МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ВНИИСТ

РУКОВОДСТВО

ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПОДЗЕМНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ-УПОРОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРУБОПРОВОДОВ БОЛЬШИХ ДИАМЕТРОВ

Р 203-75

Москва 1976

Уда 622.692+621.643ЛЗ

В настоящем Руководстве наложены основные конструктивные ременыя подземных компенсаторов-упоров, методика расчета их напряженно-деформированного состояния к программа реиенкя на ЭВМ. контрольный экземпляр программы хранится в лаборатории математических методов исследований (ЛММИ) ВНИИСТа. На основе вариантного проектирования с учетом ограничений по предельному состоянию определяется рациональная конструктивная схема подземного компенсатора-упора для данных конкретных условий.

Руководство разработано лабораторией методов расчета и конструирования трубопроводов совместно с лабораторией математических методов исследований на основе анализа опубликованных работ, проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Руководство составлено кандидатами техн. наук А.Б.АЙнбкндером, И.П.Петровым, инженерами С.к.Гмльзжным иГ.А.нацкой.

Замечания и предложения просим направлять по адресу: Москва 105058, Окружной проезд, 19,

(С) Всесоюзный научно-исследовательский институт по строи-теяьству магистральных трубопроводов (ВКШСТ), 1976

Дхшцг каждой пряной определяет по формуле

Ьг    ^а>

Углы поворотов стержней, прямых» щдх в первоначально пря-шммнейным участкам, опред ваяют по формуле

и> _= ip —    ,    (2)

Ъ Уп+1 — о»

Рмсл. Схема замены кривой совокупности» прямых (для п = +)

TI

Углы поворотов остальных участков по формуле

Ц> _ (Я    _    ₌    if —    ^6*    .

с.     п

(Вое необходимые обовначенмя прквадвны на рас .4),

Рекомендуется углы поворота более 45°, выполненные с поводы) отводов о рад кусом К8гиба оок JD — 5&_н наменять двумя-тремя прямыми, то есть принимать п - 2-3, а при пршенеяии отводов оо средиш радиусом изгиба оси Jb = 40-70,2* при угле поворота более 30° принимать д в 4-8.

4.6.    Зависимость сопротивления грунта от поперечных горизонтальных перемещений трубы принимается линейной, зависимость сопротивления грунта от продольных (осевых) перемещений трубы принимается нелинейной - билинейной.

Учет физической нелинейности грунта производят методом упругих ранений.

Нумерация узлов и элементов принята слева направо (ом. рис.З).

Угол поворота мещду знеыеятами Jp_L принимается положительным, если он образован вращением продолжения предыдущего злемента до направления последующего по часовой стрелже.

4.7.    Составляются уравнения, выражающие кинематическую совместимость деформаций всей конструкции. Система уравнений линейна относительно узловых усилий Х_с (усилий по концам моментов). Ниже приведена система уравнений для уела L :

^a(3i-Z)(3i-5) ^X3Ls +    X_3L^ + CL(3L^L-₃) X J_L.₃    +

^{+ a}(3t-2)(jL-^ ^X3i-Z ⁺ a^-Z){3L-i)^X3L-j ^+a-(3L-Z)(3i)^X3i +    ►

*^a(3L-i)(3Ln)^3L-H * ^&~z)bL+z)Xai*z*

“ ^P3i-z;

^а(з1-Ш-3)^ЗС-5 * ^a^i~t)(3i^)    + d^L4)(3i-^ %3i-3 ⁺ 1

⁺    *3i-l    ⁺    X_3L,_f    +CL_l3i._lK3i)X_li +    '

^a(3fc-f)(3t+^3fr+f ^{+    + a}(3L-№L+ifi3ⁱ**ⁿ%iri

12

^a(3i)(3i-3)^3i-5 ⁺ °(3i)(3i-i/) Xsi.*, + ^a^Lj(₃L-3) %3i-J ⁺    ^

⁺ a^3i-li^3L-l ^+a(3L}(3L-1)^3L-i ^+aCsL)(3L) ^3i ⁺

^{+ a}(3i)(bi-H)^3i+l ^{+ a}(3i)(3i+Z) ^3i+z ^+a(3L)(3L*3^3i*3^SP3L .

