Розрахунок стійкості підводного трубопроводу

Практична робота № 1

Стійкістю підводного трубопроводу називається його здатність залишатися на проектних відмітках при самому несприятливому поєднанні основних силових впливів – виштовхуюча сила води (сила Архімеда), горизонтальна і вертикальна складові силової гідродинамічної дії потоку води, сили пружності трубопроводу тощо.

Розрахункова виштовхуюча сила води, яка діє на трубопровід (з урахуванням ізоляції і футеровки)

, (1)

де – густина води ();

D_TP – діаметр трубопроводу з урахуванням ізоляції і футеровки

, (2)

де – товщина ізоляції трубопроводу = 4 мм;

– товщина футеровки =25 мм.

Горизонтальна складова гідродинамічної дії потоку води на одиницю довжини трубопроводу

, (3)

де – гідродинамічний коефіцієнт обтікання труби потоком води;

– середня швидкість течії води на рівні укладеного на дно підводної траншеї трубопроводу.

Зміна швидкості водного потоку і його напрямку наведена на рисунку 1. В формулі (3) можна з достатньою точністю прийняти рівним , значення якої залежить від величини нахилу відкосів траншеї , її ширини по дну і глибини . Орієнтовно значення можна розрахувати, прийнявши в якості швидкість , а донну швидкість ( – поверхнева швидкість води ()).

Рисунок 1 – Розподіл швидкостей водного потоку

Коефіцієнт визначається залежно від числа Рейнольдса

, (4)

де – кінематична в'язкість води, .

За експериментальними даними, при ; при для гладких труб і для оббетонованих або зафутерованих труб.

Горизонтальна складова діє на трубу, зсуваючи її в сторону від осі траншеї. Для протидії за рахунок додаткового навантаження створюється сила тертя

, (5)

де – коефіцієнт тертя труби до грунту при поперечних переміщеннях.

Звідки

. (6)

Значення коефіцієнта для трубопроводів покритих суцільною дерев’яною футеровкою наведені в таблиці 1. Прийняти значення для пісків крупних і гравелистих.

Таблиця 1 – Значення коефіцієнту тертя труби до грунту

Характеристика грунту
Скальні грунти	0,65
Піски крупні і гравелисті	0,55
Піски дрібні і супіски	0,45
Мулисті і суглинкові грунти	0,40

Вертикальна складова дії гідродинамічного потоку на одиницю довжини трубопроводу

, (7)

де – гідродинамічний коефіцієнт підіймальної сили. Коефіцієнт залежить від числа Рейнольдса (для гладких та футерованих труб = 0,55).

Вертикальна складова діє в тому ж напрямку, що і виштовхуюча сила води , і відповідно приймається з додатнім знаком.

Розрахункове навантаження, яке забезпечує пружний згин трубопроводу відповідно рельєфу дна траншеї:

- для випуклого рельєфу ділянок

; (8)

- для вгнутого рельєфу ділянок

, (9)

де – кут повороту осі трубопроводу в вертикальній площині на випуклому і вгнутому рельєфі місцевості ();

, – радіус кривизни рельєфу дна траншеї, який повинен бути більший або рівний мінімальному радіусу пружного згину осі трубопроводу з умови міцності.

Розрахувати обидва та прийняти максимальне.

Потрібна вага баласту у воді

, (10)

де – коефіцієнт надійності по навантаженню (для залізобетонних привантажувачів приймається рівним 0,9, для чавунних 1,0) (прийняти залізобетонні привантажувачі);

– коефіцієнт надійності стійкості трубопроводу проти спливання (приймається рівним 1,05);

– розрахункова вага одиниці довжини трубопроводу на повітрі з врахуванням ізоляції при коефіцієнті надійності по навантаженню (проводиться розрахунок стійкості);

– навантаження від ваги перекачуваного продукту. З урахуванням можливого випорожнення трубопроводу прийняти рівне нулю.

Вага баласту на повітрі

, (11)

де – густина матеріалу привантажувача (для залізобетонних привантажувачів ).

Стійкість трубопроводів на підводних переходах забезпечується баластуванням трубопроводів. На русловій ділянці підводних переходів в межах ділянки підводно-технічних робіт для баластування трубопроводів, які укладаються в траншею, застосовуються кільцеві привантажувачі виготовлені з чавуну, залізобетону типу УТК, які жорстко фіксуються на трубопроводі (рисунок 2). Технічні характеристики чавунних та залізобетонних привантажувачів наведені в таблиці 2 та таблиці 3 відповідно.

