Иванов В.А., Кузьмин С.В. и др. Сооружение подводных переходов магистральных трубопроводов Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Укрепление размываемого берега следует производить по обе сторо-

ны до мест, не подверженных такому размыву. При выборе конструкции

берегоукреплений необходимо также учитывать значения неразмывающих

скоростей течения для грунтов. Допускаемые неразмывающие скорости те-

чения для различных типов грунтов приведены в приложении,

табл.12, 13, 14.

2.5.12. Проектное исполнение укладки

В зависимости от положения трубопровода относительно дна водо-

ема применяются три основные схемы [12].

Первая схема предусматривает заглубление ниже прогнозируемой

поверхности размыва дна водоема на расчетный период эксплуатации.

Кроме того, необходимо учитывать возможность повреждения труб якоря-

ми, волокушами и т.д. При укладке трубопровода ниже предельной глуби-

ны размыва грунта h

какой-либо дополнительной защиты труб от механи-

ческих повреждений не требуется. Для защиты труб от возможных механи-

ческих повреждений и придания трубопроводу отрицательной плавучести

применяется усиленное защитное покрытие и бетонирование. В ряде слу-

чаев для закрепления поверхности грунта под трубопроводом применяют

каменную наброску или бетонные плиты.

Для трубопроводов, уложенных ниже отметок дна, заглубление за-

балластированного трубопровода должно быть не менее 0,5 м ниже линии

деформации русла реки после окончания строительства подводного пере-

хода, прогнозируемой на 25 лет, но не менее 1 м от естественных отметок

дна водоема.

При пересечении водных преград, дно которых сложено скальными

породами, заглубление трубопровода принимается не менее 0,5 м, считая

от верха забалластированного трубопровода до дна водоема.

Незаглубленный трубопровод. Применение этой схемы допустимо

только в условиях, полностью исключающих местные размывы грунта под

трубопроводом. Это возможно только в случае очень плотных или скаль-

ных грунтов, не размываемых потоком воды при максимальных значениях

его скорости. Нарушение этого условия приводит к провисанию трубы, ко-

лебаниям от срыва потока жидкости за трубой и в случае резонанса разру-

шению трубопровода.

При обосновании той или иной схемы прокладки необходимо учиты-

вать силовое воздействие на трубопровод потока воды в реке.

Скорость течения в различных точках потока изменяется и зависит

как от глубины, так и от положения в плане. Данная скорость составляет

0,4 ¸ 0,6 поверхностной. Средняя скорость течения определяется выраже-

нием

8,06,02,0 HHH

vvv

(2.8)

или

≈ v

0,8H,

(2.9)

где Y

0,2н

, Y

0,6н

, Y

0,8н

- скорости на различных расстояниях от свобод-

ной поверхности.

Мгновенные значения скоростей могут отклоняться от среднего зна-

чения до 30% в обе стороны. Сведения о скоростях течения и распределе-

ния их в плане и по глубине речного потока получают на основании инже-

нерно-геологических изысканий в меженный и поводковый периоды. По-

водковый период характеризуется наибольшими скоростями.

Распределение скоростей течений при наличии ледяного покрова от-

личается от течения при свободной поверхности. При свободной поверхно-

сти максимальное значение скорости - в верхней части потока, а при нали-

чии льда - на глубине 0,4Н от нижней кромки льда.

Силовое воздействие потока для рассматриваемых схем рассчитыва-

ется следующим образом.

Для трубопровода, находящегося в потоке выше дна реки, сила лобо-

вого сопротивления при расстоянии от дна до трубы S > D

= 0,5 С

r v

(2.10)

и подъемная сила

= 0,5 С

r v

(2.11)

где С

и С

- соответственно коэффициенты лобового сопротивления

и подъемной силы являющиеся функцией числа Рейнольдса:

=Re

, (2.12)

а также шероховатости поверхности труб, где v - средняя скорость набе-

гающего на трубу потока, D

- наружный диаметр труб, ¡ - кинематиче-

ская вязкость.

Зависимость коэффициента лобового сопротивления С

от R

для

труб, футерованных деревянными рейками, или бетонированных труб

< 10

= 1,2 и при 10

< R

£ 10

= 1,0.

Коэффициент подъемной силы С

зависит не только от R

и шерохо-

ватости, но и от расстояния от дна трубы.

При S = 0, С

= 0,6, а при 0 £ С

При расположении трубы вблизи поверхности потока

С’

= k

х,

где k

и k

- поправочные коэффициенты.

Для трубопровода, расположенного в траншее, необходимо учиты-

вать особенности течения в придонной области. Скорость потока в тран-

шее на глубине у определяется из уравнения

....

