Сооружение подводного трубопровода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Татарстан

Альметьевский государственный нефтяной институт

Кафедра: "Транспорт и хранения нефти и газа"

Курсовая работа

по дисциплине: "Сооружение и ремонт подводных трубопроводов"

на тему: "Сооружение подводного трубопровода"

Выполнил студент: группы 21-11

Абрамичев В.О

Проверил: к.т.н., доцент

Исмагилова З.Ф.



Введение

Магистральные трубопроводы пересекают, как правило, большое число препятствий двух видов: естественные и искусственные.

Под естественными понимают препятствия, сформировавшиеся на земной поверхности без участия человека; под искусственными понимают препятствия, появившиеся в результате деятельности человека.

К естественным препятствиям относятся: реки, озера, болота, пруды, ручьи, овраги и т.п.; к искусственным - населенные пункты, каналы, искусственные водохранилища, железные и автомобильные дороги и т.п.

При решении вопроса о способе преодоления препятствий, как правило, приходится решать не только конструкторские и технологические, но и экономические вопросы. Так, при необходимости пересечь трубопроводом реку можно применить подземную схему.

Подводные переходы трубопроводов через водные преграды следует проектировать на основании данных гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом условий эксплуатации в районе строительства ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, влияющих на режим водной преграды в месте перехода, перспективных дноуглубительных и выправительных работ в заданном районе пересечения трубопроводом водной преграды и требований по охране рыбных ресурсов.

В данном курсовом проекте ставится цель - расширение и закрепление материала полученного при изучении дисциплины "Сооружение и ремонт магистральных газонефтепроводов".

Основная задача - изучение методики расчета на устойчивость трубопровода на водном переходе через реку, а так же расчета тягового усилия необходимого для протаскивания трубопровода.

Задание на курсовое проектирование

Рассчитать устойчивость трубопровода на водном переходе через реку. Рассчитать тяговое усилие, подобрать трос и тяговый механизм.

Исходные данные для расчета:

наружный диаметр трубопровода D_н = 720мм;

перекачиваемый продукт - нефть

ширина реки B=180м;

глубина реки H=9м;

средняя скорость течения воды V_ср= 0,4 м/с;

грунт - песок пылеватый плотный;



1. Подготовительные работы

Перед началом разработки подводных траншей выполняют следующие подготовительные операции:

- С помощью эхолота измеряют глубину и на основании полученных результатов составляют фактический профиль дна, который сверяют с проектным; если различия существенны, особенно если установлено, что дно ниже проектных отметок, то необходимо об этом сообщить проектную организацию и дирекцию строящегося трубопровода, которые должны внести соответствующие изменения в проект;

- Выполняют водолазное обследование по створе перехода в полосе шириной 10 м с целью обнаружения затонувших предметов, которые могут помешать работе земснаряда или протаскиванию трубопровода;

- В зависимости от глубины водоема, траншеи и имеющихся в наличии машин для разработки грунта до начала работ намечают наиболее целесообразную схему их размещения;

- Устанавливают створные знаки;

- Доводят до сведения заинтересованные организации (бассейновое управление пути, пароходство и т.д.) о начале подводно-технических работ.

-Устройство временных дорог является составной частью инженерного обеспечения строительной площадки. Для транспортирования грузов на строительную площадку и с нее необходимо максимально использовать существующую дорожную сеть и только по необходимости предусматривать устройство временных дорог, которые следует устраивать для двустороннего движения.

-Устройство временных сооружений: мастерских, штаб конторы, жилых помещений, помещений для бытового обслуживания рабочих (столовая, баня, помещение для обогрева и отдыха), складов, площадок под складирование строительных материалов и др.

-Доставка оборудования, строительных материалов, создания необходимого запаса топлива и жидкого горючего.

2. Земляные работы

В состав земляных работ входят: разработка русловых траншей срезания, при необходимости, плодородного слоя почвы и рекультивация, разработка врезок и пойменных траншей засыпка траншей берегозакрипления.

Углубление трубопроводов в дно водных преград осуществляют обычно путем устройства подводной траншеи к укладке трубопровода. или после его заключения с применением в последнем случае трубозаглублении иных специальных механизмов. В некоторых случаях углубление подводного трубопровода осуществляют направленным бурением.

Подводные земляные работы по разработке русловых траншей обычно являются наиболее трудоемкими, длительными и дорогими при строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов. Поэтому эффективность и сроки строительства подводных переходов зависят обычно от организации и технологии подводных земляных работ, предусматривающих использование рациональных организационных схем и способов производства работ, а также эффективных средств механизации.

