Л.С. Шлапак

ТЕХНОЛОГІЯ СПОРУДЖЕННЯ ТРУБОПРОВОДІВ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Для студентів напрямів підготовки: 6.050504 – «Зварювання»

(спеціальність «Технологія та устаткування зварювання» освітньо-кваліфікаційного рівня 7.05050401 – спеціаліст, 8.05050401 –­ магістр)

6.092301 – «Нафтогазова справа»

(спеціальність «Газонафтопроводи та газонафтосховища» освітньо-кваліфікаційного рівня 7.05030402 – спеціаліст, 8.05030402 – магістр)

Рекомендовано методичною радою університету

Івано-Франківськ

УДК 622.692.4

ББК 39.7

Ш 68

МВ 02070855–3459–2011

Шлапак Л.С. Технологія спорудження трубопроводів: Конспект лекцій. – Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2011.-380 с.

Розроблений відповідно до навчального плану для студентів напрямів підготовки: 6.050504 – «Зварювання» (спеціальність «Технологія та устаткування зварювання» освітньо-кваліфікаційного рівня 7.05050401 – спеціаістл, 8.05050401 –­ магістр), 6.092301 – «Нафтогазова справа» (спеціальність «Газонафтопроводи та газонафтосховища» освітньо-кваліфікаційного рівня 7.05030402 – спеціаліст, 8.05030402 – магістр).

В конспекті сформовано мету, завдання та зміст курсу, дається методично оброблений схематизований матеріал, що за змістом і структурою відповідає вимогам робочої програми дисципліни, розкривається виконання, оформлення та захист чотирьох розрахункових робіт, приклади для підготовки до практичних занять, наведено список рекомендованої літератури.

Рецензент:

доктор технічних наук,

професор, завідувач кафедри

спорудження та ремонту газонафтопроводів

і газонафтосховищ Грудз В.Я.

Рекомендовано методичною радою університету

(протокол № 12 від “21 ” 04 2011р.)

