Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов
Рассматриваются краевые эффекты в подземных трубопроводах, возникающие в области сопряжения прямой подземной трубы и криволинейной вставки (заводской гиб, колено или упругоизогнутый участок). В результате действия этих эффектов возникают дополнительные изгибающие моменты, которые пропорциональны...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2003 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2003
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46993 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов / И.В. Орыняк , С.А. Радченко // Проблемы прочности. — 2003. — № 4. — С. 93-103. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859819287448911872 |
|---|---|
| author | Орыняк, И.В. Радченко, С.А. |
| author_facet | Орыняк, И.В. Радченко, С.А. |
| citation_txt | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов / И.В. Орыняк , С.А. Радченко // Проблемы прочности. — 2003. — № 4. — С. 93-103. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Рассматриваются краевые эффекты в подземных трубопроводах, возникающие в области
сопряжения прямой подземной трубы и криволинейной вставки (заводской гиб, колено или
упругоизогнутый участок). В результате действия этих эффектов возникают дополнительные
изгибающие моменты, которые пропорциональны разности осевого усилия в бесконечном
прямом трубопроводе и в закрытой с торцов трубе и зависят от геометрических
параметров трубопровода и физико-механических характеристик грунта. Приведены конкретные
примеры анализа упругого взаимодействия трубопровода с грунтом для колен с
разными радиусами дуги гиба. Показано, что дополнительные изгибные напряжения могут
существенно превышать напряжения от осевой силы, поэтому их необходимо учитывать
при проектировании и строительстве трубопроводов. Получено и проанализировано решение
для упругоизогнутого участка.
Розглядаються крайові ефекти в підземних трубопроводах, що у області сполучення прямої підземної труби і криволінійної вставки (заводський гинув, коліно або упругоізогнутий ділянка). У результаті дії цих ефектів виникають додаткові згинальні моменти, які пропорційні різниці осьового зусилля в нескінченному прямому трубопроводі і в закритій з торців трубі і залежать від геометричних параметрів трубопроводу і фізико-механічних характеристик грунту. Наведено конкретні приклади аналізу пружного взаємодії трубопроводу з грунтом для колін з різними радіусами дуги згину. Показано, що додаткові згинні напруги можуть істотно перевищувати напруги від осьової сили, тому їх необхідно враховувати при проектуванні і будівництві трубопроводів. Отримано і проаналізовано рішення для упругоізогнутого ділянки.
We consider the edge effects in subsurface pipelines
in the mating area of a straight subsurface
pipe and a curved link (industrial bend, elbow,
or the elastically bent pipeline section). Such effects
induce additional bending moments that
are proportional to the difference o f the axial
force in the infinite straight pipeline and in the
pipeline closed at the ends, and depend on the
geometric parameters of the pipeline and the
physicomechanical properties of the soil. The
analysis o f elastic interaction between the pipeline
and the soil is exemplified by bends with
different bending radii. The additional bending
stresses can exceed considerably the stresses
from the axial force, which should be taken
into account in the design and manufacture of
pipelines. The solution for the elastically bent
pipeline section has been obtained and analyzed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:24:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов
И. В. О р ы н як , С. А. Р адченко
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Рассматриваются краевые эффекты в подземных трубопроводах, возникающие в области
сопряжения прямой подземной трубы и криволинейной вставки (заводской гиб, колено или
упругоизогнутый участок). В результате действия этих эффектов возникают дополни
тельные изгибающие моменты, которые пропорциональны разности осевого усилия в бес
конечном прямом трубопроводе и в закрытой с торцов трубе и зависят от геометрических
параметров трубопровода и физико-механических характеристик грунта. Приведены кон
кретные примеры анализа упругого взаимодействия трубопровода с грунтом для колен с
разными радиусами дуги гиба. Показано, что дополнительные изгибные напряжения могут
существенно превышать напряжения от осевой силы, поэтому их необходимо учитывать
при проектировании и строительстве трубопроводов. Получено и проанализировано реше
ние для упругоизогнутого участка.
Ключевые слова : подземный трубопровод, гиб трубы, упругоизогнутый
участок, изгибающий момент.
Введение. Поскольку магистральные трубопроводы являются в основ
ном подземными, из экономических соображений их по возможности про
кладывают по прямой линии. Вынужденное изменение траектории оси
такого трубопровода производится с помощью упругоизогнутых труб либо в
отдельных случаях криволинейных вставок (заводские гибы труб или ко
лена). В действующем нормативном документе [1] принято, что защ емлен
ные в грунте трубопроводы принимают форму траншеи и не испытывают
продольных деформаций е х . Поэтому осевые напряжения о х определяют
при условии е х = 0 следующим образом:
для недеформированных труб
2ц л г 2 Р — аАТЕБ
о х = ------------^ ------------ ; ( )
для упругоизогнутых труб при дополнительном учете принудительного
искривления оси трубы в траншее
2 и л г 2 Р — аА ТЕ Б Ег
о х = — ----------------------± — , ( 1б)х Б о v '
где Е и р - модуль Ю нга и коэффициент Пуассона металла; а - коэф
фициент его температурного расширения; Д Г - разница температур исход
ного и анализируемого состояния трубы; г - радиус трубы; Б = 2л гї -
площадь сечения трубы; г - толщина стенки трубы; Р - внутреннее давле
ние; р - радиус упругого изгиба.