9,0

Tтдондон

тдонy

, (2.13)

где v

- скорость на глубине «у», v

дон

- скорость потока на подходе к

траншее, v

дон.т.

- скорость потока у дна траншеи.

Для расчета Р

и Р

используются формулы лобового сопротивления

и подъемной силы при симметричном обтекании трубы с соответствующей

корректировкой С

и С

по скорости в траншее.

Трубопровод, находящийся в потоке, подвергается не только стати-

ческим, но и динамическим нагрузкам. Колебания трубопровода происхо-

дят как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

Частота колебаний в горизонтальном направлении практически рав-

на собственной частоте и проявляется в узком интервале скоростей от 0,1

м/сек до 0,3 м/сек.

Поперечные колебания оказывают более существенное влияние. При

£ 2 х 10

частота колебаний совпадает с частотой срыва вихрей Карма-

на, определяемой критерием Струхаля:

Sh = 0,2,

где n - частота переменного давления, имеющего вынужденный регу-

лярный характер.

При критическом режиме (2 х 10

< R

< 6 х 10

) частоты колеба-

ний определяются числами Струхаля и изменяются в пределах:

Sh = 0,1 ¸ 0,4.

Переменная гидродинамическая сила определяется по формуле

уn

= 0,5 С

уn

r n

где С

уn

- коэффициент подъемной силы при колебаниях трубопрово-

да в потоке, изменяющийся в зависимости от режима обтекания и ампли-

туды колебаний от 0,4 до 1,45.

Для неколеблющихся трубопроводов С

уn

» 0,2 и С

хn

» 0,1, для колеб-

лющихся трубопроводов при R

£ 2 х 10

9,015,12,0

-+=

уп

;

при R

> 2 · 10

7,09,11,0

-+=

уп

где у - амплитуда колебаний.

уn

достигает максимума при у

» 0,6 D

и затем падает, что ограни-

чивает беспредельное увеличение амплитуды колебаний.

Присоединенная масса жидкости определяется как

= m · m

где m

- масса жидкости в объеме единицы длины трубы.

При проектировании перехода необходимо предусмотреть защиту от

перемещений свободного трубопровода, вызванных изменением как давле-

ния перекачиваемого продукта, так и температурными условиями. При

этом происходит механическое разрушение изоляционного покрытия, как

имеющего низкие прочностные показатели, и как следствие - прогресси-

рующее корродирование металла труб. В качестве защиты может приме-

няться сплошное бетонирование трубопровода либо различного рода обва-

лования и защитные конструкции.

Погруженный трубопровод может применяться только в случае несу-

доходных участков водных переходов. Представляет собой жесткую нить,

подвешенную на опорных устройствах двух типов, опирающихся на дно

при положительной плавучести и плавающих на поверхности в случае от-

рицательной плавучести.

При проектировании подводных переходов применяются две основ-

ные конструктивные схемы прокладки: однотрубная и двухтрубная (рис.

2.7).

Однотрубные переходы, не требующие дополнительной балласти-

ровки и защиты от механических повреждений, выполняются по схеме,

включающей усиленную изоляцию и футеровку. При положительной пла-

вучести трубопровода балластировка нитки выполняется с помощью чу-

гунных кольцевых пригрузов или сплошным обетонированием трубы.

Двухтрубные конструкции, построенные по принципу «труба в трубе»,

имеют большую надежность, т.к. позволяют снизить нагрузку на основную

трубу и повысить коррозионную стойкость системы. Кроме того, наличие

межтрубного пространства даёт возможность использовать его для тепло-

изоляции основного трубопровода. Эти свойства определяют область при-

менения двухтрубных конструкций, которые предназначены в основном

для транспорта коррозионно-активных, подогретых и охлажденных про-

дуктов. Применение схемы с “пассивным” кожухом имеет ряд недостат-

ков, связанных с необходимостью балластировки трубопровода и неэффек-

тивной с точки зрения силовой разгрузки, работы внешней трубы.

Межтрубное пространство в двух трубных конструкциях может быть

свободно от наполнителей и ограничено использованием центрирующих

элементов либо заполнено полностью или частично теплоизолирующими

элементами или цементно-песчаным раствором.

Рис. 2.7. Конструктивная схема дюкера

1 – трубопровод; 2 – изоляционное защитное покрытие; 3 – футеровка;

4 – кольцевой чугунный пригруз; 5 – бетонное покрытие

В последнем случае после отвердевания образуется жесткая связка

внешней и внутренней труб. Получающаяся в результате монолитная двух-

трубная конструкция, способная вынести значительно большие нагрузки

по сравнению с однотрубной конструкцией.

