Учебное пособие СМТ

W = 2 × 0,011488 = 0,0188327 м3. 1,22

Расстояние между анкерами из условия прочности:

lа =	12 ×307,08×106 × 0,0188327	= 90,51м.
	8471,484

90,51 м > 13,097 м, т.е. условие обеспечения прочности трубопровода выполняется.

Контрольные вопросы.

1.Что такое балластировка трубопроводов?

2.Какие способы балластировки вам известны?

3.В каких случаях необходима балластировка?

4.От чего зависит осевой момент сопротивления поперечного сечения трубопровода?

5.Что такое анкерное устройство?

2.2.Расчет укладки подводного трубопровода с поверхности воды

В данном способе укладки при заливе внутрь трубопровода воды об-

разуется переходный участок с (рис. 8.).

Рис. 8. Расчетная схема переходной кривой

Каждое сечение трубопровода последовательно испытывает значительные напряжения от изгиба, при этом для сохранности трубопровода должно выполняться следующее условие прочности:

	σmax = ±	Mmaxa , Mmaxb	≤ 0,9R2н ,	(2.17)
		W

где M maxa , Mmaxb - соответственно максимальные изгибающие моменты для участка a и b.

Выполним геометрический и прочностной расчеты, считая известными следующие величины: Dн × δ; ЕI; q1; q2; ω = q1 + q2; hв.

При известном отношении q1 / q2 по уравнению

	q1	=	2 − 3n + n3	,	(2.18)
	q2		3n − 2

или из графика (приложение 17) можно найти соотношение между длиной изогнутого участка с и участка, заполненного водой a; n = с : a. Длину заполненного водой участка a определяем по выражению[1]:

6EIhв

2

6EIhв

a = 4

(q1 + q2 )(n − 0,5)2 − 0,25q2n4

=

n −1

4

q1 + q2

.

Тогда c = na и b = c – a.

Опорная реакция:

R = aq1(0,5a + b)− q2 b22 . c

Максимальный изгибающий момент на участке a:

		M maxa =		R2	;
				2q
				1
	на участке b:
	Mmaxb =	(q1 + q2 )a2		− [R − (q1 + q2 )a]2 .
		2
					2q2

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

Для облегчения расчетов можно использовать график зависимости коэффициентов ψa и ψb от q1 и q2 (приложение 18).

Максимальные напряжения на участке a:

σa = 56,125			rср	ψ a				;		(2.23)
							hв
			δ
на участке b:
σb = 56,125			rср	ψb					,	(2.24)
							hв
			δ
здесь r – средний радиус трубы:
r =	Dн + Dвн					.				(2.25)
ср		4

Если условие прочности (2.17) не выполняется, необходимо искусственно изменить отношение q1 : q2, например использованием утяжеляющих грузов или разгружающих понтонов.

Новое значение ψа.b соответствующее условию прочности будет:

ψ а.b =	0,9 × Rн				.				(2.26)
	2
	56,125		rср
						h
			δ			в

Пример. Рассчитать параметры укладки трубопровода с поверхности воды при следующих исходных данных: Dн = 1,22 м; ; δ = 0,0168 м; Dвн = 1,1864 м; I = 0,011488 м4; R2н = 412 МПа;

q1 = 4050 Н/м; q2 = 5450 Н/м; hв = 30 м.

При отношении q1 / q2 = 4050 / 5450 = 0,74 по графику (приложение

16) величина n = c / а =1,9.

По формуле (2.20)

	а =	2	× 4 6 × 2,1		×105 ×106 ×0,011488×30	=122,573м.
		1,9 -1			4050 + 5450
	Тогда c = n · а = 1,9 · 122,573				= 232,888 м;

b = c – a = 232,888 – 122,573 = 110,315 м.

Так как отношение q1 / q2 < 1, наибольшее напряжение возникнет на участке b.

По формуле (2.26)

r = 1,22 +1,1864 = 0,6016 м.

ср	4

По графику (приложение 17) ψb = 0,26. По формуле (2.25)

σb = 56,125	0,6016	×0,26 ×		= 478,288 МПа.
			30
	0,0168

Ввиду того, что условие прочности не обеспечивается, т.е.

σb > R2н (478,288 > 412 МПа), необходимо уменьшить напряжения из-

менением соотношения q1 : q2 в пределах изменения функций ψa и ψb. По формуле (2.26)

	ψ а.b =		0,9 × 412				= 0,2 .
			0,6016		×
	56,125					30
			0,0168

Этому значению согласно графику (приложение 17) соответствуют два значения q1 : q2, равные 0,17 и 2,5 т.е. уменьшить напряжения от изгиба до допустимой величины можно разгрузкой понтонами и балластировкой утяжеляющими грузами.

