Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт
Розроблено методику розрахунку напруженого стану та критерії допустимого стану при ремонті повітряних переходів магістральних газопроводів з урахуванням можливих дефектів металу труби. За допомогою програмного комплексу “3D PipeMaster” розраховано різні варіанти та приведено рекомендації щодо оптим...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48422 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт / I.В. Ориняк, I.В. Лохман, М.Д. Сидор, С.А. Радченко, М.В. Бородій // Проблемы прочности. — 2009. — № 5. — С.169-181. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859585867449892864 |
|---|---|
| author | Ориняк, І.В. Лохман, І.В. Сидор, М.Д. Радченко, С.А. Бородій, М.В. |
| author_facet | Ориняк, І.В. Лохман, І.В. Сидор, М.Д. Радченко, С.А. Бородій, М.В. |
| citation_txt | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт / I.В. Ориняк, I.В. Лохман, М.Д. Сидор, С.А. Радченко, М.В. Бородій // Проблемы прочности. — 2009. — № 5. — С.169-181. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Розроблено методику розрахунку напруженого стану та критерії допустимого стану при ремонті повітряних переходів магістральних газопроводів з урахуванням можливих дефектів металу труби. За допомогою програмного комплексу “3D PipeMaster” розраховано різні варіанти та приведено рекомендації щодо оптимального розташування трубоукладачів із метою забезпечення підйому труби на необхідну для ремонту висоту при гарантованому виконанні умов міцності. Визначено значення тягових зусиль на трубоукладачах. Указано оптимальні місця закріплення трубопроводу в поперечному напрямку та розраховано відповідні зусилля в тросах, що запобігають поперечним переміщенням трубопроводу.
Разработаны методика расчета напряженного состояния и критерии допустимого состояния при ремонте воздушных переходов магистральных газопроводов с учетом возможных дефектов металла трубы. С помощью программного комплекса “3D PipeMaster” рассчитаны различные варианты и приведены рекомендации по оптимальной расстановке трубоукладчиков для обеспечения подъема трубы на необходимую для ремонта высоту при гарантированном выполнении условий прочности. Определены значения тяговых усилий на трубоукладчиках. Указаны оптимальные места закрепления трубопровода в поперечном направлении и рассчитаны соответствующие усилия в тросах, предотвращающие поперечные перемещения трубопровода.
We have developed a technique for stressed state calculation and limit state criteria for repared overground junctions of gas mains with account of probable defects in the pipe metal. Using the soft ware program “3D PipeMaster”, we have calculated various options and provided recommendations on the optimal positioning of pipe-layers which would ensure that pipe is raised to the level required for the repair operations and guarantee fulfillment of the safe strength conditions for the raised pipe. We have calculated the required tensile loads of pipe-layers. We have specified the optimal places of pipeline fastening in the lateral direction and calculated the respective efforts in cables, which prevent lateral displacements of the pipeline portion.
|
| first_indexed | 2025-11-27T11:06:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу
трубопроводу при виконанні ремонтних робіт
І. В. Ориняк3,1. В. Лохман6, М. Д. Сидор6, С. А. Радченкоа, М. В. Бородійа
а Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України, Київ, Україна
6 ДК “Укртрансгаз”, Київ, Україна
Розроблено методику розрахунку напруженого стану та критерії допустимого стану при
ремонті повітряних переходів магістральних газопроводів з урахуванням можливих дефектів
металу труби. За допомогою програмного комплексу "ЗБ РіреМачґег” розраховано різні варі
анти та приведено рекомендації щодо оптимального розташування трубоукладачів із метою
забезпечення підйому труби на необхідну для ремонту висоту при гарантованому виконанні
умов міцності. Визначено значення тягових зусиль на трубоукладачах. Указано оптимальні
місця закріплення трубопроводу в поперечному напрямку та розраховано відповідні зусилля в
тросах, що запобігають поперечним переміщенням трубопроводу.
К л ю ч о в і с л о в а : повітряний перехід, трубопровід, напружений стан, ремонтні
роботи, підйом труби, трубоукладач, тягове зусилля.
Вступ. Магістральні трубопроводи складають велику частку матеріаль
них активів промисловості. Це високонавантажені конструкції, оскільки ще
при проектуванні з метою економії металу в них закладаються дуж е низькі,
порівняно з іншими галузями, коефіцієнти запасу міцності. Наприклад, для
магістрального трубопроводу інтегральний коефіцієнт запасу міцності к за
границею міцності матеріалу о в, що враховує всі частинні коефіцієнти
запасу, дорівнює [1]
т
к = к і М ' (1)
де т - коефіцієнт умов роботи; к 1, к н, п - коефіцієнти надійності за
матеріалом, призначенням та навантаженням відповідно.
