Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния магистрального трубопровода при использовании способа бесподъемной технологии его укладки

Аннотация

Е.П. Простаков

Исследование основных вопросов технологии и механизации работ при укладке трубопровода большого диаметра. Перемещение сваренного в нитку трубопровода в проектное положение осуществляется путем последовательных сдвигов его начальных участков. Зависание определенной части трубопровода над траншеей с последующим сдвигом является основной причиной его самоукладки в траншею.

Ключевые слова: трубопровод, траншея, контактная зона, самоукладка, перспективность, экономичность

05.23.17 - Строительная механика

Данные исследования были начаты доцентом Юрием Николаевичем Музыченко на кафедре строительной механики РИСИ. Автор, испытывая глубокое уважение к безвременно ушедшему коллеге, решил завершить эту работу, так как считает предложенный метод перспективным.

Объектом исследования является технология прокладки трубопроводов большого диаметра.

Цель работы – исследовать основные вопросы перспективной технологии и механизации работ при укладке трубопроводов большого диаметра.

Предполагается, что на световой поверхности, перед прямолинейным участком траншеи большей протяженности, сваривается в нитку участок, подлежащего укладке трубопровода значительной длины.

Предполагается также, что ось трубопровода отстоит от оси траншеи на расстоянии h = ½ h_тран + ½ d_тр + h₁, где h_тран – ширина траншеи, d_тр – диаметр укладываемой трубы, h₁ – расстояние между кромкой траншеи, прилегающей к трубе и самой трубой.

Перемещение сваренного в нитку трубопровода в проектное положение осуществляют путем последовательного сдвига начальной части трубопровода на ось траншеи, так, чтобы сдвигаемая часть попала (без перескока) в зону траншеи и стала опускаться в нее.

Места приложения последовательно действующих сдвигающих сил рассчитываются так, чтобы обеспечить зависание определенного начального участка трубопровода над траншеей, в результате чего эта часть трубы под действием собственного веса опускается на дно траншеи. При последующем сдвиге происходят дальнейшие перемещения и опускание на дно также и участка, который примыкает к предыдущему участку трубы.

Возникающие в результате такого начального принудительного перемещения пространственные упругие деформации трубы носят двоякий характер.

Во-первых, участок трубы определенной протяженности, расположенный на дневной поверхности, за счет горизонтального смещения, равного расстоянию между осями трубы и траншеи (h), стремится сдвинуться в сторону траншеи, встречая сопротивление сил трения между трубой и основанием.

Во-вторых, после того, как часть трубы вошла в траншею происходят вертикальные перемещения трубы на дневной поверхности (отрыв от земли) на участке, расположенном за промежуточной опорной связью, где труба, выходя из траншеи, опирается в некоторой зоне на границе траншеи.

Отрыв части трубы от земли на некотором участке сводит к нулю силы трения на этом участке, а это, в свою очередь, вызывает дополнительные смещения трубы в сторону траншеи и, как следствие, добавочное опускание части трубы на дно, что неизбежно влечет смещение места опирания трубы на граничную линию траншеи и отрыв трубы уже на новом участке.

Таким образом, можно заключить, что возникшая при целенаправленной подвижке трубы в траншею потенциальная энергия деформации, которая при непрерывном цикле перемещений все время восполняется, переходит в кинетическую энергию, приводящую трубу в движение, что и обуславливает перманентный процесс самоукладки.

Выполненные исследования показали, что при начальной подвижке трубопровода к траншее длина его активной части должна определяться из условия равенства нулю изгибающего момента. При этом расчетная схема представляется в виде консольной балки, загруженной одной из сдвигающих сил Q₁ или Q₂ и противоположными к ним силами трения.

Характер передвижения трубы должен быть таков, чтобы исключалась возможность перескока трубы через траншею.

По мере вхождения трубы в зону траншеи, перестают действовать силы трения, и расчетная схема видоизменяется.

Расчеты показывают, что равномерное зависание трубы над траншеей, обуславливающее ее погружение, можно обеспечить последовательным приложением двух сил Q₁ и Q₂, приложенных на расстоянии X₁ и Х₂. При этом оптимальная длина L изгибаемого участка будет зависеть от диаметра трубы d и коэффициента трения f трубы и основания.