Земляные работы проводятся в соответствии с проектом производства работ, в котором предусматриваются способы и последовательность разработки грунта, типы и мощность механизмов, а также меры по соблюдению техники безопасности.

Разработка подводных траншей может осуществляться землесосных, гидромониторной-эжекторными, черпаковой и грейферными снарядами, канатно-скреперными установками, гидромониторами, эжекторными и пневматическими грунтососами с применением водолазного труда, а также экскаваторами, установленными на плавучих средствах: понтонах или баржах. Подводные скальные грунты могут разрабатываться взрывным способом и, в исключительных случаях, при небольших объемах работ, водолазами с помощью отбойных молотков. Выбор технических средств и способов разработки подводного грунта производится в зависимости от свойств и объема почвы, сроков производства, наличия землеройной техники, скорости течения, глубины разработки и условий удаления грунта из траншеи.

Рабочий профиль траншеи составляют на основе проектного продольного профиля с учетом ступенчатой изменения глубин и минимального перебора грунта.

3. Способы и технология укладки подводного перехода

В настоящее время существуют следующие технологии укладки трубопроводов на дно: 1) протаскивание по дну; 2) с поверхности воды; 3) методом горизонтально-направленного бурения.

Суть способа протаскивания заключается в следующем:

1. На берегу моря (или другого водоема) устраивается спусковая дорожка, по которой подготовленный к укладке трубопровод будет перемещаться с берега под воду по подводной траншее. Это может быть либо выровненное дно, либо вырытая траншея.

2. На берегу рядом со спусковой дорожкой подготавливается к укладке трубопровод, общая длина которого должна быть не менее длины подводной траншеи или выровненного дна, если трубопровод укладывается без заглубления.

3. Перед укладкой трубопровод помещается на спусковую дорожку.

4. Производится испытание трубопровода на прочность внутренним давлением.

5. Прокладывается тяговый трос строго по курсу движения трубопровода.

6. Трубопровод протаскивается по дну усилием, создаваемым специальными техническими средствами (трактор, лебедка, трубоукладочное судно).

7. Осуществляется обследование уложенного трубопровода с помощью водолазов или телевизионными приборами.

8. Производится закрепление уложенного трубопровода специальными анкерами, различными грузами, засыпкой грунтом или щебнем, защита бетонными плитами или скорлупами. В каждом конкретном случае обосновывается необходимость и достаточность того или иного способа закрепления.

9. Проводится повторное испытание прочности трубопровода внутренним давлением. Рассмотрим далее технологии практической реализации приведенных шагов способа протаскивания подводного трубопровода и основные расчетные обоснования.

Протаскивание трубопроводов производится при пересечении какой-либо водной преграды. Такими преградами могут быть реки, озера, заливы, образующиеся на прибрежной территории морей, проливы между двумя отделенными друг от друга территориями. Ширина водных преград может составлять и сотни метров, и несколько километров. В зависимости от ширины пересекаемой водной преграды могут применяться различные схемы протаскивания.

Рисунок 1- 1 -- трубопровод; 2 -- траншея; 3 -- трос; 4 -- лебедка.



Схема протаскивания трубопровода через водоем ограниченной ширины

Рассмотренный выше способ протаскивания предполагает, что строительство подводного трубопровода осуществляется в подвод- ном положении. Достоинством этого метода является исключение воздействия на трубопровод волн, льда и, самое важное, необходимости искривлять трубопровод больше, чем это обусловлено рельефом дна. Это обеспечивает сохранность как самого трубопровода, так и защитных утяжеляющих покрытий. Однако применение способа протаскивания возможно не во всех случаях, на практике применяется другой способ строительства -- укладка трубопроводов с поверхности воды. В ряде случаев этот способ является единственно возможным.

Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы укладки подводных трубопроводов с поверхности воды, предварительно отметив одно важное условие: в любом случае должна быть возможность размещения трубопровода на поверхности воды.

Это может быть обеспечено выполнением одного из трех условий: а) трубопровод обладает положительной плавучестью; б) трубопровод обладает отрицательной плавучестью, но с по- мощью понтонов ему создается положительная плавучесть; в) трубопровод опускается на воду со специальных судов, называемых обычно трубоукладочными баржами. При строительстве подводных трубопроводов на северных морях необходимо наличие свободной от льда поверхности воды. В противном случае укладка с поверхности воды становится невозможной.

Выполнение каждого из этих условий требует соответствующих технических средств и серьезных расчетных обоснований.

