МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК

Прочностные и деформационные свойства многослойных тонко­стенных конструкций зависят от их конструктивных особенностей, несовершенств формы, возможных повреждений во время транспор­тировки и монтажа, а также характера нагружения.

Все эти факторы приобретают особое значение, если учесть специ­фику строительства и эксплуатации протяженных систем подземных магистральных трубопроводов в различных природно-климатических условиях. Фактические прочностные и деформационные характерис­тики данной конструкции многослойных труб наиболее точно и полно

могут быть получены при исследовании труб, предназначенных для строительства трубопроводов и на моделях близких к этим трубам.

Нами исследованы четырехслойные стальные трубы диаметром 820 мм с толщиной слоя 2 мм и трубы диаметром 1420 мм с толщиной слоя 4,1 мм, изготовленные на опытном участке Харцызского труб­ного завода. Последние прошли разносторонние испытания на поли­гоне СКВ «Газстроймапшна», при строительстве водовода в районе Баку и на опытном участке под Киевом [17].

Исследования показали, что продольная жесткость труб при их изгибе в упругой стадии работы металла практически не отличается от труб с монолитной стенкой толщиной равной суммарной толщине стенки многослойных труб.

Поперечная (кольцевая) жесткость многослойных труб под дейст­вием внешней нагрузки (в частности давления грунта) значительно меньше поперечной жесткости труб с монолитной стенкой той же тол­щины. При поперечном сжатии многослойных обечаек без кольцевых швов, при независимой работе слоев, радиальные перемещения будут в 16 раз больше, чем у однослойной трубы с суммарной толщиной стенки. Фактически у испытанных обечаек диаметром 820 и 1420 мм без кольцевых швов поперечная жесткость меньше труб с монолит­ной стенкой в 13—15 раз.

Поперечную жесткость многослойных труб увеличивают кольце­вые сварные швы и совместно работающие прилегающие к ним много­слойные участки труб. При сжатии диаметрально направленными силами отрезков груб с кольцевыми сварными швами радиальные перемещения уменьшаются в 2—3 раза и, таким образом, поперечная жесткость исследованных труб в 4—6 раз меньше жесткости труб о монолитной стенкой суммарной толщины.

Испытания многослойных труб на изгиб с доведением их до раз­рушения (образования складки) проводились на специальной установ­ке (при чистом изгибе) и в производственных условиях При подъеме сваренных из многослойных труб плетей длиной НО—135 м (рис. 1). Плети вначале укладывались на две опоры, расстояние между кото­рыми увеличивалось до потери несущей способности одной из труб. После вырезки разрушенной трубы и сварки оставшихся частей плети на одном из концов создавалась консоль, длина которой уве­личивалась до излома одной из труб (рис. 2). Опорами служили кат - ковые полотенца или спаренные троллейные подвески с полиурета­новыми катками.

Как показали эксперименты, о исследованных трубах слои рабо­тают почти независимо друг от друга. Благодаря относительно малой толщине каждого слоя, стенка многослойных труб при поперечном их изгибе теряет устойчивость в сжатой зоне мгновенно при напря­жениях значительно ниже предела текучести. Местной потере устой­чивости способствуют несовершенства формы и деформации труб в местах приложения нагрузки на опорах. Местная потеря устойчи­вости стенки труб происходила при напряжениях равных 0,7 —0,8 от предела текучести металла труб, а при наличии небольшого смятия

на опорах напряжения, при которых стенка труб теряла устойчи­вость, снижались до 0,5—0,6 от предела текучести.

При малой толщине стенки каждого слоя и практически незави­симой работе слоев, деформации стенок под местной нагрузкой у мно­гослойных труб во много раз больше, чем у труб с монолитной стенкой той же толщины.

Деформации многослойных труб измерялись при различной шири­не и форме опорных площадок. Упругие деформации затрудняли вращение труб на покатях, остаточные деформации приводили к образованию вмятин.

На основании проведенных экспериментов получены приближен­ные формулы для данной конструкции многослойных труб, позволяю­щие производить их расчет на прочность и устойчивость.

При расчетах трубопроводов на монтажные нагрузки надлежит учи­тывать возможные перегрузки и динамическое воздействие механиз­мов, повышающие напряжения в трубах при выполнении строительно­монтажных работ в 1,2—1,6 и более раза по отношению к напряжениям, полученным при статическом расчете согласно принятой расчетной схеме.

Проведенные в производственных условиях экспериментальные исследования показали, что трубопроводы из многослойных труб диаметром 1420 мм с четырьмя слоями по 4,1 мм не могут строиться теми же методами, что и трубопроводы из труб с монолитной стенкой. Этому препятствуют, прежде всего, мгновенная потеря устойчивости стенки труб при напряжениях изгиба значительно меньших, чем пре­дел текучести металла и образование остаточных деформаций (вмя­тин) при сосредоточенном приложении нагрузки.

При современных поточных методах строительства трубопроводов напряжения изгиба близки к пределу текучести металла труб, осо­бенно при строительстве трубопроводов в пересеченной местности.

При изгибе плетей из труб с монолитной стенкой, с достижением предела текучести возрастают прогибы и лишь после распространения пластических деформаций по всему сечению наиболее напряженной трубы появляется плавная гофра. В многослойных трубах при дости­жении критических напряжений потери устойчивости стенки в сжа­той зоне мгновенно образуется складка с потерей несущей способ­ности трубопровода.

Устойчивость стенок труб может быть повышена за счет увеличе­ния толщины слоев или обеспечения совместной их работы.

Испытания на изгиб двух труб диаметром 1420 мм с тремя слоями по 5,3 мм показали увеличение критических напряжений потери устойчивости при изгибе примерно на 20 %. Однако это может ока­заться недостаточным для того, чтобы избежать повреждения труб при выполнении строительно-монтажных работ.

Если при наличии по концам труб обечаек с монолитной стенкой вопросы транспортировки и сварки многослойных труб в секции на базах решаются относительно просто, то подготовка трассы и тран­шеи, выполнение изоляционных, укладочных работ и засыпка труб грунтом, особенно в условиях Севера и Западной Сибири, требуют специальных мероприятий.