Підставимо в формулу (1) їх типові значення [1], що дорівнюють, напри
клад, відповідно 0,9; 1,4; 1,05; 1,1, й отримаємо к = 1,8. Це значення є значно
меншим, ніж те, що зазвичай приймається при проектуванні, наприклад,
посудин тиску, де нормативний коефіцієнт запасу не нижчий 2,5. Значення
цього інтегрального коефіцієнта використовуються для визначення робочого
(нормативного) тиску за величиною тангенціальних напружень, що обчислю
ються за формулою: о в = р Я / і , де Я - радіус труби; і - товщина стінки
труби. Таким чином, уж е від д ії внутрішнього тиску метал труби знаходиться
на межі допустимого стану, і врахування будь-яких інших навантажень, на
приклад ваги ґрунту, може формально перевести трубопровід у недопустимий
стан.
Інша проблема полягає в тому, що згадані норми [1] не містять класи
фікації напружень на категорії в залежності від природи походження й області
(протяжності) їх дії, як це має місце в зарубіжних. Тому формально, оскільки
© І. В. ОРИНЯК, І. В. ЛОХМАН, М. Д. СИДОР, С. А. РАДЧЕНКО, М. В. БОРОДІЙ, 2009
ТБОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 169
І. В. Ориняк, І. В. Лохман, М. Д. Сидор та ін.
кожен концентратор напружень є множником для діючих напружень і біль
шим за одиницю, то врахування довільної неправильності форми (неспів-
вісність осей стінок труб, зварні напливи тощ о) призводить до критичної
ситуації - перевищення діючими напруженнями допустимих. Зазвичай на такі
речі не звертають уваги, і при визначенні допустимих дефектів чи кон
центраторів користуються вимогами норм на виготовлення труб або будів
ництво трубопроводів. Проте останні не мають ніякого відношення до реаль
ної м іцності і є, скоріше, нормами на забезпечення якості робіт.
В се це призводить до значних методологічних проблем, коли треба
оцінити міцність у нестандартних ситуаціях із урахуванням дії інших сило
вих чинників, а також реальних дефектів форми металу. Нижче розглядається
подібний приклад, коли в умовах діючого (навантаженого внутрішнім тиском)
трубопроводу виконувався локальний підйом повітряного переходу над опо
рами з метою заміни ізоляції. У цих місцях мали місце незначні корозійні
пошкодження.
У літературних джерелах подібні проблеми розглядаються рідко і, ско
ріше усього, мають м ісце не при ремонті діючих, а при будівництві нових
трубопроводів. У роботі [2] описується досвід підйому трубопроводу з дефек
тами в поперечному зварному шві. Увага звертається на розрахунок глобаль
ного напруженого стану трубопроводу як балки. Розраховуються коефіцієнти
концентрації напружень із урахуванням реальної геометрії зварних швів.
Отримані згинальні напруження в зоні зварних з ’єднань (як для балки) мно
жаться на розраховані коефіцієнти концентрації, і результуючі максимальні
значення напружень прирівнюються до допустимих [2]. Зауважимо, що за
допустимі напруження вибирались значення, котрі в два (!) рази перевищу
вали границю текучості о т . Значення 2 о т є прямим наслідком використання
поняття категоризації напружень, що широко використовується в зарубіжних
джерелах [3].
Таким чином, обґрунтування проведення таких робіт зазвичай зводиться
до вирішення двох проблем: визначення напружено-деформованого стану в
залежності від способу прикладення піднімаючих зусиль і висоти підйому
трубопроводу в точках їх прикладення та визначення критеріїв допустимого
стану, в тому числі з урахуванням наявних дефектів. Вирішення цих проблем
дозволяє обґрунтувати можливість підйому трубопроводу і оптимізувати цей
процес. Наприклад, дуже важливо знати, як розподіляються зусилля на підйом
ники в залежності від висоти підйому, адже максимальне навантаження на
кожен тягач (підйомник) обмежене.
Інша проблема, що може мати місце при підйомі трубопроводу - наяв
ність поперечних сил тертя і потенційно небезпечна можливість його руху в
поперечному горизонтальному напрямку. Пояснимо це більш детально.
Розглянемо довгу ділянку трубопроводу, який знаходиться на опорах.
Нехай він нагрітий на деяку температуру Д Г і, як наслідок, у ньому вини
кають стискаючі зусилля N :
N = а Д Т Е Е , (2)
де а - коефіцієнт температурного розширення; Е - модуль пружності; Б -
площа поперечного перерізу.
170 ISSN 0556-171Х. Проблеми прочности, 2009, № 5
Визначення напружено-деформованого стану
Критична сила втрати стійкості шарнірно закріпленого стержня залежить
від довжини ділянки трубопроводу Ь і моменту інерції I :
ж 2 Е І
(3)
з
Прирівняємо (2) і (3) з урахуванням, що Е = 2жЯґ і І = жЯ ґ. У резуль
таті отримаємо А Т сг = ж 2Я 2/ (а Ь 2 ). Тобто з урахуванням реального значення
а ~ 10_5 втрата стійкості відбудеться вже при температурі 10°С, якщо відно
шення Ц Я буде перевищувати 300. Розглядуваний нижче трубопровід, як і
багато інших, має відносну довжину прямолінійної частини більшу за наве
дене значення Ц Я = 300. Проте від втрати стійкості його стримують горизон
тальні сили тертя. При підйомі трубопроводу ці сили зникають. Тому досл ід
ження того, які можуть виникнути переміщення і як їх стримати, є іншою
важливою частиною розрахункових досліджень.