Метод горизонтально направленного бурения (ГНБ) (на сегодняшний день являющийся наиболее эффективным способом про- кладки коммуникаций различного назначения) появился в начале 70-х гг. XX в. и успешно используется в строительстве, имеет геотехническое применение, а также является самым экологичным методом антропологического вторжения в недра земли.

Рисунок 2. 1- трубоукладочная баржа; 2 -стрингер; 3- трубопровод; 4- тяговый трос; 5- буй. Схемы опускания трубопровода с баржи, оборудованной стрингером: а -- начальная стадия укладки трубопровода; б -- опускание трубопровода с помощью тягового троса; в -- отсоединение укладываемого трубопровода от баржи; г -- завершение укладки плети трубопровода на дно; д - фиксация тягового троса буем на поверхности воды

Трудно переоценить и экономическое преимущество метода ГНБ. В любом из аспектов своего применения ГНБ подразумевает за- крытый способ производства работ: впуск скважины в одной точке и выход в другой. Диаметр и длина скважины зависят от цели и за- дач проекта. Основным преимуществом данного метода является возможность обхода водных объектов без вскрытия грунта.

Технология ГНБ (его еще называют бестраншейным бурением) получила широкое распространение во всем мире. Горизонтальное бурение используется для экономически выгодного и быстрого прокладывания трубопроводов и различных инженерных коммуникаций без нарушения природного ландшафта, минуя любые наземные преграды. Горизонтально направленное бурение уникально возможностью управления процессом, изменением при необходимости направления прокладки трубопроводов, огибанием действующих или покинутых коммуникаций и прочих препятствий.

Очевидными преимуществами ГНБ является скорость выполнения работ, возможность прокладывания труб при сохранении ландшафта, преодоления сложных гидрогеологических условий, а также высокая степень точности. Точность метода ГНБ обеспечивается работой локационной системы установки ГНБ. Приемно-передающая локационная система предназначена для определения координат местонахождения буровой54 лопатки и состоит из первичного преобразователя-передатчика, расположенного в ложементе крепления буровой лопатки, переносного локатора с дисплеем и дублирующего информационного пульта на рабочем месте оператора машины для прокладки ГНБ. В процессе ГНБ оператор постоянно отслеживает положение буровой лопатки по трем координатам -- пройденному расстоянию, глубине нахождения инструмента и углу атаки. Все данные оперативно передаются на информационный пульт оператора направленного бурения.

Машина для направленного горизонтального бурения устанавливается на небольшом расстоянии от прокола ГНБ. Это расстояние определяется размером самой установки, углом входа бурового инструмента и составляет обычно от 1 до 6 м. Агрегат фиксируется на поверхности при помощи анкерного соединения. Первый этап бурения методом ГНБ -- прокладывание пилотной скважины (рис. 3). С этой целью намечается трасса и определяются участки под площадки с оборудованием и трубами для затягивания в буровой канал.

Перед ГНБ проколом производится калибровка звукового локатора, чтобы обеспечить возможность его от- слеживания на всей траектории прохождения.

Рисунок 3- Бурение пилотной скважины методом ГНБ

Помещенная в стартовом котловане установка ГНБ осуществляет на первом этапе бурение пилотной скважины. Вслед за буровой головкой на первой штанге в скважину поочередно подсоединяются одна за другой последующие буровые штанги, строение которых позволяет подавать буровой раствор в буровую головку для прохода грунтов различной сложности. Согласно заданным координатам, выход пилотной скважины осуществляется в заданной точке в конечном котловане.

По окончанию пилотного бурения буровая головка с буровым инструментом выходит на поверхность и заменяется на вращающийся риммер-расширитель, который протягивается через готовую скважину, расширяя канал. Поскольку диаметр нитки трубопровода согласно проектам имеет самый широкий диапазон, расширение пилотной скважины может осуществляться как единожды, так и в несколько заходов (рис. 4).

По достижению необходимого диаметра в подготовленное буровое отверстие затягивается труба (рис. 5). Прокладка методом ГНБ позволяет устанавливать как полиэтиленовые, так и стальные трубы.

Диапазон применения техники горизонтально направленного бурения постоянно расширяется. Интересен такой аспект применения техники ГНБ, как прокладка новых труб внутри уже существующей нитки трубопровода.



Рисунок 4- Расширение пилотной скважины до проектного диаметра

Рисунок 5- Протягивание трубопровода в скважину

Исходя из задач и масштаба проекта, осуществляется выбор установки ГНБ для производства работ. На сегодняшний день линей- ка буровых установок начинается от машин с силой протяжки 8 т и заканчивается 600-тонными макси-установками. К достоинствам ГНБ можно отнести оперативность, экономичность, обхождение наземных искусственных и естественных препятствий, быструю окупаемость. Горизонтально направленное бурение, таким образом, является на сегодняшний день самым рациональным решением проблем, связанных с прокладыванием подземных трубопроводов.