Ó Шлапак Л.С., 2011

Ó ІФНТУНГ, 2011

ЗМІСТ

ВСТУП........................................... 8

1 Мета і завдання дисциплі ни........................ 10

1.1 Мета вивчення дисципліни........................ 10

1.2 Задачі вивчення дисципліни....................... 12

1.3 Рекомендації до вивчення дисципліни............... 12

2 Витяг з робочої програми.......................... 14

2.1 Зміст лекційного курсу............................ 14

2.2 Зміст лабораторних занять......................... 17

2.3 Зміст практичних занять........................... 18

2.4 Зміст самостійної роботи.......................... 20

2.4.1Матеріал для самостійного вивчення............... 20

2.4.2 Розрахунково-графічні роботи.................... 22

2.4.2.1 Організація курсового проектування............. 23

2.4.2.2 Завдання на курсове проектування............... 24

2.4.2.3 Зміст курсового проектування і його об’єм........ 24

2.5 Зміст індивідуальних завдань...................... 25

2.6 Перелік питань, призначених для індивідуального

вивчення......................................... 27

3 Інженерна підготовка траси........................ 28

3.1 Склад підготовчих робіт.......................... 28

3.2 Розроблення і розчищення траси.................... 29

3.2.1 Підготовка траси........................... 30

3.2.2Розчистка смуги від лісу та викорчовування пнів... 31

3.2.3Видалення валунів............................ 33

3.3 Планування будівельної смуги...................... 35

Контрольні запитання............................ 44

4 Транспортні і земляні роботи при спорудженні

трубопроводів.................................... 46

4.1 Транспортна схема, транспортний процес

і його елементи................................... 46

4.2 Визначення необхідної кількості

транспортних засобів.............................. 49

4.3 Транспортування труб, секцій труб,

будівельних матеріалів........................... 54

4.4 Виді і характеристика земляних робіт............... 61

4.5 Види ґрунтів.................................... 64

4.6 Технологія виконання земляних робіт............... 73

4.6.1 Земляні роботи в звичайних умовах............... 74

4.7 Засипання траншеї............................... 78

4.8 Земляні роботи в мерзлих ґрунтах.................. 81

4.9 Земляні роботи на болотах і заводнених ділянках..... 85

Контрольні запитання............................... 90

5 Ізоляційно-укладальні роботи...................... 91

5.1 Способи очищення поверхні трубопроводу.......... 91

5.2 Захисні покриття і вимого до них................... 92

5.3 Конструкція ізоляційних покриттів................. 98

5.4 Способи виконання ізоляційно-укладальних робіт.... 100

5.5 Розрахунок параметрів ізоляційно-укладальної колони. 105

5.6 Роздільний метод укладання трубопроводів....... 109

5.7 Контроль якості ізоляційних покриттів.............. 113

Контрольні запитання............................ 115

6 Криволінійні ділянки трубопроводів........... 116

6.1 Вільний згин трубних секцій...................... 117

6.2 Гнуття труб..................................... 118

6.3 Виготовлення зварних колін....................... 123

6.4 Технологія монтажу криволінійних ділянок із гнутих

вставок.......................................... 125

Контрольні запитання............................ 130

7 Технологія спорудження переходів через природні

та штучні перешкоди.............................. 131

7.1 Спорудження підводних переходів................. 131

7.1.1 Класифікація підводних переходів................ 132

7.1.2 Конструктивні схеми підготовчих переходів........ 133

7.1.3 Підготовчі роботи.............................. 135

7.1.3.1 Геодезичні і гідрометричні роботи............... 135

7.1.3.2 Облаштування спускових доріжок............... 137

7.1.3.3 Футерування трубопроводу..................... 139

7.1.3.4 Баластування трубопроводу..................... 139

7.1.4 Земляні роботи................................. 141

7.1.5 Підготовчі роботи при спорудженні

підводних траншей............................. 141

7.1.6 Розробка підводних траншей земснарядами........ 142

7.1.7 Розробка підводних траншей екскаватором......... 144

7.1.8 Розробка траншеї скреперною установкою......... 145

7.2 Технологія укладання підводних трубопроводів....... 146

7.2.1 Укладання способом протягування................ 146

7.3 Технологічні розрахунки підводних трубопроводів.... 152

7.3.1 Розрахунок тягового зусилля..................... 152

7.4 Стійкість підводних трубопроводів................. 157

7.5 Укладання підводних трубопроводів з поверхні води.. 159

7.5.1 підготовка трубопроводу до укладання............. 159

7.5.2 Установка трубопроводу у створ.................. 160

7.5.3 Занурення трубопроводу в траншею............... 161

7.5.4 Розрахунок трубопроводу при укладанні

з поверхні води................................ 176

7.5.5 Укладання з розвантажуючими понтонами із

заливом води в трубопровід в процесі занурення..... 185

7.6 Технологія спорудження морських трубопроводів.... 187

7.6.1 Підготовка трубопроводу до укладання і укладання.. 189

7.6.2 Захист підводного трубопроводу від пошкодження... 193

Контрольні запитання............................194

8 Надземні трубопроводи........................... 195

8.1 Основні конструктивні схеми, що застосовують при

надземній прокладці трубопроводів................ 195

8.2 Прямолінійна прокладка без компенсації поздовжніх

деформацій..................................... 196

8.3 Прокладання трубопроводу з компенсаторами...... 199

8.4 Зигзагоподібна прокладка трубопроводів у

вигляді «змійки»................................ 202

8.5 Прямолінійне прокладання трубопроводів зі

слабозігнутими ділянками........................ 204

