МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ
Применение на строительстве магистральных газопроводов многослойных труб является новым и безусловно важным шагом в осуществлении научно-технического прогресса, намеченного партией и правительством применительно к решению проблем дальнего транспорта газа.
Многослойные трубы конструкции Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР выгодно отличаются от обычных (со сплошной стенкой) труб прежде всего тем, что для их производства не требуется применение дорогостоящих сталей с дефицитными легирующими добавками. Кроме того, многослойные трубы обладают повышенной сопротивляемостью лавинным разрушениям. Эти достоинства и предопределили, в основном, появление в области трубопроводного строительства нового направления [11.
Обладая повышенными эксплуатационными свойствами, многослойные трубы по отдельным показателям строительной технологичности несколько уступают обычным. Так, они отличаются более низкой сопротивляемостью воздействию монтажных нагрузок (изгибающих моментов, местных сосредоточенных сил). В связи с этим перед исследователями, занятыми вопросами трубопроводного строительства, возникла важная инженерная задача: оценить возможность использования типовых технологических схем строительства применительно к прокладке трубопроводов из многослойных труб, а также дать количественную оценку несущей способности этих труб на действие монтажных нагрузок с целью возможного уточнения отдельных параметров технологических схем строительного процесса.
Для решения поставленной задачи было принято решение о строительстве в районе пос. Боярка на трассе газопровода Киев — Западная Украина (II очередь) опытного участка протяженностью 1*6 км из многослойных труб диаметром 1420 мм на рабочее давление
7,5 МПа. Опытная партия труб для этого участка была изготовлена Харцызским трубным заводом в первой половине 1979 г. по действующим в то время техническим условиям. Стенка их толщиной 16,4 мм состояла из четырех слоев по 4,1 мм каждый. Концы труб были выполнены в виде обечаек длиной около 1,65 м из отрезков труб со сплошной стенкой.
Хотя практически все поступившие на трассу трубы по своим геометрическим показателям соответствовали допускам, предусмотренным действующими ТУ, у большинства из них имелись отклонения от номинальных размеров, приближающиеся к предельным допускам (по кривизне оси трубы, косине реза торцов, овальности сечений). Это обстоятельство в значительной мере повлияло как на осуществление самого строительного процесса, так и на качество (чистоту) выполнения экспериментальных работ.
Строительство опытного участка осуществлялось силами Глав - укрнефтегазстроя, основной объем работ был выполнен в феврале — мае 1980 г. Экспериментальные исследования в ходе строительства выполнялись учеными и специалистами ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и ВНИИСТа.
Особое ЛІ6СЛ и ь ье'р'й'й Н~feu ГjJHfif a ЯУі^Я^ГіТіиЯ.’о ’ifo’y-
чению особенностей выполнения изоляционно-укладочного процесса. Этот процесс отличается тем, что на трубопровод действуют наибольшие монтажные нагрузки, которые при определенных условиях могут вызвать повреждения трубопровода.
Типовыми схемами производства изоляционно-укладочных работ предусматривается два варианта их выполнения: раздельный и совмещенный способы. В первом варианте трубопровод поднимают с поверхности строительной полосы для выполнения работ по его очистке к изоляции, а затем как самостоятельную операцию производят укладку в проектное положение (на дно траншеи). Во втором — операции по очистке, изоляции и укладке трубопровода совмещены в единый технологический процесс [2].
Подъем и укладка трубопровода осуществляется с помощью трубоукладчиков, обладающих высокими грузовыми характеристиками, в частности, моментом устойчивости против опрокидывания Муст равным 1100 КН. м. Трубоукладчики в колонне обычно работают группами по две — три машины в каждой; число групп, как правило, равно трем. В конце колонны (если трубопровод заранее не заизоли - рован) располагается машина для очистки трубопровода и его изоляции, так называемый «комбайн».
На строительстве опытного участка были испробованы два способа производства изоляционно-укладочных работ. На рис. 1 показан процесс укладки трубопровода из многослойных труб совмещенным способом. В результате научных наблюдений установлено, что применительно к многослойным трубам для «комбайна» целесообразно выделить место вблизи середины колонны. При этом можно добиться более равномерной загрузки трубоукладчиков и, что не менее важно,— снизить уровень напряженного состояния в строящемся трубо-
Рис. 1. Общий вид изоляционно-укладочной колонны на опытном участке в районе пос. Боярка.