Рассмотрим первый случай – разгрузку трубопровода понтонами грузоподъемностью 0,03 МН.

Подъемную силу понтонов на 1м длины найдем из соотношения:

q1	=	q1	- qпт	= 0,17 ,
q2		q2
			+ qпт

где qпт – подъемная сила понтонов;

4050 - qпт = 0,17;

5450 + qпт

4050 -1qпт = 0,17 ×5450 + 0,17qпт ;

-1qпт - 0,17qпт = 926,5 - 4050;

-1,17qпт = -3123,5;

qпт = --31231,17,5 = 2669,658Н/м.

Расстояние между устанавливаемыми понтонами:

lпт = Qпт = 0,03×106 =11,237 м.

qпт 2669,658

При втором расчетном случаи пригрузку трубопровода выполняем одиночными чугунными грузами весом Qг.ср = 0,02 МН, Vг.ср = 0,352 м3. Вес балласта Б на 1 м трубопровода определяем из соотношения:

q1 = q1 + Б = 2,5 ; q2 q2 - Б

	4050	+ Б	= 2,5;
	5450	- Б

4050 +1Б = 2,5×5450 - 2,5Б ;

1Б + 2,5Б =13625 - 4050;

3,5 Б = 1362 ;

Б = 95753,5 = 2735,714 Н/м.

Вес балластного чугунного груза под водой:

Бгр = Qг.ср - γ вVг.ср = 0,02×106 -11500 × 0,352 =15952 Н.

Расстояние между грузами:

lг = 2735,71415952 = 5,831м.

Необходимо отметить, что дополнительная пригрузка увеличивает устойчивость подводных трубопроводов, особенно при их укладке непосредственно по дну водоема или с незначительным заглублением [1].

Контрольные вопросы.

1.В чем суть данного способа укладки?

2.Какими способами можно уменьшить напряжения в трубопроводе, если условие прочности не обеспечивается?

3.Какие показатели учитываются при проверке на прочность в данном способе укладки?

4.От чего зависит средний радиус трубы?

5.Как определить на каком участке при данном способе укладки напряжение будет наибольшим?

2.3.Расчет подводного трубопровода в строительный период ме-

тодом протаскивания

При укладке подводных трубопроводов наиболее распространенным способом - протаскиванием его по дну с помощью заранее уложенного троса - необходимо определить тяговое усилие для всех возможных случаев, рассчитать тяговый трос и анкеры, подобрать тяговые средства и определить допустимую скорость движения трубопровода при протаскивании с самозаливом. Тяговые усилия некоторых механизмов применяемых при протаскивании трубопровода приведены в приложении 18.

Расчетное тяговое усилие[1]:

Т р ³ ттягТп ,

(2.27)

где ттяг – коэффициент условий работы тяговых средств (ттяг = 1,1 – протаскивание лебедкой; ттяг = 1,2 – протаскивание тягачами);

Тп – предельное сопротивление трубопровода на сдвиг, определяемое для следующих расчетных случаев:

Øпри трогании трубопровода с места

Вмомент трогания тяговое усилие обычно бывает больше тягового усилия при равномерном движении. Это обусловлено несколькими факто-

рами: сцеплением грунта, пассивным отпором грунта за счет различных выступов на поверхности трубы (футеровка, балластировка отдельными грузами), сопротивлением из-за сцепления трубопровода с грунтом в момент трогания [9]. В общем случае усилие протаскивания трубопровода по грунту в момент трогания определяется так:

Тп = (qitg + Cгрiг )lпл + Епас ,

(2.28)

где qi – вес единицы длины снаряженного трубопровода; lпл – длина протаскиваемой плети;

iг – длина части окружности трубы, врезающейся в грунт; Сгр – коэффициент сцепления грунта;

Епас – пассивный отпор грунта вследствие шероховатости поверхности трубы. При протаскивании трубопровода с гладкой поверхностью Епас = 0. В остальных случаях определяется по формуле:

			é	γ	t2	æ	45o +	ϕгр
Е	пас	= N i			ест г	tg2 ç
		г г ê			2	ç		2
			ë			è

ö			æ	45o +	ϕ	гр	öù	,	(2.29)
÷	+ 2С	t	tgç				÷
÷		гр г	ç		2		÷ú
ø			è				øû

где Nг – число выступающих элементов на поверхности трубы; tг – толщина выступающих элементов;

γест, φгр – соответственно объемный вес в естественном состоянии, угол внутреннего трения грунта.