© И. В. ОРЫНЯК, С. А. РАДЧЕНКО, 2003
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, N2 4 93
И. В. Орыняк, С. А. Радченко
Согласно нормативному документу [1], для подземных гибов и колен
предполагается полное отсутствие осевых перемещений и деформаций, а
также поперечных перемещений. Не рассматриваются они и в работах [2-4],
где анализируются конкретные случаи расчета напряженного состояния в
соответствии с нормативными требованиями. Естественно, что в проекти
ровочных расчетах для определения осевых напряжений используют форму
лы (1). Поскольку обычно окружные напряжения от внутреннего давления
о в = Р г/г значительно больше, чем осевые (1), расчет прочности в основ
ном выполняется по окружным напряжениям. Поэтому при проектировании
и строительстве трубопроводов уточнение выбора подземных гибов труб
ограничивается лишь имеющейся номенклатурой и технологическими воз
можностями.
Однако распределение осевых напряжений (1) в упругоизогнутых
участках и коленах может иметь место только для абсолютно жесткого
грунта. Вообще говоря, грунт обладает ограниченной возможностью сопро
тивляться поперечным и тем более продольным перемещениям трубопро
вода. Например, в точке выхода трубопровода на поверхность продольные
усилия Ых обычно близки к значению N р = жРг (при этом напряжения
о х = Рг/ (2г)). Длина переходного участка, на котором осевое напряжение о х
за счет реакции грунта принимает значение, определяемое уравнением (1а),
может достигать 100 м. Величина перемещения трубы в точке ее выхода на
поверхность может составлять до 10 мм.
В гибе трубы подземного трубопровода безмоментное состояние дости
гается, если продольная сила N x в нем составляет N 2 = N р + N w. Здесь
N w = w 0/ ( w о), где w0 - некоторое постоянное поперечное перемещение
трубопровода. При этом продольные перемещения гиба равны нулю. С дру
гой стороны, в примыкающей к колену прямой трубе продольные перемеще
ния будут нулевыми, если значение N x равно N £ = 2/ллРг — аА Т Е Б , а
изгибающие моменты равны нулю, если поперечные перемещения тождест
венно равны нулю. Очевидно, что невозмущенное (безмоментное) состояние
при сопряжении колена и прямой трубы (требование равенства перемеще
ний на концах) может иметь место только в частном случае, когда N е = N р ,
увеличение разницы между значениями N Е и N р приводит к росту момен
тов.
Возможность возникновения продольных и поперечных перемещений в
подземных гибах, например, при температурном воздействии отмечается в
стандарте СШ А [5]. Дополнительно к указанному стандарту разработано
руководство [6 ], где более предметно рассматривается данная проблема, а
также основные параметры и свойства, которые следует учитывать при ее
решении. Достаточно актуальна эта проблема для трубопроводов, подвер
женных температурному нагружению, например участков газопроводов,
расположенных возле компрессорных станций, или трубопроводов город
ских нагревательных систем. В работе [7] для конкретного подземного гиба,
примыкающего к прямой трубе и находящегося в грунте с заданными
характеристиками, приведены рассчитанные методом конечных элементов
(МКЭ) значения дополнительных напряжений, которые иногда превышают
напряжения от внутреннего давления.
94 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2003, № 4
Напряженное состояние в криволинейных подземных трубах
В настоящей работе анализируется напряженное состояние криволиней
ных участков подземных трубопроводов с целью разработки расчетной
методики и практических рекомендаций, которые могут использоваться как
при проектировании новых трубопроводов, так и в случае уже действу
ющих. При этом рассматриваются не только максимальные напряжения в
трубопроводах, но и общие закономерности распределения изгибающих
моментов по их длине.
Исследовать данную проблему невозможно с помощью только анали
тических методов. Приведенное в [8 ] решение даже для линейной модели
взаимодействия трубы с грунтом является, во-первых, неполным, а, во-вто
рых, слишком громоздким для использования его в аналитических расчетах.
Кроме того, нелинейный характер реального взаимодействия трубы с грун
том требует реализации итерационной численной процедуры. Поэтому нами
разработан соответствующий расчетный модуль, который включен в про
граммный комплекс по расчету трубопроводов на прочность [9].
