МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ТРУБЫ С ПОНИЖЕННОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ t ДЛЯ БЕСКОМПЕНСАТОРНОЙ ПРОКЛАДКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕПАДАХ ТЕМПЕРАТУР

Задача снижения продольной жесткости магистральных трубо­проводов ставится, главным образом, в связи с необходимостью ком­пенсации температурных деформаций. Известные решения в этой области основаны на применении в конструкциях трубопроводов^ работающих при значительных перепадах температур, компенсато­ров продольных перемещений, которые в конструктивном исполне­нии представляют собой изогнутые в пространстве участки трубо­провода.

В этих системах используется принцип накопления температур­ных деформаций на каком-то участке и последующей компенсации поглощения их отдельным компенсирующим устройством. Это обсто­ятельство, кроме недостатков, присущих различным компенсаторам^ влечет необходимость значительных продольных перемещений всего трубопровода, что усложняет и делает ненадежной систему, особен­но в подземном варианте укладки.

Наличие компенсаторов существенно сказывается на технологии строительства трубопровода. Например, в техническом проекте ма- вутопровода Полоцк — Лукомль вариант с компенсаторами резко ограничивает возможность механизации проведения работ и влечет за собой необходимость строительства специальной лежневой до­роги параллельно трассе, так как основная часть трассы проходит в болотах. Кроме того, стоимость самих компенсаторов составляет 2,22 млн. руб. на 120 км трубопровода диаметром 426 мм, что пример­но равно стоимости самой трубы.

При строительстве «горячего» нефтепровода Тихорецкая — Ли­сичанск диаметром 720 мм в районах горных выработок был приме­нен вариант с компенсаторами, установленными через 100 м. При этом для обеспечения продольных перемещений трубопровода потребова­лась укладка на песчаной подушке. По проекту стоимости подсып­ки песком и самой трубы оказались равными, а все затраты по обес­печению компенсации в три раза превысили стоимость трубы.

Если рассматривать затраты на строительство теплотрасс, то( очевидно, что обеспечение мер по компенсации (устройство компен­саторных ниш, компенсаторов, неподвижных опор) является одной из первостепенных статей стоимости трубопровода.

Эти соображения послужили основой предложенной и разрабо­танной в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР идеи непрерывной компенсации температурных деформаций трубо­провода за счет создания труб с пониженной продольной жесткостью путем введения в конструкцию винтовых гофров [1]. Трубы, полу­чившие название «самокомпенсирующиеся», обеспечивают местную компенсацию продольных деформаций от изменения температуры, внутреннего давления и других осевых воздействий, например, де­формации грунтов.

Нанесение гофров по винтовой линии позволило придать процес­су изготовления труб непрерывный характер. Оно было согласовано со спиральношовным способом изготовления труб, когда гофры рас­полагаются с шагом, равным шагу спирального шва. Гофры прока­тываются на плоскости параллельно кромкам рулонной полосы, а затем труба формуется, как обычно, по винтовой линии.

Количество гофров, наносимых на рулонную полосу, так же как и форма гофров определяется требуемой жесткостью трубы и компен­сируемой деформацией. Диапазон вариантов — от трубы из полосы с однозаходным гофром до равномерно расположенных гофров по всей ширине полосы. Как показали исследования, для труб, рассчи­танных на перепад температуры до 140 °С, может быть достаточным применение однозаходного гофра при шаге 500—600 мм.

Теоретические и экспериментальные исследования самокомпенси - рующихся труб проводились, главным образом, для оценки проч­ности, определения напряженно-деформированного состояния, вы­бора оптимальной формы гофра, угла наклона гофра к оси трубы в определения оптимальной степени снижения осевой жесткости трубы [2].

Решение этих задач было согласовано со следующими основными требованиями: минимизацией усилий в направлении перпендикуляр' ном оси гофра при рабочих нагрузках и при заводских испытаниях; достаточным уровнем снижения осевых усилий в трубе; технологич­ностью изготовления труб спиральношовным способом, достаточной компенсирующей способностью труб.

Совместно с Институтом механики АН УССР был разработан при­ближенный метод расчета таких труб для оценки их жесткости п на­пряженности при действии осевой силы, крутящего момента и внут­реннего давления. При этом длинная труба схематизируется беско­нечной оболочкой, напряженно-деформированное состояние которой, как и ее геометрия обладает винтовой симметрией, т. е. напряжения л деформации не изменяются вдоль винтовых линий, соответствую­щих гофру.

Кроме расчетных методов проводились экспериментальные ис - - следования на плоских гофрированных образцах, затем на трубах диаметром 325 X 1,2 мм, изготовленных в лабораторных условиях ВНИИметмаша, и, наконец, на натурных трубах диаметром 426 X X 5 мм. Трубы исследовались под действием осевого сжатия, имити­рующего температурные воздействия, и внутреннего давления.

