Расчет трубопровода на устойчивость против всплытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

«Омский государственный технический университет»

Контрольная работа

«Техническое обслуживание газонефтепроводов и газонефтехранилищ»

Расчет трубопровода на устойчивость против всплытия

Выполнил: Студент гр. ЗПС 529

Проверил: доцент

кафедры «Нефтегазовое дело» Пахотин А.Н.

Омск 2014

Введение

Исходные данные: № варианта - по номеру в зачетке - 1042 = 7.

Таблица 1

№ варианта	Продукт перекачки	Рабочее давление Р, МПа	Наружный диаметр Dн, мм	Номинальная толщина стенки дн, мм	Характеристики материала труб	Коэф.-т надежности по материалу К1
					марка стали	временное сопротивлен. Rн1=увр, МПа	предел текучести Rн2=ут, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9
07	нефть	6,0	1020	9,5;10;10,5	17Г1С	510	363	1,4

Таблица 2

№ варианта	Категория участка трубопровода	Плотность перекачиваемого продукта с, кг/м3	Длина участка балластировки L, м	Температурный перепад Дt, оС
07	ЙЙ	780	360	±44

Таблица 3

№ варианта	Угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости вВ, град мин	Кривизна изгиба: вогнутая (вог) или выпуклая (вып) кривая	Плотность воды с учетом расств. в ней солей гВ, кг/м3	Вес продукта учитывается (да), не учитвается (нет)	Футеровка сплошная (да, нет)	Схема изоляции трубопровода	Тип изоляционной ленты и обертки
1	2	3	4	5	6	7	8
07	11 07	вог	1080	нет	да	2+2	Пластизол (Пл)

Таблица 4

№ варианта	Поверхностная скорость течения VПОВ, м/с	Кинематическая вязкость воды нВ, мм2/с
7	2,2	1,3

1. Расчет параметров балластировки трубопровода

1.1 Определение расчетного сопротивления растяжению (сжатию) трубопровода

Рассчитываются для основного металла трубы и сварных кольцевых соединений по временному сопротивлению на разрыв :

273,2

Где: - коэффициент условий работы трубопровода, принимаемый по табл.1 СНиП 2.05.06-85*.

Таблица 5

Категория участка трубопровода	В	Й и ЙЙ	ЙЙЙ и Й?
m	0,6	0,75	0,9

В соответствии с табл.3* СНиП по категории прокладываемого участка трубопровода необходимо определить назначение балластируемого участка, выбрать метод укладки (протаскиванием по дну обводненной траншеи либо погружением с поверхности воды, т.е. сплавом) и тип балластирующих пригрузов.

Таблица 6

Назначение балластируемых участков трубопроводов	Категория участков при подземной прокладке
	газопроводов	НП и НПП
1. Переходы через водные преграды: а) судоходные - в русловой части и прибрежные участки длиной не менее 25 м каждый (от среднемеженного горизонта воды) при диаметре трубопровода Dу, мм: 1000 и более менее 1000	Й Й	В Й
б) несудоходные шириной зеркала воды в межень 25 м и более - в русловой части и прибрежные участки длиной не менее 25 м каждый (от среднемеженного горизонта воды) при диаметре трубопровода Dу, мм: 1000 и более менее 1000	Й Й	В Й
в) несудоходные шириной зеркала воды в межень до 25 - в русловой части, оросительные и деривационные каналы	Й	Й
г) горные потоки (реки)	Й	Й
д) поймы рек по горизонту высоких вод 10%-ной обеспеченности при диаметре трубопровода Dу, мм: 700 и более менее 700	Й ЙЙ	Й Й
2. Переходы через болота типа (по СНиП ЙЙЙ-42-80*): а) Й б) ЙЙ в) ЙЙЙ	ЙЙЙ ЙЙ Й	ЙЙ, ЙЙЙ1 ЙЙ В

- коэффициент надежности по назначению трубопровода, учитывающий внутреннее избыточное давление, диаметр трубопровода и его назначение, принимается по табл.11 СНиП.

Таблица 7

Условный диаметр трубопровода Dy, мм	Газопроводы	НП и НПП
	Р?5,4 МПа	5,4<Р?7,4 МПа	7,4<Р?9,8 МПа
500 и менее	1,0	1,0	1,0	1,0
600-1000	1,0	1,0	1,05	1,0
1200	1,05	1,05	1,1	1,05
1400	1,05	1,1	1,15	-

В соответствии с заданными параметрами принимается: kн=1.

1.2 Определение расчетного сопротивления изгибу трубопровода

Рассчитываются для основного металла трубы и сварных кольцевых соединений по пределу текучести :

236,7

Где: - коэффициент надежности по материалу, учитывающий способ изготовления трубы и ее прочностные характеристики. Для спиралешовных труб из малоуглеродистой и низколегированной стали определяется по отношению: 0,712<0,8; .

