Устойчивость подземного стеклопластикового нефтепровода при воздействии грунтов с различными физико-механическими свойствами

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Устойчивость подземного стеклопластикового нефтепровода при воздействии грунтов с различными физико-механическими свойствами

Джунисбеков Т.М.

Шевцов А.Н.

Аннотация

Предложена методика нахождения критической нагрузки стеклопластикового трубопровода. Показано влияние на критическую нагрузку свойств грунта.

Ж?нісбеков Т.М., Шевцов А.Н. ?рт?рлі физико-механикалы? ?асиеттері бар топыра? негізіні? жерасты шыны пластикалы? м?най ??бырыны? орны?тылы?ына ?сері

Шыны пластикалы? ??бырды? ауыту к?шін аны?тау ?дісі ?сыныл?ан. Ауыт?у к?шіне топырыкты? ?ртурлі ?асиеттеріні? ?серлері к?рсетілген. Сурет 4, кесте 4, библиогр. 10 аттары.

Junisbekov T.M., Shevcov A.N. Stability underground glasses of a plastic of an oil pipeline at influence ground with various physics-mechanical properties

Ведущим мировым поставщиком стеклопластиковых труб является группа компаний Amiantit, в Казахстане ее представителем является ТОО "Амитех Астана"[1]. Трубы изготавливаются методом непрерывной спиральной намотки, не подвержены коррозии и обладают устойчивостью к кислотной среде, имеют легкий вес и производятся в широком ассортименте. Трубы производятся с номинальными диаметрами в диапазоне от 300 до 3000мм, длинной 6, 12, 18м, и с минимальной удельной начальной жесткостью 5000 Н/м², 10000 Н/м² и рабочим давлением 6, 10, 16, 20, 25, 32 атм. Хотя производителем заявлена максимальная глубина заложения подземных труб - до 24м, определенный интерес все же представляет - исследовать потерю устойчивости таких труб в поперечном направлении при большом диаметре и высоком давлении в зависимости от материала грунта засыпки. В [1-3] произведены расчеты подземных трубопроводов из стеклопластиков по определению напряженно деформированного состояния под воздействием эксплуатационных факторов. Однако вопросы устойчивости труб по сечению из стеклопластиков уделено не достаточное внимание

Под влиянием внешнего давления грунта и внутреннего давления нефти возникают сжимающие силы, которые воздействуют на стенку трубы. При достижении критических значений нагрузки, они могут вызвать повреждения в виде бокового выпучивания трубы (Рис.1).

Рис. 1. Выпучивание трубопровода

На процесс появления бокового выпучивания трубы, существенное влияние оказывают физико-механические свойства грунта, материал трубы, геометрические параметры и режимы работы трубопровода. В данной работе рассматривается устойчивость подземного стеклопластикового трубопровода при воздействии грунтов с различными физико-механическими свойствами.

Постановка задачи

В качестве перекачиваемого сырья примем нефть, при номинальном давлении PN 20 (bar), диаметре трубопровода 1400мм, толщине стенки 17,8мм [4], глубине заложения 1,5м. Грунт обратной засыпки (Рис. 2) будет создавать неравномерное давление на внешнюю поверхность трубопровода:

,

где - вертикальное давление грунта ,

- удельная масса грунта засыпки ().

Рис. 2. Давление грунта

Таблица 1

Значения плотности и удельной массы для разных категорий грунта [5].

Таблица 2

Разновидности грунтов по ГОСТ 25100-95 [6]

Плотность нефти согласно [7] при расчетах будем принимать равным 825 кг/м³.

В качестве основных определяющих соотношений принята система дифференциальных уравнений устойчивости ортотропной трубы в виде [8]

(1)

где

где - функция докритических усилий,

- характеристики материала трубы,

- радиус и толщина оболочки соответственно,

- коэффициенты согласно [8].

