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 /0,9 kн × R2н (9.18)

s_кц^н ≤ m /0,9 kн × 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 /2 r, (9.20)

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

d_кц = n × p × D_вн /2 d, (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 /2 d ≤ 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_вр и 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 = 2 d × 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.