8.6 Паралельне прокладання трубопроводів............. 206

8.7 Надземні трубопроводи з компенсаторами.......... 207

8.7.1 Розрахункові положення....................... 207

8.7.2 Консольні переходи з похилими

компенсаторами і багатопрогінні системи.......... 212

8.7.3 Компенсатори для надземних трубопроводів........ 219

8.7.4 Розрахунок деформацій і відпору компенсаторів.... 223

8.7.5 Розрахунок трубопроводу,

прокладеного «змійкою»........................ 230

8.7.6 Прямолінійна прокладка трубопроводів зі

слабо зігнутими ділянками........................235

8.7.7 Розрахунок трубопроводу при

паралельному прокладанні........................238

8.7.8 Розрахунок прямолінійних переходів

без компенсації поздовжніх деформації............. 243

8.8 Висячі системи, що застосовуються для прокладання

надземних трубопроводів......................... 246

8.9 Розрахунок висячих систем переходів

трубопроводів................................... 254

8.9.1 Визначення навантажень на висячі системи

переходів і розрахунок трубопроводів.............. 254

8.9.2 Розрахунок несучих канатів в одно

ланцюговій системі.............................. 256

8.9.3 Розрахунок несучих линв у вантових фермах........ 265

8.9.4 Розрахунок вітрових линв у вигляді одноланцюгової

висячої системи................................ 270

8.9.5 Розрахунок вітрових відтяжок..................... 273

8.10 Розрахунок деталей конструкцій висячих

систем переходів трубопроводів................... 275

8.10.1 Розрахунок підвісок несучих линв................ 275

8.10.2 Розрахунок опорних подушок (блоків) для несучих і

вітрових канатів............................... 276

8.10.3 Розрахунок талрепів............................ 281

8.10.4 Основні положення розрахунку пілонів............ 286

8.10.5 Основні положення розрахунку

анкерних опор і анкерів.......................... 290

8.11 Висячі системи переходів у вигляді

провислої нитки (типу «висяча труба»)............. 294

8.11.1 Конструкція переходів у вигляді провисаючої нитки.. 296

8.11.2 Розрахункові положення....................... 301

8.11.3 Монтаж трубопроводів у вигляді провислої нитки... 305

8.12 Аркові переходи................................. 309

8.12.1 Системи аркових переходів і їх

конструктивне виконання........................ 309

8.12.2 Однотрубні арочні переходи без спеціальних опор.. 310

8.12.3 Переходи, що складаються з двох і більше

зв’язаних між собою робочих трубопроводів...... 313

8.12.4 Переходи з допоміжними конструкціями,

що працюють разом з трубопроводами............ 315

8.12.5 Переходи, в яких трубопроводи не

приймають участі в роботі арки................... 317

8.12.6 Опори аркових переходів трубопроводів........... 317

8.12.7 Розрахунок аркових переходів................... 319

8.12.8 Розрахунок трьохшарнірних арок................ 323

8.12.9 Розрахунок двохшарнірної арки.................. 327

8.12.10 Розрахунок безшарнірної арки.................. 332

8.12.11 Розрахунок аркових переходів з

врахуванням зміщення п’ят арок................ 340

Контрольні запитання......................... 343

9 Підземні переходи трубопроводів під дорогами

та іншими штучними перешкодами................ 344

9.1 Характеристика штучних перешкод................. 344

9.2 Конструкції переходів............................. 345

9.2.1 Переходи під залізними дорогами................. 345

9.2.2 Перехід під автомобільною дорогою............... 346

9.3 Технологія спорудження переходів.................. 348

9.4 Розрахунок потужності при горизонтальному бурінні.. 361

9.5 Віброудари буріння.............................. 364

9.5.1 Проходка вібробуріння.......................... 364

9.6 Розрахунок на міцність захисного футляра кожуха).. 368

9.7 Деталі переходів................................. 375

Контрольні запитання............................ 378

Перелік використаних джерел.................. 379

ВСТУП

Паливно-енергетичний комплекс є важливою частиною реального сектора економіки України. Він відіграє ключову роль не тільки в енергозабезпеченні країни, але і в формуванні доходів державного бюджету. Паливно-енергетичний комплекс (ПЕК) забезпечує значну частину всіх доходів консолідованого бюджету і біля 20 % промислового виробництва країни. На його долю приходиться 25 % експортних валютних поступлень. Від того, на скільки успішно функціонує ПЕК країни, у значній мірі залежить економічна, енергетична і національна безпека України.

Велику роль у паливно-енергетичній безпеці країни відіграє трубопровідний транспорт рідких і газоподібних вуглеводнів, без яких неможливе життєзабезпечення населення і нормальне функціонування народногосподарського комплексу.

Трубопровідний транспорт – складна технічна система (СТС) з потужним енергетичним потенціалом. До неї входять установки підготовки газу, нафти до далекого транспортування, промислові, магістральні і розподільчі трубопроводи, компресорні і насосні станції, резервуарні парки, підземні сховища, морські термінали. Загальна протяжність магістральних, промислових і розподільчих трубопроводів складає більше 1 млн. км.

Трубопровідні магістралі за вантажооборотом займає друге місце після залізничних доріг. Велика протяжність магістральних трубопроводів, віддаленість найбільш перспективних районів видобутку нафти і газу тягне за собою великий розхід металу. У зв’язку з цим велике значення набуває економія металу внаслідок зростання діаметра трубопроводів і їх пропускної здатності, зниження товщини стінки, а також за рахунок підвищення міцнісних характеристик металу, що викликає необхідність розроблення принципово нових конструктивних рішень, які забезпечують надійну експлуатацію трубопровідних систем при мінімальних затратах металу.

