Механический расчет

По каждому из выбранных диаметров мы определяем расчетную толщину стенки по следующей формуле

(7)

где n – коэффициент надежности по нагрузке (внутреннему рабочему давлению в трубопроводе);

р – рабочее (нормативное) давление, МПа;

D_н – наружный диаметр трубы, см;

R₁ – расчетные сопротивления растяжению, МПа.

В соответствии с [1] толщину стенки труб следует принимать не менее 1/140 D_н, но не менее 3 мм для труб условным диаметром 200 мм и менее, и не менее 4 мм - для труб условным диаметром свыше 200 мм.

Увеличение толщины стенки при наличии продольных осевых сжимающих напряжений по сравнению с величиной, полученной по формуле (7), должно быть обосновано технико-экономическим расчетом, учитывающим конструктивные решения и температуру транспортируемого продукта.

Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляется до ближайшего большего значения, предусмотренного государственными стандартами или техническими условиями. При этом минусовой допуск на толщину стенки труб не учитывается.

В соответствии с диаметром трубы, выбираем марку стали, из которой эти трубы изготавливают (таблица 6).

Марка стали для труб имеющихся диаметров

Таблица 6

Коэффициент надежности по нагрузке выбирается в соответствии с [1]:

- для нефте- и нефтепродуктопроводов, работающих по системе из «насоса в насос»;

- – во всех остальных случаях.

В нашем случае принимаем .

Расчётное сопротивление металла трубы и сварных соединений R₁ определяем по формуле:

(8)

где R₁^н – нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб и сварных соединений, определяемое из условия работы на разрыв, равное минимальному пределу прочности ;

m – коэффициент условий работы трубопровода, принимаемый по таблице 7.1 с учётом классификации таблицы 7.2;

k₁ – коэффициент безопасности по материалу, принимаемый по таблице 7.3.

k_n - коэффициент надёжности.

В соответствии с [1] выбираем коэффициент условия работы по следующим таблицам:

Значения коэффициентов условий работы трубопровода m

Таблица 7.1

Классификация магистральных трубопроводов по категориям

Таблица 7.2

Принимаем .

Значения коэффициента безопасности по материалу k₁

Таблица 5.3

Соответственно коэффициент безопасности по материалу принимаем:

- для D₁ = 720 мм – k₁ = 1, 47

- для D₂ = 820 мм – k₁ = 1, 47

- для D₃ = 1020 мм – k₁ = 1, 47

Коэффициент надежности принимаем по [1]

Значение коэффициента надежности по назначению

Таблица 5.4

Согласно данной таблицы, принимаем коэффициент надежности по назначению трубопровода:

- для D₁ = 720 мм – k_н = 1

- для D₂ = 820 мм – k_н = 1

- для D₃ = 1020 мм – k_н = 1

Рассчитаем расчетное сопротивление труб для принятых диаметров:

- для D₁ = 720 мм

- для D₂ = 820 мм

- для D₃ = 1020 мм

По каждому из выбранных диаметров мы определяем расчетную толщину стенки :

- для D₁ = 720 мм

- для D₂ = 820 мм

- для D₃ = 1020 мм

Далее принимаем стандартную толщину стенки трубы:

- для D₁ = 720 мм –

- для D₂ = 820 мм –

- для D₃ = 1020 мм –

Цель расчета трубопровода на прочность – определение усилий, которые трубопровод может выдержать, или, наоборот, определение толщины стенки трубопровода при заданной нагрузке.

Магистральные трубопроводы рассчитывают по методу предельных состояний. Предельным состоянием называют такое, при достижении которого нормальная эксплуатация рассчитываемой конструкции становится невозможной. Различают первое, второе и третье предельные состояния. Первым предельным состоянием называется такое, при достижении которого рассматриваемая конструкция теряет несущую способность, или, что то же самое, способность сопротивляться приложенным к ней усилиям, т.е. разрушается. Второе предельное состояние характеризуется чрезмерными, недопустимыми при эксплуатации остаточными деформациями или колебаниями. Третье предельное состояние определяется чрезмерными, недопустимыми при эксплуатации трещинами. Ни при достижении третьего, ни при достижении второго конструкции не грозит разрушение, ее прочность и устойчивость сохраняются.

Уложенные в грунт магистральные трубопроводы рассчитываются по первому предельному состоянию, т.е. принимают, что наибольшее усилие, испытываемое трубопроводом, не должно превышать его несущей способности.

Для уложенного в грунт трубопровода достижение предела текучести не означает потерю работоспособности. Трубопровод может успешно эксплуатироваться до тех пор, пока напряжения в нем не достигнут предела прочности. При расчете на прочность считают, что он идеально круглый. Учитывают лишь внутреннее давление (основное воздействие).

Делаем проверку прочности подземного магистрального трубопровода на осевые сжимающие напряжения. Продольные осевые напряжения s_пр.N МПа, определяются от расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы металла. В частности, для прямолинейных и упруго-изогнутых участков подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений, просадок и пучения грунта продольные осевые напряжения определяются по формуле

(9)

где α – коэффициент линейного расширения металла трубы (для стали α =1, 2· 10^-5 1/˚ С);

Е – модуль упругости металла (для стали Е=2, 05· 10⁵ МПа);

Δ t – расчётный температурный перепад, равный разности между максимальной температурой укладки трубопровода (если Δ t < 40 ˚ C, то принимается Δ t = 40˚ C). Так как у нас Δ t < 40˚ C, то принимаем Δ t = 40˚ C

D_вн – внутренний диаметр трубопровода, см.

Рассчитаем σ _пр.N для принятых диаметров:

- для D₁ = 720 мм

- для D₂ = 820 мм

- для D₃ = 1020 мм

Так как σ _пр.N > 0, то уточнение толщины стенки не производим, т.к. осевые сжимающие напряжения на прямолинейных участках трубопровода отсутствуют.

Проверку прочности подземного магистрального трубопровода на растягивающие осевые продольные напряжения производим из условия:

(10)

где s_пр.N – продольное осевое напряжение от расчетных нагрузок и воздействий, МПа;

y₂ – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных напряжениях (s_пр.N ³ 0) принимаемый равным единице.

Проверяем данное условие (для всех принятых диаметров ):

- для D₁ = 720 мм ;

- для D₂ = 820 мм ;

- для D₃ = 1020 мм .

Для всех диаметров выполняется условие (10), – прочность трубопроводов в продольном направлении обеспечивается.