1. О писание расчетной модели.
1.1. М одели грунта. Сопротивление грунта перемещениям трубы
зависит от направления и типа перемещения трубопровода [4]. Следует
рассматривать пять случаев взаимодействия трубопровода с грунтом:
отдельное исследование сопротивления грунта поперечным (в верти
кальной плоскости) перемещениям трубы вверх и вниз;
сопротивление грунта поперечным (в горизонтальной плоскости) пере
мещениям трубы;
сопротивление грунта продольным перемещениям трубы;
сопротивление грунта кручению трубы.
Обобщенный вид типичной диаграммы взаимодействия трубопровода с
грунтом для всех видов сопротивления последнего показан на рис. 1, где ws
- перемещение трубопровода в направлении s; д - сопротивление грунта
перемещениям трубы в направлении я; д пр - предельное сопротивление
грунта перемещениям трубы в направлении я; wпр - так называемое пре
дельное перемещение трубопровода; а - коэффициент пропорциональности
в уравнении связи между сопротивлением грунта и перемещением трубо
провода, с/ = а м ’5.
Рис. 1. Обобщенная диаграмма взаимодействия трубопровода с грунтом.
1.2. П р я м ая труба в земле. Уравнения деформирования упругой линии
прямого подземного трубопровода известны и при поперечном нагружении
записываются так:
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 4 95
И. В. Орыняк, С. А. Радченко
d 4w i (s) q t f- « i w i (s X w i < wnP;
d s4 = E ’ qi “ j q ' p , Wi > wnp, г “ 1 , 2 , 3 (2)
где Wi - поперечное перемещение трубопровода в направлении i; q t -
сопротивление грунта перемещениям трубы в направлении i; а { - коэф
фициент пропорциональности; s - текущая длина трубопровода; I - главный
момент инерции сечения; значения 1, 2, 3 - перемещения трубы соответст
венно вверх, вниз и в горизонтальной плоскости.
Соответствующие уравнения при осевом нагружении и кручении имеют
вид
d 2ui (s) = Р±_ = fy iui (s ) , ui < uпр; A1 = E F ,
d s2 Ai ’ Р [q iр , ui > uпр, i = 1, 2, A2 = 2GI
где и% - перемещение трубопровода в направлении % р 1 - сопротивление
грунта перемещениям трубы в направлении % у % - коэффициент пропор
циональности; О - модуль сдвига; значения 1 , 2 - соответственно продоль
ное перемещение трубы и кручение.
Решения уравнений (2) хорошо известны и могут быть представлены
так:
= ^ у 0С 1(я) + 6 у0С 2 (я) + М у0С 3 (я) + Q y 0 С 4 (^ + С 5 ( ( 4 )
где w y - поперечное перемещение трубы; 6 у - угол поворота сечения; М у -
изгибающий момент; Q y - перерезывающая сила; функции С % (% = 1,...,5) -
либо степенные функции степени I — 1, либо функции Крылова (в этом
случае С 5 = 0); индекс 0 обозначает принадлежность данной величины к
началу участка.
Решения уравнений (3) также тривиальны и записываются следующим
образом:
Щ = Щ0 В1(я) + N io В 2 (я) + А В 3 (я), I = 1, 2, (5)
где N 1 - осевая сила; N 2 - крутящий момент; функции В % (% = 1,...,3) - либо
экспоненциальные функции (В3 (0 ) = 0 ), либо степенные функции степени
I — 1; А - постоянный коэффициент; индекс 0 обозначает принадлежность
данной величины к началу участка.
Поскольку программный комплекс основан на методе начальных пара
метров [9], важным является то, что представленные реш ения записываются
через начальные неизвестные участка. Процедура совместного рассмотре
ния нескольких участков описана ранее [9].
1.3. К р и во л и н ей н ая труба в земле. Расчет криволинейного элемента
подземного трубопровода невозможно провести только аналитическими ме
тодами, так как для описания нелинейного поведения грунта потребовалось
бы учитывать большой набор его физико-механических характеристик. П о
этому в программном комплексе криволинейный элемент представляет со
бой набор из нескольких прямых труб, соединяемых под малым углом с
96 ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2003, № 4
Напряженное состояние в криволинейных подземных трубах
помощью адаптера*. При этом обеспечивается равенство соответствующих
переменных (перемещений и усилий) на концах участков в глобальной
системе координат. В приведенных ниже вычислениях использовалась вели
чина Аф = 1 град.
2. А н али з краевого эф ф екта в упругоизогнутом у частке трубопро
вода. В литературных источниках полные осевые напряжения о х для
упругоизогнутого участка трубопровода предлагается определять по выра
жению (16), в примыкающих к нему прямых трубах - по (1а). Такое
решение неверно, так как очевидно, что на концах участков должно выпол
няться условие сопряжения (непрерывности) моментов, а уравнения ( 1)
предполагают наличие их скачка. М ежду тем для случая упругого грунта
решение легко находится аналитически.
