Приложение В. Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость

Приложение В

Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость

В.1 Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость включает определение толщины стенок труб и соединительных деталей, оценку прочности и устойчивости трубопровода и его элементов, оценку устойчивости положения (против всплытия), оценку усилия протаскивания при укладке трубопровода.

Прочность и устойчивость трубопровода должна быть обеспечена на стадиях сооружения, испытания и эксплуатации.

В расчетах приняты наиболее жесткие условия нагрузок на трубы, как для сооружений с равномерно распределенной массой и постоянной жесткостью.

В.2 Нагрузки и воздействия

В.2.1 Расчетные нагрузки, воздействия и их возможные сочетания должны соответствовать требованиям СП 20.13330.

В.2.2 Нагрузки и воздействия, действующие на трубопроводы, различаются следующим образом:

- силовые - внутреннее давление среды, собственный вес трубопровода, обустройств и транспортируемой среды, давление (вес) грунта, гидростатическое давление воды; снеговая, ветровая и гололедная нагрузки; нагрузки, возникающие при испытании и пропуске очистных устройств;

- деформационные - температурные воздействия, воздействия неравномерных деформаций грунта (морозное растрескивание, селевые потоки и оползни, деформации земной поверхности в районах горных выработок и карстовых районах, просадки, пучение, термокарстовые процессы), сейсмические воздействия.

По длительности действия выделяют нагрузки: постоянные, временные длительные, кратковременные и особые. Методика расчета на каждую нагрузку приведена в СП 66.13330.

В.2.3 Коэффициенты надежности по нагрузке следует принимать по таблице 8.1.

В.2.4 Нормативные нагрузки от собственного веса трубопровода, арматуры, обустройств, изоляции, от веса и давления грунта следует принимать в соответствии с требованиями СП 20.13330.

В.2.5 Нормативное значение давления транспортируемой среды устанавливается проектом исходя из гидравлических расчетов.

В.2.6 Нормативную нагрузку от веса транспортируемой среды на единицу длины трубопровода , Н/м, определяют по формуле

, (В.1)

где d - внутренний диаметр трубы, м;

- плотность жидкого продукта, ;

g - ускорение свободного падения, g = 9,8 .

В.2.7 Нормативную снеговую нагрузку на единицу длины горизонтальной проекции надземного трубопровода , Н/м, определяют по формуле

, (В.2)

где D - наружный диаметр трубы, м;

- толщина изоляционного покрытия (или теплоизоляции), м;

- нормативная снеговая нагрузка, , определяемая по СП 20.13330.

В.2.8 Нормативную нагрузку от обледенения на единицу длины надземного трубопровода , Н/м, определяют по формуле

, (В.3)

где D - наружный диаметр трубы, м;

- толщина слоя льда, м;

- плотность гололеда, , определяется по СП 20.13330.

В.2.9 Нормативную ветровую нагрузку на единицу длины надземного трубопровода , Н/м, действующая перпендикулярно к его осевой вертикальной плоскости, определяют по формуле

, (В.4)

где статическая , , и динамическая , , составляющие ветровой нагрузки определяются по СП 20.13330, при этом значение необходимо определять, как для сооружения с равномерно распределенной массой и постоянной жесткостью.

В.2.10 Нормативные значения нагрузок и воздействий, возникающих при транспортировании отдельных секций, при сооружении трубопровода, проведении испытании и пропуске очистных устройств устанавливаются проектом в зависимости от способов производства работ и методов проведения испытаний.

В.2.11 Сейсмические воздействия на надземные трубопроводы принимаются согласно СП 14.13330.

В.2.12 Нагрузки и воздействия, вызываемые резким нарушением процесса эксплуатации, временной неисправностью и поломкой оборудования, устанавливаются проектом в зависимости от особенностей режима эксплуатации.

В.2.13 Нагрузки и воздействия от неравномерной деформации грунта (осадок, пучения, селевых потоков, оползней, воздействий горных выработок, карстов, замачивания просадочных грунтов, оттаивания многолетнемерзлых грунтов и т.д.) определяются на основании анализа грунтовых условий и их возможного изменения в процессе эксплуатации трубопровода.

В.2.14 Нормативные нагрузки и коэффициенты надежности по нагрузке от подвижного состава железных и автомобильных дорог определяются по СП 35.13330.