1.3 Расчет толщины стенки

Предварительно, расчетная толщина стенки трубопровода определяется

Согласно п. 8.22 СНиП 2.05.06-85*

мм;

Где: - коэффициент надежности от внутреннего рабочего давления в трубопроводе, принимаемый по табл.13 СНиП 2.05.06-85*. Для нефте- и продуктопроводов принимается равным: .

1.4 Расчет суммы продольных (осевых) напряжений в трубопроводе

где: - коэффициент линейного теплового (термического) расширения металла трубы, равный для стали 1/°С;

- модуль упругости металла трубы равный для стали

МПа;

- расчетный температурный перепад между температурой стенок трубы в процессе эксплуатации и температурой, при которой фиксируется расчетная схема трубопровода °С. В расчетах принимается положительное значение при замыкании трубопровода в холодное время года;

- коэффициент, характеризующий напряжение трубопровода относительно его положения в грунте. - о = 0,5 - для «свободного» подземного трубопровода (на подводных переходах, в поймах рек, на болотах, слабонесущих грунтах, у мест выхода на поверхность на поворотах, где не обеспечивается полное защемление грунтом).

- номинальная толщина стенки трубопровода, которая получается путем округления расчетной толщины в большую сторону до ближайшей из сортаментного ряда толщин, предусмотренных ГОСТами или ТУ заводов-изготовителей. Принимается =12 мм;

Полученная сумма (растягивающие напряжения, т.е. когда продольные напряжения от внутреннего давления гасят термические), окончательно принимаем в качестве номинальной ранее найденную толщину стенки =12 мм.

Полученное значение , следовательно, сжимающие напряжения, т.е. термические напряжения по модулю больше продольных напряжений от внутреннего давления. В таком случае величина корректируется.

1.5 Определение коэффициента учитывающего двухосное напряженное состояние металла труб

Значение коэффициента находится в пределах: ;

1.6 Определение минимально допустимой толщины стенки

мм;

Где: - расчетное значение напряжения, принимаемое равным (предела текучести стали согласно п.8.2), Па.

Принятое значение =12 мм. полностью удовлетворяет условию:

2. Расчет геометрических параметров трубопровода

2.1 Определение радиуса срединной поверхности цилиндрической оболочки

2.2 Расчет отношения номинальной толщины стенки к радиусу срединной поверхности

мм.

2.3 Определение площади поперечного сечения стенки трубы

2.4 Определение осевого момента инерции поперечного сечения трубопровода при его изгибе

Нижеприведенная формула справедлива только для тонкостенных цилиндрических оболочек, для которых выполняется условие: мм. Полученное в пункте 2.2. значение, полностью удовлетворяет условию, следовательно:

Н м2;

3. Расчет параметров балластировки трубопровода

трубопровод металл балластировка двухосный

Под устойчивостью трубопровода следует понимать его способность сохранять прямолинейное или начальное упруго-искривленное положение на дне обводненной траншеи при выпуклом (вогнутом) рельефе местности при самой неблагоприятной комбинации силовых воздействий, стремящихся вывести его из этого положения.

3.1 Расчет толщины изолирующего слоя трубопровода

м;

Где: - коэффициент, учитывающий величину нахлеста при двухслойной схеме изоляционного покрытия , принимается равным: ;

- толщина изоляционного покрытия (изоляционной ленты) и оберточного слоя (обертки) соответственно. Значения приводятся для различных материалов в табл. 8 СНиП.

В соответствии с указанным в исходных данных типом изоляционного покрытия принимается:

Изоляционные материалы

Таблица 8

Тип, маркировка изоляционных материалов	Толщина дИ.П, дОБ, мм	Масса 1 м2, кг/м2	Плотность материала озоляционного покрытия (обертки) гИ.П, гОБ, кг/м3
Отечественные изоляционные материалы
Летняя ПИЛ, ТУ 19-103-78	0,3	-	-
Зимняя ПВХ-БК, ТУ 102-166-82	0,35	-	-
Зимняя ПВЗ-Л, ТУ 102-320-86	0,3	-	-
Отечественные обертки, в т.ч.:
Пленка оберточная ПЭКом, ТУ 102-284-81	0,6±0,05	0,53	880
Пленка оберточная ПДБ, ТУ 21-27-49-76	0,55±0,05	0,58	1050
Пленка полимерная ПВХ, ТУ 102-123-78	0,5±0,1	0,634	1268
Оберточный материал ПВХ, ТУ 102-123-78	0,6±0,1	0,705	1175
Импортные изоляционные ленты
Поликен 980-25 (США)	0,635	0,664	1046
Плайкофлекс 450-25 (США)	0,635	0,664	1046
Тек-Рап 240-25 (США)	0,635	0,735	1157
Нитто-53-635 (Япония)	0,635	0,692	1090
Фуракава Рапко НМ-2 (Япония)	0,640	0,648	1010
Альтене 100-25 (Италия)	0,635	0,664	1046
Пластизол (Югославия)	0,640	0,655	1040
Импортные обертки
Поликен 955-25 (США)	0,635	0,653	1028
Плайкофлекс 650-25 (США)	0,635	0,640	1008
Тек-Рап 260-25 (США)	0,636	0,680	1072
Нитто-56РА-4 (Япония)	0,635	0,670	1055
Фуракава Рапко РВ-2 (Япония)	0,640	0,633	989
Альтене 205-25 (Италия)	0,635	0,653	1028
Пластизол (Югославия)	0,635	0,655	1031