Рассмотрим достаточно длинный упругоизогнутый участок трубопро
вода, примыкающий к полубесконечной подземной прямой трубе. Диффе
ренциальные уравнения для двух типов труб записываются в виде
й 4 ?) 5)
------~ = ~ ^ 7 ~. (6)ds4 EI
При этом для упругоизогнутого участка в выражении для изгибающих
моментов необходимо учесть дополнительную составляющую от упругого
деформирования оси трубопровода:
й 2 Ч ? ) 1 М
------М = - + — . (7)
й? 2 Р Е1 ( )
Условия сопряжения участков таковы:
w 1 = w 2 ; ^ 1 = ^ 2 ; M 1 = M 2 ; Q 1 = Q 2 ’ (8)
где индексы 1 и 2 обозначают принадлежность к прямой трубе и упруго
изогнутому участку соответственно.
Из системы уравнений (6 ) - ( 8) выражение изгибающих моментов для
упругоизогнутого участка записывается следующим образом:
M = M о (1 — 0,5 e~as cos a s ) , s > 0; (9a)
для примыкающей прямой трубы:
M = 0,5 M оe as cos a s , s < 0, (96)
где
E I ЛГ а ~
M 0 = — , a = 4 ----- .
0 p ’ V4EI
* Это матрица, обеспечивающая перевод локальных переменных с конца одного прямого
участка в начало соседнего прямого участка.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, № 4 91
И. В. Орыняк, С. А. Радченко
Из решения (9) следует, что в точке сопряжения упругоизогнутого
1
участка с прямой трубой моменты равны: М (5 = 0) = - М 0. Значение макси
мального изгибающего момента М тах = 1 ,0 3 4 М о, не зависящее от типа
3
грунта, отмечается на расстоянии 5 = — 50 от края участка, где характерис
тическое расстояние 5о = л / а . С увеличением 5 величина изгибающего
момента стабилизируется и становится равной М о.
3. Ч и сл ен н ы й ан ал и з н ап ряж ени й в подземном колене.
3.1. И сходные данны е. Как указывалось выше, несоответствие между
величинами осевых сил N Е = 2/ллРт — аА ТЕ Б и N р = лРт приводит к
краевому эффекту в зоне сопряжения прямого участка и колена. Возни
кающие при этом изгибающие моменты в плоскости кривизны гиба можно
представить в общем виде как
М (5) = Ш ^ Т , Г , 5), (10а)
где ^1 - некоторая функция.
Очевидно, что величина осевой силы находится между N £ и N р и
может быть представлена следующим образом:
N (5) = Ш 2(Т ,Г ,5) + N е , 0 < Г 2 < 1, ( 10б)
где ^ 2 - введенная авторами некоторая безразмерная функция; Т - гео
метрические параметры трубопровода; Г - физико-механические характе
ристики грунта; N - параметр несоответствия с размерностью осевой силы,
N = ( N p — N е ) = лРт 2(1 — 2у ) + аА Т Е Г . ( 11)
Из выражения (11) следует, что определяемая им комбинация внутрен
него давления и температуры приводит к одинаковому краевому эффекту.
Это значит, что при исследовании краевого эффекта в качестве параметра
нагружения можно выбрать, например, только некоторое значение АТ. Заме
тим, что справедливость такого положения была подтверждена нами расче
том для разных комбинаций значений АТ и Р , приводящих к одинаковому
значению N.
Большой набор физико-механических свойств грунта и геометрических
характеристик труб не позволяет провести исчерпывающий анализ, чтобы
представить результаты в удобном для применения виде. Поэтому рассмот
рим только некоторые конкретные случаи.
С помощью программного комплекса анализировалось упругое взаимо
действие грунта с трубопроводом, имеющим колено с радиусом дуги Я = 2;
5; 20 и 50 м, при таких исходных данных:
труба: г = 0,16988 м, г = 0,00792 м;
металл: Е = 2 - 105 МПа, ц = 0,3, а = 1,25-10—5 град—1;
98 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2003, № 4
Напряженное состояние в криволинейных подземных трубах
3
грунт (суглинок): удельный вес у гр =16580 Н/м , модуль упругости
Е гр = 11 МПа, коэффициент Пуассона л гр = 0,35, сцепление грунта с гр =
= 18 кПа, угол внутреннего трения р гр = 1 9 град, обобщенный коэффициент
касательного сопротивления с = 2 МПа/м. Эти величины используются
для определения а ; (2) и у 1 (3); _
параметр нагружения Д Г = 10оС, что соответствует о = Ы /Б = 25 МПа.