Уравнения составимте и дня всех у ахов ov I до К вягочн -тенью ( i изменяется ос I до К).

4.8. Матрица коэффициентов £■/ при неизвестных (патрица податливости) определяется на остове начальных параметров ос единичных узловых усилий.

Матрица свободных членов Р-_к (матрица натру аки) определяется на основе начальных параметров от внутреннего давления н температуры.

м^спця моаФФициентов:

^a(3L-Z)(3L-s) =    ^a(8i-ZX3i-t) ⁼ ~ ^<Р⁽Ц >

^a(3i-Z)(3i-3) — О j    ^а(з1-г№~2) — Zljpf ⁺fil !fc

^й(л1-г)(si- i)~J3    V* ^^cos^i J J ^а(?1-ф^£<Рг    >■

^a,(ii-^(3Ctf)~~^^£>b *^>    ^a(3L-t)(3i*z)~    jr*/³*/    ^cos^L*ij

^a(3i-t)(3i+3) ⁼ - ~л    ^sin    _%

V*    &OC-0(?i-Q    J3    j/l    A    '<**%]>

- -f

jf %^<Qco^; Outoi-j-jfsiiiJL s ^й*>™ - i Art« -£ff

B-WiiUij—O ; ^atD^T~f_Ut Ч^ьУиё ^ащ&.+зг-^

ШЯРШШ свободных довод:

Ъ-fO> е*.,=^ ** ¥■ ^s*Krwtjgj(fce,(V}

_ z« col Уд p /.. , z. x £2 N

^w rsM_ftet^c«^w+e- -%,^n.A>, ’

где 2, м 2, - усилия, учмтывамцие граничные условия на * концах рассчитываемой системы;

2_У - усилие на нема конце рассматриваемого участка, который считается неонецавцяыоя;

Н, - внеанее уоннне, учнтываяаее отпор примыкам-^с цей конструкции.

4.9. Ненввестное X, индекс при котором (3L -I), (3t -2),

(3 I -3), (3 t -4), (3 I -5) равен иди ненъие нудя идн больно ЗХ, принимается равным нули.

В формулах (10) функции E_t(i) и E_t(l) учитывают во э-мокнооть действия внеанего усилия только по концаи рассматриваемого участка и определяются следувцин обраэом:

Ъ ( i ) - I¹' f - ¹

^п    L0, i ф I

= к

X

Дня рассматриваемых коыпевсаторов-упоров (см.рис.3,б,в) при дливе левого участка более 500 Д, Ъ-=-£ЕР ; при наличии

14

Матрица коэффициентов при нечестных для системы уравнений (*)-(б) при Н- 4 Ь    pW    £ р<»> | Аа^Ь, [ 4йиЧ. ЛйГ IT I *

a1Z. _J

Д

Здесь JF безразмерная текучая координата ( f ~~^r ) с вачадом отсчета на левом юнце элемента; величина у изменяется от 0 до I. По уравнениям (21), (22) производят внчжсле -ння для всех стержней, то есть при значениях 1^= 'и~ К+1.

Величина продольных осевых усилий N^. положительна при растяжении.

Уравнение поперечных переиецений по длине трубопровода

Величина поперечных переиецений «у положительна, если она направлена вниз от оси элеыента.

Уравнение ивгибаниях иоиентов по длине трубопровода

■h e** ^    j

-г вшшет I ! ■ Руководство по применен» подземных компенсаторов-упоров при строительстве трубопроводов большое диамет 1- | Р 203-75 i • ! ров J_

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настовдее Руководство разработано в развитие главы СНаП "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования".

1.2.    Проектирование подземных компенсаторов-упоров осуие-ствляетсн в соответствии с действующими нормативными докумея -тами.

1.3.    При проектировании и расчете подвенных компенсаторов-упоров, сооружаемых на участках, где возможны деформации грун -та, связанные с изменением его структуры (просадки, пучения

и т.в.),необходимо учитывать связанные с этим дополнительные воздействия.