Простейшей формой является так называемая однотрубная конструкция. Она представляет собой изготовленную из прочной стали или пластмассы трубу, несущую (или воспринимающую) рабочую нагрузку (внутреннее и внешнее давления, изгибающие моменты, растяжение, сжатие). Труба защищается различными покрытиями от коррозии и внешних силовых воздействий. На рис. 6 показана конструкция такой трубы, защищенной антикоррозийной изоляцией 1, защитным покрытием 2 и утяжелителями 3.

Рисунок 6-Однотрубные конструкции: а -- изолированная; б -- утяжеленная груза- ми; в -- со сплошным бетонированием: 1 -- изоляция; 2 -- защитное покрытие; 3 -- утяжелители

4. Испытание подводного трубопровода

Испытания подводных трубопроводов давлением следует производить после полной готовности участка или всего трубопровода (полной засыпки, установки арматуры, приборов и протекторов и т.п.), очистки и контроля его полости с применением поршней, оснащенных приборами контроля, а также представления Регистру необходимой документации.

Испытания трубопроводов давлением проводятся в два последовательных этапа: испытание на прочность и проверка на герметичность. Испытание на прочность и проверку на герметичность следует проводить гидравлическим способом, для газопроводов допускается проводить проверку на герметичность пневматическим способом.

Гидравлическое испытание трубопроводов водой при отрицательной температуре воздуха и/или воды допускается при условии предохранения трубопровода, арматуры и приборов от замораживания. Проведение испытаний давлением допускается только при действующей линии технологической связи.

Испытания под давлением должны быть описаны в программе или технологической документации, которые подлежат одобрению Регистра до испытаний. Документация должна содержать следующее.

инструкции по эксплуатации, включающие:

заполнение трубопровода испытательной средой;

метод и скорость создания избыточного давления;

оборудование/части оборудования, которые необходимо изолировать на период выдержки;

метод и скорость снятия давления;

обезвоживание и удаление испытательной среды;

осушку трубопровода изнутри, если необходимо;

противоаварийные меры и меры безопасности;

Оборудование и системы:

описание участка трубопровода, подлежащего испытаниям (размеры, клапаны, насосы и т.д.);

описание испытательной среды, включающее возможность использования химических добавок;

технические условия на измерительную аппаратуру и приборы (температура, давление, расход), включая их расположение и соединение;

описание проверок и маркировки;

распределение приборов измерения температуры вдоль трубопровода;

Расчеты:

влияния температуры и других внешних условий на давление, включая оценку чувствительности температуры испытательной среды к изменениям температуры морской воды;

теоретической диаграммы "давление-объем".

Меры безопасности.

Место проведения испытаний должно быть обозначено предупредительными знаками, чтобы предотвратить несанкционированный доступ персонала во время проведения испытаний на герметичность.

Испытания на прочность.

Испытание трубопроводов давлением на прочность проводится для проверки возможности работы трубопровода при рабочем давлении с определенным запасом. Минимальное давление при гидростатических испытаниях на прочность должно быть в 1,25 раза больше рабочего давления.

При гидростатических испытаниях на прочность суммарные напряжения в трубе не должны превышать 0,95 от предела текучести металла труб.

Скорость подъема/сброса давления в трубопроводе при испытании должна быть не более 0,1 МПа/мин, при достижении величины давления, равной 0,9 испытательного давления, скорость подъема/сброса давления должна быть снижена до 0,01 МПа/мин.

Время выдержки трубопровода под испытательным давлением (без учета времени нагнетания и/или сброса давления, а также выдержки для выравнивания температуры и давления) должно составлять не менее 12 ч.

Трубопровод считается выдержавшим испытание на прочность, если за период испытания падение давления составляет не более 1 % при непрерывном мониторинге величины давления и температуры или их дискретных замерах через каждые 15 мин.

Испытания на герметичность.

Испытания на герметичность подводного трубопровода проводятся после испытания на прочность путем снижения испытательного давления до величины, превышающей рабочее давление в 1,10 раз. Продолжительность проведения испытаний на герметичность определяется временем, необходимым для осмотра всей трассы трубопровода или испытываемого участка, продолжительность испытаний должна быть не менее 12 ч без учета времени нагнетания и/или сброса давления, а также выдержки для выравнивания температуры и давления.