Приведенные ниже результаты расчета получены при разных значениях
угла дуги гиба в с целью анализа его влияния на характер изменения
величин М и N.
3.2. Р езультаты расчетов. Для иллюстрации качественной картины
деформирования подземных трубопроводов с криволинейными вставками
приведем результаты расчетов для колен с радиусом дуги Я = 2 0 и 5 0 м в
виде эпюр изгибающих моментов (рис. 2) и продольных сил (рис. 3). Эпюры
перемещений, углов поворота и перерезывающих сил здесь не приводятся,
поскольку их можно определить из известных дифференциальных зависи
мостей. Очевидно, что изгибающие моменты в области сопряжения гиба с
прямой трубой достигаю т максимума. Характер зависимостей изгибающих
моментов и осевых сил от продольной координаты х обусловлен соотно
шением размера зоны влияния краевого эффекта $0 = л / а и полудлины
гиба I, где 21 = Яв. В нашем случае = 7,9 м. Так, если полудлина гиба I
меньше $0 , то он полностью подвержен двухстороннему влиянию краевых
эффектов, и эпюра изгибающих моментов на колене имеет только один
экстремум (рис. 2,а). При этом с уменьшением I значение осевой силы в
колене стремится к величине N Е (рис. 3). С увеличением радиуса гиба
уменьшается максимальное значение изгибающего момента, что связано с
повышением податливости гиба и более сильным проявлением реакции
грунта. При этом для гибов с большим радиусом дуги, начиная с опреде
ленного значения в (при Я в > 2у0), картина напряженно-деформированного
состояния стабилизируется (рис. 2,г). Это выражается в том, что значение
изгибающего момента становится постоянным, а углы поворота и пере
резывающие силы равны нулю. Функция ^ в выражении (106) с ростом в
увеличивается и достигает локального максимума в середине гиба (рис. 3).
Анализ колен при различных радиусах дуги показал, что с увеличением
Я наибольшее значение М у в гибе соответствует меньшему значению угла
дуги в. Так, максимальный изгибаю щ ий момент М у в гибе радиусом
Я = 2 м соответствует углу дуги в = 30 град, при Я = 20 и 50 м он соответ
ствует в = 25 и 5 град.
Проведем количественную оценку дополнительных напряжений от из
гибающих моментов, вызванных краевым эффектом. На рис. 4 представлены
зависимости нормированных максимальных дополнительных напряжений
М г
Л = —— от угла дуги в для исследуемых колен. В качестве нормирующего
I о
параметра используется параметр несоответствия о, выраженный в напря
жениях и определяемый как о = Ы /Б . Выше указывалось, что максималь
ные напряжения достигаются в окрестности зоны сопряжения прямой трубы
с коленом.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 4 99
М у9 Н- м
о, о,
? \
£
Рис. 2. Эпюры изгибающих моментов для колен при ДГ = 10°С: а - Я = 20 м, I
0 = 9 0 град.
Рис. 3. Эпюры осевых сил для колена: R = 20 м, АТ = 10°C.
В о з н и к а ю щ и е в к о л е н е п о л н ы е о с е в ы е н а п р я ж е н и я с о с т о я т и з д в у х
с о с т а в л я ю щ и х : н а п р я ж е н и я о т о с е в о й с и л ы и и з г и б а ю щ е г о м о м е н т а . Т а к и м
о б р а з о м , м а к с и м а л ь н о е р е з у л ь т и р у ю щ е е н а п р я ж е н и е в з а в о д с к о м г и б е п о д
з е м н о г о т р у б о п р о в о д а о п р е д е л я е т с я с л е д у ю щ и м о б р а з о м :
о ?nax = ( Л + k ) о + о ̂ ( 1 2 )
г д е о п р - о с е в ы е н а п р я ж е н и я в п о д з е м н о й п р я м о й т р у б е ; k = F 2 ( s ~ 0 ),
п о с к о л ь к у и з м е н е н и е м с и л ы N в з о н е с о п р я ж е н и я м о ж н о п р е н е б р е ч ь .
И з р и с . 4 в и д н о , ч т о к о э ф ф и ц и е н т л м о ж е т д о с т и г а т ь б о л ь ш и х в е л и
ч и н , и е г о м а к с и м а л ь н о е з н а ч е н и е с о о т в е т с т в у е т г и б а м с н е б о л ь ш и м р а д и
у с о м д у г и R . Т а к , д л я и с с л е д у е м ы х к о л е н п р и R = 2 м б ы л о п о л у ч е н о л = 2
п р и R = 5 м - л = 1 ,5 , п р и R = 2 0 м - /л = 0 ,6 , п р и R = 5 0 м - /л = 0 ,2 5 .