1.4.    Определение фнзико-механических характеристик грунта производится в соответствии с требованиями Государственных стандартов при инженерных изысканиях трассы трубопровода.

1.5.    Определение нагрузок и воздействий производится в соответствии о главами СИЛ "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования" и "Нагрузки и воздействия. Нормы проектцрова -ния".

1.6.    В проекте указывается минимальная и максимальная температуры замыкания трубопровода на расчетном участке, определенные в соответствии с принятым в расчете температурным перепадом.

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

2.1. Подземные компенсаторы-упоры применяет с цел» умень-иения перемещений подземных трубопроводов в местах выхода на

Внесено лабораторией Утверждено Всесоюзным научно-! Раграбо-методов расчета м исследовательским институтом {    та но

конструирования тру-!по строительству магистраль- i впервые бопроводов ВНШЮТа {них трубопроводов 15 октября {

Венина нагибающего момента М- полоамтельш, волн растянуты ннжннв волоки аленевта. '

В уравнениях (23) н (24) значения коэффициентов внчмсля-ются по формулам

А?- X**/? - -J*

x„j*f * i

<f - *>* /f - x ;

^    ⁺    J1 ^3^ /''7^

A?- **«/? - ■j(Xu^i-X^,asl^,

B?- ***/? * 7 (ksWi-X^ai&jrti

of - **-:/? - -J fa ^sin*i -X^asQrfi Л “ ^Хзс-г 7 ^ ⁺ 7    -    х_к_,    cosyfyji®^

4.14. На первом этапе расчета в качестве характеристик линейно-упрут их связей принимаются начальше коэффициента пропорциональности между сопротивлениями грунта и перемещениями, то есть начальные коэффициенты нормального и касательного сопротивления грунта.

Диве производится учет физической нелинейности грунта при продольных перемещениях трубы. Для этого определит про -долине перемещения середины каждого элемента системы. Продольное перемещение вычисляется для середины каждого элемента по уравнению (21)

li'_Cp = | U^{L) ("РИ У =0.5 .    (26)

4.15. йспольвуя аналитическую зависимость сопротивления грунта от перемещения, по найденному перемещению определяют секущий коэффициент пропорциональности, то есть усреднений коэффициент касательного сопротивления грунта для каждого элемента

20

поверхность у надземных переходов, около мест запуска м приема очистных устройств, в местах примыкания трубопроводов к комп -рессорным и газораспределительным станциям, в местах установки тройников и кранов, около подводных переходов и в других случаях.

2.2.    Подземными компенсаторами-упорами называются уложенные в грунт участки трубопроводов трапецеидальной, Z -образной или иной формы, по очертанию аналогичные открытым компенсато -рам. Такие участки трубопроводов частично компенсируют продольные деформации в прилегающем с одной стороны участке трубопровода (за счет смещений труб в грунте) и одновременно являются упорами, намного уменьшающими перемещения трубопровода с другой стороны номпенсатора-упора, где продольные перемещения должны иметь ограниченную величину.

2.3.    Компенсаторы-упоры трапецеидальной формы в больней степени ограничивают продольные перемещения трубопроводов, чем компенсаторы 2 -образной формы.

С увеличением угла поворота трубопровода уменьшаются его продольные перемещения, но возрастают ивгибные напряжения в трубах.

2.4.    Трапецеидальные компенсаторы-упоры проектируют с меньшим углом поворота оси трубопровода со стороны передачи усилия (порядка 23-45°) и большим углом поворота оси трубопровода (порядка 30-75°) со стороны, где величины продольных перемещений трубопровода ограничиваются проектом; углы поворота оси ^ -образных компенсаторов устанавливают в пределах 45-75°.

При необходимости подземные компенсаторы-упоры можно совмещать с углом поворота оси трассы.

Вылет компенсаторов-упоров принимают равным 15-25 диаметрам труб.

Углы поворота и размеры элементов компенсаторов определяют расчетом.