Ø при вынужденных остановках

При вынужденных остановках протаскивания на глинистых грунтах усилие трогания иногда оказывается больше начального. Это объясняется присосом трубопровода к грунту. Сила присоса зависит от площади опирания на грунт, времени, в течение которого он находится в покое и вида грунта. На глинистых грунтах присос следует учитывать при остановках протаскивания не менее 1ч [9].

Таким образом при повторном трогании:

Тп = (qitg + Cгрiг )lпл + Епас + qпс Fоп ,

(2.30)

где qпс – сила присоса, характеризуется удельной силой на 1 м2 площади опирания[1].

для плотных глин и суглинков qпс = 300 Н/м2; для вязких - qпс = 600 Н/м2;

Fоп – площадь опирания трубопровода на водонасыщенный глинистый грунт:

Fоп = iг ×lпл .

(2.31)

Подставляя наибольшее из усилий найденных по формулам (2.28) и (2.30) вместо Тп, определяют расчетное тяговое усилие, на которое рассчитывают и подбирают тяговые средства.

Тяговый трос подбирается в зависимости от разрывного усилия [1]:

R = Т		тт.с × nп	,	(2.32)
н	р kт.с ×tт.с

где тт.с – коэффициент условий работы, принимается равным 1,1; nп – коэффициент перегрузки,

nп = 2 – при протаскивании по грунту,

nп = 1,3 – при протаскивании по специальным дорожкам; kт.c – коэффициент однородности троса,

kт.c = 1 – новый трос,

kт.c = 0,8 – трос имеющий обрывы проволок в пределах установленной нормы;

tт.с – коэффициент тросового соединения, значения которого

равны:

При изгибе троса:

вокруг подвижного блока………………………………………………. 0,43

вокруг коуша………………………………………………………………. 0,67

продетого в отверстие в планке……………………………………....0,35

через крюк простой петлей……………………………………………. 0,20 через крюк закидной петлей…………………………………………… 0,70 При наличии на тросе расплавленных узлов…………………………... 0,50 При сжатии троса специальными сжимами………………………… 0,70 При наличии простого, двойного или задвижного штыка……….... 0,50

Для обеспечения устойчивости трубопровода при его протаскивании с одновременным заполнением водой скорость протаскивания должна быть соизмеримой со скоростью самозалива.

Максимальная скорость протаскивания:

	υ	max	= 2,72	d02	,	(2.33)
				D2
				вн

где d0 – диаметр заливочного отверстия; Dвн – внутренний диаметр трубы.

Пример. Определить необходимое тяговое усилие для протаскивания забалластированного чугунными грузами газопровода и подобрать тяговые средства при следующих исходных данных: Dн = 1,22 м; Dвн = 1,1864 м;

lпл = 100 м; d0 = 0,45 м;

qтр = 5225,016 Н/м; Qг.ср = 20000 Н;

размеры груза – R1 = 0,75 м; R2 = 0,66 м;

qi = 17425,016 Н/м; tг = 0,09 м; lг = 1,658 м; iг = 1000 мм; Nг = 50.

Характеристика грунта: γест = 21500 Н/м3; φгр = 18о; Сгр = 1000 Н/м2. Максимальная скорость протаскивания:

υmax = 2,721,01864,45 = 0,464 м/с.

По формуле (2.29)

é21500 ×0,092

2

æ

o

18o ö

æ

o

18o öù

= 20635,3 Н.

Епас

= 50 ×1ê

tg

ç

45 +

÷

ç

45 +

÷

2

ç

2

÷

+ 2 ×1000 ×0,09tgç

2

÷ú

ë

è

ø

è

øû

По формуле (2.30)

Тп = (17425,016 ×tg18o +1000 ×1)×100 + 20635,3 + 300 ×1×100 = 716808,4 Н.

По формуле (2.27)

Т р ³1,1× 716808,4 = 788489,24 Н.

Необходимое тяговое усилие обеспечивает лебедка ЛП – 1 с блоком развивающая усилие 10 · 105 Н.

Контрольные вопросы.

1.В чем суть данного способа укладки?

2.Какие показатели учитываются при протаскивании трубопровода?

3.В чем преимущество данного способа?

4.От чего зависит выбор тяговых средств?

5.Почему при вынужденных остановках усилие необходимое при протаскивании становится больше начального?

2.4.Расчет надземного перехода без компенсации продольных де-

формаций

При пересечении трубопроводами мелких рек, балок, оврагов и других естественных препятствий используются надземные балочные переходы, которые в конструктивном отношении могут выполняться однопролетными и многопролетными, с компенсирующими устройствами и без установки компенсаторов [1].

Наиболее экономичными конструктивными схемами являются однопролетные и многопролетные (число пролетов не более четырех) надземные балочные переходы без компенсации продольных деформаций, т.е. без установки специальных компенсирующих устройств.