Кроме того, в этом случае при подборе толщины стенки кожуха и

межтрубного зазора, обеспечивающих отрицательную плавучесть, отпада-

ет необходимость в балластировке перехода.

При проектировании подводного перехода должны быть определе-

ны: положение трубопровода в вертикальной плоскости и продольный

профиль подводной траншеи, в которую будет укладываться трубопровод

(вертикальная трассировка).

Трассировка подводных траншей на переходах производится двумя

способами: с прокладкой прямолинейного трубопровода и кривыми искус-

ственного гнутья и с прокладкой трубопровода по кривым упругого изги-

ба.

Радиус поворота трубопровода в вертикальной плоскости при его ук-

ладке по кривой упругого изгиба зависит от рельефа русла реки и его рас-

четной деформации, заглубления трубопроводов, геологического строения

дна и берегов, прочности и устойчивости стенок труб при изгибе, веса тру-

бопровода с пригрузами под водой, упругости подводного трубопровода,

способа укладки трубопровода, а также возможности выполнения после-

дующих ремонтных работ. От радиуса упругого изгиба трубопровода бу-

дет зависеть глубина подводной траншеи и величина врезки в берега.

При проектировании ПП на продольный профиль перехода наносит-

ся линия прогнозирования деформации русла, которая, как правило, опре-

деляет заглубление трубопровода.

Предельно допустимый минимальный радиус кривизны устанавлива-

ется расчетом.

При свободном изгибе напряжения в металле изогнутой трубы не

должны превосходить допустимые значения. При этом нужно учитывать,

что напряжения изгиба, возникающие при укладке трубопровода, будут

суммироваться с напряжениями от внутреннего давления и от перепада

температур в процессе эксплуатации трубопровода. Напряжения изгиба

для участков трубопроводов категории I не должны превышать 40 … 50%.

Следовательно, для подводного трубопровода, укладываемого с упругим

изгибом по минимальному радиусу ρ

мин

расчетной кривой, напряжения из-

гиба не должны превосходить

≤ K

, (2.14)

где К

= 0,40 ¸ 0,50; R

= s

- нормативное сопротивление металла труб,

равное нормативному пределу текучести.

r l 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

200 h 1,0 2,3 4,0 6,4 9,2 12,7 16,7

250 h 0,8 1,8 3,2 5,1 7,3 10,0 13,1 16,8

350 h 0,6 1,3 2,3 3,6 5,2 7,0 9,3 11,8 14,6

450 h 0,5 1,0 1,8 2,8 4,0 5,5 7,2 9,0 11,2

500 h 0,4 0,9 1,5 2,5 3,6 4,9 6,4 8,2 10,1

600 h 0,3 0,7 1,4 2,1 3,0 4,1 5,4 6,7 8,4 9,3 12,0

700 h 0,3 0,6 1,1 1,7 2,6 3,5 4,6 5,9 7,9 8,6 10,4

800 h 0,25 0,5 1,0 1,6 2,2 3,0 4,0 5,0 6,3 7,6 9,0

900 h 0,23 0,5 0,9 1,4 2,0 2,7 3,6 4,5 5,6 6,8 8,1

1000 h 0,21 0,5 0,8 1,3 1,8 2,5 3,2 4,1 5,0 6,1 7,2

Рис.2.8. Построение кривой по заданному радиусу

l – расстояние от точки по радиусу до линии профиля трубопровода; h – глубина

разботки; Dh - отсчет по рейке (от горизонтальной касательной 0x до профиля дна

и береговой); 0x – горизонтальная касательная к окружности; a - угол поворота;

r – радиус круговой кривой; Т – тангенс круговой кривой;

Б – биссектриса круговой кривой

Таким образом, из условия прочности минимальный радиус, по кото-

рому следует определять кривизну трубопровода

, (2.15)

где s

следует принимать из (8.4), Е - модуль упругости при растяже-

нии, сжатии и изгибе, МПа; D

- наружный диаметр трубы, см.

Расчетный радиус, полученный по формуле (2.15), является мини-

мальным при трассировке подводного трубопровода на участках с выпук-

лым рельефом местности.

При проектировании подводного перехода, который имеет поворот

трубопровода на вогнутом рельефе, необходимо решить три задачи [12]:

− определить минимальный радиус, обеспечивающий прилегание

трубопровода ко дну подводной траншеи;

− проверить напряжения в трубопроводе из условия его прочности;

− установить оптимальное (наиболее экономичное) соотношение

между радиусом кривизны траншеи (трубопровода) и весом (при-

грузкой) трубопровода.