Кільцеві привантажувачі складаються з двох напівкілець, які охоплюють трубопровід і з'єднуються між собою болтами та гайками. Навішування і закріплення кільцевих привантажувачів проводяться на монтажному майданчику після покриття трубопроводу суцільною футерувальною рейкою. Спочатку на монтажному майданчику розкладаються нижні півкільця тоді на них укладається підготована ділянка трубопроводу тоді зверху установлюються верхні півкільця, які з'єднюють з нижніми півкільцями болтами.

Захист трубопроводу килимками з футерувальної рейки під привантажувачами застосовується в тих випадках, коли окремі привантажувачі, встановлені на трубопроводі розміщуються на великих віддалях один від одного.

Рисунок 2 – Чавунний кільцевий привантажувач

Таблиця 2 –Характеристики чавунних кільцевих привантажувачів

Зовнішній діаметр трубопроводу, мм	Маса приванта-жувача, кг	Розміри, мм
R1	R2	R3	А	М	d	l

Таблиця 3 – Характеристика залізобетонних кільцевих привантажувачів

Зовнішній діаметр трубопро-воду, мм	Марка привантажувача	Маса на повітрі, кг	Об’єм, м^3	Товщина, м	Ширина, м	Зовні-шній діаметр, м
0,53   0,72   0,82   1,02   1,22   1,42	УТК 530-12-1 УТК 530-12-2 УТК 720-18-1 УТК 720-18-2 УТК 820-18-1 УТК 820-18-2 УТК 1020-24-1 УТК 1020-24-2 УТК 1220-24-1 УТК 1220-24-2 УТК 1420-24-1 УТК 1420-24-2		0,178 0,28 0,46 0,68 0,88 1,00 1,38 1,76 1,96 2,46 2,48 3,58	0,07 0,105 0,120 0,165 0,165 0,165 0,200 0,195 0,240 0,210 0,285 0,665	1,2 1,2 1,8 1,8 1,8 1,8 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4	0,76 0,81 0,96 1,12 1,12 1,22 1,43 1,50 1,78 1,79 1,93 2,08

При баластуванні одиничними привантажувачами основними параметрами є віддалі між ними (точніше, між їхніми центрами) і кількість привантажувачів , потрібна для баластування даної ділянки.

Віддаль між одиничними привантажувачами

, (12)

де – маса одного привантажувача;

– об’єм одного привантажувача.

Кількість привантажувачів , потрібна для баластування ділянки трубопроводу довжиною

. (13)

При укладанні підводних трубопроводів потрібно проводити перевірку стійкості труби проти зминання під дією зовнішнього гідростатичного тиску води

, (14)

де – середній діаметр труби

; (15)

– глибина водойми ().

– глибина закладання трубопроводу до верхньої твірної ().

Приклад розрахунку

Стійкістю підводного трубопроводу є його здатність знаходитись на проектних відмітках при самому несприятливому поєднанні основних силових впливі – виштовхуюча Архімедова сила, горизонтальна і вертикальна складові гідродинамічної дії потоку, сили пружності трубопроводу тощо. Розрахунок стійкості підводного трубопроводу прокладеного на переході через водну перешкоду виконується за формулою

, (1)

де Б – необхідне привантаження;

К_М – коефіцієнт безпеки по матеріалу, для залізобетонних і чавунних привантажувачів приймається рівним 1,05;

К_{Н. В} – коефіцієнт надійності при розрахунку стійкості положення трубопроводу проти спливання, приймається рівним для водних перешкод з шириною дзеркала води в межень до 200 м і умовним діаметром трубопроводу менше 1000 мм – 1,1, для решту водних перешкод – 1,15;

q_тр – вага одного погонного метра заізольованої труби;

q_В – розрахункова виштовхувальна сила води, яка діє на трубопровід (з урахуванням ізоляції і футеровки)

, (4.41)

де – густина води ();

D_TP – діаметр трубопроводу з урахуванням ізоляції і футеровки

, (3)

де – товщина ізоляції трубопроводу = 0,65 мм;

– товщина футеровки =25 мм.