Трубопровод считается выдержавшим испытание на герметичность, если за период испытания не обнаружены утечки, а изменение давления составляет не более ± 0,2 % при непрерывном мониторинге величины давления и температуры или их дискретных замерах через каждые 15 мин. При колебаниях температуры окружающей среды и уровня моря во время испытаний допускается изменение давления в трубопроводе до ± 0,4 %.

Испытательная среда.

Испытательной средой обычно является профильтрованная пресная вода или профильтрованная морская вода, которые могут подвергнуться химической обработке для предотвращения внутренней коррозии трубопровода.

Заполнение трубопровода и создание избыточного давления.

Во время заполнения испытываемого участка необходимо принять меры предосторожности, чтобы ограничить наличие воздушных пузырей до величины менее 0,2 % общего объема заполнения.

При всех способах испытания на прочность и герметичность для измерения давления должны применяться поверенные дистанционные приборы или манометры с пределом измерения, равным 1,25 испытательного давления, и классом точности не ниже 1.

Замеры воздушных пузырей на испытываемом участке выполняются во время первоначального создания избыточного давления. Это может быть сделано по диаграмме "давление - объем", основанной на величинах давления и объема, измеренных в процессе повышения давления.

Консервация испытываемого участка.

Для предотвращения внутренней коррозии необходимо произвести консервацию испытываемого участка после испытаний под давлением. Для этих целей можно использовать инертный газ или ингибированную воду.

Обезвоживание и сушка.

Для сброса ингибированной испытательной воды необходимо разрешение от национальных органов надзора, т.к. это может вызвать угрозу для окружающей среды. Если требуется осушка для предотвращения внутренней коррозии или образования гидратов, то подробное описание процедуры должно быть представлено в Регистр для одобрения.

5. Расчет толщины стенки трубопровода

Методика определения толщины стенки труб магистрального трубопровода, основана на принципе предельных состояний.

За предельное состояние, при котором трубопровод перестает удовлетворять предъявляемым к нему требованиям, принимается состояние разрушения. Поэтому расчетное сопротивление определяется, исходя из временного сопротивления материала труб.

Данные курсовой работы:

D_н = 720 мм;

Р_в = 6,1 МПа.

Выберем трубы стальные электросварные прямошовные диаметром 720-1020 мм. Для стенки трубы выбираем материал - сталь ТУ 14-3Р-04-94 марки 12ГСБ (Челябинский трубный завод) со следующими характеристиками: временное сопротивление разрыву _в=510 МПа, предел текучести _т=350 МПа, коэффициент надежности по металлу трубы к₁=1,4.

1) При отсутствии продольных осевых сжимающих напряжений толщина стенки определяется по формуле:

(1)



где n_p- коэффициент надежности по нагрузке от внутреннего давления, определим n_p = 1,15;

р - внутреннее давление в трубопроводе, МПа;

D_н- наружный диаметр трубопровода, мм;

R₁ - расчетное сопротивление материала трубы, МПа.

R₁ рассчитаем по формуле:

(2)

где

нормативное сопротивление материала, зависящее от марки стали, и в расчетах принимаем =_в=510 МПа;

m - коэффициент условий работы трубопровода, согласно для второй категории трубопроводов m=0,75;

к₁ - коэффициент надежности по металлу, для данной марки стали к₁=1,4;

к_н - коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с условным диаметром 700 мм и внутренним давлением от 5,5 до 6,4МПа к_н=1;

МПа;

Тогда расчетная номинальная толщина стенки равна:

мм;

Принимаем д=10 мм.

2) При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять по формуле:



(3)

где ₁ - коэффициент двухосного напряженного состояния металла труб и определяемый по формуле:

(4)

где -продольное осевое сжимающее напряжение, МПа, определяемое от расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы металла труб в зависимости от принятых конструктивных решений.

(5)

где _t - коэффициент линейного расширения металла, _t=1,210^-5 1/⁰С;

Е - модуль Юнга, Е=2,0610⁵ МПа;

t - расчетный перепад температур;

- коэффициент Пуассона, =0,3;

D_ВН - внутренний диаметр трубопровода.

мм;

Предельно допускаемый перепад температур вычислим по формулам:

Положительный



⁰С;

Отрицательный

⁰С.

Для дальнейшего расчета принимаем большее из значений.

Найдем значение _пр.N - при д = 10 мм:

МПа;

Рассчитаем значение коэффициента двухосного напряженного состояния для _{пр N(+)}<0 (при _{пр N(-)}>0 ₁=1 и этот случай уже рассчитан):

Тогда при наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки будет равна:

мм.

Окончательно принимаем толщину стенки д = 15 мм.

