Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ТРУБЫ И ТРУБОПРОВОДЫ

Сварные трубы большого диаметра широко используют при сооружении магистральных газонефтепроводов. Для изготовления таких труб применяют низколегированные стали 14ХГС, 17ГС, 17Г1С и др. Толщина стенок труб 8. . .20 мм, диаметр 529. . .1420 мм.

Из сварных труб сооружают также трубопроводы метал­лургических и других заводов, гидротехнических сооруже­ний, а также трубопроводы атомных и тепловых электро­станций. При этом трубы, работающие при температуре от —10 до +350 °С и давлении /?<9 МПа, изготовляются из стали СтЗсп и низколегированных сталей 10Г2СД, 14ХГС. Трубы, работающие при температуре от —50 до +350 СС и давлении р<70 МПа,— из сталей 20 и ЗОХМА. Трубы, работающие при высоких температурах (до 600 СС),— из молибденовых сталей, например 15ХМ и др. Для работы в агрессивных средах трубы изготовляют из аустенитных нержавеющих сталей, алюминиевых, титановых и других сплавов. Кроме того, сварные трубы широко применяют в санитарно-техническом строительстве и в ряде специальных областей техники.

Сварные трубы имеют продольные или спиральные швы, при монтаже трубопроводов отдельные трубы свариваются между собой поперечными кольцевыми швами. Прочность трубопроводов оценивают с учетом различного рода усилий, действующих в процессе эксплуатации. Расчет продольных стыков при внутреннем давлении р производят по формуле

В кольцевых стыках создается напряжение, определяе­мое по формуле

(13.19)

где R и s — соответственно радиус и толщина стенки трубы.

При понижении внешней температуры в кольцевых сты­ках образуются напряжения

ot = aATE, (13.20)

где а — коэффициент температурного расширения металла; АТ — изменение температуры; Е — модуль упругости.

Если труба будет испытывать изгибающий момент М от собственного веса и веса жидкости, то при расчете следует учитывать образование в кольцевых швах напряжений

(13.21)

где W — момент сопротивления сечения трубы. Момент М определяется по специальным техническим условиям.

Суммарное напряжение в кольцевых швах определяется следующим образом:

0,+0,-f О,<[0']р.

Допускаемое напряжение в трубопроводах зависит от расчетного сопротивления Rp (обычно Rp=0,9oT), коэффи­циента условий работы т и коэффициента надежности п; /л—0,8. . .0,9, а в местах перехода через препятствия /л=0,75; л=1,2 для газопроводов и л=1,15 для нефтепро­водов.

Трубопроводы иногда устанавливают на опорах: анкер­ных, устанавливаемых в конечных точках и в местах изме­нения направления оси; промежуточных, не препятствую­щих продольным перемещениям Конструкции опор зависят от диаметров труб. При относиїельно малых диаметрах (d<T),6 м) допускается применение опор простейшего ти­па — скользящих; при средних диаметрах (d~0,6. . .1,5 м) — седловых; при больших (d>l,5 м)—Катковых или качаю­щихся.

Если трубопровод большого диаметра (d> 1,5 м) (рис. 13.14, а) выполняет функции газопровода низкого давления, он подвержен воздействию собственного веса (рнс. 13.14, в), обледенения (рис. 13.14, г), внутреннего давления газа (рис. 13.14, д), возможного разряжения (pnG. 13.14, б), а также ветра н изменения температуры.

Нагрузка q от собственного веса трубопровода равно­мерно распределена. Приближенно трубопровод можно при­нять за многоопорную неразрезанную балку. При этом изгибающий момент на опоре

(13<22)

Напряжение от момента

0, = ^, (13.23)

где W'—[п(г{—г}))/(4г,) — момент сопротивления кольца; г, — наружный радиус кольца; г, — внутренний радиус.

Аналогично определяются усилия и напряжения при

обледенении. Еели принять толщину елоя льда в нижней точке 2/i, а в верхней точке равной нулю, то отношение веса обледенения к длине, выраженное в кН'м, определяется по приближенной формуле

qt = 7rhy, (13.24)

где у — удельный вес льда.