З а м е т и м , ч т о н а п р я ж е н и е о т а к ж е м о ж е т б ы т ь д о с т а т о ч н о б о л ь ш о е , о с о
б е н н о п р и п о л о ж и т е л ь н ы х А Т . П о э т о м у в ц е л о м н а п р я ж е н и я в г и б е м о г у т
с у щ е с т в е н н о п р е в ы ш а т ь в е л и ч и н ы , о п р е д е л я е м ы е п о в ы р а ж е н и ю ( 1 ) , ч т о ,
о ч е в и д н о , с л е д у е т у ч и т ы в а т ь п р и п р о е к т и р о в а н и и и с т р о и т е л ь с т в е т р у б о
п р о в о д о в .
П р е д с т а в л е н н ы е р е зу л ь т а т ы н о с я т ч а с т н ы й х а р а к т е р , п о с к о л ь к у б ы л и
п о л у ч е н ы д л я к о л е н с о д и н а к о в ы м и г е о м е т р и ч е с к и м и х а р а к т е р и с т и к а м и
с е ч е н и я и д л я о д н о г о т и п а г р у н т а . П р о в е д е н н ы й ч и с л е н н ы й э к с п е р и м е н т п о
и с с л е д о в а н и ю в л и я н и я р а д и у с а r и т о л щ и н ы с т е н к и т р у б ы t, а т а к ж е
ф и з и к о -м е х а н и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к г р у н т а н а в е л и ч и н у л н е п о з в о л и л
в ы я в и т ь о д н о з н а ч н о с т ь д а н н о г о в л и я н и я и у с т а н о в и т ь б е з р а з м е р н ы е п а р а
м е т р ы , о п р е д е л я ю щ и е е е п о в е д е н и е . П о -в и д и м о м у , т о л ь к о у м е н ь ш е н и е
о б о б щ е н н о г о к о э ф ф и ц и е н т а к а с а т е л ь н о г о с о п р о т и в л е н и я г р у н т а с д л я
д р у г и х т и п о в г р у н т о в п р и в о д и т к з а м е т н о м у у в е л и ч е н и ю н а п р я ж е н и й . Э т и
р е зу л ь т а т ы е щ е р а з с в и д е т е л ь с т в у ю т о н е о б х о д и м о с т и п р о в е д е н и я в ы ч и с л е
н и й в к а ж д о м к о н к р е т н о м с л у ч а е .
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, № 4 101
И. В. Орыняк, С. А. Радченко
Рис. 4. Зависимости нормированных максимальных дополнительных напряжений от угла
дуги 0: 1, 2, 3, 4 - соответственно R = 2; 5; 20 и 50 м.
Ч т о к а с а е т с я у п р у г о и з о г н у т о г о у ч а с т к а п о д з е м н о г о т р у б о п р о в о д а , т о в
н е м т а к ж е в о з н и к а ю т д о п о л н и т е л ь н ы е н а п р я ж е н и я , п р о п о р ц и о н а л ь н ы е п а
р а м е т р у N , о д н а к о п р и б о л ь ш и х р а д и у с а х у п р у г о г о и з г и б а и д л я т и п и ч н ы х
г р у н т о в э т и э ф ф е к т ы н е с у щ е с т в е н н ы .
Н е о б х о д и м о о т м е т и т ь , ч т о в р е з у л ь т а т е д е й с т в и я и з г и б а ю щ и х м о м е н т о в
н а б л ю д а е т с я с п л ю щ и в а н и е п о п е р е ч н о г о с е ч е н и я г и б а , к о т о р о е , с о д н о й с т о
р о н ы , п р и в о д и т к б о л ь ш е й п о д а т л и в о с т и г и б а и , к ак с л е д с т в и е , к м е н ь ш и м
и з г и б а ю щ и м м о м е н т а м , а с д р у г о й - к д о п о л н и т е л ь н ы м к о л ь ц е в ы м н а п р я
ж е н и я м . Э т и э ф ф е к т ы в н а с т о я щ е й р а б о т е н е р а с с м а т р и в а л и с ь .
В ы в о д ы
1. У с т а н о в л е н о , ч т о в о б л а с т и с о п р я ж е н и я к р и в о л и н е й н ы х п о д з е м н ы х
т р у б с п р я м ы м и в о з н и к а ю т к р а е в ы е э ф ф е к т ы , п р и в о д я щ и е к д о п о л н и т е л ь
н ы м и з г и б а ю щ и м м о м е н т а м . И х в е л и ч и н ы п р о п о р ц и о н а л ь н ы п а р а м е т р у
н е с о о т в е т с т в и я N , п р е д с т а в л я ю щ е м у с о б о й р а з н о с т ь о с е в о г о у с и л и я в
б е с к о н е ч н о м п р я м о м т р у б о п р о в о д е и в за к р ы т о й с т о р ц о в т р у б е .
