение А — А перемещается на величину и(х) и зани­мает положение В — В, то перемещается и пояс, вовлекая в работу стержни анке­ров 3. Сразу же в изоляции возникают продольные касательные напряжения т_пр, которые будут возрастать до тех пор, пока не достигнут предела т_из. пр. При этом произойдет либо проскальзывание пояса, либо разрыв изо­ляции. Силовой пояс займет положение, определяемое переме­щением и_с.„<и(х). Однако даже в случае и_с._П = и(х) переме­щения повторяются многократно и меняются по направлению. Изоляция при этом может разрушиться под воздействием ±Тиз<Тиз.пр. Определим и(х), при котором силовой пояс дви­жется без проскальзывания и, следовательно, без быстрого раз­рушения изоляции. Предельную величину касательных напряже­ний найдем по формуле

где Ъ — ширина пояса; s = 0,017ra — длина части силового пояса, охватывающего трубу радиусом r в пределах угла а. Зависи­мость между Тип.пр и перемещением силового пояса и_с.п найдем, рассматривая поперечное перемещение конца стержня анкера

величины и_с.„ и и(х) для данного сечения трубопро­вода, установим, будет ли труба проскальзывать под поясом или нет: при и_с.п>и(х) проскальзывать не будет; при и_с.„<и(х) обя­зательно будет проскальзывать; при и_с.п — и(х) может проскаль­зывать, а может и не проскальзывать.

Пример. Трубопровод диаметром 140 см закреплен анкерами с удержи­вающей силой 5-10» Н. Диаметр свай анкера £>„ = 15 см, момент инерции /_а = 1500 см⁴. Коэффициент постели грунта £₀=10 Н/см³. Модуль упругости металла £=2,1 • 10⁷ Н/см². По формуле (9.3) ао=5,87 • Ю-³ см-'. По фор­муле (9.4) «с.п=9,78 см. Определим далее разрывное усилие в изоляции при u_c.n=u(*). По формуле (9.1), приняв 6 = 50 см и s=150 см, находим Тиз. пр=33,3 Н/см². Зная прочность изоляции, можно установить, разрушится она или нет.

Влияние продольных и поперечных сил

на напряженное состояние и положение трубопровода

Подземный трубопровод, закрепленный анкерами, расположен­ными на значительном расстоянии друг от друга, необходимо рассматривать как упругую балку в грунтовой среде, закреп­ленную в сечениях, где установлены анкеры. Расчетная схема одного пролета трубопровода изображена на рис. 9.18. Под воздействием продольной силы и поперечной распределенной нагрузки (положительная плавучесть) трубопровод в пролете изогнулся. Прогиб f определяют по формуле

где М₀п = <?'²/12 + Р//2; W — момент сопротивления; F — площадь сечения трубы.

Пример. Пусть В,_и=142 см, й=1,4 см, /=1,52-10' см⁴. F-620 см², Г=2,14-10⁴ см³, <7=112 Н/см, р=750 Н/см¹, А<=30° С. /=-4000 см, Е-= 2,1-10' Н/см², а,= 1,2-Ю-⁵ 1/°С. Находим по формуле (9.6) f, = 75,3 см; по формуле (9.7) Я=1,13-10⁷ Н; по формуле (9.5)—действительную вы­соту подъема трубы пи середине пролета f = 2,62 см; по фор-муле¹ (9.8) — на­пряжения в стенке трубы: М„п=1,66-10' Н • см и ст„п=2,59 • 10⁴ Н/см².

Если бы труба была уложена без анкерных креплений, то в ее стенке действовали бы только сжимающие усилия. Ан­керы усложняют условия работы трубопровода, создавая в нем дополнительные напряжения, не говоря уже о возможном на­рушении сплошности изоляционного покрытия.

Глава 10