Обеспечение надежности при строительстве и эксплуатации подводных переходов трубопроводов через водные преграды

Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов необходимо уделять особое внимание сооружаемым подводным переходам, учитывать срок их эксплуатации, изменения микроструктуры металла во времени, воздействие циклических нагрузок на изменение физико-механических свойств стали; разрабатывать методы и способы, повышающие надежность подводных переходов трубопровода, что увеличит срок их безотказной работы.

 

 

 ІІ.Расчетная часть

2.1 Определение устойчивости против всплытия подводного трубопровода с учетом гидродинамического воздействия потока воды на трубу

 

Исходные данные: участок категории 1; мм; = 1024 мм; мм; ; ; =2000 м; =9466 Н/м; =19 Н/м; = 3620 Н/м; = 0; ; ; ; L=350м.

При расчете устойчивости против всплытия подводного трубопровода, пересекающего реки, желательно учитывать вертикальную и горизонтальную составляющие силового гидродинамического воздействия потока воды на трубу в процессе укладки трубопровода на дно траншеи.

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия на единицу длины трубопровода:

 

                                              (2.1)

 

где - гидродинамический коэффициент обтекания трубы водным потоком;

- средняя скорость течения воды  в слое на уровне уложенного  на дно подводной траншеи трубопровода, м/с.

Коэффициент определяется в зависимости от числа Рейнольдса:

 

                                                  (2.2)

где v - кинематическая вязкость воды, v = .

,

для офутерованного трубопровода:

.

И в том, и другом случае, = 1,0; = 0,66.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вертикальная составляющая воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода рассчитывается по формуле:

 

                                            (2.3)

 

где - гидродинамический коэффициент подъемной силы, остальные параметры те же, что и в формуле (3.1). Коэффициент зависит от числа Рейнольдса и определяется (для гладких труб) по графику, приведенному в

Требуемый вес балластировки в воде будет определятся по следующей формуле:

 

                             (2.4)

 

где - коэффициент надежности по нагрузке (0,9 - для железобетонных грузов);

- коэффициент надежности устойчивости  положения трубопровода против  всплытия. принимаемый равным для  участков перехода через болота. поймы. водоемы при отсутствии  течения. обводненные и заливаемые участки в пределах ГВВ 1%-й обеспеченности - 1,05.

- расчетная выталкивающая сила  воды, действующая на трубопровод, = 9466 Н/м;

- расчетная нагрузка, обеспечивающая  упругий изгиб трубопровода соответственно  рельефу дна траншеи, = 19 Н/м;

- расчетный вес единицы длины  трубопровода в воздухе с учетом  изоляции при коэффициенте надежности  по нагрузке, 3620 Н/м;

- нагрузка от веса перекачиваемого  продукта, = 0;

 

 

 

Вес балластировки в воздухе определяется по формуле:

 

,        (2.5)

 

где - удельный вес материала пригрузки.

Значение коэффициента k для трубопровода, покрытого сплошной деревянной футеровкой приведены в таблице 3.1. Для суглинистого грунта, k = 0,40.

 

Таблица 3.1 - Значения коэффициентов трения трубы о грунт

 

Характеристика грунта	k	Характеристика грунта	k
Скальные грунты	0,65	Пески мелки и супеси	0,45
Пески крупные и гравелистые	0,55	Илистые и суглинистые грунты	0,40

 

При укладке подводных трубопроводов необходимо производить проверку устойчивости трубы против смятия под действием внешнего гидростатического давления воды по формуле:

 

                                      (2.6)

 

где - средний диаметр трубы, - глубина водоёма; - глубина заложения трубопровода до верхней образующей.

, следовательно, устойчивость трубы  против смятия обеспечивается.

 

2.2 Определение параметров балластировки трубопровода

 

Балластировка подводных трубопроводов в пределах участка подводно-технических работ выполняется кольцевыми чугунными и железобетонными грузами, жестко фиксируемыми на трубопроводе или сплошным обетонированием.

Расстояние между одиночными чугунными и железобетонными грузами рассчитывается по формуле:

 

,

 

где - средняя масса одного груза.