Установлено, что для труб, находящихся под внутренним дав­лением, с перепадом температур до 140 °С независимо от их геометри­ческих размеров диапазон оптимальных углов гофрирования нахо­дится в пределах 60—70°. Была определена также рациональная сте­пень снижения осевой жесткости трубы, составляющая для рас­сматриваемого сочетания нагрузок (температурный перепад 140 °С я давление до 5,5 МПа) 6—8 и не зависящая от геометрических раз­меров трубы. Выбраны рациональные формы гофров для труб диа­метром до 820 мм, обеспечивающих компенсирующую способность в пределах упругих деформаций при нагружении рабочими нагруз­ками.

Для определения влияния винтовых гофров на аэродинамические характеристики самокомпенсирующихся труб в ЦАГИ им. Жуков­ского были проведены исследования аэродинамического сопротивле­ния и скосов потока в трубопроводе длиной 100 калибров (I = 40 м) из труб диаметром 325 X 1,2 мм. Исследования показали, что аэродинамическое сопротивление труб с винтовыми гофрами с шагом 500 мм и углом наклона 60° находится в диапазоне чисел Re — 8 - 105 - т - 107, что соответствует всему диапазону применяемых в газо - и нефтепроводной практике диаметров и давлений, практи­чески не отличается от гладкой цельнотянутой трубы с величиной ше­роховатости 0,0001.

Проводились также испытания опытных самокомпенсирующих­ся труб под давлением с доведением до разрушения при нормальной температуре. Величина разрушающего давления не превысила рас­четного значения для гладких труб того же диаметра.

Положительные результаты исследований позволили приступить к опытному изготовлению самокомпенсирующихся труб. На Альме­тьевском заводе спиралешовных труб был реконструирован стан сни - ралыюшовных труб и выпущена первая опытная партия самокомпен­сирующихся труб диаметром 426 X 5 мм длиной 400 м Трубы изготавли­вались из рулонной стали марки Ст. 10 с о* до 420 МПа шириной 500 X Х5 мм. Гофр высотой 26 мм наносился посредине полосы вдвухклетье - вой профилировочной машине в холодном состоянии. Угол наклона гофра к оси трубы 68°. При этом существенное увеличение тянущего усилия при формовке трубы из гофрированной полосы не обна­ружено.

Две десятиметровые трубы из опытной партии испытывались в гидропрессе Па 9337 при расчетном давлении 5 МПа. Выпучивания, течи и искривления оси трубы не наблюдалось.

Для проверки компенсирующей способности и определения на-
пряжеино-деформированного СО­СТОЯНИЯ изготовленных труб были проведены стендовые испытания труб длиной 4 и на сжатие, ими­тирующие нагрев (рис. 1). Испы тания показали, что продольная жесткость данных труб в 8 раз меньше обычных, что совпадает с данными расчета. При нагрузках, соответствующих нагреву 100 °С, максимальные напряжения (а именно, изгибные в вершине гофра) не превышают предела текучести материала [3].

Однако возможности спираль­ношовной самокомпенсирующейся трубы с винтовым гофром, по-види­мому, ограничиваются толщинами стенки 8—10 мм, так как с увели­чением толщины существенно ухуд­шаются условия формовки гофра методом холодной прокатки, резко увеличивается жесткость и снижа ется компенсирующая способность.

Кроме того, максимальная толщи­на рулонной стали не превышает 14 мм [4).

Для газонефтепроводного транс­порта наибольший интерес пред­ставляют трубы, рассчитанные на высокое внутреннее давление и имеющие большой диаметр (до 1420 мм), толщины стенок которых превышают приведенные выше величины. Известно, что в северных районах в современных газопроводах диаметром до 1420 мм в резуль­тате разницы между температурой укладки и эксплуатации, равной 60—80 °С, возникают значительные продольные усилия, которые достигают 20 000 кН. В результате их воздействия на выпуклых кри­вых, чаще всего на заболоченных территориях, наблюдались случаи выхода трубопровода на поверхность. Для предотвращения этого явления выпуклые кривые пригружаются железобетонными при - грузами или ставятся винтовые или свайные раскрывающиеся анкера. При радиусе упругого изгиба 2500 м масса пригрузов 1,8 т в воде и 3 т на воздухе на 1 м длины трубопровода. Для улучшения работы забалластированного трубопровода в этих условиях необходима ус­тановка мертвых опор. Кроме того, опасными являются участки тру­бопроводов, на которых продольные перемещения могут вызывать разрушение соединений (подогреваемые нефтепроводы возле перемы­чек, задвижек и узлов пуска очистных устройств, в местах подклю­чения к компрессорным станциям и др.), а также трубопроводы, в которых продольные напряжения могут привести к разрыву —
«холодные» участки, участки в районах горных выработок [5]. При создании самокомпеысирующейся трубы для этих случаев необходи­мо также учитывать, что гофрированные трубы обладают, с одной стороны, пониженной жесткостью в осевом направлении, что позво­ляет трубопроводу ближе следовать рельефу местности, а с другой — повышенной устойчивостью сечения при изгибе. Оба эти фактора весьма желательны при большом диаметре труб и применении много­слойных труб.