В.3 Определение толщин стенок труб и соединительных деталей

В.3.1 Расчетная толщина стенки 8 труб и соединительных деталей определяется по формуле

, (В5)

где - коэффициент надежности по нагрузке;

- коэффициент несущей способности труб и соединительных деталей;

- рабочее (нормативное) давление транспортируемой среды, Па;

D - наружный диаметр трубы, м;

R - величина, зависящая от механических свойств металла трубы следующим образом:

- для трубопроводов, транспортирующих продукты, не содержащие сероводород:

; (В.6)

- для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие продукты (с парциальным давлением менее 1 МПа):

, (В.7)

здесь - нормативное значение временного сопротивления (для ВЧШГ МПа);

- нормативное значение предела текучести (для ВЧШГ МПа);

- коэффициент надежности по назначению (для ВЧШГ );

- коэффициент надежности по материалу (для ВЧШГ );

- коэффициент надежности по условиям работы (для ВЧШГ );

- коэффициент условий работы трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие продукты.

В.3.2 Значения коэффициентов условий работы трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие продукты, принимаются по таблице В.1.

Таблица В.1 - Значения коэффициентов условий работы трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие продукты

Категория трубопровода и его участка	Содержание сероводорода
	Среднее	Низкое
I	0,4	0,5
II	0,5	0,6
III	0,6	0,65
Примечание - Среднее и низкое содержание сероводорода - см. [19].

В.3.3 Значения коэффициентов несущей способности труб и соединительных деталей следует принимать:

- для труб, заглушек и переходов - 1;

- для тройниковых соединений и отводов - ,

где

- для тройниковых соединений;

- для отводов,

здесь , - наружные диаметры труб и соединительных деталей соответственно;

r - радиус кривизны отвода.

Значения коэффициентов а и b следует принимать: для тройниковых соединений - по таблице В.2, для отводов - по таблице В.3.

Таблица В.2 - Значения коэффициентов а и b для тройниковых соединений

				Сварные без усиливающих элементов		Бесшовные и штампосварные
				а	b	а	b
От	0,00	до	0,15	0,00	1,00	0,22	1,00
"	0,15	"	0,50	1,60	0,76	0,62	0,94
"	0,50	"	1,00	0,10	1,51	0,40	1,05

Таблица В.3 - Значения коэффициентов а и b для отводов

	а	b
От 1,0 до 2,0	-0,3	1,6
Более 2,0	0,0	1,0

В.3.4 При назначении номинальной толщины стенки труб и соединительных деталей следует учитывать не только постоянные, но и временные факторы (возможность коррозионных, сейсмических и других воздействий).

В.3.5 Для обеспечения условий поперечной (местной) устойчивости толщину стенки труб принимают не менее D/140, но не менее 6,0 мм.

В.3.6 Для подземных трубопроводов, имеющих отношение , или укладываемых на глубину более 3 м или менее 0,8 м, требуется соблюдение условия

, (В.8)

где - расчетное усилие в продольном сечении трубы единичной длины, Н/м;

- изгибающий момент в продольном сечении трубы единичной длины, .

В.3.7 Значения и определяются в соответствии с правилами строительной механики с учетом отпора грунта от совместного воздействия давления грунта, нагрузок над трубой от подвижного состава железнодорожного и автомобильного транспорта, возможного вакуума и гидростатического давления грунтовых вод.

В.4 Проверка напряженного состояния и устойчивости подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов

В.4.1 Поверочный расчет трубопровода на прочность проводится после выбора его основных размеров с учетом всех расчетных нагрузок и воздействий для всех расчетных случаев, возникающих при сооружении, испытании и эксплуатации.

Расчетная схема трубопровода должна отражать действительные условия его работы, а метод расчета - учитывать возможность использования расчетных программ.

В качестве расчетной схемы трубопровода рассматриваются статически неопределимые стержневые системы переменной жесткости с учетом взаимодействия трубопровода с окружающей средой. При этом коэффициенты гибкости отводов и тройниковых соединений определяются по В.4.2 и В.4.3.

В.4.2 Коэффициент гибкости гнутых отводов определяется по таблице В.4.

Таблица В.4 - Коэффициент гибкости гнутых отводов

Центральный угол отвода	Коэффициент гибкости отвода
От 0°до 45°
От 45° до 90°
Примечание - см. на рисунке В.1.

Величину принимают по рисунку В.1 в зависимости от параметров отвода и , определяемых по формулам:

, (В.9)

, (В.10)

где r - радиус кривизны отвода, м;

Е - модуль упругости материала отвода (для стали Па, для ВЧШГ Па).

В.4.3 Коэффициент гибкости тройниковых соединений принимают равным единице.

В.4.4 Арматура, расположенная на трубопроводе (краны, задвижки, обратные клапаны и т.д.), рассматривается в расчетной схеме как твердое недеформируемое тело.