Примем Л=0,1 м. Тогда получим qt=0,7ry, момент от обледенения

M" = q9 £; (13.25)

напряжение от момента

(13.26)

Если замыкание трубопровода производилось при тем­пературе Ти то при понижении температуры до значения Тг в нем возникает продольное растягивающее усилие

NT = 2nrs(Tl-Tt)Ea, (13.27)

где а — коэффициент температурного расширения, для стали а= 12- 10~e; s — толщина стенки трубы.

Наряду с продольной силой в стенке трубопровода при неравномерном охлаждении возникают напряжения изгиба

<Jt — aE (Тв—Т,)/2, (13.28)

где Тп — температура наружной поверхности трубы; Тв — температура внутренней поверхности

Усилие от внутреннего давления р в зоне изменения на­правления трубопровода вызывает в его поперечном сече­
нии напряжение

Опо„=-£. (13.29)

Таким образом, полное напряжение в поперечном сече­нии, а также в кольцевом шве трубопровода

о„ + оІ)а + аЕ(Ті — Ті)-і - 0,5 а £ (Г,—Г,) + g < [о']р.

(13.30)

В продольном сечении трубопровода образуются напря­жения, определяемые по формуле

В одних случаях большим по значению оказывается на­пряжение Орцсч, в других — опрод.

Если возможно образование разряжения (рнс. 13.14, б), внешнее давление воздуха вызывает в продольных сечениях оболочки трубопровода напряжения сжатия, которые могут достигать критического значения и вызывать потерю устой­чивости. Если принять трубопровод за длинную цилиндрическую трубу без закреплений, то кри­тическое давление опре­деляется по формуле

Р. (13-32)

Р. р = ^г, (13.33)

где / — расстояние между смежными ребрами жесткости; J — момент инерции кольца и оболочки на длине

a — ,bV rs.

При вычислении р„р по формулам (13.32) и (13.33) должно выполняться неравенство

pKV>m(q

ЩІСШ Рвнутр)-

В этом случае т=1,7.

Чтобы уменьшить продольные усилия, возникающие в трубопроводе вследствие изменения температуры, приме­няют различные способы. В некоторых случаях трубопро­воды укладывают на катковые опоры, усиливая трубопровод в этом месте кольцом жесткости. Для повышения податли­вости в продольном направлении трубопроводы иногда опи­рают на качающиеся стойки, используют также компенса­торы.

Трубопроводы с высоким внутренним давлением (на­порные), применяемые в гидротехнике, проектируются со­гласно изложенным принципам.

В трубопроводах, работающих при относительно невы­соких внутренних давлениях, возможно применение плос - косворачиваемых труб. Эти трубы обладают малой мас­сой и достаточно хорошими эксплуатационными свойст­вами.

Как правило, трубопроводы рассчитывают в основном на статическую нагрузку. В особых случаях учитывают пульсацию давления транспортируемой среды и импульс­ный характер ветровых нагрузок. В магистральных трубо­проводах могут возникать протяженные разрушения, когда местный разрыв стенки трубы сопровождается быстрым продвижением трещины на десятки или же сотни метров. Такой тип разрушения имеет место только в газопроводах. Эго происходит вследствие того, что скорость продвижения конца трещины оказывается весьма большой, и давление газа внутри трубы не успевает снизиться до того уровня, который требуется для остановки трещины. С увеличением давления газа, диаметра трубопровода и толщины его стен­ки опасность появления таких разрушений увеличивается, особенно при низких температурах. Для исключения опас­ности протяженных трещин можно либо использовать трубы из металла с высокой сопротивляемостью развитию разру­шения, либо переходить к многослойным трубам из относи­тельно тонких листов. Однако стали с высоким сопротив­лением развитию разрушения требуют введения легирую­щих добавок, которые дороги. Огромное народнохозяйст­

венное значение трубопроводного транспорта для передачи газа на большие расстояния заставляет вести исследова­ния в разных направлениях.