Проверка толщины стенки трубопровода

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы проверяют на прочность и деформацию в продольном направлении

Проверка на прочность трубопровода в продольном направлении

Проверку на прочность подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов в продольном направлении следует производить из условия

(6)



где _пр.N - продольное осевое напряжение от расчетных нагрузок и воздействий, МПа, определяемое согласно (6)

ш₂ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных напряжениях (_пр.N 0) принимаемый равным единице, при сжимающих (_пр.N < 0) определяемый по формуле

(7)

_кц - кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления, МПа, определяемые по формуле:

(8)

МПа;

Тогда:

Как видно из последних неравенств условия проверки трубопровода на прочность в продольном направлении выполняются.



6. Проверка недопустимых пластических деформаций трубопровода

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов проверку необходимо производить по двум условиям:

(9)

(10)

где - максимальные (фибровые) суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий, определяемые согласно (10)

₃ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб; при растягивающих продольных напряжениях принимаемый равным единице, при сжимающих - определяемый по формуле:

(11)

где m - коэффициент условий работы трубопровода, согласно второй категории трубопроводов m=0,75;

к_н - коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с условным диаметром 720 мм и внутренним давлением от 5,5 до 6,4 МПа к_н=1;

нормативное сопротивление материала, зависящее от марки стали, в расчетах принимается =_т=350 МПа;

- кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давления.

Проверим выполнение условия (9):

условие выполняется.

Теперь проверим выполнение второго условия, для этого найдем ш₃:

Определим максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе по формуле:

(12)

где с- минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода,

Тогда максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе для:

положительного перепада температур:

;

;

отрицательного перепада температур:

;

.

Проверим выполнения условия (10):

условие выполняется.

7. Расчет устойчивости трубопровода на водном переходе

Уравнение устойчивости подводного трубопровода согласно СНиП 2.05.06-85* имеет следующий вид

(13)

где n_б - коэффициент надежности по материалу балластировки, n_б=0,9 для железобетонных пригрузов;

к_н.в - коэффициент надежности против всплытия, к_н.в=1,1 для русловых участков переходов при ширине реки до 200 м;

q_изг - расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода соответственно рельефу дна траншеи.

q_в-расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод;

q_верт - величина пригруза, необходимая для компенсации вертикальной составляющей Р_у воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода,

q_верт = Р_у;

q_г - величина пригруза, необходимая для компенсации горизонтальной Р_х составляющей воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода, q_г=Р_х /к;

к - коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях, к=0,45;

q_доп-нагрузка от веса перекачиваемого продукта, q_доп=0 т.к. рассчитывается крайний случай - трубопровод без продукта;

q_тр - расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода;

Расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод

(14)

где

D_н.ф. - наружный диаметр футерованного трубопровода.

На подводном переходе применяется двойная изоляция, т.е. два слоя изоляционной ленты и два слоя обертки.

Для изоляции трубопровода выбираем изоляционную ленту "Поликен" толщиной д_и.л.=0,635 мм, плотностью с_и.л.=1046 кг/м³ и обертку "Поликен" толщиной д_об.=0,635 мм, плотностью с_об.=1028 кг/м³ .

мм.

Н/м.

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока

(15)

С_х-гидродинамический коэффициент лобового сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и характера внешней поверхности трубопровода.

(16)

где V_ср - средняя скорость течения реки, V_ср=0,4 м/с;

н_в - вязкость воды,н_в =10^-6 м²/с.

Для офутерованного трубопровода и 10⁵<Re<10⁷ коэффициент С_х=1,0.

Н/м

Вертикальная составляющая гидродинамического воздействия потока

(17)

С_у - коэффициент подъемной силы, С_у=0,59.

Н/м

Расчетную нагрузку от собственного веса трубопровода рассчитаем по следующей формуле

q_тр = n_св (q_м^н + q_из^н+q_фут^н₎ (18)

где n_св - коэффициент надежности по нагрузкам от действия собственного веса, n_св=0,95;

q_м^н - нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы;

q_из^н -нормативная нагрузка от собственного веса изоляции;

q_фут^н - нормативная нагрузка от собственного веса футеровки.

Нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы



(19)

_м - удельный вес металла, из которого изготовлены трубы, для стали _м=78500 Н/м³

D_Н - наружный диаметр трубопровода, м;

D_ВН - внутренний диаметр трубопровода, м;

Н/м

Нормативная нагрузка от собственного веса изоляции

(20)

q_и.л.^н - нормативная нагрузка от собственного веса изоляционной ленты;q_об^н - нормативная нагрузка от собственного веса обертки.

q_и.л.^н =к_изD_Нg_и.л.и.л. (21)

q_об^н =к_изD_Нg_обоб (22)

к_из - коэффициент, учитывающий величину нахлеста, при двухслойной изоляции (обертки), к_из=2,3.

q_и.л.^н =2,33,140,729,810,63510^-31046=33,88 Н/м;

q_об^н =2,33,140,729,810,63510^-31028=33,29 Н/м.

Тогда:

Н/м

Нормативная нагрузка от собственного веса футеровки

(23)



где _фут - плотность деревянной футеровки;

D_н.ф - наружный диаметр офутерованного трубопровода;

D_н.и - наружный диаметр изолированного трубопровода;

D_н.и=D_Н+4_и.п+4_об=720+40,635+40,635=0,725 м.

Н/м.

В результате расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода будет равна:

q_тр = 0,95•(1373,8+67,17+492,54)=1836,83 Н/м.

Теперь определим дополнительную выталкивающую силу за счет изгиба трубопровода

(24)

где - угол поворота оси трубопровода,

J- осевой момент инерции поперечного сечения трубы

(25)

м⁴

Н/м

Таким образом, величина пригрузки трубопровода в воде, равна:

Н/м

Определим расстояние между пригрузами и их число.

Для балластировки трубопровода выбираем железобетонные кольцевые пригрузы, марка 2-УТК 720-24 массой 1380 кг, объемом 0,6 м³ , толщина груза =0,175 м, ширина груза 0,55 м, наружный диаметр =1,15м.

Расстояние между пригрузами

(26)

где m_г - масса груза;

м.

Число пригрузов

Принимаем количество пригрузов N_г=102 шт.

Расчет тягового усилия, подбор троса и тягового механизма

Расчет тягового усилия ведем из условия

(27)

где Т_р - расчетное тяговое усилие;

m_тяг - коэффициент условий работы тягового устройства, m_тяг=1,1 при протаскивании лебедкой;

Т_пр - предельное сопротивление трубопровода на сдвиг.

Расчет предельного сопротивления трубопровода на сдвиг можно разбить на три этапа.

Первый этап расчета предельного сопротивления трубопровода

Трогание трубопровода с места на берегу.

Усилие протаскивания определим по формуле:

T_пр=G f + C + E_пас (28)

где G - вес полностью снаряженного трубопровода единичной длины в воздухе (металл трубы, изоляция, футеровка, балластировка);

f - коэффициент трения трубопровода о грунт при продольных перемещениях, который можно в первом приближении принять равным тангенсу угла внутреннего трения грунта, для песка tg _гр=0,65;

С - сопротивление трубопровода сдвигу, обусловленное сцеплением грунта; Е_пас - пассивный отпор грунта.

G=L (q_тр + q_бал^н + q_фут) (29)

Рассчитаем нормативный вес балластировки в воздухе

(30)

с_б - плотность материала пригрузки (бетон), с_б=2300 кг/м³;

Н/м

Вес единицы длины трубопровода в воздухе

G= 60( 1836,83 +8360,21)= 611822 Н

Теперь определим сопротивление трубопровода сдвигу по формуле

С=Lc_грi_тр, (31)



c_гр - сцепление грунта, для песка c_гр=3 кПа;

i_тр - длина части окружности трубы, врезавшейся в грунт,

i_тр= 0,3D_н.ф = 0,30,77 = 0,231 м.

С = 20030000,231 = 138600 Н.

Пассивный отпор грунта врезающимися в него неровностями на поверхности трубы:

(32)

где N_г - число выступающих элементов на поверхности трубы

i_г - длина хорды той части пригруза, которая погружена в грунт;

с_гр - плотность грунта с_гр = 1630 кг/м³;

t_г - толщина пригруза =0,175 м;

_гр - угол внутреннего трения грунта, для суглинка принимаем _гр=33⁰

(33)

D_н.г - наружный диаметр груза, D_н.г=1,15 м.

м

Усилие протаскивания

Т_пр=611822 0,65+138600+99320,43=635604,73 Н=635,6 кН

Второй этап расчета предельного сопротивления трубопровода

а) по берегу:

Т_пр=Gf (34)

Т_пр=611822 0,65= 397684 Н

Третий этап расчета предельного сопротивления трубопровода

б) в воде по дну траншеи:

Т_пр=G_в f_в (35)

где f_в - коэффициент трения трубопровода о грунт в воде, ориентировочно

f_в=0,8tg _гр=0,8tg 33⁰=0,52;

q_iв - вес единицы длины протаскиваемого трубопровода в воде.