2 . Б о л ь ш о й н а б о р ф и з и к о -м е х а н и ч е с к и х с в о й с т в г р у н т а и г е о м е т р и
ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к т р у б н е п о з в о л я е т п р о в е с т и и с ч е р п ы в а ю щ и й т е о р е т и
ч е с к и й л и б о ч и с л е н н ы й а н а л и з . П о к а з а н о , ч т о с у в е л и ч е н и е м р а д и у с а д у г и
г и б а и з г и б а ю щ и й м о м е н т у м е н ь ш а е т с я .
3 . Д л я к о л и ч е с т в е н н о г о о п и с а н и я к р а е в о г о э ф ф е к т а в в е д е н о п о н я т и е
д о п о л н и т е л ь н ы х б е з р а з м е р н ы х н а п р я ж е н и й ц = о м / О.
4 . Д л я у п р у г о и з о г н у т о г о у ч а с т к а п о д з е м н о г о т р у б о п р о в о д а п р е д с т а в
л е н о а н а л и т и ч е с к о е р е ш е н и е к р а е в о г о э ф ф е к т а .
Р е з ю м е
Р о з г л я д а ю т ь с я к р а й о в і е ф е к т и в п ід з е м н и х т р у б о п р о в о д а х , щ о в и н и к а ю т ь в
о б л а с т і с п о л у ч е н н я п р я м о ї п ід з е м н о ї т р у б и і к р и в о л ін ій н о ї в с т а в к и (з а в о д -
102 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, N 4
Напряженное состояние в криволинейных подземных трубах
с ь к и й з г и н , к о л ін о а б о п р у ж н о в и г н у т а д іл я н к а ) . У н а с л ід о к д і ї ц и х е ф е к т ів
в и н и к а ю т ь д о д а т к о в і з г и н а л ь н і м о м е н т и , в е л и ч и н а я к и х п р о п о р ц ій н а р і з
н и ц і о с ь о в о г о з у с и л л я в н е с к ін ч е н н о м у п р я м о м у т р у б о п р о в о д і і в з а к р и т ій з
т о р ц ів т р у б і і за л е ж и т ь в ід г е о м е т р и ч н и х п а р а м е т р ів т р у б о п р о в о д у т а ф із и к о -
м е х а н іч н и х х а р а к т е р и с т и к ґ р у н т у . Н а в е д е н о к о н к р е т н і п р и к л а д и а н а л із у
п р у ж н о ї в з а є м о д і ї т р у б о п р о в о д у з ґ р у н т о м д л я к о л ін із р із н и м и р а д іу с а м и
д у г и з г и н у . П о к а з а н о , щ о д о д а т к о в і з г и н а л ь н і н а п р у ж е н н я м о ж у т ь іс т о т н о
п е р е в и щ у в а т и н а п р у ж е н н я в ід о с ь о в о ї с и л и , т о м у ї х н е о б х ід н о в р а х о в у в а т и
п р и п р о е к т у в а н н і і б у д ів н и ц т в і т р у б о п р о в о д ів . О т р и м а н о і п р о а н а л із о в а н о
р о з в ’я з о к д л я п р у ж н о в и г н у т о ї д іл я н к и .
1. С т р о и т е л ь н ы е н о р м ы и п р а в и л а . М а г и с т р а л ь н ы е т р у б о п р о в о д ы . - М .:
Ц И Т П Г о с с т р о я С С С Р , 1 9 8 8 . - 5 2 с.
2 . Б о р о д а в к и н П . П . П о д з е м н ы е м а г и с т р а л ь н ы е т р у б о п р о в о д ы . - М .: Н е д р а ,
1 9 8 2 . - 3 8 4 с.
3 . К а м е р ш т е й н А . Г . , Р о ж д е с т в е н с к и й В . В ., Р у ч и м с к и й М . Н . Р а с ч е т
т р у б о п р о в о д о в н а п р о ч н о с т ь . - М .: Н е д р а , 1 9 6 9 . - 4 4 0 с.
4 . А й н б и н д е р А . Б . Р а с ч е т м а г и с т р а л ь н ы х и п р о м ы с л о в ы х т р у б о п р о в о д о в
н а п р о ч н о с т ь : С п р а в о ч н о е п о с о б и е . - М .: Н е д р а , 1 9 9 1 . - 2 8 7 с.
5 . L iq u id T r a n sp o r ta t io n S y s t e m s fo r H y d r o c a r b o n s , L iq u id P e tr o le u m G a s ,
A n h y d r o u s A m m o n ia , a n d A lc o h o l s . - A S M E B 3 1 .4 . - N e w Y o r k , 1 9 8 9 . -
9 1 p .
6 . G u id e l in e fo r th e D e s i g n o f B u r ie d S t e e l P ip e . - A S C E , 2 0 0 1 . - 8 3 p.