При балластировке одиночными кольцевыми железобетонными грузами УТК 1020-24-2, масса одного груза на воздухе составляет 4048 кг.

м.

Число пригрузов, необходимое для балластировки участка трубопровода длиной L, определяется по формуле:

 

.

 

 

 

Дробное число N округляется в большую сторону до ближайшего целого числа.

Если предусматривается балластировка сплошным слоем бетона, то диаметр обетонированного трубопровода можно рассчитывать по формуле:

 

 

Толщина слоя бетона:

 

 

2.1 Определение параметров укладки подводного трубопровода на дно траншеи протаскиванием на первой и четвертой стадиях

 

Исходные данные берем из первого примера. Дополнительно: ; = 12 кПа; балластировки произведена кольцевыми железобетонными пригрузами УТК 1020-24-2, толщина груза (t = 0,2 м; м; м; ; .

Существует несколько открытых способов и схем укладки трубопроводов в подводные траншеи. Отметим три основных способа: протаскиванием по дну, погружение с поверхности воды или с поверхности льда зимой и погружение с плавучих средств последовательным наращиванием секций трубопровода.

Данная курсовая работа предусматривает рассмотрение и расчет параметров укладки подводного трубопровода на дно траншеи методом протаскивания по дну.

Основным параметром укладки трубопровода в проектное положение протаскиванием по дну подводной траншеи с помощью заранее уложенного в неё троса является усилие протаскивания . Оно зависит от способа балластировки, вида спусковой дорожки, стадии протаскивания и др.

Первая стадия: трогание трубопровода с места по грунтовой дорожке.

В случае если балластировка выполняется одиночными пригрузами:

 

                                        (2.7)

 

где f - коэффициент трения трубопровода о грунт при продольном перемещении, который можно в первом приближении принять равным тангенсу угла внутреннего трения грунта , f = ;

G - общий вес офутерованного трубопровода в воздухе, равный:

 

                                              (2.8)

 

L - длина протаскиваемого трубопровода, 350м;

- расчетная нагрузка от собственного  веса трубопровода, = 3620 Н/м ;

- расчетная интенсивность балластировки  в воздухе, = 7569 Н/м

- расчетная нагрузка от собственного  веса футровки:

 

                                   (2.9)

 

где - удельный вес деревянной футеровки, - 7600 ;

Н/м.

Определим вес офутерованного трубопровода в воздухе по формуле 5.2:

С - сопротивление трубопровода сдвигу, обусловленное сцеплением грунта:

 

                                               (2.10)

 

- длина части трубы, врезавшейся  в грунт, ориентировочно принимаемая  равной ;

кН.

- пассивный отпор грунта движению  пригрузов.

Пассивный отпор грунта найдем из выражения:

 

           (2.11)

 

где N - число пригрузов на трубопроводе, N = 136;

i - длина хорды той части пригруза, которая погружена в грунт:

 

(5.6)

 

t - толщина пригруза, t =0,2 ;

- удельный вес грунта в воздухе, ;

- сцепление грунта, = 12 кПа ;

Определим пассивный отпор грунта по формуле 5.5 :

Определим усилие протаскивания по формуле 5.1:

Переходим к четвертой стадии: трогание трубопровода с места после временной (более одного часа) остановки протаскивания. Принимаем

При балластировке одиночными грузами :

 

(5.7)

 

где - коэффициент трения трубопровода о грунт в воде ориентировочно

; - общий вес протаскиваемого трубопровода в воде:

 

(5.8)

Определим общий вес протаскиваемого трубопровода в воде по формуле 3.8:

- площадь поверхности контакта  трубопровода и пригрузов с грунтом;

- пассивный отпор грунта в  воде, определяемый по формуле:

 

(2.12)

 

Определим усилие протаскивания по формуле 5.7:

Результаты расчетов усилия протаскивания по формулам 5.1 и 5.7 показывают, то на первой стадии протаскивания по грунтовой дорожке значение превышает технические возможности самой мощной лебедки ЛП -15, даже при использовании подвижного блока. Для уменьшения используем рельсовую спусковую дорожку ОСД-3 с собственным весом одной, тележки =13 кН, коэффициентом трения качения = 0,0012 м; радиусом колеса тележки = 0,4 м, радиусом оси тележки = 0,09 м, грузоподъемностью 250 кН.