2.5.    Углы поворота компенсаторов-упоров выполняют из отводов, изготовленных в соответствии с действующими нормативными документами, с радиусом изгиба оси не менее 5 диаметров трубопроводов.

С целью уменьшения изгибных напряжений рационально применять отводы, изготовленные способом холодного гнутья со сред -ним радиусом нагиба оси 30-60 диаметров труб.

4

Возможно выполнение углов поворота в компенсаторах-упорах ■8 набора отводов 6-12° с яебольиши прямолинейными вставши между яммм.

2.6.    Компенсаторы-упоры следует располагать по возможности ближе к узлу, где величина продольных перемещений должна быть ограничена.

2.7.    Компенсирующая способность компенсатора-упора возрастает с уменьиением плотности грунта вокруг компенсатора. Учитывая это, рекомендуется траннее в пределах компенсатора-упора и на прилегающих участках трубопровода в пределах 13-20 днамет -ров труб васыпать рыхлым податливым грунтом.

2.8.    Для выбора рациональных параметров подземных компенсаторов-упоров производят расчет различных вариантов по ниже -изложенной программе "fiAT-I". Из рассмотренных вариантов при -нимавт такой, который обеспечивает минимальное перемещение свободного конца компенсатора-упора при выполнении условий прочности и технологических требований.

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Для расчета по программе "ШАГ-1" проектировщик должен иметь исходные данные, состоящие из геометрических и физико-механических характеристик трубы (п.3.1), определяемых из справочной литературы; физико-механических характеристик грунта^п.3.2), определяемых на основании данных инженерных изысканий; геометрических параметров компенсатора-упора (п.3.3), принимаемых на основании выбранного проектного ранения; характеристик нагрузок и воздействий (п.3.4), определяемых в соответствии с главой СИЛ "Магистральные трубопроводы.Нормы проектирования".

3.1. Геометрические и фивико-механические характеристики трубы:

В_н - наружный диаметр трубы, см;

Вен - внутренний диаметр трубы, см;

S - номинальная толщина стенки трубы, см;

г    - радиус инерции сечения стенок трубы,    см;

F    - площадь сечения стенок трубы, см²;

5

-    момент сопротивления сечения стенок трубы, см⁸;

-    момент инерции сеченин стенок трубы, см*;

-    коэффициент линейного расиврения метвиа, град^-1;

-    моду» упругости метим, кгс/см²;

-    масса единицы джинн трубы, кг/ом;

-    нормативное сопротивление, кго/ом^;

-    коэффициент Пуассона дня метажжа.

3.2. Фиалко-механические характеристики грунта:

^гр ~ объемная масса, кг/см⁸;

-    угож внутренвего трения, град;

Су    - сдвижение, кгс/см^;

Ерр    - модуль деформации грунта, кгс/см²;

*1_гр - коэффициент снижения коэффициента нормажьного ооп-ротивжения грунта, учитнвеюций геометрические рааиерн транмеи, в которую уложен трубопровод, определяют по графику рмз.1 в за-вмвимоотн от отноиенжя д (минимального расстояния по горн -зоитажн от трубы до стенки транмеи) к k₀ - расстояние от верха засыпки до оси трубы;

С - коэффициент, учитвавдий обравованже свода естественного равновесая, опрадедяется по графику ржв.2 в вависимоо-_{п от} отношения k (раостоянжя о* верха ввошхж до верхней обрааувцеК трубы) к варухножу диаметру труЛ jj_h ;

Рио.2. График дхя оиредедения С_и\ 1-песчашм грунт; 2-глжнжсше грунт

JJ^rp - жовффициеп Пуасоона грунта. Дня гния и тверди и нохутвердкх оугдинжов JL^ = 0,1-0,15; да тугошастичюа супников jtLrp* 0,3-0,4 и дхя текучих Jirp - 0,45-0,5; дхя супеси (в зависимости от консистенции) Jl_rp * 0,15-0,30; дхя песков Jlrp^m 0,20-0,25;

С%.о. ~ обобиенннХ конффициевт жасатедьного еовротивхеяия грунта (кто/ом⁸). Дхя иеочаних и оупесчаинг грунтов нрииимавт

7

разним 0,19-0,33 (дня сухих рыхлых песков - 0,19, для плотной влажной супеси - 0,33); для глин н суглинков ос 0,21 до 0,41 в зависимости от плотности.