7 . G u ij t W. D e s i g n c o n s id e r a t io n s o f h ig h -te m p e r a tu r e p ip e l in e s / / P ro c .
I S O P E - 9 9 . - B r e s t , F r a n c e , 1 9 9 9 . - P . 6 8 3 - 6 8 9 .
8 . Р о м а щ е н к о В . А ., И в а щ е н к о К . Б ., Ж у р а х о в с к и й С. В . А н а л и т и ч е с к о е
о п р е д е л е н и е н а п р я ж е н н о - д е ф о р м и р о в а н н о г о с о с т о я н и я у п р у г о и з о г н у
т о г о в г р у н т е т р у б о п р о в о д а / / П р о б л . п р о ч н о с т и . - 1 9 9 8 . - № 2 . - С . 151
- 1 6 0 .
9 . О р ы н я к И . В . , Т о р о п В . М ., Р о м а щ е н к о В . А ., Ж у р а х о в с к и й С. В . Р а с ч е т
п р о с т р а н с т в е н н о г о р а з в е т в л е н н о г о т р у б о п р о в о д а в п р о г р а м м н о м к о м п
л е к с е о ц е н к и п р о ч н о с т и о б о р у д о в а н и я А Э С / / Т а м ж е . - С . 8 7 - 1 0 0 .
Поступила 20. 12. 2001
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, № 4 103
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46993 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:24:03Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Орыняк, И.В. Радченко, С.А. 2013-07-08T14:51:06Z 2013-07-08T14:51:06Z 2003 Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов / И.В. Орыняк , С.А. Радченко // Проблемы прочности. — 2003. — № 4. — С. 93-103. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46993 539.4 Рассматриваются краевые эффекты в подземных трубопроводах, возникающие в области сопряжения прямой подземной трубы и криволинейной вставки (заводской гиб, колено или упругоизогнутый участок). В результате действия этих эффектов возникают дополнительные изгибающие моменты, которые пропорциональны разности осевого усилия в бесконечном прямом трубопроводе и в закрытой с торцов трубе и зависят от геометрических параметров трубопровода и физико-механических характеристик грунта. Приведены конкретные примеры анализа упругого взаимодействия трубопровода с грунтом для колен с разными радиусами дуги гиба. Показано, что дополнительные изгибные напряжения могут существенно превышать напряжения от осевой силы, поэтому их необходимо учитывать при проектировании и строительстве трубопроводов. Получено и проанализировано решение для упругоизогнутого участка. Розглядаються крайові ефекти в підземних трубопроводах, що у області сполучення прямої підземної труби і криволінійної вставки (заводський гинув, коліно або упругоізогнутий ділянка). У результаті дії цих ефектів виникають додаткові згинальні моменти, які пропорційні різниці осьового зусилля в нескінченному прямому трубопроводі і в закритій з торців трубі і залежать від геометричних параметрів трубопроводу і фізико-механічних характеристик грунту. Наведено конкретні приклади аналізу пружного взаємодії трубопроводу з грунтом для колін з різними радіусами дуги згину. Показано, що додаткові згинні напруги можуть істотно перевищувати напруги від осьової сили, тому їх необхідно враховувати при проектуванні і будівництві трубопроводів. Отримано і проаналізовано рішення для упругоізогнутого ділянки. We consider the edge effects in subsurface pipelines in the mating area of a straight subsurface pipe and a curved link (industrial bend, elbow, or the elastically bent pipeline section). Such effects induce additional bending moments that are proportional to the difference o f the axial force in the infinite straight pipeline and in the pipeline closed at the ends, and depend on the geometric parameters of the pipeline and the physicomechanical properties of the soil. The analysis o f elastic interaction between the pipeline and the soil is exemplified by bends with different bending radii. The additional bending stresses can exceed considerably the stresses from the axial force, which should be taken into account in the design and manufacture of pipelines. The solution for the elastically bent pipeline section has been obtained and analyzed. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов Stress State of Subsurface Curved Pipelines Article published earlier |
| spellingShingle | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов Орыняк, И.В. Радченко, С.А. Научно-технический раздел |
| title | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов |
| title_alt | Stress State of Subsurface Curved Pipelines |
| title_full | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов |
| title_fullStr | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов |
| title_full_unstemmed | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов |
| title_short | Напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов |
| title_sort | напряженное состояние криволинейных подземных трубопроводов |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46993 |
| work_keys_str_mv | AT orynâkiv naprâžennoesostoâniekrivolineinyhpodzemnyhtruboprovodov AT radčenkosa naprâžennoesostoâniekrivolineinyhpodzemnyhtruboprovodov AT orynâkiv stressstateofsubsurfacecurvedpipelines AT radčenkosa stressstateofsubsurfacecurvedpipelines |