В.4.5 В каждом поперечном сечении трубопровода для номинальной толщины стенки трубы и соединительных деталей должны выполняться условия:

- при сжимающих фибровых продольных напряжениях от расчетных нагрузок:

; (В.11)

- в точках поперечного сечения, где - растягивающее напряжение:

, (В.12)

где и - продольные и кольцевые напряжения в сечении соответственно, Па.

В.4.6 Значения принимаются:

- при действии всех силовых нагрузок

; (В.13)

- при совместном действии всех силовых и деформационных нагрузок (кроме сейсмических, пучения и морозобойного растрескивания):

; (В.14)

- при совместном действии всех силовых и деформационных нагрузок, включая сейсмические воздействия, пучение и морозобойное растрескивание:

. (В.15)

При оценке прочности соединительных деталей следует учитывать местные мембранные и изгибные напряжения, определенные от всех силовых и деформационных нагрузок. В этом случае принимают .

Для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие продукты, принимается , где R - то же, что в формуле (В.7).

В.4.7 Коэффициент концентрации продольных напряжений принимается:

- для прямой трубы - 1;

- для отводов - ;

- для магистральной части тройникового соединения

; (В.16)

- для ответвления тройникового соединения .

Здесь и - наружные диаметры магистральной части и ответвления тройникового узла.

Значение для отводов принимают по рисунку В.2 в зависимости от параметров и , определяемых по формулам (В.9) и (В.10).

Значения для магистральной части и ответвления тройникового соединения принимаются по рисунку В.2 в зависимости от параметров тройникового соединения, определяемых по формулам:

, (В.17)

. (В.18)

Примечание - При вычислении параметров и для магистральной части тройникового соединения используются первые индексы, параметров и для ответвления тройникового соединения - вторые индексы.

В.4.8 Проверку общей устойчивости трубопроводов в продольном направлении проводят по условию

, (В.19)

где S - эквивалентное продольное осевое усилие, определяемое от расчетных нагрузок и воздействий с учетом продольных и поперечных перемещений трубопровода;

- продольное критическое усилие, определяемое с учетом принятого конструктивного решения трубопровода.

В.5 Проверка напряженного состояния и устойчивости надземных трубопроводов

В.5.1 Надземные трубопроводы проверяются на прочность, продольную стойчивость и выносливость при колебаниях в ветровом потоке. Методика расчета для надземных трубопроводов, учитывающая раструб и гибкость соединений приведена в СП 66.13330.

В.5.2 Продольные усилия и изгибающие моменты в надземных трубопроводах определяются в соответствии с общими правилами строительной механики. При этом трубопровод рассматривается как статически неопределимая стержневая система переменной жесткости. Величины расчетных значений несущей способности труб при осевом нагружении приведены в таблице 7.5 СП 66.13330.2011. Коэффициенты гибкости отводов и тройниковых соединений определяются согласно В.4.2 и В.4.3.

Расчетная схема при определении продольных усилий и изгибающих моментов в надземных трубопроводах должна учитывать метод монтажа трубопровода.

В.5.3 Балочные системы надземных трубопроводов рассчитывают с учетом трения на опорах, при этом применяется меньшее или большее из возможных значений коэффициента трения в зависимости от того, что опаснее для данного расчетного случая.

В.5.4 В каждом поперечном сечении надземного трубопровода для номинальной толщины стенки трубы и соединительных деталей должны выполняться условия (В.11) и (В.12).

В.5.5 Значения коэффициентов концентрации напряжений для отводов и тройниковых соединений принимаются согласно В.4.7.

В.5.6 При скоростях ветра, вызывающих колебание трубопровода с частотой, равной частоте собственных колебаний, проводят поверочный расчет трубопроводов на резонанс.

В.5.7 Расчетные усилия и перемещения трубопровода при резонансе определяются как геометрическая сумма резонансных усилий и перемещений, а также усилий и перемещений от других видов нагрузок и воздействий, включая расчетную ветровую нагрузку, соответствующую критическому скоростному напору.

В.5.8 Методика расчета прочности трубопровода, не имеющего жесткого соединения от динамического воздействия ветра с учетом принятой конструкции, расстояние между опорами 6 м (каждая труба крепится у раструба к опоре), принята как жесткая конструкция и приведена в СП 16.13330.

В.5.9 Расчет оснований фундаментов и самих опор проводят по потере несущей способности (прочности и устойчивости положения) или непригодности к нормальной эксплуатации, связанной с разрушением их элементов или недопустимо большими деформациями опор, опорных частей, элементов пролетных строений или трубопровода.

