Расчет толщины стенки трубопровода. Проверка толщины стенки на прочность и деформацию. Расчет устойчивости трубопровода на водном переходе. Расчет тягового усилия, подбор троса и тягового механизма

2 Расчет толщины стенки трубопровода

Выбираем трубу производства Волжского трубного завода, изготовленную по ТУ-14-3-1976-99 со следующими характеристиками: марка стали К56, временное сопротивление разрыву s_в=550 МПа, предел текучести s_т=441 МПа, коэффициент надежности по металлу трубы к₁=1,4 [3].

В общем случае толщину стенки трубопровода d согласно                          СНиП 2.05.06-85*[1] можно определить следующим образом

,

где y₁ – коэффициент двухосного напряженного состояния металла труб;

n_р – коэффициент надежности по нагрузке от внутреннего давления, n_р=1,1 (для нефтепроводов и нефтепродуктопроводов диаметром менее 700 мм)  [1];

р – внутреннее давление в трубопроводе;

D_н – наружный диаметр трубопровода;

R₁ – расчетное сопротивление материала и его можно рассчитать по формуле:

,

где - нормативное сопротивление материала, зависящее от марки стали, и в     расчетах принимается =s_в;

m – коэффициент условий работы трубопровода, для первой категории           трубопроводов m=0,75  [1];

к₁ – коэффициент надежности по металлу, для данной марки стали к₁=1,4  [3];

к_н – коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с условным диаметром 500 мм к_н=1  [1].

 МПа.

При растягивающих продольных осевых напряжениях s_прN>0                           коэффициент y₁=1.

При s_{пр N}<0 y₁ определяется по формуле

.

Поскольку растягивающие продольные осевые напряжения в трубе              действуют всегда, а сжимающие не во вех случаях, то первоначально принимаем y₁=1.

Рассчитаем предварительную толщину стенки

Уточняем полученное значение по ГОСТ и принимаем δ=7 мм  [2].

Продольные осевые напряжения рассчитаем по формуле

,

где Dt – расчетный перепад температур;

m - коэффициент Пуассона, m=0,3  [2];

a_t – коэффициент линейного расширения металла, a_t=1,2×10^-5 1/⁰С [2];

      Е – модуль Юнга, Е=2,06×10⁵ МПа  [2];

      n_t – коэффициент надежности по температуре, n_t=1  [2];

      D_вн – внутренний диаметр трубопровода.

мм.

Расчетный перепад температур Dt

⁰ С,

⁰ С.

Рассчитаем продольные напряжения s_{пр N}

Из последнего видим, что в трубе действуют как растягивающие, так и    сжимающие продольные осевые напряжения, следовательно необходимо             рассчитать случай при  s_{пр N}<0.

.

Для полученного значения коэффициента y₁ рассчитаем толщину стенки

Так как полученное значение толщины стенки меньше ранее выбранного уточненного значения, то окончательно принимаем трубу 530×7.

3 Проверка толщины стенки на прочность и деформацию

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы в соответствии с нормами СНиП 2.05.06-85* [1] проверяются на прочность в продольном направлении и на отсутствие недопустимых пластических дефомаций. 

Прочность в продольном направлении проверяется по условию

,

где y- коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных напряжениях () y=1,0, при сжимающих () определяется по формуле

,

где - кольцевые напряжения в стене трубы от расчетного внутреннего давления, определяемые по формуле

s=;

s=.

y=.

=258,552<294,643 , что удовлетворяет условию;

=ç-36,094ç<, условие выполняется.

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций трубопроводов в продольном и кольцевом направлениях проверку производят по условиям

;

,

где s- максимальные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий;

y- коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла трубы;

- кольцевые напряжения в стенках трубопровода от нормативного         внутреннего давления;

- нормативное сопротивление материала, зависящее от  марки стали и в   расчетах принимается =s_т=441 МПа.

Кольцевые напряжения от действия нормативного внутреннего давления

,

 МПа.

Условие выполняется

.

Коэффициент y определяется по формуле

Продольные напряжения определяем по формуле

,

где r_min - минимальный допустимый радиус изгиба трубы;

m - коэффициент Пуассона, m=0,3 [2].

Необходимо учитывать, что при < 0, y 0,712, а при >0, y

Для положительного температурного перепада :

а);

б).

Для наименьшего отрицательного значения условие    выполняется

МПа.

Для отрицательного температурного перепада :

а);

б).

Для наибольшего положительного значения  условие  выполняется

МПа.

Пластические деформации трубопровода в продольном и кольцевом              направлениях не превышают допустимых.

4 Расчет устойчивости трубопровода на водном переходе

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

,

где n_б– коэффициент надежности по материалу балластировки, n_б = 0,9 для           железобетонных пригрузов [2];

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

q_изг– расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода          соответствующий рельефу дна траншеи;

q_в– расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод;

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

q_г– величина пригруза, необходимая для компенсации горизонтальной Р_х составляющей гидродинамического воздействия потока на единицу длины трубопровода,

q_г=Р_х /к;

к– коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях, для       супеси к=0,45 [2];

q_доп– нагрузка от веса перекачиваемого продукта, q_доп=0 ( то есть предполагаем трубопровод опорожнен – продукт отсутствует);

q_тр– расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода.

Расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод

,

где D_н.ф. – наружный диаметр офутерованного трубопровода.

На подводном переходе применяется усиленная изоляция. Для изоляции    трубопровода выбираем битумную изоляцию толщиной δ_из= 6 мм, плотностью ρ_бит=1030 кг/м³.

На трубопроводе используется деревянная футеровка толщиной δ_ф= 30 мм. 

 Н/м.

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока

,