Определение толщины стенки труб

Магистральные трубопроводы рассчитывают по методу предельных состояний. Под предельным понимается такое состояние конструкции, при котором ее дальнейшая нормальная эксплуатация невозможна.

Различают три предельных состояния:

первое предельное состояние - по несущей способности (прочности и устойчивости конструкций, усталости материала), при достижении которого конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает такие остаточные деформации, которые не допускают ее дальнейшую эксплуатацию;

второе предельное состояние - по развитию чрезмерных деформаций от статических и динамических нагрузок, при достижении которого в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются деформации или колебания, исключающие возможность дальнейшей эксплуатации;

третье предельное состояние - по образованию или раскрытию трещин, при достижении которого трещины в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются и раскрываются до такой величины, при которой дальнейшая эксплуатация конструкции становится невозможной.

Стальные заглубленные трубопроводы рассчитывают по первому предельному состоянию. Предельным состоянием для магистральных трубопроводов является достижение в металле труб напряжений, равных временному сопротивлению (пределу прочности).

Однако постоянная работа металла труб в области напряжений, превышающих предел текучести, также нежелательна, так как при этом происходит наклеп металла и трубы становятся хрупкими. Поэтому производится проверка на развитие чрезмерных пластических деформаций.

1.1 Чтобы не нарушалась прочность трубопровода, толщина стенки труб должна удовлетворять неравенству

d₁ ³ n · p · D [2·(n · p + R ₁)], м,

где n – коэффициент перегрузки, зависящий от назначения трубопровода (нефтепровод или газопровод) и от температуры вспышки перекачивающего продукта ([59], стр. 155);

p – рабочее избыточное давление в трубопроводе, МПа;

D – наружный диаметр трубопровода, м;

R ₁ – расчетное сопротивление металла трубы и сварных соединений, МПа.

Вариант

R ₁ = k ₁· m ₁· m ₂· R ₁^н, МПа,

где R ₁^н – нормативное сопротивление растяжению материала труб и сварных соединений, определяемое из условий работы на разрыв, МПа

R ₁^н = s_в, МПа,

где s_в– предел прочности материала труб, МПа ([59], стр. 152, табл. 12.1; [58], стр. 198, табл.11.1; [2], стр. 103, табл. 33; [21], стр. 145-148, табл. 20);

k ₁ – коэффициент однородности при разрыве, зависящий от марки стали ([59], стр. 154);

m ₁ – коэффициент условий работы материала при разрыве труб ([59], стр. 154);

m ₂ – коэффициент условий работы отдельных участков трубопровода, зависящий от

категории участка трубопровода, марки стали и типа труб ([59], стр. 155, табл.12.2).

Вариант

Значения расчетного сопротивления труб R ₁ можно взять из таблицы 12.2 стр. 155, [59] в зависимости от категории участка трубопровода, марки стали и типа труб.

Вариант

R ₁ = R ₁^н· m (K ₁· K _н), МПа,

где m – коэффициент условий работы трубопровода ([58], стр. 201);

K ₁ – коэффициент надежности по материалу, зависящий от типа труб и марки стали

([58], стр. 201);

K _н– коэффициент надежности по назначению, зависящий от назначения трубопровода

(газопровод или нефтепровод) ([58], стр. 202, табл. 11.2).

Полученное значение d₁ округляется до ближайшего большего по ГОСТ или ТУ ([2], стр. 27-29, табл. 9; [21], стр. 145-148, табл. 20 и др.).

1.2 Чтобы не было чрезмерных пластических деформаций, толщина стенки труб должна удовлетворять неравенству

d₂ ³ n · p · D [2·(n · p + 0,9· R ₂^н)], м,

где R ₂^н – нормативное сопротивление растяжению, сжатию и изгибу материала труб и сварных соединений, определяемое из условий достижения предела текучести, МПа

R ₂^н = s_т , МПа,

где s_т - предел текучести материала труб, МПа ([59], табл. 12.1; [58], стр. 198, табл. 11.1; [2], стр. 103, табл. 33; [21], стр. 145-148, табл.20).

Полученное значение d₂ округляется до ближайшего большего по ГОСТ или ТУ [2], стр. 27-29, табл. 9; [21], стр. 145, табл. 20 и др.).

В расчет принимается большее из значений d₁ и d₂ (обозначается в дальнейших расчетах d).

2 Определение напряжений в трубопроводе

Трубопровод, уложенный в грунт, находится под воздействием внешних сил. Эти силы вызывают сложные напряжения в теле трубы и стыковых соединениях.

Рис.10 Напряжения в теле трубы

В результате действия внутреннего давления в теле трубы возникают следующие главные нормальные напряжения: s _a - продольное, s_t - кольцевое, s_r - радиальное

2.1 Определяется радиальное напряжение, обусловленное внутренним давлением, равное ему по величине и противоположное по направлению

s_r = – p, МПа

2.2 Определяется по формуле Мариотта кольцевое напряжение, возникающее в трубе под действием внутреннего и внешнего давлений.

s_t = (p · d) (2·d), МПа,

где d – внутренний диаметр труб, м

d = D - 2·d, м

2.3 Определяется продольное напряжение, возникающее от внутреннего давления

s _ар = m· (p · d) (2·d), МПа,

где m – коэффициент Пуассона (коэффициент поперечного сужения при продольном растяжении) ([59], стр. 153).

2.4 Определяется по формуле Гука продольное напряжение, возникающее вследствие изменения температуры трубопровода

s _аt = a· E ·(T ₂ - Т ₁ ), МПа,

где a – коэффициент линейного расширения металла, град.^-1([59], стр.153; [58], стр.199);

Е – модуль упругости стали при растяжении, сжатии и изгибе трубы (модуль Юнга),МПа ([58], стр. 199; [59], стр. 153);

Т ₁ – наименьшая температура грунта на глубине укладки трубы, К;

Т ₂ – температура воздуха во время укладки трубопровода в траншею, К.

2.5 Определяются продольные напряжения, появляющиеся в трубе при ее холодном упругом изгибе, который является следствием неровностей рельефа

s_аrи = (Е·D) / (2·r_и), МПа,

где r_и – радиус изгиба трубы, м. В соответствии со СНиП III - 42.80 радиус изгиба трубы равен не менее 1000·D_у, где D_у – условный диаметр трубопровода.