В.5.10 Опоры (включая основания и фундаменты) и опорные части рассчитываются на передаваемые трубопроводом и вспомогательными конструкциями вертикальные и горизонтальные (продольные и поперечные) усилия и изгибающие моменты, определяемые от расчетных нагрузок и воздействий в наиболее невыгодных их сочетаниях с учетом возможных смещений опор и опорных частей в процессе эксплуатации.

В.5.11 При расчете опор учитывается глубина промерзания или оттаивания грунта, деформаций грунта (пучение и просадка), а также возможные изменения свойств грунта (в пределах восприятия нагрузок) в зависимости от времени года, температурного режима, осушения или обводнения участков, прилегающих к трассе, и других условий.

В.5.12 Нагрузки на опоры, возникающие от воздействия ветра и от изменений длины трубопроводов под влиянием внутреннего давления, определяются в зависимости от принятой системы прокладки трубопровода на опорах.

В.6 Проверка прочности трубопроводов при сейсмических воздействиях

В.6.1 Напряжения от сейсмических воздействий в подземных трубопроводах и трубопроводах, прокладываемых в насыпи, определяются как результат воздействия сейсмической волны, направленной вдоль продольной оси трубопровода, по формуле

, (В.20)

где - коэффициент защемления трубопровода в грунте;

- коэффициент степени ответственности трубопровода;

- коэффициент повторяемости землетрясений;

- сейсмическое ускорение, ;

Е - модуль упругости материала трубопровода, Па;

- преобладающий период сейсмических колебаний грунтового массива, с;

- скорость распространения сейсмической волны, м/с.

Значения коэффициентов , и принимаются по таблицам В.5-В.7.

Значения величин сейсмического ускорения и скорости распространения продольной сейсмической волны принимаются по таблицам В.8 и В.5.

Значение величины преобладающего периода сейсмических колебаний грунтового массива определяется при изысканиях.

Таблица В.5 - Значения коэффициентов защемления трубопровода в грунте и скоростей распространения продольной сейсмической волны

Грунты	Коэффициент защемления трубопровода в грунте	Скорость распространения продольной сейсмической волны , м/с
Насыпные, рыхлые пески, супеси, суглинки, кроме водонасыщенных	0,50	120
Песчаные маловлажные	0,50	150
Песчаные средней влажности	0,45	250
Песчаные водонасыщенные	0,45	350
Супеси и суглинки	0,60	300
Глинистые влажные, пластичные	0,35	500
Глинистые, полутвердые и твердые	0,70	2000
Лесс и лессовидные	0,50	400
Торф	0,20	100
Низкотемпературные мерзлые (песчаные, глинистые, насыпные)	1,00	2200
Высокотемпературные мерзлые (песчаные, глинистые, насыпные)	1,00	1500
Гравий, щебень и галечник	См. примечание 2	1100
Известняки, сланцы, песчаники (слабовыветренные и сильно-выветренные)	См. примечание 2	1500
Скальные породы (монолиты)	См. примечание 2	2200
Примечания 1 В настоящей таблице приведены наименьшие значения , которые следует уточнять при изысканиях. 2 Значения коэффициентов защемления трубопровода принимают по грунту засыпки.

Таблица В.6 - Значения коэффициентов степени ответственности трубопровода

Характеристика трубопровода
Нефте-, продуктопроводы класса I	1,5
Нефте-, продуктопроводы класса II	1,2
Нефте-, продуктопроводы класса III	1,0
Примечание - При сейсмичности 9 баллов и выше коэффициент умножается дополнительно на коэффициент 1,5.

Таблица В.7 - Значения коэффициентов повторяемости землетрясений

Повторяемость землетрясений один раз	В 100 лет	В 1 000 лет	В 10 000 лет
Коэффициент повторяемости	1,15	1,0	0,9

Таблица В.8 - Значения расчетных сейсмических ускорений

Сила землетрясения, баллы	7	8	9	10
Сейсмическое ускорение,	1,0	2,0	4,0	8,0

Расчет для трубопроводов, не имеющих жесткого соединения, проводится в соответствии с ГОСТ 30546.1 и [13].

В.6.2 При совместном действии всех нагрузок силового и деформационного нагружения, включая сейсмическое воздействие, напряжение от которого определяется по формуле (В.18), величина в условиях (В.11), (В.12) должна удовлетворять условию .

В.6.3 Расчет надземных трубопроводов на сейсмические воздействия проводят согласно требованиям СП 14.13330, с оценкой прочности по условиям (В.11), (В.12).