проводе. Для реализации этого мероприятия потребовалось заменить типовую оснастку трубоукладчиков; вместо обычных троллейных подвесок понадобились катковые полотенца (массовое производство которых, к сожалению, еще не налажено), позволяющие поддерживать трубопровод на участке, где он покрыт слоем изоляции. Кроме того, с целью снижения контактных нагрузок было принято решение переоснастить также трубоукладчики, работающие перед «комбайном», для этого потребовалось изготовление специальных траверс, с помощью которых производилось спаривание обычных троллейных подвесок.
Особое внимание при строительстве опытного участка было уделено вопросам уточнения расстановки трубоукладчиков в изоляционно-укладочной колонне при работе ее совмещенным способом. Для этого до начала строительства были выполнены теоретические исследования и проведена серия экспериментов, позволивших более точно и правильно скомпоновать колонну [15].
Напряженное состояние трубопровода при строительстве определяется несколькими факторами, основным из которых является упругий изгиб трубопровода, специально создаваемый для выполнения изоляционно-укладочных работ. Кроме того, на напряженное состояние влияют такие случайные факторы как изгиб трубопровода, обусловленный микро - и макрорельефом местности* и различные
|
отклонения от расчетной схемы, вызванные несинхронностью в работе трубоукладчиков. Далее будет рассмотрена методика расчета основных параметров упругого (монтажного) изгиба трубопровода применительно к особенностям многослойных труб и при условии сохранения в колонне заданного (итогового) числа трубоукладчиков. На основании принятой расчетной схемы (рис. 2) и с учетом ряда общепризнанных допущений [3] была установлена взаимосвязь между всеми расчетно-технологическими параметрами исследуемого процесса, т. е. составлена математическая модель изучаемого объекта. Для этого потребовалось выполнить следующие вычисления. 1. Принять в качестве ведущих два безразмерных параметра (аргумента) а = - Ь - и |3 = - р - . h ‘і 2. Ввести такую систему условных обозначений: 2^Ф, Зл L h |
|
F = |
|
2л ч |
|
где EI и q — соответственно жесткость трубопровода на изгиб (как балки) и вес трубопровода, отнесенный к единице его длины; ср3 — угол наклона касательной к изогнутой оси трубопровода в точке 3. Индексы обозначают принадлежность данного параметра к левой (хОу) или правой {х^Ау^ системе координат. И далее |
|
|
|
Рис. 2. Расчетная схема изгиба трубопровода при производстве изоляционноукладочных работ совмещенным способом. |
|
и3п hi |
|
Зл |
|
d = |
|
(1) |
|
4 Г Elh У~Г |
|
(2) |
В2 = V EIhmq В3=У EIhmq3.
Кроме того,
= Bi, Lx — L2 = Li = L^B^, M1 = Л/,Б2; j
КХ = КХВ* K3=K2B3, КЯ = КЛВЯ RA = RAB3; j (3)
= Н^Нт] Л-2л “ kljihmi ^2п =зж ^>2n^Зл = ^Зл^mi ^Зп ^Зи^тп' ^
В табл. 1 приведены значения коэффициентов*^ принятых в расчетной схеме.