3.2 Определение наружного диаметра трубы с учетом изоляционного покрытия

м

м

Где: - Толщина футеровки, для трубопроводов мм - рейками сечением , следовательно, толщина принимается равной: мм.

3.3 Вычисление расчетной выталкивающей (Архимедовой) силы воды

Н/м;

гВ - плотность воды с учетом растворенных в ней солей и наличия взвешенных частиц, 1080кг/м3;

3.4 Определение расчетной интенсивности нагрузки от упругого отпора

Н/м;

Где: - постоянный коэффициент, для вогнутых кривых принимается равным: ;

- угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости, значение пересчитывается в радианы:

рад;

- радиус упругого (свободного) изгиба оси трубопровода на участке поворота в вертикальной плоскости, соответствующий рельефу дна транше. Радиус должен быть больше или равен минимальному радиусу упругого изгиба оси трубопровода , определяемому по таблицам СНиП ІІІ-42-80*.

Значение минимального радиуса принимается: 800-1000 м.

Тогда справедливо:

м;

Таким образом, при укладке трубопровода свободным изгибом на выпуклом либо вогнутом рельефе местности в любом случае должно выполняться условие ;

м ?800-1000 м

Полученное значение полностью удовлетворяет условию.

3.5 Определение кольцевых напряжений в трубопроводе

МПа;

3.6 Расчет эквивалентного продольного осевого усилия сжатия

Выполняется для криволинейного (вогнутого) участка трубопровода, выполненного упругим изгибом, усилие при этом направлено по касательной к его оси.

кН;

где м - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) в стадии упругой работы металла, учитывающий соотношение продольных и кольцевых напряжений (продольных и поперечных деформаций) при нагружением трубы внутренним давлением (равный для стали около 0,3);

- температурный перепад имеет положительное значение (при нагревании трубопровода).

Далее, в ходе расчета, необходимо произвести окончательную проверку условия, описанного в пункте 3.4. . Для этой цели проводится специальный расчет приведенный ниже:

Трубопровод любого диаметра и назначения, укладываемый в обводненную траншею, имеет криволинейные участки в вертикальной (и горизонтальной) плоскости, что обуславливается рельефом местности и наличием различных переходов через естественные и искусственные препятствия.

Вычисление кольцевых напряжений от нормативного (рабочего) давления:

МПа;

Определение типа продольного осевого напряжения в трубопроводе:

Тип напряжения устанавливается в зависимости от соответствия условию:

следовательно, напряжения являются сжимающими.

Вычисление коэффициента запаса прочности:

;

Расчет коэффициента, учитывающего двухосное напряженное состояние металла трубопровода.

Поскольку продольные осевые напряжения в трубопроводе сжимающие, значение коэффициента лежит в пределах: , и рассчитывается по формуле:

Определение максимально допустимых продольных изгибающих напряжений, возникающих в трубопроводе, при его укладке свободным изгибом.

- Для положительного температурного перепада ( при нагреве трубопровода):

МПа;

Для отрицательного температурного перепада ( при охлаждении трубопровода):

МПа;

Окончательно, для самого неблагоприятного случая сочетания нагрузок и воздействий при балластировке трубопровода на криволинейном рельефе, принимается:

МПа;

Расчет радиуса поворота траншеи по условию прочности:

м;

Определение нагрузки от собственного веса металла трубопровода:

Н/м;

Где: - коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса при расчете на устойчивость положения трубопровода против всплытия, принимается равным: .

- плотность металла, из которого изготовлены трубы,

для стали принимается: кг/м3;

Определение нагрузки от собственного веса изоляции для подземных трубопроводов.

Определяется в зависимости от схемы изоляционного покрытия, 2+2 в нашем случае.