Збільшення діаметрів трубопроводів викликає якісні зміни параметрів навантаження від температури, тиску і інших факторів. Велика жорсткість труб не дозволяє укладати їх по рельєфу місцевості і різко збільшує об’єми земляних робіт та надземного прокладання трубопроводів. Необхідність надземного прокладання трубопроводів на значні віддалі викликана також складними ґрунтовими умовами північних трас трубопроводів.

Використання нових високоміцних сталей з границею міцності 600-700 МПа дають можливість зменшити розхід металу на 10-15 % і скоротити відповідно капіталовкладення.

В останні роки для спорудження магістральних трубопроводів поряд зі сталевими находять застосування труби з полімерних матеріалів. Особливо перспективними є труби із склопластиків, а для міських трубопровідних сіток – поліетиленові, поліхлорвінілові та інші.

Застосування пластмасових труб призведе до серйозних змін в технології спорудження магістральних трубопроводів. Завдяки меншій вазі пластмасових труб у порівнянні зі сталевими значно полегшаться навантажувально-розвантажувальні, транспортні, монтажно-укладальні і інші операції. Будуть встановлені нові конструкції з’єднання труб в нитку, а також створюватися нові способи і проектуватися нове обладнання для зварювання труб і для монтажно-укладальних робіт. Висока корозійна стійкість і діелектричні властивості пластмасових труб дозволять відмовитися від нанесення на труби ізоляційного покриття. Непотрібні стануть і електричні методи захисту трубопроводів від блукаючих струмів.

Внаслідок перебудови технології спорудження магістральних трубопроводів скоротять терміни їх спорудження, збільшиться пропускна здатність пластмасових труб завдяки їх високій гладкості стінок і підвищиться експлуатаційна стійкість трубопроводів.

І МЕТА І ЗАВДАННЯ ДИСЦИПЛІНИ

1.1 Мета вивчення дисципліни

Про можливість застосування трубопроводів для транспортування різних газоподібних, рідких і твердих матеріалів відомо давно. Проте широке поширення трубопровідний транспорт отримав тільки в середині минулого сторіччя у зв’язку з відкриттям нових родовищ нафти і газу у віддалених районах Сибіру і середньої Азії та необхідністю їх транспортування від місця їх видобування до місця споживання. Зараз важко навіть уявити, яким транспортом, крім трубопровідного, можна було б щорічно перекачувати мільярди кубічних метрів газу зі Східних і Північних районів Сибіру у Центральні і Західні райони бувшого СРСР, а також на експорт у країни Західної Європи. Якщо нафту можна доставляти в цистернах по залізній дорозі, то природний газ так транспортувати не можна. Транспортування нафти і нафтопродуктів по залізній дорозі обходиться дорожче, ніж по трубопроводах. Крім того, перевезення десятків і сотень мільйонів тон нафти по залізній дорозі привила би до суттєвого зменшення пропускної здатності залізних доріг.

При транспортуванні нафти і газу трубопровідним транспортом втрати перекачуваного продукту (у порівнянні з іншими видами транспорту) мінімальні. завдяки високому ступеню герметизації трубопроводів та перекачую чого обладнання.

Неперервність і рівномірність подачі продукту по трубопроводу дозволяє забезпечити ритмічну і чітку роботу виробництв, що отримують паливо (або сировину) по трубопроводах. Важливою перевагою трубопроводів є можливість швидкого їх спорудження великої протяжності у самих складних умовах. Всі автомобільні дороги, а тим більше залізниці неможливо (при однакових затратах) побудувати у такі стислі терміни, як трубопроводи. Тому і освоєння газових і нафтових родовищ починається значно швидше, ніж це було б при інших видах транспорту.

При цьому необхідно мати на увазі, що спорудження одної дороги мало; потрібен парк цистерн, резервуарів, локомотивів тощо, створення якого теж вимагає часу.

Спорудження будь-якої дороги вимагає великих площ землі, часто родючої. Методи спорудження трубопроводів, що застосовуються на даний момент, дозволить практично повністю використовувати землю вздовж трубопровідних трас. Тим самим зменшується вивід земель із сільськогосподарського користування.

Таким чином, значення трубопровідного транспорту невпинно зростає, забезпечуючи транспортними перевезеннями нові сфери.

