СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

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 - f-350°C и давле­нии р^9 МПа, изготовляются из стали СтЗсп и низколегированных сталей 10Г2СД, 14ХГС, трубы, работающие при температуре от —50 до +350°С и р^.70 МПа, — из сталей 20 и 30ХМА, трубы, ра­ботающие при высоких температурах (до 600°С), — 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 сваривают 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

1 — pR/(2s), (21.30)

где R и 5 — соответственно радиус и толщина стенки трубы.

При понижении внешней температуры в кольцевых стыках образуются напряжения

2 = аТЕ, (21.31)

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

o3=M/W, (21.32)

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

Суммарное напряжение в кольцевых швах

аі + а2 + аз^[а/]Р. (21.33)

Допускаемое напряжение в трубопроводах зависит от расчет­ного сопротивления Rv (обычно Rv=0,9gt) , коэффициента условий работы m и коэффициента перегрузки п; т = 0,8+0,9, а в местах перехода через препятствия т — 0,75; п— 1,2 для газопроводов и /г=1,15 для нефтепроводов.

Трубопроводы иногда устанавливают на опорах: анкерных,

устанавливаемых в конечных точках и в местах изменения направ­

ления оси, промежуточных, не препятствующих продольным пере-

277

мещениям. Конструкции опор зависят от диаметров труб. При относительно малых диаметрах (<i^0,6 м) допускается применение опор простейшего типа—скользящих, при средних диаметрах (£?=0,6-М,5 м)—седловых, при больших (<£^1,5 м)—катковых,, или качающихся.

Если трубопровод большого диаметра (d>,b м) (рис. 21.14,а) выполняет функции газопровода низкого давления, он подвержен воздействию собственного веса (рис. 21.14,в), обледенения (рис 21.14,г), внутреннего давления газа (рис. 21.14,d), возмож­ного разрежения (рис. 21.14,6), а также ветра и изменения темпе­ратуры.

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

Mq = ql2/8. (21.34)

Напряжение от момента

aq = Mq/W, (21.35)

где W = n{rA—г42)/(4/"i)—момент сопротивления кольца; Г — на­ружный радиус кольца; г2 — внутренний радиус.

Аналогично определяют усилия и напряжения при обледенении. Если принять толщину слоя льда в нижней точке 2h, а в верхней

точке— равной нулю, то отношение веса обледенения к длине, вы­

раженное в кН/м, определяется по приближенной формуле

qo = 7rhy, (21.36)

где у — удельный вес льда.

Примем h — 0,1 м. Тогда получим go = 0,7ry; момент от обледе­нения

М„=<7.<78; (21.37)

напряжение от момента

=MJV - <21'38)

Если замыкание трубопровода производилось при температуре Ті, то при понижении температуры до значения Т2 в нем возникает продольное растягивающее усилие

NT = 2izrs (Г1 — Т2) Еа, (21.39)

где а — коэффициент температурного расширения; для стали

ct = 12-10-6; s — толщина стенки трубы.

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

от = аЕ (Гн-Гв)/2, (21.40)

где Тн — температура наружной поверхности трубы; Тв — темпера­

тура внутренней поверхности.

278

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

Gnon=pr / (2s). (21.41)

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

сРасч = + % + *Е (Т1 - Т2) + аЕ (Тн - Тв)!2 + pr[(2s) < [а']р.

(21.42

В продольном сечении трубопровода образуются напряжения, определяемые формулой

0'прод = Р7'/5^[(7/]р. (21.43)

В одних случаях большим по значению оказывается напряже­ние СТрасч, В Других — Опрод-

Если возможно образование разрежения (рис. 21.14,6), 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 рнР опре­деляется по формуле

Аф = 3£7,/гЗ, (21.44)

где 1 — момент инерции относи­тельно собственной оси продоль­ного сечения стенки трубопрово­да длиной 1 м; г — средний радиус оболочки.

Для повышения устойчивости оболочки иногда предусматрива­ют постановку кольцевых ребер жесткости. Их типы уголкового и таврового профилей изображены на рис. 21.15. Критическое давле­ние рКр в этом случае находят из соотношения

ркр=3 EI/(lr3), (21.45)

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

а = 1,6 Yrs. (21.46)

При вычислении Ркр по формулам (21.44) и (21.45) должно вы­полняться неравенство ркР^^(рвнеш—рвнутр). В этом случае ш = =1’7*

Чтобы уменьшить продольные усилия, возникающие в трубо­проводе вследствие изменения температуры, применяют различные способы. В некоторых случаях трубопроводы укладывают на кат-

279

ковые 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. Для наземных напорных трубопроводов основными видами нагрузок являются внутреннее давление жидкости с учетом гидростатического давления и дина­мического коэффициента при гидравличе­ском ударе, собственный вес трубопровода с водой, осевые усилия, вызванные давле­нием жидкости на поворотах и при измене­нии диаметра, и температурные воздействия. Определение расчетных напряжений в про­дольном и поперечном сечениях трубопро­вода (продольных и кольцевых швах) про­изводится по формулам (21.42) и (21.43).

Подземные трубопроводы помимо внут­реннего давления и температурного воздей­ствия испытывают нагрузку от насыпного грунта. Нагрузка, отнесенная к длине тру­бопровода,

Q = 2qr, (21.47)

где q — давление грунта.

Под нагрузкой Q трубопровод приобретает эллиптическое очер­тание (рис. 21.16) и в стенке трубы возникает изгибающий мо­мент

MQ=Qr cos 20/8. (21.48)

С другой стороны, внутреннее давление р в трубе эллиптиче­ского очертания вызывает момент Мр.

Суммарный момент при 0 = 0

M = Mp-{-MQ = - g-jl+ i + [4p(r/sy/E] }• (21.49)

В результате отпора грунта изгибающий момент принимает зна­чение Мц. Здесь

тj = 1/[1 - j - Xvr (r/s)3/E, (21.50)

где Я — коэффициент, зависящий от направления отпора грунта (в среднем может быть принят за единицу); v= (2-5-6) МН/м3— коэффициент, зависящий от свойств грунта и диаметра трубы. С увеличением плотности грунта v возрастает. Определив /Иузг = =tjM, находим напряжение в продольном шве трубы.

280

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

Как правило, трубопроводы рассчитываются в основном на статическую нагрузку. В особых случаях учитываются пульсация 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 и сотни метров. Такой тип разрушения имеет место только в газопро­водах. Это 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 разрушений можно либо использовать трубы из металла с высоким сопротивлением разви­тию разрушения, либо переходить к многослойным трубам из от­носительно тонких листов. Однако создание сталей с высоким со­противлением развитию разрушения требует введения легирующих добавок, которые дефицитны и дороги, а применение многослой­ных труб усложняет как технологию их изготовления, так и сварку кольцевых стыков на монтаже. Огромное народнохозяйст­венное значение трубопроводного транспорта для передачи газа на большие расстояния заставляет вести исследования в обоих направлениях.