|
Значение коэффици ента |
Коэффициент |
||||||
|
А, |
А3 |
А, |
А. |
А. |
А, |
||
|
В ради |
1 |
і |
3 |
4/2+ |
2 |
4 (4/2 + |
4 Г 24/4 х |
|
калах |
/2 + |
2(3 + |
3 + |
+ 5 |
3 + |
+ 5) |
]/ X /2 + 5 |
|
+ 1 |
+ 2/2) |
+ 2/2 |
7 |
+ 2/2 |
7 |
* 7 |
|
|
Прибли женное числен ное |
0,4142 |
0,0858 |
0,5147 |
1,5224 |
0,3431 |
6,0896 |
2,4586 |
|
3. Рассчитать по предложенным формулам значения безразмерных величин, задавая последовательно различные сочетания ведущих параметров аир F = A№ + (A, + + JL; |
|
(4) (5) (6) (7) (4) (9) nli, (10) |
|
2 j кг ч і 2 А3п + 6.^ = 0; с = Л4п2 (гг2 — Аъ); (Р-1) |
|
Л. 4 |
|
^Р3 + + - rj (Р - I)3 + (Р - «)* |
|
X Аа |
|
А1а*+ А, +4-) («-!)»- |
|
/=Л |
|
е = с — d; ; /г2л = fen = fen — 1? fen = Лзл =■ dh1 или /їзл = fen + 1; |
|
—■ Ау у/hi, — I1 (а 1); L2 — Zj (P ос); |
|
h |
|
У2Мй RA~-f |
|
AJl; R„ |
|
(11) J “11 Iv2 — “2 ‘ л8 —5 ”f~ li -^A - (12) Заметим, что значения изгибающих моментов Му (или Мг) в этих расчетах принимаются по модулю и их целесообразно выполнять на ЭВМ. 4. По результатам расчетов построены графики, отражающие взаимосвязь между параметрами и Ь2 при различных соотношениях fen = fen/fe (рис. 3). Заметим, что это отношение отвечает постановке задачи применительно к работе с многослойными трубами, т. е. когда «комбайн» размещается вблизи середины колонны. Этот график получил образное название — «пектораль». 5. Проанализировать влияние возможных высотных отклонений на параметры расчетной схемы, в частности, на нагрузку Кх и изгибающий момент Мх. Для этого представим выбранные параметры в виде К = К1/К1 доп и а = где Ki доп — допустимая нагрузка |
|
Mx |
|
І4 |
|
К1=(а2+^)ї1; K2 =» JL=iL2l5 = -&_+j4 |
|
/> |
1 |
||||||
|
( |
([ |
—o- 1 |
|||||
|
In |
\ |
VHK |
У / |
ll |
|||
|
Ч4* |
і |
I) |
|||||
|
/ |
|||||||
|
/"'s' |
|||||||
|
Ч| / |
|
Ш |
|
2Р L, |
|
Рис. 3. График взаимосвязи расстояний между группами трубоукладчиков при различных значениях Л2п: 1 — /і2п ™ 0,3; 2 — Л2П - 0,4; 3 — Л2п “ 0.5; 4 — Л2п ” °.6: 5 — Л2п “ — 0,7; в — Л2п=°.8; л2п = 0>9! 3 ~ hi п = 1,0. |
|
0,6 |
|
oh |
|
о, я |
|
1.2 |
|
на заднюю группу трубоукладчиков; стт — предел текучести трубной стали, равный 450 МПа; W — момент сопротивления поперечного сечения трубопровода. Суть предстоящего анализа отображена на схеме, показаной на рис. 4. Из струнтуры множителей В2 и В3 можно установить^ что а;=0№)2, (13> где 0 — коэффициент пропорциональности. Взяв произвольную из парабол, например 1, увидим, что с ростом фактора нагружения, т. е. увеличением высот подъема трубопровода h, одновременно растут параметры Кг и а[. На пути их роста встречаются ограничения либо по показателю Клоп, либо по величине о 1д0П. В первом случае в опасности могут оказаться трубоукладчики^ во втором — трубопровод. Для многослойных труб более вероятным оказывается второе, т. е. трубопровод может достичь уровня допустимых напряжений раньше, чем трубоукладчики получат полную загрузку. Для обычных труб нартина обратная. Индексами обозначены ограничения для многослойных (мн) труб и труб со сплошной (сп) стенкой, а также предельные (пред) значения параметров, отличающиеся от допустимых (доп) на величину коэффициента запаса. Очевидно, что наилучшим случаем при выборе «параболы нагружения» будет тот, при котором она пройдет через точку Т. При этом 9 = ^1доп. мнЛ*т* (1^) В этом случае увеличение фактора нагружения должно привести к равновероятному появлению отказа как по причине связанной с потерей устойчивости трубоукладчиков, так и обусловленной возможностью повреждения трубопровода. При условии, что высоты подъема трубопровода оотаются по- |
|
0.2 0А 0.6 0# а; Рис. 4. Схема для анализа возможных вариантов и выбора рационального решения. |
|
|
стоянными, а изменяются лишь расстояния между группами трубоукладчиков, взаимная зависимость параметров Ki и Сті устанавливается посредством решения системы (4) — (12) и имеет вид
|
К |
|
ІДОП |
|
{Ki? |
|
(15) |
|
01 == |
|
0TWq |
|
Л +-J-) |
а графическая интерпретация этого уравнения представлена кривой 3 (рис. 4).