Б_Г – додаткове привантаження, необхідне для компенсації горизонтальної складової гідродинамічної дії потоку Р_х

, (4)

де f_тр – коефіцієнт тертя трубопроводу до грунту, для трубопроводу покритого суцільною дерев'яною футеровкою, приймається залежно від характеристики грунту (для дрібних пісків і супісків f_тр =0,45);

– середня швидкість потоку, що набігає на трубу, =0,7 ;

– прискорення вільного падіння;

с_х – коефіцієнт лобового опору, залежить від числа Рейнольдса, яке рівне

, (5)

де – кінематичний коефіцієнт в'язкості води при 20°С (),

при с_х = 1,2;

при с_х = 1;

Б_В – додаткове привантаження, необхідне для компенсації вертикальної складової гідродинамічної дії потоку

, (6)

де с_y – коефіцієнт підіймальної сили при несиметричному обтіканні труби, с_y= 0,55;

Б_ЗГ – додаткове привантаження, необхідне для вигину трубопроводу по заданій кривій дна траншеї;

Б_П.С – додаткове привантаження, необхідне для запобігання підйому трубопроводу на криволінійних ділянках у вертикальній площині під дією подовжніх зусиль.

Сумарна величина Б_ЗГ + Б_П.С знаходиться за наступною залежністю

, (7)

де l_кр, f – відповідно протяжність і стрілка прогину криволінійної ділянки, беруться на основі даних фактичного профілю переходу (l_кр =150 м; f=2 м);

І – момент інерції поперечного перерізу труби;

– модуль пружності матеріалу труби =2,06 10⁵ МПа;

Т_пр – розрахункове тягове зусилля при протягуванні трубопроводу.

Т_пр= , (8)

де – коефіцієнт умов роботи тягових засобів (у разі протягування лебідкою =1,1)

– граничний опір трубопроводу на зсув.

У разі протягування трубопроводу по ґрунтовій доріжці найбільше значення величина досягає на першому етапі протягування – зрушення трубопроводу з місця. У цьому випадку

, (9)

де – коефіцієнт тертя трубопроводу по грунту при повздовжньому переміщенні

, (10)

де – кут внутрішнього тертя грунту =18^о;

– загальна вага зафутерованого трубопроводу

, (11)

де – довжина трубопроводу, що протягується ( =180 м);

– розрахункове навантаження на трубопровід від ваги футеровки

, (12)

де – коефіцієнт надійності по власній вазі (при розрахунку на стійкість =0,95);

– питома вага футеровки ( =7600 );

С – зчеплення трубопроводу з грунтом

, (13)

де – коефіцієнт зчеплення грунту ( =12000 Па);

– довжина частини кола труби, яка врізається в грунт

. (14)

Розрахунок

, (2.16)

де D_TP - діаметр трубопроводу з урахуванням ізоляції і футеровки

, (2.17)

де - товщина ізоляції трубопроводу;

- товщина футеровки.

Б_г - додаткове привантаження, необхідне для компенсації горизонтальної складової гідродинамічної дії потоку Р_х

, (2.18)

де f_тр - коефіцієнт тертя трубопроводу до грунту, для трубопроводу покритого суцільною дерев'яною футеровкою, приймається залежно від характеристики грунту (для дрібних пісків і супісків f_тр =0,45);

с_х - коефіцієнт лобового опору, залежить від числа Рейнольдса, яке рівне

, (2.19)

де - середня швидкість потоку, що набігає на трубу;

- кінематичний коефіцієнт в'язкості води при 20°С,

при , як в нашому випадку, с_х =1;

Б_в - додаткове привантаження, необхідне для компенсації вертикальної складової гідродинамічної дії потоку

, (2.20)

де с_х - коефіцієнт підіймальної сили при несиметричному обтіканні труби, с_х= 0,55;

Б_ЗГ - додаткове привантаження, необхідне для вигину трубопроводу по заданій кривій дна траншеї;

Б_П.С - додаткове привантаження, необхідне для запобігання підйому трубопроводу на криволінійних ділянках у вертикальній площині під дією подовжніх зусиль.

Сумарну величину Б_ЗГ + Б_П.С можна знайти за наступною залежністю [4]

(2.21)

де Т_пр - зусилля протягування (приймається згідно (6.1)) трубопроводу;

І – момент інерції поперечного перерізу трубопроводу;

, (2.22)

l_кр, f - відповідно протяжність і стрілка прогину криволінійної ділянки, беруться на основі даних фактичного профілю переходу;

q_тр - вага одного погонного метра труби

, (2.23)

де - коефіцієнт перевантаження по власній вазі труби;

- об'ємна вага матеріалу труби.

За формулою (2.15) для найбільш несприятливого випадку – незаповненого продуктом трубопроводу () необхідне привантаження складе

Блок-схема і програма розрахуноку стійкості підводного газопроводу наведені в додатку Б.

Дата добавления: 2015-06-27