Прямолинейный трубопровод

Внутренним называют усилие в стенке трубы в каком-либо сечении. Продольным называют усилие Р, действующее по на­правлению продольной (главной) оси трубопровода. Часть пол­ного продольного усилия Р, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения трубопровода, называют продольным на­пряжением o_np = P/F, где F — площадь поперечного сечения ма­териала трубы, зависящая от диаметра и толщины стенки (см. прил. 3).

Усилия, действующие в тангенциальном направлении, назы­вают кольцевыми, и соответственно напряжение также назы­вают кольцевым ст_кц. На рис. 5.1 изображен разрез участка трубы с действующими в ее материале продольными и коль­цевыми напряжениями. Эти напряжения в работающем трубо­проводе не остаются неизменными.

Введем некоторые определения, которые дадут возможность в дальнейшем более четко характеризовать напряженное со­стояние трубопровода.

Стабилизированными напряжениями будем называть на­пряжения, установившиеся к какому-либо моменту в том или ином сечении трубопровода под воздействием всех нагрузок и не изменяющиеся в дальнейшем. Нестабилизированными бу­дем называть напряжения, продолжающие изменяться во вре­мени вследствие изменений внешних усилий. Нестабилизиро­ванными напряженное состояние и перемещения могут быть не только из-за непрерывно изменяющихся внешних воздействий, но и при постоянном воздействии; в последнем случае они обусловливаются явлениями ползучести материала труб или проявлением реологических свойств грунтов, распределенных по длине трубопровода, а также изменением во времени физи­ко-механических свойств грунтов (например, уплотнение за­сыпки, изменение влажности и т. п.). Обычно в расчетах принимается, что трубопровод нахо­дится в грунтовой среде, облада­ющей какими-то средними, но вполне определенными характе­ристиками, хотя совершенно ясно, что даже при укладке в одном и том же по свойствам грунте невозможно обеспечить равно­мерную и одинаковой плотности засыпку по длине трубопровода, а также равномерное прилегание труб ко дну траншеи, прямоли­нейную в плане и в вертикальной плоскости прокладку,

если даже по проекту требуется это сделать очень точно.

Начальным будем называть напряженное состояние, уста­навливающееся в трубопроводе к моменту испытания его на прочность, которое проводится обычно после засыпки. Опреде­лив начальное напряженное состояние, можно установить даль­нейшую картину его изменения и определить нестабилизированные напряжения в любой момент времени. Начальное на­пряженное состояние определяют профиль и плановое положение трубопровода, способы производства работ по сооружению трубопровода, температурный режим трубопровода в строи­тельный период (замыкание монтажных стыков). Влияние этих факторов будем рассматривать далее применительно к конкрет­ным условиям. Здесь же остановимся на простейшем случае, когда строительство трубопровода ведется на равнинном уча­стке методом наращивания секций в нитку с непрерывным опусканием ее в траншею.

Пусть к рассматриваемому моменту закончена укладка в траншею и засыпка участка /, а участок // (рис. 5.2) выведен из траншеи на поверхность для выполнения изоляционных ра­бот; на участке /// осуществляется наращивание трубопровода» нитку. Длина участка // назначается с учетом того, что на участке /// без помех должны выполняться сварочные работы, т. е. трубопровод не должен вибрировать от воздействия машин, работающих в составе изоляционно-укладочной колонны. В тру­бопроводе на участке // уже установилось некоторое напряжен­ное состояние. Имея в виду, что в течение одного светового дня в траншею будет опущен весь участок // и за это же время сварочно-монтажной бригадой будет сварен новый участок /// такой же длины, можно сказать, что напряженное состояние участка // формировалось на участке /// при наращивании тру­бопровода. Основным фактором, определяющим его, является температура окружающей среды (воздуха). Если бы она оста­валась в процессе монтажа неизменной с начала и до конца цикла работ по сварке, изоляции и укладке, то сколько-нибудь значительные напряжения в трубах на участке // отсутство­вали бы. Но так как температура воздуха в течение суток не прерывно изменяется, то трубопровод в пределах участка h и наращиваемого участка /// подвергается непрерывному воз действию продольных усилий, обусловленных изменением температуры труб с того самого момента, как будет приварена к основной нитке трубопровода каждая последующая секция труб.