Так, например, оптимальная длина начального изгибаемого участка трубопровода диаметром 1420 мм, при коэффициенте трения f=0.5, находится в пределах 155-165 метров или 109-116 ǿ трубы. Для достижения оптимального перемещения начала трубопровода Y_onm=H, точка приложения сдвигающей силы Q₁ должна находиться от начала трубы на расстоянии x₁=46-47м, а при второй подвижке силой Q₂, точка приложения силы смещается и находится на расстоянии x₂=57-58м. Поясним вышесказанное на примере трубопровода диаметром 1420 мм. (Толщина стенки δ=18.72мм, погонный вес q=6.5кгс/см, момент инерции сечения J=4,945*10⁶см⁴, коэффициент трения трубы с основанием f=0,5, h_тран=150см, h₁=104см). При величине сдвигающей силы Q₁=31,5тс (первая подвижка) на расстоянии X₁=46,5м, изгибу подвергается начальный участок трубопровода длиной l=155м. Перемещение начальной точки А составит y_1А=232см. (Расчет производился путем последовательных попыток с учетом того, что по мере перехода трубы за кромку траншеи, силы трения  на начальном участке становятся равными нулю).

При действии силы Q₂=40.6тс (вторая подвижка), приложенной на расстоянии Х₂=57.6м – длина начального участка, вовлеченного в изгиб, увеличивается до 165м. Перемещение начальной точки А y_2А=18.3см≈18см. Общее перемещение равно y_А=y_1А+y_2А=250см.

Таким образом, начальная точка А оси трубопровода расположится над осью траншеи. При этом часть трубы, длиной около 50м, перейдет за кромку траншеи. Вертикальное перемещение точки А составит 110см, что больше половины диаметра трубы.

Дальнейшая подвижка трубопровода по направлению к траншее ведет к тому, что протяженность трубы, располагающейся над зоной траншеи, будет увеличиваться, а начало трубы все глубже погружаться в траншею. Естественно, что в результате этого, длина участка подверженного изгибу, но расположенного еще на дневной поверхности, также будет увеличиваться. Помимо горизонтальных перемещений на этом участке будут и вертикальные перемещения (отрыв от земли).

Расчетная схема изгибаемого в вертикальном направлении под действием сил собственного веса q, трубопровода (до момента касания началом трубы дна траншеи) представляет собой балку, одна часть которой свисает в траншею, а другая часть лежит на земле с условной жесткой правой заделкой. На границе этих участков естественно имеется некоторая контактная зона трубы с землей.

Расчеты показали, что когда начало трубы достигает дна траншеи, труба теряет контакт с землей на световой ее части. Расчетная схема при этом изменяется. Вместо свободного конца в начале трубы необходимо установить опору, препятствующую вертикальным перемещениям. При дальнейшем погружении трубопровода левый край трубы плотно ляжет на дно траншеи. В этом случае расчетная схема может быть представлена в виде балочной системы, условно защемленной по концам с промежуточной шарнирной опорой, находящейся в зоне контакта.

При этом максимальная сила, заталкивающая трубу в траншею в контактной зоне, значительно превышает удерживающую силу, возникающую за счет трения. Труба не в состоянии удерживаться на границе контактной зоны. Она будет продолжать опускаться на дно траншеи. Контактная зона сместится в новое положение, но и там не может быть сохранено равновесие. Будет происходить непрерывное перемещение контактной зоны и, следовательно, будет осуществляться самоукладка трубы на всем ее протяжении.

Учет конструктивной нелинейности, обусловленной изменением связей трубы с землей во времени, моделируется согласно методике, изложенной в [5, 6].

Итак, в результате предварительного патентного поиска и анализа технических материалов существующих способов прокладки магистральных трубопроводов можно сказать, что предложенный способ прокладки магистральных трубопроводов перспективен и экономически выгоден.

    ЛИТЕРАТУРА:

1. А.В. Дарков и др. Строительная механика М.«Высшая школа», 1976г.

2. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы М. 2011

3. Бородавкин П. П., Березин B. Л., Cооружение магистральных трубопроводов, M., 1977.

4. Гольдфельд И.З. «Прокладочный инжиниринг  магистральных трубопроводов в сложных грунтово-климатических условиях» // НТЖ «Нефтегазопромысловый инжиниринг»,  №4– 2004. с.2-10.

5. Панасюк Л.Н. Прямые методы решения нестационарных задач теории сооружений: дисс. док. техн. наук: 05.23.17 Ростов-н/Д, 1996. – 389 с.

6. Панасюк Л.Н. Моделирование работы сооружений с учетом проявления неравномерных деформаций в основании. [Электронный журнал]// Инженерный Вестник Дона. № 4. Ростов-н/Д, 2011. Режим доступа HTTP://ivdon.ru