Исключая из (1) функцию , приходим к следующему уравнению [9]

Нагрузку определим при разложении в ряд:

Далее считая докритическое состояние оболочки безмоментным, имеем следующие выражения для докритических усилий

устойчивость стеклопластиковый нефтепровод грунт нагрузка

Систему (1) будем решать методом Бубнова-Галеркина. Выражение для прогиба примем в виде двойного ряда

Подставляя в (1) найдем функцию усилий

Применяя процедуру метода Бубнова-Галеркина получим систему

полученная система будет иметь решение, только в том случае, если ее определитель равен нулю

где

Ограничив расчеты системами уравнений пятого порядка, будем искать критическое значение нагрузки для труб с жесткостью SN=5000 Н/м² и SN=10000 Н/м² производимых заводами в Астане и Актау. Трубы производятся длинами по 6, 12 и 18 метров, и соединяются муфтами. Трубопровод можно рассматривать как набор из отдельных труб и сделать расчет для отдельного участка (трубы). В расчетах плотность грунта обратной засыпки принималась в пределах от 500 кг/м³ до 2500 кг/м³ , шаг изменения плотности равен 20 кг/м³ . Некоторые данные приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Критическая нагрузка для труб диаметром D=1400 мм, жесткостью SN=5000 Н/м², находящихся под давлением в 20 атм.

Таблица 4

Критическая нагрузка для труб диаметром D = 1400 мм, жесткостью SN=10000 Н/м², находящихся под давлением в 20 атм.

Рис. 3. График распределения критической нагрузки в зависимости от плотности грунта засыпки, для труб длинной 6, 12 и 18 м, D = 1,4 м, SN = 5 кН/м²

Результаты расчетов представлены на рис. 3,4, как зависимость критической нагрузки от плотности грунта, для различных значений и . Чем тяжелее грунт - тем при меньшей нагрузке труба будет терять устойчивость. При плотности грунта 1700 кг/м³ , прокладке трубы на глубине 1,5 м и внутреннем давлении 2МПа критическая нагрузка будет равна 213.7 кПа (для расчетной длины 12м) и 279.6 кПа, соответственно для труб с жесткостью 5 кН/м² и 10 кН/м². Увеличении длины труб от 10 м и выше мало влияет устойчивость трубы в поперечном направлении, в продольном же направлении труба изгибается по одной полуволне.

Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Амплитуда неоднородного по окружности критического давления при внутреннем давлении в 20 атм. уже при глубине прокладки в 1.5 м находится в пределах 1-3 атм., и при увеличении глубины устойчивость стеклопластиковой трубы диаметром 1.4 м представляется весьма сомнительной.

Рис.4. График распределения критической нагрузки в зависимости от плотности грунта засыпки, для труб длинной 6, 12 и 18 м, D = 1,4 м, SN = 10 кН/м²

Литература

1. Андрющенко О.В., Джунисбеков Т.М. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния подземного нефтепровода при воздействии жидких сред и температуры. / Алматы: Гылым, 2007. -192с.

2. Нарусберг В.Л., Тетерс Г.А. Устойчивость и оптимизация оболочек из композитов. - Рига: Зинатне, 1988.-299с.

3. Белозеров Л.Г., Киреев В.А. Композитные оболочки при силовых и тепловых воздействиях. - М.: Издательство физико-математической литературы, 2003.-388с.

4. Трубопроводные системы Flowtite производства ТОО "Амитех Астана", 2009

5. Справочник строителя. Машины для земляных работ. Взаимодействие рабочих органов машин с грунтом.

6. СП 11-114-2004. «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений» / Госстрой России. - М.: Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ФГУП «ПНИИИС») Госстроя России, 2004.

7. ГОСТ 8.610-2004. Плотность нефти (Таблицы перерасчета).

8. Шевцов А.Н. Расчет на устойчивость подземного трубопровода при неоднородном внутреннем давлении. Материалы международной научно- практической конференции «Экономическое, социальное и культурное развитие Зап.Казахстана: история и современность», Уральск, 2008.

9. Джунисбеков Т.М., Андрющенко О.В., Шевцов А.Н. Расчет на устойчивость цилиндрической трубы из ортотропного материала при переменной внешней нагрузке. - Механика и моделирование процессов и технологии. 2007, №2, с.248-252.

Размещено на allbest.ru