Трубы и трубопроводы

Сварные трубы большого диаметра широко используют при сооружении магистральных газонефтепроводов. Для изготовления таких труб применяют низколегированные стали 14ХГС, 17ГС, 17Г1С и др. Толщина стенок труб 8-20 мм, диаметр 529-1420 мм.

Из сварных труб сооружают также трубопроводы металлурги­ческих и других заводов, гидротехнических сооружений, а также трубопроводы атомных и тепловых электростанций. При этом тру­бы, работающие при температуре от -10 до 350°C и давле­нии р<=9 МПа, изготовляются из стали Ст3сп и низколегированных сталей 10Г2СД, 14ХГС, трубы, работающие при температуре от -50 до +350°С и p<=70 МПа,- из сталей 20 и 30ХМА, трубы, ра­ботающие при высоких температурах (до 600°С), - из молибдено­вых сталей, например, 15ХМ и др. Для работы в агрессивных средах трубы изготовляют из аустенитных нержавеющих сталей, алюминиевых, титановых и других сплавов. Кроме того, сварные трубы широко применяют в санитарно-техническом строительстве и в ряде специальных областей техники.

Сварные трубы имеют продольные или спиральные швы; при монтаже трубопроводов отдельные трубы сваривают между собой поперечными кольцевыми швами. Прочность трубопроводов оцени­вают с учетом различного рода усилий, действующих в процессе эксплуатации. Расчет продольных стыков при внутреннем давлении р производят по формуле

σ=pR/s; (10.28)

в кольцевых стыках создается напряжение, определяемое по формуле

σ₁₌pR/(2s), (10.29)

где R и s - соответственно радиус и толщина стенки трубы.

При понижении внешней температуры в кольцевых стыках образуются напряжения

σ₂ = αΔTE, (10.30)

где α - коэффициент температурного расширения металла; ΔT - изменение температуры; Е - модуль упругости.

При поповышении внешней температуры в кольцевых стыках образуются напряжения сжатия, определяемые по формуле 10.30, где ΔT следует взять со знаком минус.

Если труба будет испытывать изгибающий момент М от собст­венного веса и веса жидкости, то при расчете следует учитывать образование в кольцевых швах напряжений

σ₃=M/W, (10.31)

где W - момент сопротивления сечения трубы. Момент М опреде­ляется по специальным техническим условиям. Суммарное напряжение в кольцевых швах

σ₁+σ₂+σ₃ ≤ [σ′]_р. (10.32)

Допускаемое напряжение в трубопроводах зависит от расчет­ного сопротивления R_p (обычно R_p=0,9σ_Т ), коэффициента условий работы т и коэффициента перегрузки n; m=0,8-0,9, а в местах перехода через препятствия m=0,75; n=1,2 для газопроводов и n=1,15 для нефтепроводов.

Трубопроводы иногда устанавливают на опорах: анкерных, располагаемых в конечных точках и в местах изменения направ­ления оси, промежуточных, не препятствующих продольным пере­мещениям. Конструкции опор зависят от диаметров труб. При относительно малых диаметрах (d≤0,6м) допускается применение опор простейшего типа - скользящих, при средних диаметрах (d=0,6-1,5 м) - седловых, при больших (d>1,5 м) - катковых, или качающихся.

Если трубопровод большого диаметра (d>l,5 м) (рис. 10.17 а) выполняет функции газопровода низкого давления, он подвержен воздействию собственного веса (рис. 10.17 в), обледенения (рис 10.17 г), внутреннего давления газа (рис. 10.17 д), возмож­ного разрежения (рис. 10.17 б), а также ветра и изменения темпе­ратуры.

Рис.10.17. Схема загружения трубопровода (а), от вакуума (б), от собственного веса (в), от обледенения (г), от внутреннего давления (д)

Нагрузка q от собственного веса трубопровода равномерно распределенная. Приближенно трубопровод можно принять за многоопорную неразрезную балку. При этом изгибающий момент на опоре

M_q= ql²/8.(10.33)

Напряжение от момента

σ_q= M_q /W, (10.34)

где W = π(r₁⁴ - r₂⁴)/(4r₁) - момент сопротивления кольца; r₁ - на­ружный радиус кольца; r₂ - внутренний радиус.

Аналогично определяют усилия и напряжения при обледенении. Если принять толщину слоя льда в нижней точке 2h, а в верхней точке-равной нулю, то отношение веса обледенения к длине, вы­раженное в кН/м, определяется по приближенной формуле

q_o=7rhγ, (10.35)

где γ - удельный вес льда.

