1. Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость

Обеспечению высокой надежности трубопроводов как одной из важнейших задач развития технического прогресса в области строительства объектов трубопроводного транспорта должно уделяться самое серьезное внимание. Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость следует рассматривать как важнейшее звено в общей цепи формирования надежности трубопроводных систем.

В СНиП требования к материалу труб содержат максимальное отношение предела текучести к временному сопротивлению, минимальную ударную вязкость, минимальное относительное удлинение и направлены на предотвращение хрупкого разрушения трубопровода в процессе эксплуатации. Выполнение требований к сварочным материалам обеспечивает равнопрочность сварных стыков основному металлу труб.

Магистральные трубопроводы рассчитываются по методу предельных состояний. Сущность метода заключается в том, что рассматривается такое напряженное состояние трубопровода, при котором дальнейшая его эксплуатация невозможна.

Методика расчета магистральных трубопроводов по предельным состояниям создана впервые в нашей стране сотрудниками ВНИИСТ И. П. Петровым, А. Г. Камерштейном, В. С. Туркиным и другими. Нормы проектирования магистральных трубопроводов (СНиП II-45--75), разработанные под руководством В. И. Прокофьева, основаны на этой методике.

Первое предельное состояние трубопровода -- разрушение его под действием внутреннего давления Поэтому характеристикой несущей способности трубопровода является временное сопротивление, металла труб (предел прочности).

Для обеспечения надежной работы трубопровода при определении расчетного сопротивления вводится ряд дифференцированных коэффициентов, отражающих вероятностный характер различных факторов, влияющих на несущую способность трубопровода. К ним относятся коэффициент безопасности по материалу, коэффициент условия работы трубопровода и коэффициент надежности.

Коэффициент безопасности по материалу отражает возможное уменьшение временного сопротивления металла труб по сравнению с его нормативным значением, возможное уменьшение толщины стенки трубы по сравнению с ее номинальным значением и надежность конструкции трубы. Последний фактор зависит от технологии производства труб.

Коэффициент условия работы показывает возможное несоответствие принятой расчетной схемы реальной трубопроводной конструкции, в том числе особенности взаимодействия трубопровода с окружающей средой. Кроме того, коэффициент условия работы показывает влияние последствий разрушения трубопроводов на здоровье людей, а также на приведенную стоимость выполнения ремонтио-восстановительных работ

Коэффициент надежности впервые введен в нормы проектирования магистральных трубопроводов в 1975 г., что вызвано увеличением диаметров сооружаемых трубопроводов и рабочего давления продукта. Коэффициент надежности учитывает следующие факторы, влияющие на надежность работы системы:

· с увеличением диаметра возрастает поверхность, контактируемая с грунтом, следовательно, трубопроводы больших диаметров при деформациях грунта находятся в более тяжелых условиях, чем трубопроводы малых диаметров;

· с увеличением диаметра трубопровода резко возрастает его изгибная жесткость, поэтому при кладке может не быть обеспечено его опирание на дно траншеи но всей длине, в результате чего в нем могут возникнуть дополнительные изгибные напряжения;

· с увеличением диаметра трубопровода возрастает его металлоемкость, общая длина сварных стыков и объем наплавленного металла, поэтому вероятность каких-либо технологических дефектов повышается;

· с увеличением рабочего давления продукта и диаметра трубопровода возрастает пропускная способность системы, отказ которой может привести к большим народнохозяйственным потерям.

Коэффициент надежности назначается в соответствии со СНиП II-45--75 различный дня газо- и нефтепроводов и зависит от диаметра трубопровода и давления продукта.

При определении напряженного состояния трубопровода для проверки первого предельною состояния учитывают только тс напряжения, которые практически влияют на разрушающее давление.

На основании экспериментальных исследований установлено, что к ним относятся кольцевые напряжения от внутреннего давления и продольные осевые напряжения от всех нагрузок и воздействий.

В СНиП II-45--75 первое предельное состояние записано в виде равенства растягивающих кольцевых и растягивающих осевых продольных напряжений расчетному сопротивлению, а при разнозначном напряженном со стоянии -- равенства эквивалентных напряжений расчетному сопротивлению.

Для ограничения пластических деформаций СНиП 11-45--75 предусматривает проверку трубопровода по второму предельному состоянию. Второе предельное состояние выражается через напряжения.

Напряжения определяются от всех нормативных нагрузок и воздействий (с учетом их сочетания) для наиболее напряженной точки сечения трубы.

Критерием выполнения второго предельного состояния является условие, при котором кольцевые и растягивающие продольные напряжения, а при разнозначном напряженном состоянии эквивалентные напряжения не должны превышать значений, определяемых пределом текучести металла труб. Отметим также, что при проверке по первому предельному состоянию согласно нормам СНиП требуется выполнять расчет трубопроводов, исходя из упруго- пластической работы металла труб, а по второму -- исходя из упругой работы самих трубопроводов.