Н/м;

Где: - плотность изоляционных и оберточных материалов соответственно. Значения приводятся для различных материалов в табл. 8 СНиП. В соответствии с указанным в исходных данных типом изоляционного покрытия принимается:

гИ.П=1040, гОБ=1031 кг/м3.

Определение расчетной нагрузки от собственного веса футеровки:

Н/м;

Где: - плотность материала футеровки, для деревянной футеровки равна: кг/м3;

Определение расчетного веса единицы длины трубопровода в воздухе с учетом изоляции и футеровки:

Н/м;

Расчет радиуса поворота траншеи по условию прилегания трубопровода ко дну траншеи под действием собственного веса:

13,8923м;

Таким образом, радиус поворота траншеи в вертикальной плоскости, полученный из условия прилегания трубопровода ко дну, может быть в зависимости от угла поворота больше или меньше радиуса, рассчитанного из условия прочности. Следовательно, в качестве основного принимается больший по значению: м;

Проверка возможности укладки рассчитываемого трубопровода в заданных условиях:

м;

Условие справедливо выполняется, следовательно, укладка забалластированного трубопровода на данном рельефе с радиусом кривизны равным м, свободным изгибом возможна. Все принятые и рассчитанные параметры остаются без изменения.

3.7 Определение расчетной нагрузки от веса перекачиваемого продукта, находящегося в нефтепроводе единичной длины

По условию задачи вес нефтепродукта не учитывается, поэтому принмается:

Н/м;

Определение средней скорости течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода

м/с;

4. Расчет числа Рейнольдса характеризующего течение воды в водоеме

=;

4.1 Определение гидродинамических коэффициентов трубопровода

С учетом, полученного выше значения числа Рейнольдса, справедливо условие:

тогда для офутерованного трубопровода:

Коэффициент принимается: ;

Коэффициент принимается: ;

4.2 Расчет вертикальной составляющей гидродинамического воздействия потока жидкости на единицу длины трубопровода

Н/м;

4.3 Расчет горизонтальной составляющей гидродинамического воздействия потока жидкости на единицу длины трубопровода

Н/м;

4.4 Определение значения угла внутреннего трения грунта

По условию задачи категория участка трубопровода ЙЙ, при этом продуктом транспортировки является нефть. Принимая во внимание эти параметры, по таблице 6 СНиП 2.05.06-85* «Назначение балластируемых участков трубопроводов», можно констатировать, что балластируемый участок является - Переходом через болото типа ЙЙ.

Тогда, по таблице 10 СНиП, угол внутреннего трения принимается: ;

Соответственно коэффициент трения грунта

;

Окончательное значение: ; следовательно -

4.5 Определение коэффициента трения офутерованного трубопровода о грунт

Рассчитывается при поперечных перемещениях потока воды при укладке трубопровода в проектное положение протаскиванием по дну подводной траншеи.

;

Где: - коэффициент устойчивости на сдвиг, принимается: ;

4.6 Расчет нормативного веса балластирующих конструкций приходящийся на единицу длины трубопровода

Н/м;

Где: - коэффициент надежности по нагрузке, для железобетонных грузов типа УБК, УБО, УТК, а также при сплошном бетонировании трубопровода, принимается: ;

- коэффициент надежности устойчивого положения трубопровода против всплытия на обводненных участках трассы. Для участков перехода через болота Й, ЙЙ и ЙЙЙ типов по СНиП ЙЙЙ-42-80*, принимается: ;

Вывод

Полученное значение следовательно, трубопровод обладает положительной плавучестью, и для повышения его устойчивости необходим балластировка.

В соответствии с назначением участка применяются:

Одиночные грузы или закрепление трубопровода анкерными устройствами.

- При укладке трубопровода с бермы траншеи на переходах через глубокие болота (с мощностью торфа более глубины траншеи) необходимо применять железобетонные утяжелители охватывающего типа (типа УБО, УБО-М, 1-УБКМ, УБГ, УБТ).

- При укладке на переходах через болота с мощностью торфа, не превышающей глубины траншеи, на заболоченных и обводненных территориях, включая участки перспективного обводнения, применяются железобетонные утяжелители различных конструкций, анкерные устройства, заполняемые грунтом. Так же возможно применение полимерно-панельных балластирующих устройств типа ППУ, а также грунтов засыпки, в том числе с использованием полотнищ из нетканого синтетического материала (контейнеров текстильных типа КТ и КМТ).

Если в соответствии с проектом организации строительства сооружение трубопровода на заболоченных участках выполняется в теплое время года, то следует в зависимости от местных условий применять следующий способ укладки трубопроводов:

- укладка трубопровода с бермы (бровки) траншеи или лежневой дороги, проложенной вдоль траншеи (на болотах І и ІІ типов);

Размещено на Allbest.ru

...