Примем h= 0,1 м. Тогда получим q_o=0,7rγ; момент от обледе­нения

M_q0 = q₀l²/8; (10.36)

напряжение от момента

σ_q0 = M_q0 /W (10.37)

Если замыкание трубопровода производилось при температуре Т₁ то при понижении температуры до значения Т₂ в нем возникает продольное растягивающее усилие

N_T = 2πrs(Т₁ - Т₂)Eα, (10.38)

где α - коэффициент температурного расширения; для стали α=12·10^-6; s - толщина стенки трубы.

Наряду с продольной силой в стенке трубопровода при нерав­номерном охлаждении возникают напряжения изгиба

σ_т=αE(Т_н-Т_в)/2, (10.39)

где Т_н - температура наружной поверхности трубы; Т_в- темпера­тура внутренней поверхности.

Усилие от внутреннего давления р в зоне изменения направле­ния трубопровода вызывает в его поперечном сечении напряжение

σ_поп=pr/(2s). (10.40)

Таким образом, полное напряжение в поперечном сечении, а также в кольцевом шве трубопровода

σ_расч= σ_q + σ_q0+αE(Т₁ - Т₂) + αE(Т_н-Т_в)/2 + pr/(2s)<= [σ′]_р . (10.41)

В продольном напрвлении трубопровода образуются продольные напряжения, определяемые формулой

σ_прод= pr/2s<= [σ′]_р. (10.42)

В одних случаях большим по значению оказывается напряже­ние σ_расч, в других - σ_прод

Если возможно образование разрежения (рис. 10.17 б), внешнее давление воздуха вызывает в продольных сечениях оболочки трубопровода напряжения сжатия, которые могут достигать крити­ческого значения и вызывать по­терю устойчивости. Если принять трубопровод за длинную цилиндрическую трубу без закреплений, то критическое давление p_кр определяется по формуле

p_кр = 3 ЕJ₁/r³(10.43)

где J₁ - момент инерции относительно собственной оси продольного сечения стенки трубопровода длиной 1 м; r - средний радиус оболочки.

Для повышения устойчивости оболочки иногда предусматрива­ют постановку кольцевых ребер жесткости. Их типы уголкового и таврового профилей изображены на рис. 10.18. Критическое давле­ние р_кр в этом случае находят из соотношения

р_кр=3EJ/(Lr³), (10.44)

где L - расстояние между смежными ребрами жесткости; J - мо­мент инерции кольца и оболочки на длине

a= 1,6 √rs. (10.45)

При вычислении р_кр по формулам (10.43) и (10.44) должно вы­полняться неравенство р_кр>=m(Р_внеш - Р_внутр). В этом случае m = 1,7.

Чтобы уменьшить продольные усилия, возникающие в трубо­проводе вследствие изменения температуры, применяют различные способы. В некоторых случаях трубопроводы укладывают на катковые опоры, усиливая трубопровод в этом месте кольцом жест­кости. Для повышения податливости в продольном направлении трубопроводы иногда опирают на качающиеся стойки; используют также компенсаторы. Трубопроводы с высоким внутренним давлением (напорные), применяемые в гидротехнике, проектируются согласно изложен­ным принципам.

Для наземных напорных трубопроводов основными видами нагрузок являются внутреннее давление жидкости с учетом гидростатического давления и динамического коэффициента при гидравличе­ском ударе, собственный вес трубопровода с водой, осевые усилия, вызванные давле­нием жидкости на поворотах и при изменении диаметра, и температурные воздействия. Определение расчетных напряжений в про­дольном и поперечном сечениях трубопро­вода (продольных и кольцевых швах) про­изводится по формулам (10.41) и (10.42).

Рис.10.18. Кольца жесткости уголкового и таврового профилей, приваренные к трубопроводу

Подземные трубопроводы помимо внут­реннего давления и температурного воздей­ствия испытывают нагрузку от насыпного грунта. Нагрузка, отнесенная к длине трубопровода,

Q=2qr, (10.46)

где q - давление грунта.

Под нагрузкой Q трубопровод приобретает эллиптическое очер­тание (рис. 10.19)

Рис.10.19. Деформирование профиля трубы

и в стенке трубы возникает изгибающий мо­мент

M_Q=Qr cos2θ/8. (10.47)

С другой стороны, внутреннее давление р в трубе эллиптиче­ского очертания вызывает момент М_р. Суммарный момент при θ=0

M = М_р + M_Q= (10.48)