Минимальный радиус траншеи из условий прочности металла трубо-

провода, укладываемого по вогнутой кривой, рекомендуется определять по

формуле:

(2.16)

Минимальные радиусы кривизны при свободном изгибе стальных

труб, рассчитанные по формуле (8.9), приведены в табл. 2.4, где напряже-

ние s

принято равным 50% нормального сопротивления по пределу теку-

чести.

Таблица 2.4

Минимальные радиусы кривизны при свободном изгибе труб

Материал труб Диаметр трубопровода, мм

Минимальные радиусы

изгиба, м

1 2 3

Малоуглеродистая сталь

= 0,5 s

= 120 МПа

325

426

529

340

450

550

Продолжение табл. 2.4

2 3

Низколегированная сталь

= 0,5 s

= 175 МПа

529

630

720

820

920

1020

1220

380

450

520

590

610

750

900

Способ укладки подводного трубопровода определяется в проекте

организации строительства (ПОС) в зависимости от гидрологических, гео-

логических, топографических и климатических условий в районе перехода

(гидрологического и ледового режима, ширины и глубины водоема, режи-

ма береговых участков), от места расположения строительной площадки, а

также от судоходности водоема и наличия специального оборудования для

укладки трубопровода, тяговых и плавучих средств, спусковых устройств,

понтонов, такелажа [15].

2.6. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТЫ ПРИ СООРУЖЕНИИ ПОДВОДНЫХ

ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

2.6.1. Расчет трубопроводов на устойчивость от всплытия

Устойчивость трубопровода зависит от внешних воздействий на него

окружающей среды. При отсутствии течения воды в траншее на трубопро-

вод, заполненный транспортируемым продуктом, будет действовать вытал-

кивающая сила воды, равная весу воды, вытесненной трубопроводом. Вес

вытесненной воды зависит от ее плотности, с увеличением которой вытал-

кивающая сила возрастает и уменьшается устойчивость трубопровода на

дне обводненной траншеи [7].

Для обеспечения устойчивого положения трубопровода в обводнен-

ной траншее необходимо, чтобы его вес под водой превышал выталкиваю-

щую силу (отрицательную плавучесть).

ИH

××=

, (2.17)

где q

- выталкивающая сила воды, приходящаяся на единицу длины

полностью погруженного в воду трубопровода при отсутствии течения,

Н/м; D

Н.И.

- наружный диаметр трубы с учетом изоляции и футеровки, м;

- плотность воды с учетом растворенных в ней солей, кг/м

; g - ускоре-

ние свободного падения, м/с

Устойчивость положения (против всплытия) подводного трубопро-

вода следует проверять из условия

акт

≤ (1/k

н.в.

) · Q

пас

(2.18)

где Q

акт

- суммарная расчетная нагрузка на трубопровод, действую-

щая вверх, включая упругий отпор при прокладке свободным изгибом, Н;

пac

.- суммарная расчетная нагрузка, действующая вниз (включая массу -

собственный вес), Н; k

n.в

- коэффициент надежности устойчивости положе-

ния трубопровода против всплытия, принимаемый равным для участков

перехода:

− пойменных за границами производства подводно-технических

работ - 1,05;

− русловых через реки шириной до 200 м по среднему меженному

уровню, включая прибрежные участки в границах производства

подводно-технических работ - 1,10;

− через реки и водохранилища шириной свыше 200 м - 1,15.

В частном случае при укладке трубопровода свободным изгибом при

равномерной балластировке по длине величина нормативной интенсивно-

сти балластировки - вес на воздухе q

бaл

, Н/м, определяется из условия

бал

= 1/n

н.в

· q

+ q

изг

- q

тр

- q

доп

) · ¡

/(¡

- ¡

· k

н.в.

), (2.19)

где n

- коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным

− 0,9 - для железобетонных грузов;

− 1,0 - для чугунных грузов;

н.в.

.- то же, что в формуле (2.18); q

- расчетная интенсивность на-

грузки от упругого отпора при свободном изгибе трубопроводов, Н/м, оп-

ределяемая по формулам:

для выпуклых кривых

изг

; (2.20)

изг

где q

- расчетная нагрузка от массы трубы, Н/м; q

дon

- расчетная на-

грузка от веса продукта, Н/м. Учитывается при определении необходимой

пригрузки нефтепроводов, но если при эксплуатации возможно их опорож-

нение и замещение продукта воздухом, следует предусматривать дополни-

тельную балластировку с коэффициентом k

н.в.

= 1,03; ¡

- нормативная объ-

емная масса материала пригрузки, кг/м

; ¡

- плотность воды, принимаемая

по данным изыскания, кг/м