Технологія спорудження трубопроводів – базова дисципліна з підготовки фахівців за спеціальності «Технологія та устаткування зварювання».

Метою вивчення курсу «Технологія спорудження трубопроводів» є:

– ознайомлення з основними технологіями та організацією спорудження магістральних трубопроводів, сучасними тенденціями у розвитку трубопровідного будівництва, схемами та методами виконання окремих видів робіт в різних природно-кліматичних умовах;

– набуття навиків з самостійного розрахунку трубопроводів на міцність і деформативність, поздовжну стійкість, визначення об’ємів при виконанні окремих видів робіт, кількості машин і механізмів, напружено-деформованого стану трубопроводу при спорудженні за різними конструктивними схемами;

– оволодіння самостійним проектуванням трубопроводів за основними конструктивними схемами їх спорудження, технологією виконання окремих видів робіт, обґрунтуванням і вибором машин і механізмів для спорудження трубопроводів.

Базовими навчальними дисциплінами при вивченні «Технологія спорудження трубопроводів» є: «Вища математика», «Інформатика», «Теоретична механіка», «Опір матеріалів», «Зварювання плавленням», «Зварювання тиском», «Теорія зварювальних процесів», «Зварювання трубопроводів», «Основи проектування та спорудження трубопроводів».

1.2 Задачі вивчення дисципліни

Вивчення курсу «Технологія спорудження трубопроводів» дозволяє розглянути основні наукові та методичні підходи до вирішення основних задач:

– обґрунтування, на основі самостійного виконання технологічних розрахунків трубопроводів, конструктивних схем спорудження в залежності від призначення трубопроводу, характеристик природно-кліматичних та інженерно-геологічних умов районів будівництва;

– розроблення математичних моделей з розрахунку напружено-деформованого стану трубопроводу при його укладанні у проектне положення, вибір оптимальних схем виконання технологічних операцій;

– розроблення технологічного процесу спорудження трубопроводів за заданими конструктивними схемами, оформлення графічного матеріалу, заходів з техніки безпеки та охорони дозвілля.

1.3 Рекомендації до вивчення дисципліни

Курс дисципліни «Технологія спорудження трубопроводів» основний на принципах будівельної механіки, теорії міцності, механіки ґрунтів та механіки матеріалів. Тому дана дисципліна вивчається у тісному зв’язку з іншими дисциплінами: теоретична механіка, механіка ґрунтів, матеріалознавство, опір матеріалів, фізика, хімія, основи проектування та спорудження трубопроводів.

Студенти повинні освоїти методи розрахунку навантажень та впливів, що діють на трубопровід в залежності від конструктивної схеми спорудження та інженерно-геологічних та погодно-кліматичних умов будівництва, самостійно аналізувати та вибирати конструктивну схему спорудження трубопроводу, розробляти технологічний процес виконання будівельно-монтажних робіт, забезпечивши будівництво необхідною технікою та матеріалами, знати новітні технології в галузі трубопровідного будівництва, вміти їх використати стосовно конкретних умов спорудження трубопроводів, враховуючи вимоги техніки безпеки та охорони довкілля. Оволодіти вимогами нормативних документів та стандартів на проектування, виконання окремих видів робіт, організацію спорудження трубопроводів, а також основами комп’ютерного моделювання та інженерної графіки.

2 ВИТЯГ З РОБОЧОЇ ПРОГРАМИ

2.1 Зміст лекційного курсу

Теми і зміст лекційних занять наведені в табл. 2.1

Таблиця 2.1 − Теми і зміст лекцій

Продовження таблиці 2.1

Закінчення таблиці 2.1

2.2 Зміст лабораторних занять

Зміст лабораторних занять наведено в таблиці 2.2

Таблиця 2.2 – Зміст лабораторних занять

2.3 Зміст практичних занять

Зміст практичних занять наведено в таблиці 2.3

Таблиця 2.3 – Зміст практичних занять

Закінчення таблиці 2.3

2.4 Зміст самостійної роботи

Перелік матеріалу, який студент зобов’язаний вивчити самостійно, наведений у таблиці 2.4.

Матеріал і практичні навички, які формуються у студента при курсовому проектуванні, характеризує таблиця 2.5.

2.4.1 Матеріал для самостійного вивчення

Матеріал, що виноситься на самостійне вивчення, наведений у таблиці 2.4.

Таблиця 2.4 – Матеріали для самостійного вивчення

Закінчення таблиці 2.4