32. Расчет на прочность трубопроводов с дефектами геометрии, коррозионными повреждениями и трещинами.

где - расчетное кольцевое напряжение, вызывающее разрушение участка трубы, пораженного коррозией; S – площадь поперечного сечения прокорродированного участка стенки трубы вдоль оси трубопровода ; - первоначальная площадь поперечного сечения трубы по длине, равной длине прокорродированного участка вдоль оси трубопровода (площадь поперечного сечения стенки трубы на этой длине до появления коррозии); М – поправочный коэффициент Фоллиаса, который зависит от длины коррозионного участка, радиуса и толщины стенки трубы; - единица прочности материала, названная напряжением текучести.

Первоначальная площадь поперечного сечения прокорродированного участка:

,

где L – длина дефектного участка; - толщина стенки трубы.

Расчетное разрушающее давление, вызывающее разрушение пораженной коррозией трубы:

,

где - наружный диаметр трубы.

На основании экспериментальных данных коэффициента Фолиаса

,

где L – длина коррозионного повреждения; D – диаметр трубы; - толщина стенки трубы.

Напряжение текучести определяется как напряжение, соответствующее появлению пластического трения в вершине коррозионного повреждения. Это напряжение превышает предел текучести стали, но не ниже предела прочности :

или

где - предел текучести, определяемый по спецификации.

Формула для определения применима для прочностных расчетов труб, имеющих дефекты различной конфигурации: неглубокие дефекты удлиненной формы, глубокие каверны с небольшой площадью поверхностного поражения. Кольцевые напряжения не должны превышать предела текучести.

Надрез. Коэффициент концентрации напряжений:

где - глубина надреза; δ – толщина стенки трубы; радиус закругления в вершине надреза.

Малоцикловое разрушение происходит из-за максимальных деформаций, возникающих в концентраторе, где наблюдается образование малоцикловой трещины. По мере снижения максимальных деформаций долговечность труб увеличивается.

Упругая и пластическая деформации при малоцикловом разрушении определяются по уравнению Мэнсона: где ε — размах общей деформации, ε = ε_р + ε_е; ε_р, ε_е — упругая и пластическая деформации, соответственно; ψ — поперечное сужение материала; σ_в — предел прочности материала; Е — модуль упругости материала; N_ц — число циклов нагружения.

Долговечность участка нефтепровода Т = N_ц/N_ц0, где N_ц — число циклов до разрушения, которое определяется по уравнению Мэнсона на основе значения деформации ε; N_ц0 — число циклов до разрушения при номинальной нагрузке.

33. Расчетные схемы основных несущих элементов линейной части

трубопроводов.

Прямолинейный участок

При определении кольцевых напряжений при больших глубинах заложения м), переходах через реки прямолинейный участок трубопровода. В этом случае расчетная схема трубопровода приводится к тонкостенному кольцу, нагруженному давлением грунта и воды на половине окружности и силами упругого отпора грунта в интервале центрального угла от до . Расчетная схема приведена на рисунке 1-а.

Рис. 1 – Расчетные схемы: а – кольца; б – прямолинейного участка второго типа; в – прямолинейного участка третьего типа	Рис. 2 – Расчетная схема стержня в упругой на сдвиг сред

Участок первого типа рассматривается обычно как цилиндрическая оболочка бесконечной длины, которая подвергается действию внутреннего давления и температуры.

Расчетная схема участка второго типа по сравнению со схемой участка первого типа дополняется бесконечной длины балкой на упругом основании, нагруженной сосредоточенными силами. Определяя изгибные напряжения, не следует принимать во внимание нагрузки, которые должны быть исключены при нормальной эксплуатации трубопровода. Расчетная схема участка второго типа приведена на рисунке 1-б.

Для участков трубопровода третьего типа расчетная схема может быть приведена к виду, представленному на рисунке 1-в. Схема состоит из средней, провисающей части трубопровода и двух сопряженных с ней полубесконечных участков, представляющих собой балки на упругом основании. При малых прогибах провисающей части ( ) последнюю можно рассматривать как балку, а при более значительных прогибах — как жесткую нить, т.е. следует учитывать наличие продольных сил наряду с изгибающим моментом. Четвертый тип. При определении продольных напряжений в сечениях трубопровода, сооруженного на значительных уклонах, его следует рассматривать как стержень в упругой на сдвиг среде, показанного на рисунке 2. При этом учитываются дополнительные усилия от веса трубы, продукта, грунта.

Упругоискривленный участок

Расчетная схема упругоискривленного участка может быть представлена как брус малой кривизны на упругом основании, изображенная на рисунке 3.

Рис. 3 – Расчетная схема упругоискривленного участка	Рис. 6 – Расчетная схема участка на изгиб: a – с учетом гипотезы плоских сечений; б – с учетом эффекта Кармана

Криволинейный участок из гнутых труб

В криволинейных трубах возникают продольные и кольцевые напряжения под действием давления и сил, сплющивающих поперечное сечение. Колена такого типа представляют собой замкнутую по тонкостенную торообразную оболочку.

При определении продольных напряжений от действия изгибающего момента колено следует рассматривать как тонкостенную оболочку кольцевого сечения, нагруженную изгибающими моментами (чистый изгиб). При решении задачи целесообразно воспользоваться гипотезой плоских сечений, схематичное изображение которых представлено на рисунке 6-а. Кроме того, необходимо учитывать деформацию контура поперечного сечения трубы, возникающую вследствие эффекта Кармана, изображенного на рисунке 6-б. Решение может быть осуществлено на основании теории тонких оболочек с учетом упрощений, вносимых полубезмоментной теорией.

Тройник

Тройники, имеют две расчетные схемы (исходя из геометрии соединения, толщины соединяемых оболочек одинаковы), исследование которых можно вести поэлементно: вначале выполнить расчет основного цилиндра, а затем — расчет патрубка с учетом сопряжения по линии пересечения.

Рисунок 7 – Расчетная схема тройника, нагруженного внутреннем давлением: а – без отбортовки; б – с отбортовкой (граничные условия на торцах не показаны)

Угловое колено

Основными нагрузками на угловое колено трубопровода яв­ляются внутреннее давление и изгибающие моменты, действующие по торцам углового колена в его и в перпендикулярной плоскостях.

В качестве расчетной схемы обычно принимается сочленение двух скошенных по одному краю тонкостенных оболочек, подвер­женных указанным нагрузкам, изображенное на рисунке 8.

Рисунок 8 – Расчетная схема углового колена	Рисунок 9 – Расчетная схема стыка

Напряженно-деформированное состояние углового колена оп­ределяется, как правило, с использованием моментной теории тон­костенных цилиндрических оболочек. Отдельным расчетным элементом на всех участках линейной части трубопровода следует считать сварное соединение труб—стык, показанное на рисунке 9, так как его напряженно-деформированное состояние зависит не только от условий, которые определяют напряженно-деформированное состояние участка, но и от овальности и несоосности труб от разной толщины их, от ширины зазора при сварке и т.д. Наиболее перспективным методом расчета напряженно-деформированного состояния данного несущего элемента является метод конечных элементов.