Нагрузки и воздействия.

Внутренние усилия в трубопроводных конструкциях появляются от внешних и внутренних нагрузок. Причём эти нагрузки изменяются в зависимости от характеристик окружающей трубопровод среды, параметров перекачиваемого продукта и т.п. К нагрузкам относятся внутреннее давление продукта в трубопроводе, вес конструкций, оборудования, давления грунта, снега, ветра, испытательные нагрузки и т.п. К воздействиям относят предварительное напряжение элементов, изменение температуры, просадки оснований, обусловленные коренным изменением структуры грунта (просадки в районах горных выработок, разжижение грунта, оползни и т.п.), сейсмические явления. Для линейной части трубопровода основными являются из нагрузок – внутреннее давление, давление грунта, собственный вес труб и продукта, а из воздействий – изменение температуры, просадка и разжижение грунта, давление оползающих грунтов.

Учёт внутреннего давления при расчётах прочности трубопроводов обязателен во всех случаях, а остальные нагрузки учитываются в зависимости от конкретных условий и конструктивных схем трубопровода на том или ином участке. Установлено, например, что вертикальное давление грунта на стальные магистральные трубопроводы диаметром до 1400мм при нормальных глубинах заложения и устойчивом состоянии грунта не вызывает таких напряжений в стенке трубы, которые могли бы разрушить её. Если же рассматривать напряжённое состояние трубопровода на участке оползающего грунта или на сильно деформируемом основании, то давление грунта может вызвать наиболее опасное для прочности труб напряжённое состояние. На продольных уклонах внутреннее давление в трубопроводе и силовое воздействие оползающего грунта вызывает в материале труб, кроме того, и продольное напряжение.

В соответствии с принятой методикой расчёта прочности по предельным состояниям различают расчётные и нормативные нагрузки. Под нормативной понимают нагрузку, установленную нормативными документами и определённую на основании статического анализа при нормальной эксплуатации сооружения. Расчётной называют нагрузку, учитывающую возможное отклонение от нормативной:

где

n – коэффициент надёжности по нагрузке.

Коэффициенты надёжности n для различных видов нагрузки и воздействий регламентируются СНиП 2.05.06-85٭. Все нагрузки и воздействия подразделяются на постоянные, временные, длительные, кратковременные и особые.

К постоянным относятся нагрузки, которые приложены к той или иной конструкции в течение всего срока эксплуатации сооружения, в состав которого входит конструкция (вес, давление грунта и грунтовых вод, предварительное напряжение). Временными называют нагрузки и воздействия, которые действуют на сооружение или отдельную конструкцию в течение ограниченного периода, меньшего, чем расчётный период эксплуатации сооружения. В свою очередь, временные нагрузки подразделяются на длительные и кратковременные. К длительным временным нагрузкам относятся массы стационарного оборудования, материалов, масса жидкости, хранимой в резервуарах и перекачиваемой по трубопроводам, давление перекачиваемого продукта, длительные температурные усилия в конструкциях. К кратковременным относятся снеговые и ветровые нагрузки, обледенение, транспортные и монтажные нагрузки, испытательные нагрузки и т.п., т.е. нагрузки, действие которых может длиться от несколько секунд (транспортная) до несколько месяцев (снег, обледенение). Особые – это нагрузки и воздействия, определяемые нарушениями технологического режима эксплуатации сооружения, резкими изменениями естественного состояния грунта (обвалы, просадки, оползни и т.п.), нагрузки от землетрясений, называемые сейсмическими.

Для линейной части магистральных трубопроводов наиболее характерными являются следующие нагрузки и воздействия:

Собственный вес трубопровода q_т=n·q_o, где q – вес сооружения или конструкции, определяемый по геометрическим размерам; n=1,1;

Давление грунта q_гр, определяемое с учётом фактических размеров конструкций и состояния грунта по формулам механики грунтов;

Гидростатическое давление воды, определяемое по одному из основных правил гидростатики – давление жидкости в любой точке не зависит от ориентировки, т.е. угла наклона площадки действия и определяется лишь высотой столба жидкости над рассматриваемой точкой, т.е. P_в=ρ_в·h·g, где ρ_в – плотность жидкости; h – высота столба жидкости над рассматриваемой точкой; g – ускорение свободного падения;

Воздействие предварительного напряжения, создаваемого за счёт упругого изгиба при поворотах трубопровода в горизонтальном и вертикальном направлениях; при расчётах следует принимать нормативное значение нагрузки от предварительного напряжения равным σ_и;

Внутреннее давление (нормативное) p=n·p_г(н), где p_г(н) – расчётное давление газа (нефти и т.д.);

Вес продукта, заполняющего 1м длины трубопровода газа;

q_г=215·ρ_г·g·n·p·D²_вн/(z·T), где

ρ_г – плотность газа при нормальных условиях; z – коэффициент сжимаемости газа; T – абсолютная температура;

Для нефти и нефтепродуктов:

q_н=p_н·g·π·D²_вн/4, где

p_н – плотность транспортируемого продукта;

Температурные воздействия, рассчитываемые в соответствии с зависимостью, устанавливающей соотношение между усилиями и температурным перепадом Δt=t - t_о при невозможности температурных деформаций: σ_t=α_t·Е·Δt, где σ_t – действительные температурные напряжения; α_t – коэффициент линейного расширения; Е – модуль упругости; Δt –принимается по разности температуры t (наибольшей или наименьшей) и температуры t_о, при которой фиксируются элементы конструкции в проектном положении;

Снеговая нормативная нагрузка на 1м² площади горизонтальной проекции поверхности конструкции q_сн=q_о·c, где q_о – вес снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли; с – коэффициент, зависящий от формы поверхности и принимаемый по СНиП.

Ветровая нормативная нагрузка на 1м трубопровода

q_вет=(q_нс+q_нд)D_н, где

q_нс – нормативная статическая составляющая ветровой нагрузки; q_нд – нормативная динамическая составляющая ветровой нагрузки; значения q_нс и q_нд принимаются по СНиП.

Выталкивающая сила воды 1м трубопровода q_в.в=0,8D²_н·ρ_в·g, где ρ_в – плотность воды.

Остальные нормативные нагрузки и воздействия определяют в соответствии с конкретными условиями.

Таблица 3.1. Коэффициент надёжности n в зависимости от нагрузок и воздействий.