В.7 Устойчивость положения трубопровода

В.7.1 Устойчивость положения (против всплытия) трубопроводов, прокладываемых на обводненных участках трассы, следует проверять для отдельных (в зависимости от условий строительства) участков по условию

, (В.21)

где - суммарная расчетная нагрузка на трубопровод, действующая вверх, включая упругий отпор при прокладке свободным изгибом, Н;

- суммарная расчетная нагрузка, действующая вниз (включая собственный вес), Н;

- коэффициент надежности устойчивости положения трубопровода против всплытия, принимаемый равным для участков перехода:

- через болота, поймы, водоемы при отсутствии течения, обводненные и заливаемые участки в пределах ГВВ 1%-ной обеспеченности - 1,05;

- русловых, через реки шириной до 200 м по среднему меженному уровню, включая прибрежные участки в границах производства подводно-технических работ, - 1,10;

- через реки и водохранилища шириной свыше 200 м, а также горные реки - 1,15;

- нефтепроводов и нефтепродуктопроводов, для которых возможно их опорожнение и замещение продукта воздухом, - 1,03.

В.7.2 Интенсивность балластировки (вес на воздухе , Н/м) при обеспечении устойчивости положения, в частном случае - при укладке трубопровода свободным изгибом при равномерной балластировке по длине, определяется по формуле

, (В.22)

где - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным:

0,9 - для железобетонных грузов;

1,0 - для чугунных грузов;

- то же, что в формуле (В.21);

- расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод, Н/м;

- расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе трубопровода, Н/м, определяемая по формулам:

- для выпуклых кривых

; (В.23)

- для вогнутых кривых

; (В.24)

- расчетная нагрузка от массы трубы, Н/м;

- расчетная нагрузка от веса продукта, Н/м, которая учитывается при расчете трубопроводов, если в процессе их эксплуатации невозможны опорожнение и замещение продукта воздухом;

- нормативная объемная масса материала пригрузки, ;

- плотность воды, принимаемая по данным изыскания, .

В формулах (В.23), (В.24):

- модуль упругости, Па;

I - момент инерции сечения трубопровода на рассматриваемом участке, ;

- угол поворота оси трубопровода, рад;

- минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода, м.

В.7.3 Для трубопроводов, выполненных из труб с раструбным соединением типа RJ, расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора при свободном изгибе трубопровода при расчете интенсивности балластировки не учитывается. Соединение типа RJ не является жестким и позволяет отклоняться соединенным трубам на угол от 3° до 5°, в зависимости от диаметра труб, при сохранении полной герметичности стыка. Таким образом, трубопровод в траншее принимает проектное положение без возникновения упругого изгиба.

В.7.4 Вес грунта засыпки при расчете балластировки трубопроводов на русловых участках переходов через реки и водохранилища не учитывается. При проверке общей устойчивости трубопровода как сжатого стержня допускается учитывать вес грунта засыпки толщиной 1 м при обязательном соблюдении требований в части заглубления трубопровода в дно не менее 1 м.

В.7.5 Расчетную несущую способность анкерного устройства , Н, определяют по формуле

, (В.25)

где z - количество анкеров в одном анкерном устройстве;

- коэффициент условий работы анкерного устройства:

- при z = 1 или при и принимаемый равным 1,0;

- при и определяется по формуле

, (В.26)

- расчетная несущая способность анкера, Н, из условия несущей способности грунта основания, определяемая по формуле

, (В.27)

здесь - несущая способность анкера, Н, определяемая расчетом или по результатам полевых испытаний;

- коэффициент надежности анкера, принимаемый равным 1,4 (если несущая способность анкера определена расчетом) или 1,25 (если несущая способность анкера определена в ходе полевых испытаний статической нагрузкой);

- наружный диаметр трубопровода;

- максимальный линейный размер габарита проекции одного анкера на горизонтальную плоскость, см.

В.8 Определение несущей способности плети трубопровода при протаскивании

Расчет допустимой осевой нагрузки для трубопровода с соединениями типа RJ проводят по схеме среза приварного валика на гладком конце трубы при продольном перемещении стопоров. Величина расчетного сопротивления срезу для труб от DN 80 до DN 500 принимается 240 МПа.

Допустимые осевые нагрузки трубопроводов с соединениями типа RJ при осевом нагружении приведены в таблице В.9.

Коэффициенты запаса прочности, равные отношению , находятся в пределах 2,0-3,5 ( - усилие протяжки, развиваемое машинами ГНБ или другими механизмами протяжки).

Таблица В.9 - Допустимые осевые нагрузки трубопроводов с соединениями типа RJ

DN, мм	80	100	125	150	200	250	300	350	400	500
, кН	240	260	300	380	580	720	860	940	1020	1180

Сила протаскивания с учетом коэффициента запаса прочности зависит от диаметра трубопровода и приведена в таблице 10.4 СП 66.13330.2011.