Общие сведения

Расчет трубопроводов системы сбора нефти и газа на механическую прочность сводится к определению толщины стенки, которая была бы минимальной, но в то же время не допускала разрушения труб при эксплуатации. Основными силовыми факторами, которые надо учитывать при расчетах, являются внутреннее давление, изгиб трубопровода и перепад температур, а также их комбинации.

Внутреннее давление является одним из основных и решающих силовых факторов, которое определяет работу трубопроводов. Поэтому при расчете трубопроводов толщину стенок труб в первую очередь находят исходя из заданного внутреннего давления. Если силовой фактор ограничивается лишь одним внутренним давлением, то минимальная толщина стенки трубы рассчитывается по тангенциальному напряжению, замена которого на допускаемое напряжение приводит к следующей формуле:

где p - максимальное рабочее давление, при котором работает трубопровод;

D_вн - номинальный внутренний диаметр трубы;

σ - допускаемое напряжение, принимаемое 0,9(σ*).

Здесь σ* - нормативное напряжение растяжения материала трубы, которое принимается 40% от минимального значения предела текучести, т.е. 6*=0,4(σ _Т).

При действии всех силовых факторов (рисунок 21.1) находят сумму продольных растягивающих напряжений. Продольное растягивающее напряжение в трубопроводах возникают под действием внутреннего давления, деформации изгиба и температурного перепада, появляющегося в результате разности между температурой трубопровода во время укладки и засыпки и температурой в процессе эксплуатации.

Рисунок 21.1 - Схема к расчету трубопровода на механическую прочность

Согласно рисунку 2.2 в сечении II-II возникают напряжения 1, 2, 3:

1 - от внутреннего давления:

2 – от деформации изгиба;

3 – от перепада температур:

σ = α Е Δt

где D - средний диаметр трубы;

Е - модуль упругости металла, равный 2,1*10¹¹ МПа;

R - радиус изгиба трубопровода;

а - коэффициент линейного расширения (для стали а = 1,2*10^-4 1/°С);

Δt - температурный перепад, принимаемый положительным числом при нагревании.

Температурный перепад учитывается в том случае, когда трубопроводы защемлены в грунте и при охлаждении они могут деформироваться, вызвав тем самым в металле труб продольные растягивающие напряжения.

Продольные сжимающие усилия могут привести к выпучиванию трубопроводов в тех случаях, когда он уложен в малосвязанных грунтах, не обеспечивающих необходимого защемления трубопроводов грунтом. При проектировании таких участков необходимо увеличить глубину заложения, избегать укладки криволинейных участков с малым радиусом изгиба или применять винтовые анкерные крепления. Предельное состояние продольных напряжений определяется из условия

где k - коэффициент условий работы;

σ - нормативное допускаемое напряжение;

Σσ_р - сумма продольных растягивающих напряжений в расчетном сечении трубопровода от воздействий внутреннего давления, изгиба трубопровода, температурных колебаний и воздействий деформирующего усилия грунта. Для прямолинейных и упруго- изогнутых участков подземных и наземных трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений, просадок и пучения грунта продольные осевые напряжения от воздействия внутреннего давления, изгиба и температуры рассчитываются по следующей формуле:

По исследованиям некоторых авторов, с точки зрения прочности трубопровода, наиболее невыгодно сочетание кольцевых растягивающих и продольных осевых сжимающих напряжений. При этом напряжение, возникающее в стенках трубопровода, определяется по формуле

где ψ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб, который рассчитывается по формуле

Здесь Σσ - абсолютное значение продольных осевых сжимающих напряжений, определяемых от расчетных нагрузок и воздействия с учетом упруго-пластической работы металла труб.

Толщину стенок труб следует принимать не менее 1/140 величины наружного диаметра труб и не менее 4 мм. Расчетная толщина стенки округляется в большую сторону до ближайшей толщины в сортаменте труб. Радиальные напряжения а_р малы по сравнению с тангенциальными и осевыми, поэтому в расчетах не учитываются. При расчете трубопровода на прочность не учитываются также давление грунта и подвижные нагрузки (тракторы, сельскохозяйственные машины, автомобили), которые могут действовать на трубопровод. Эти внешние нагрузки незначительны. Кроме того, они компенсируются внутренним давлением. Не принимаются в расчет также силовые воздействия случайного характера (от оползневых явлений, от веса трубопровода при размыве основания, на котором лежит трубопровод).

Задача

Рассчитать суммарные напряжения, возникающие в трубопроводе, по двум методикам и определить расчетную методику. Исходные данные для расчёта взять из таблицы