G_в=L(q_тр +q_бал.в-q_в) (36)

G_в=200(1836,83+8360,21 - 5022,41) = 1034926 Н

Т_пр= 1034926 0,53 =548510,78 Н

Четвертый этап расчета предельного сопротивления трубопровода

Третья стадия - трогание трубопровода с места, после вынужденной (более одного часа) остановки протаскивания.

Определяем усилие протаскивания при балластировке одиночными грузами:

Т_пр= G_в f_в +Е_пас.в+q_псS_пс (37)



где Е_пас.в - пассивный отпор грунта в воде;

q_пс - интенсивность "присоса" трубопровода ко дну подводной траншеи, в суглинках q_пс=0,3 кН/м²;

S_пс - площадь поверхности контакта трубопровода и пригрузов с грунтом.

(38)

где с_гр.в - сцепление грунта в воде, для футерованного трубопровода.

с_гр.в=0,1 с_гр=0,13= 0,3 кПа

S_пс=i_трL=0,231 200=46,2 м²

Т_пр=1034926 0,52+14257,76+300 46,2 = 566279,2 Н = 566,2 кН.

Наибольшее предельное сопротивление трубопровода на сдвиг наблюдается при трогании с места на берегу, поэтому для определения расчетного тягового усилия будем использовать Т_пр= 635,6 кН.

Определим расчетное тяговое усилие Т_р

Т_р?m_тягn•Т_пр (39)

где m_тяг - коэффициент условий работы при протаскивании лебедкой, m_тяг =1,1.

n - коэффициент неоднородности свойств грунта, n = 1,25

Т_р=1,1635,6•1,25 = 869,82 кН

Данное тяговое усилие обеспечивает лебёдка ЛП - 1А с тяговым усилием 720 кН. Диаметр троса лебедки 43мм. Проверим трос на разрыв. Условие проверки

(40)

где m_т - коэффициент условий работы, m_т=1,1;

n_т - коэффициент надежности по нагрузке от тягового усилия, n_т=2;

k_од - коэффициент однородности троса, k_од=1 (трос новый)

t_т.с - коэффициент тросового соединения, t_т.с=0,7 (через крюк)

кН

Трос диаметром 43 мм данное тяговое усилие не обеспечивает.

Принимаем протаскивание через блок, усилие делится пополам.

Выбираем трос диаметром 60.5мм для которого R_тр=1895 кН.

R_пр= 2R_тр =21895=3790 кН >1885,4 кН

Условие выполняется.

Заключение

подводный трубопровод тяговый

В заключение по проведенной работе, можно сделать следующие выводы: для сооружения магистрального нефтепровода применяют трубы из стали марки 12ГСБ Челябинского трубного завода по ТУ 14-3Р-04-94, наружным диаметром 720 мм и толщиной стенок 15 мм. Трубопровод выбирается II категории. Проведена проверка на прочность и устойчивость нефтепровода на водном переходе. Для балластировки нефтепровода выбраны железобетонные кольцевые пригрузы, марка 2-УТК 720-24 массой 1380 кг, объемом 0,6 м³ , толщина груза =0,175 м, наружный диаметр =1,15м.

Рассчитано тяговое усилие по которому подобран тяговый механизм лебёдка ЛП - 151 с тяговым усилием 1500 кН. Диаметр троса лебедки 60,5 мм. Принято протаскивание через блок и проверен трос на разрыв.

В результате проделанной работы, была достигнута цель, был увеличен информационный объем знаний в изучаемой дисциплине. Был изучен и разобран расчет перехода трубопровода через водную преграду.

Список литературы

1.Быков Л.И. Типовые расчеты при сооружение и ремонте газонефтепроводов: Учебное пособие. -Санкт-Петербург: Недра,2006. - 824с.

2. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф. и др., Типовые расчеты при проектирование и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Учебное пособие для ВУЗов. - Уфа: "Дизайн-ПолиграфСервис", 2002. - 658с.

3.Исмагилова З.Ф., Бурмистрова Н.Н. Сооружение и ремонт подводных трубопроводов. Методические указания по проведению практических занятий и организации самостоятельной работы по дисциплине "Сооружение и ремонт подводных переходов" для бакалавров направления 131000 "Нефтегазовое дело" профиля "Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ" очной и заочной форм обучения. - Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2014.

4.ГОСТ 25100-95 Классификация грунтов.

5.СП 36.13330.2012 Актулизированная редакция СНиП 2.05.06-85 "Магистральные нефтепроводы".

Размещено на Allbest.ru`

...