Решая совместно уравнения (14) и (15), получаем
|
« = 2(і/ ; |
|
A ft"2 Л2Л ІДОП |
|
А. |
|
(16) |
|
’ІДОГ№ |
|
При исходных данных для многослойных труб о1пред(мн)= 0,64сгт: ^ідоп(мн)= 0,8оіПред(мн)= 0,51сгт; W = 2,51 • 102 м3; q = 5,7 кН/м, а также учитывая групповую грузоподъемность трубоукладчиков ^ілопі= 474,5 кН при вылете стрел, равном 5 м, и коэффициенте запаса (Каап), равном 1,4, получаем, что а = 1,36. Соответствующее ему значение р можно найти решая системы уравнений (4) — (12), если принять EI = 3,61 • 10е кН-м2; hT = = 2,4 м; кгп = 1,2 м. Искомый параметр (3 = 1,76. 6. Найти расчетные значения технологических параметров процесса укладки и построить технологическую схему производства работ. Конкретные значения искомых технологических параметров устанавливаются подстановкой в систему уравнений полученных величин аир. Так, если в запись L *=Zi (а— 1) и Ь2 = її (Р — а) подставить |
|
a — 1,36 и Р = 1,76, то получим, что Ly = tb2 |
|
L, — 0,9L2 |
|
или |
|
1,36 — 1 |
|
а — 1 |
|
= 0,9. |
|
где t = |
|
Р — а 1,76 — 1,36 Пересечение двух линий на графике (рис. 3): одной эллиптической, обозначенной ft2n = 0,5 (сокращенно «0,5»), а другой — прямой = tb2 дает точку С, координатами которой описывается оптимальная расстановка групп трубоукладчиков в колонне. При машинном счете получаем Lx = 0,9077 и Ь2 = 1,0085. Переведя эти безразмер- |
|
|
|
Шт |
|
19,2* 1ST |
|
36,7 т |
|
Рис. 5. Оптимальная технологическая схема производства изоляционноукладочных работ при строительстве трубопровода из многослойных труб. |
ные соотношения в размерные, зная, что Ьг = L1Bl и Ьг = Ь2Ви найдем численные значения расстояний Ьх и Ь2. Так, если
то искомая расстановка групп трубоукладчиков (рис. 5) будет определяться параметрами
Lx *=ТХВХ = 0,9077 • 35,1 = 32 м;
Ь2 = Ь2ВХ = 1,0085 • 35,1 = 35,5 м.
Остальные расчетные параметры технологической схемы равны
В2 = rEIh^q = 7027 кН ■ м (702,7 тс • м);
В, = EIhTqs = 200 кН (20 тс);
f =— 0,03111; п = 0,856; с = 0,4346; d = 1,3387; / = 1,3542;
е = 0,9041; hx = AjAT = 1,1061 ■ 2,4 = 2,65 м;
А2д = АглАт = 1,4979 • 2,4 = 3,6 м; Агп = АгпАт = 0,4979 • 2,4 = 1,2 м;
Азл = АзлАт = 1,4807 • 2,4 = 3,55 м;
Азп = АзцАт = 0,4807 • 2,4 = 1,15 м;
= Вг = 2,5213 ■ 35,1 = 88,5 м; lt = Z4Bj = 2,1582 . 35,1 = 75,7 мі
Мх = MXB2 = 0,5454 • 7027 = 3832,5 кН • м (383,25 тс ■ м);
R0 = R0B3 = 1,0444 • 200 = 208,9 кН (20,89 тс);
Кх = КгВ3 = 1,9308 • 200 - 386,1 кН (38,61 тс);
К2 = К2В3 = 0,9581 • 200 = 191,6 кН (19,16 тс)
(к полученной нагрузке К2 следует добавить нагрузку от массы комбайна, Qk — 160 кН или 16 тс);
Ка = К3В3 = 1,8361 ■ 200 = 367,2 кН (36,72 тс);
Ra = RaB3 = 0,8264 . 200 = 165,3 кН (16,53 тс).
Напряжения изгиба в опасных сечениях трубопровода ax можно определить как
Мх 3832,5 • 10_3 ,|го-7 1|у|П /КО-! / 24
о, =-тї7-= ------------- 1------- о—= 152,7 МПа (1527 кгс/см2),
1 W 2,51 • 10-2
что составляет 0,34ат.
Предложенная методика расчета может быть использована при определении составляющей упругого монтажного изгиба трубопровода в процессе строительства и выбора оптимальной схемы расстановки трубоукладчиков.