Если бы трубопровод, лежащий на грунте, был полностью ограничен от продольных перемещений, то в каждой наращи­ваемой секции изменение температуры на 1 °С, по сравнению с той, при которой она была пристыкована и опущена на грунт, вызвало бы продольные напряжения (сжимающие или растягивающие) 252 Н/см². Но поскольку продольное усилие вызывает продольное перемещение трубопровода, то в нем ос­танется лишь та часть продольного грунта, которая обусловли­вается упругим взаимодействием трубопровода и грунта. Сле­довательно, правильное определение напряженного состояния подземного трубопровода как начального, так и последующего в любой момент может быть выполнено только с учетом про­дольных перемещений.

Рассмотрим напряженное состояние прямолинейного трубо­провода, находящегося под воздействием внутреннего давле­ния р и температурного перепада ДЛ

Прямолинейный трубопровод бесконечной длины

От внутреннего давления р в стенке трубы единичной длины возникает усилие N (рис. 5.3), которое можно определить из условия pD_BH = 2N, откуда N = pD_BJ2. Учитывая, что #=а„_цб, где 6 — толщина стенки трубы, получаем

Учитывая известную зависимость между продольными и поперечными напряжениями, определим продольные напряже­ния в стенке трубы ап_Р = ца,щ=црО„„/(26), где ц — коэффици­ент поперечной деформации (коэффициент Пуассона). Для ста­лей (1 = 0,26^-0,33, т. е. в среднем ц = 0,3; соответственно для стальных труб Стпр = 0,15р0_вн/6.

Если трубопровод подвергается воздействию внутреннего давления и температуры, то (поскольку трубопровод бесконеч­ной длины можно считать защемленным в направлении глав­ной оси) в нем при Л/^=0 возникают температурное усилие P_t = = ±a._tEht и соответствующее ему продольное напряжение а/ = Я(//⁷= ±<Х(£Л/. Таким образом, при совместном действии р и А£ кольцевые напряжения практически не изменятся, а продольные станут рав­ными

Знак «+» относится к случаю, когда А/<0, т. е. температура t уменьшается по сравнению с начальной, знак «— » —• Л*>0.

Из (5.2) видно, что при t<t_a растя­гивающие продольные напряжения уве­личиваются: при />/₀ они

могут уменьшаться до нуля и даже стать сжимающими. Если р = 0, а Д/=7^=0, то напряжения в прямолинейном трубопроводе характеризуются вторым членом уравнения (5.2); кольцевые напряжения отсут­ствуют, если не учитывать отпора грунта радиальным 'переме­щением стенки трубы.

Трубопровод полубесконечной длины,

В этом случае (рис. 5.4,а) один конец трубопровода на ка­ком-то расстоянии от конца /—/ можно считать защемленным, а конец //—// под воздействием внутреннего давления и тем­пературы может перемещаться в направлении главной оси х. В любом сечении трубопровода а_кц определяют по (5.1). Про­дольные напряжения в сечениях левее /—/, где продольных перемещений труб нет, определяют выражением (5.2). В кон­цевом сечении //—// продольное усилие Р = я/)_вн²р/4, а_пр = /³//^г, откуда, учитывая, что F = n6D, получаем о_пр = р£>вн/(46). В се­чениях, расположенных между /—/ и //—//, продольные напря­жения изменяются в зависимости от защемления труб в грунте.

Упругоискривленный трубопровод

В процессе строительства трубопровод искривляется как в го­ризонтальном, так и в вертикальном направлениях. Изгиб трубопровода вызывает появление в стенке труб дополнитель­ных (изгибающих) напряжений, которые зависят от радиуса упругого изгиба R, геометрических характеристик трубы и мо­дуля упругости. При «чистом» изгибе трубопровода, т. е. из­гибе, создаваемом изгибающими моментами в начальном и ко­нечном сечениях /—/ (рис. 5.4,6) изогнутого участка, в трубо­проводе возникает по всей его длине постоянный изгибающий момент M = EHR, где / — осевой момент инерции; R — радиус упругого изгиба трубопровода. Этот момент обусловливает воз­никновение в стенке трубы напряжений, распределяющихся по закону cinp = Mz//.

Глава 6

Date: 2015-06-07; view: 1603; Нарушение авторских прав