Основываясь на конструкции и технологии изготовления мно­гослойных рулонированных труб. Институт электросварки им. Е. О. Патона АН УССР совместно сКФ ВНИИСТ предлагает приме­нить для снижения осевых усилий в магистральных трубопроводах до безопасных многослойные вставки с кольцевыми гофрами, т. е. объединить идеи многослойности и самокомпенсации. Преимущества многослойной гофрированной самокомпенсирующейся трубы заключа­ются в практически неограниченных размерах по диаметрам и толщи­нам, улучшении условий нанесения гофров, резком увеличении ком­пенсирующей способности труб при сохранении всех преимуществ, связанных с эффектом многослойности. Для гофрированных труб применение многослойной стенки оправдано еще и тем, что неза­висимо от формы гофров осевая жесткость их уменьшается пропор­ционально квадрату количества слоев.

На рис. 2 представлены варианты схемы трубопровода с много­слойными гофрированными вставками.

1. Гофрированные вставки размещаются на каждой многослой­ной трубе, например, посередине, как показано на рис. 2, а. Вставка представляет многослойную гофрированную обечайку длиной 1,5 м с равномерно расположенными кольцевыми гофрами. Ее компенсиру­ющая способность должна составлять 15 мм для перепада Д/ — 100 °С. Следовательно, при расположении гофров с шагом 100 мм компенси­рующая способность каждого должна составить я» 1 мм, что вполне достижимо.

2. Компенсационная вставка из нескольких гофрированных обе­чаек располагается между участками из обычных или многослойных труб значительной протяженности аналогично компенсаторам. От­личие вставки от осевого волнистого компенсатора заключается в большой протяженности, невысоких гофрах плавного очертания с прямолинейными участками между ними, что позволит обеспечивать равномерное нагружение гофров на большей длине, изготавливать вставки из обычной трубной стали по более простой и экономичной технологии. Основным недостатком этого варианта (рис. 2, б) явля­ется необходимость значительных перемещений трубопровода. Он может найти применение как разгрузочный участок, например, пе­ред выходом трубопровода на поверхность.

3. Третий вариант (рис. 2, в) схемы применим только для много­слойного трубопровода, когда на каждой полутораметровой обечай­ке образуют кольцевые гофры с постоянным шагом вдоль всего тру­бопровода. Это вариант самокомпенсирующейся трубы с кольцевыми многослойными гофрами. При расположении гофров с шагом равным
ширине применяемой рулонной стали (1,5 м), компенсирующая способность одного гофра должна составить «*1,5 мм.

Рассмотрим, как изменится характер напряженно-деформирован­ного состояния при осевом нагружении, нагреве и под действием внутреннего давления в многослойной трубе диаметром 1420 мм с толщиной слоя 4 мм с введением кольцевых гофров.

В трубах с гофрами относительно небольшой высоты кольцевые напряжения от внутреннего давления будут примерно такими же, как и в обычных, но в условиях бесконечного защемленного трубо­провода резко снизятся осевые растягивающие напряжения. С уве­личением высоты гофров они могут перейти в область сжимающих напряжений небольшой величины.

На рис. 3 показаны эпюры осевых и кольцевых напряжений на наружной и внутренней поверхности среднего слоя трубы с кольце­выми гофрами от нагрева на 60 °С, полученные при расчете трубы по программам, разработанным в Институте механики АН УССР. В качестве примера рассмотрен гофр высотой 18 мм, шириной 200 мм с шагом 800 мм. Согласно расчету, компенсирующая способность та­кой трубы 1,06 мм на 1 м длины. Максимально допустимый темпера­турный перепад для стали с ат = 420 МПа составляет 88 °С. Осевая жесткость рассматриваемой трубы, напряжения сжатия в трубе от нагрева и усилия, действующие на опоры и задвижки, уменьшатся в три раза по сравнению с обычной.

12м

1,5м

I

6

Оценка влияния снижения осевой жесткости на перемещения засыпанного грунтом трубопровода показала, что величины переме­щений, которые могут вызвать разрушение соединений возле перемы­чек и задвижек, возле узлов пуска очистных устройств, в местах подключений к компрессорным станциям и перед выходом на по­верхность, в трубопроводе из рассматриваемых гофрированных труб снизятся примерно в три раза.

Учитывая, что механизм работы гофрированных элементов при растяжении и изгибе тождествен (на вогнутой стороне трубы испы­тывают сжатие, на выпуклой — растяжение), можно считать, что способность гофрированных труб к упругим деформациям при из­гибе также в три раза выше, чем у обычных. Это позволит укладывать трубопровод по кривым значительно меньшего радиуса.

Возможны различные технологические схемы получения много­слойных труб с кольцевыми гофрами, основой которых является существующая технология изготовления многослойных труб. До­бавочная операция гофрирования может производиться по двум схемам: рулонированием обечаек из предварительно гофрированной полосы [6] и нанесением гофров на готовые трубы, что можно осуще­ствить различными способами — накаткой, выдавливанием механи­ческим и гидравлическим способом, с помощью взрыва. Возможна следующая комбинированная схема: предварительное гофрирование заготовки с последующей доформовкой гофров на готовых трубах.

Выбор схемы и разработка технологии изготовления многослой­ных гофрированных труб должны быть связаны с решением задачи оптимизации конструкции, т. е. выбором рациональной формы и ша­га гофров.