Значительного уменьшения можно добиться, используя рельсовую спусковую дорожку. В этом случае усилие протаскивания определяется по формуле:

 

,(5.10)

где kТм - коэффициент трогания трубопровода с места, равен 1,5-2,0;

Т1 - сопротивление, создаваемое трением качения колеса тележки по рельсам; Т2 - сопротивление, создаваемое трением скольжения в подшипниках осей тележки;

Т3 - дополнительное сопротивление, создаваемое трением реборд колес о рельсы при движении;

Т4 - сопротивление, создаваемое тернием тягового каната о грунт.

Определим сопротивление, создаваемое трением колеса тележки по рельсам:

 

(2.13)

 

где Gт - вес тележки;

Gг.т - грузоподъёмность тележки;

fк - коэффициент трения качения;

Rт - радиус колеса тележки;

Определим сопротивление, создаваемое трением скольжения в подшипниках осей тележки:

где fc - коэффициент трения скольжения, fc = 0,05;

rТ - радиус оси тележки;

Определим дополнительное сопротивление, создаваемое трением реборд колес о рельсы при движении:

 

Т3= 0,5(0,06173+0,2527)= 0,1572 кН/м.

Определим сопротивление, создаваемое трением тягового колеса о грунт, принимая канат для лебедки ЛП-151 диаметром 60,5 мм:

 

, (5.14)

 

где qк - погонный вес тягового каната, qк = 140 Н/м;

fк.н - коэффициент трения каната о грунт, fк.н = 1,0.

Определим усилие протаскивания по формуле 3.10:

Определим расчетной тяговое усилие Тр:

 

(2.14)

 

где - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1, при протаскивании лебедкой;

Для четвертой стадии протаскивания по той же формуле:

Очевидно теперь, можно заменить лебедку ЛП -151 на ЛП - 1А с тяговым усилием Ттяг=720 кН. Так как в обоих случаях условие .

 

 

Заключение

 

В данной курсовой работе мы  рассмотрели основные инженерные решения по обеспечению надежности эксплуатируемых подводных переходов и методы прокладки подводных переходов трубопроводов. Данная курсовая работа предусматривает рассмотрение и расчет параметров укладки подводного трубопровода на дно траншеи методом протаскивания по дну.

Основным параметром укладки трубопровода в проектное положение протаскиванием по дну подводной траншеи с помощью заранее уложенного в неё троса является усилие протаскивания . Результаты расчетов усилия протаскивания по формулам 5.1 и 5.7 показывают, то на первой стадии протаскивания по грунтовой дорожке значение превышает технические возможности самой мощной лебедки ЛП -15, даже при использовании подвижного блока. Для уменьшения используем рельсовую спусковую дорожку ОСД-3 с собственным весом одной, тележки =13 кН, коэффициентом трения качения = 0,0012 м; радиусом колеса тележки = 0,4 м, радиусом оси тележки = 0,09 м, грузоподъемностью 250 кН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Быков Л.И., Мустафин Ф.М., Рафиков  С.К., Нечваль А.М., Лаврентьев А.Е. Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов: Учеб. Пособие. - Санкт - Петербург: Недра, 2006.- 824 с., ил.

2. С.В. Дейнеко. Обеспечение надежности  систем трубопроводного транспорта  нефти и газа. - М.: Издательство  «Техника», ТУМА ГРУПП, 2011. - 176 с. УДК 622.692.4-192.

. РД 51-4.2-003-97 Методические рекомендации  по расчетам конструктивной надежности  магистральных газопроводов.

. ГОСТ 27.301-95 Межгосударственный стандарт  надежность в технике. Расчет  надежности. Основные положения.

. Иванов В.А., Кузьмин С.В., Крамской  В.Ф., Торопов С.Ю. Сооружение подводных  переходов магистральных трубопроводов. - Курс лекций, Тюменский государственный  нефтегазовый университет, 2003.