Примечание. Модуль деформации грунта Е_гр

можно определять на основании главы СНжП П-15-74 "Основания и фундаменты. Норны проектирования”.

3.3.    Геометрические параметры кошенсатора-упора:

k - расстояние от верха засыпки до верхней образующей трубы, ом;    у

h₀ - *о же до оси трубы ( h_g=k+-g)_% ом;

О. - минимальное расстояние по горизонтали от трубы до стенки траннеи, он;

У,₂    -    углы    поворота    трубопровода,    град;

о\ 7 >РМиусы криви8ны оси отводов, си.

3.4.    Нагрувки и воздействия:

Р - нормативное (рабочее) давление продукта, кгс/см²;

At - нормативный температурный перепад, °С, положительный при нагревании;

Z,#Z₂^- усилия (кто), учитывающие граничные условия по кончай компенсатора-упора, определяемые в соответствии с п.4.9.

4. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА, ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА

4.1. В качестве расчетной схемы компенсаторов-упоров принято сочетание криволинейных (круговых) и прямолинейных участков. Наиболее часто встречающиеся схемы представлены на рюс.З (а, б,в).

Считается, что один на прямолинейных участков трубопровода (со стороны действия усилия Z_f ) имеет длину до ближайме-го угла поворота не менее 500 диаметров труб, когда можно пренебречь влиянием угла поворота на работу компенсатора-упора (рис.3,б,в).

Прямолинейный участок, расположенный с другой стороны компенсатора-упора, имеет ограниченную длину и на его конце приложена внеиняя сила Z₂ (отпор от примыкающей конструкции).

8

Рис.З. Схемы рагбквкк подземного трубопровода на ахементн:

а-дхя угда поворота трассы; б-джя Z -образного компенсатора; в-дхя трапецеидального компенсатора

9

4.2.    Рассчитываемая с же тема равбжвается на ряд прямолинейных м криволинейных (круговых) участков, прж этом узловые точке обязательно назначаются в начале ж конце каждой кривой. Система принята плоской, состоящей жз упругих элементов трубчатого сечения. Зависимость напряжений от деформаций металла труб выражается обобщенным законом Гука.

4.3.    Для определения напряженно-деформированного состояния подземного номпенсатора-упора используется численный метод, являющийся одной из разновидностей метода конечных элементов. Он основан на замене исследуемой конструкции некоторым числом дискретных элементов.

£ качестве конечного элемента принимают прямолинейный упругий стержень, находящийся в среде с двусторонними линейно -упругими свяэями. Криволинейные участки заменяют совокупностью прямых, являющихся хордами данного сектора.

Число узлов К или число элементов, равное К + I, на которое раэбивается вся система, в первую очередь определяется математическим обеспечением ЭВМ, в основном возможностью использования стандартных подпрограмм для решения линейных алгебраических уравнений порядка ЗК.

4.4.    Первый прямолинейный участок трубы (см.рис.3,6,в)

рекомендуется разбивать на 6-II элементов, соответственно углы поворота между ними будут равны нулю. Длины первых двух-трех элементов принимают наибольшими возможными из условия, чтобы произведение J5_C t₁ или ^ L_t не превышало величины 18 (значения Jb_Q и ^ определяют по формулам (15) и (17). Можно рекомендовать принимать    1₁ ~ 100 Ц_н . Далее длины уча

стков уиеньаают пропорционально их номеру таким образом, чтобы длина последнего элемента на первом прямолинейном участке составляла 6-10 м. Прямолинейные вставки между криволинейными участками в зависимости от вылета компенсатора-упора и длины его полки разбивают на 2-4 элемента.

4.5.    Круговые участки разбивают на совокупность прямых, соединенных под углом друг к другу, являющихся хордами сектора.

На рис.4 представлена схема замены круговой кривой радиуса j)_t с углом поворота di_i на совокупность п прямых.