1. С хем а рем онтних робіт повітряного переходу і постановка задачі.
На рис. 1 зображено план-схему повітряного переходу, виготовленого з труб
діаметром 1420 мм та товщиною стінки 19 мм. Його довжина складає при
близно 1070 м. Трубопровід опирається на 21 коткову опору (на рис. 1 № 1-6 ,
8-11 , 13 -16 , 18 -24), дві анкерні опори (№ 7, 17), одну ковзну опору (№ 12).
Коткові опори є опорами з тертям і не обмежують переміщення труби вгору.
Анкерні опори обмежують всі шість ступенів свободи (три переміщення та
три кути повороту). На рис. 1 трикутниками показано місця почергового
розташування двох трубоукладачів.
Рис. 1. Схема ремонтних робіт повітряного переходу. (Тут і на рис. 2 цифрами позначено
номери опор.)
Технологія підйому труби над опорами передбачає зменшення робочого
тиску з 5,5 до 4,5 МПа. Оскільки це відбувалося влітку, додатково врахо
вувалося можливе перевищення реальною температурою температури зами
кання трубопроводу при будівництві. З урахуванням цього для отримання
обґрунтованих управлінських рішень щодо проведення ремонтних робіт роз
роблено наступну систему постановочних задач даного дослідження:
а) визначення тягових зусиль, що виникають на трубоукладачах при
зруш енні труби над опорами і при підйомі на 10 см над опорами. Аналіз
підйому труби на висоту до 50 см над анкерними опорами;
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 171
І. В. Ориняк, І. В. Лохман, М. Д. Сидор та ін.
б) визначення згинальних напружень у кожній точці трубопроводу при
піднятті труби над певними опорами. Порівняння їх з допустимими з ураху
ванням концентрації напружень;
в) аналіз ситуації можливого поперечного переміщення трубопроводу з
визначенням величини переміщень і можливої їх компенсації за рахунок
установлення поперечних опор.
2. П оп ер едн ій статичн ий ан ал із повітря н ого переходу. Перш ніж
перейти до розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) повітряного
переходу під час підйому труби, оцінемо поточний НДС. Розрахунок НДС
переходу з урахуванням підземних ділянок виконано за допомогою програм
ного комплексу (ПК) “ЗБ PipeM aster”. Цей комплекс використовується для
розрахунку складних просторових багатоконтурних розгалужених трубопро
відних систем за статичного та динамічного навантаження [4 -7]. При цьому
розрахункова схема може включати одночасно наземні та підземні ділянки з
урахуванням різних випадків взаємодії трубопроводу з ґрунтом.
Побудовану схему повітряного переходу з підземними ділянками пока
зано на рис. 2. Статичний розрахунок НДС виконувався за таких умов
навантаження: власна вага д = 7300 Н/м (враховується маса труби та продук
ту); внутрішній тиск р = 4,5 МПа. Для оцінки температурних переміщень
було проведено кілька розрахунків: без урахування та з урахуванням сил
тертя на опорах; за умови, що труба на опорах жорстко закріплена. Для всіх
розрахунків максимально можливий температурний перепад приймався 40° С.
Рис. 2. Схема повітряного переходу, побудована за допомогою ПК “3Б PipeMaster”.
В хідні дані наступні: зовнішній діаметр труби Б = 1420 мм; товщина
стінки труби повітряного переходу Н = 19,5 мм; модуль пружності металу
172 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Визначення напружено-деформованого стану
труби Е = 2 • 105 МПа; модуль зсуву металу труби Є = 8 • 104 МПа; коефіці
єнт П уассона ^ = 0,3; коефіцієнт температурного розширення а = 1 ,25-10- 5 ;
коефіцієнт тертя в опорах к т = 0,1; ґрунт на підземних ділянках - суглинок із
такими характеристиками: питома вага у гр = 16580 Н/м ; модуль пружності
Е гр = 1 1 МПа; коефіцієнт П уассона ц гр = 0,35; зчеплення с гр = 1 8 кПа; кут
внутрішнього тертя р гр = 19°; загальний коефіцієнт дотичного опору ґрунту
с ̂ = 2 МПа/м.х0
Аналіз результатів статичних розрахунків НДС повітряного переходу
показує, що максимальні згинальні напруження складають 52 МПа. Графіки
горизонтальних переміщень (на рис. 2 вздовж осі X) для зазначених розра
хункових схем представлено на рис. 3. Очевидно, що при розрахунку пере
міщень за схемою з жорстким обпиранням вони будуть найменшими, без
урахування сил тертя на опорах - найбільшими. Переміщення труби з ураху
ванням сил тертя на опорах займають проміжне значення. Найбільші гори
зонтальні переміщення з урахуванням сил тертя мають місце на 1- і 23-й
опорах і відповідно складають 13 і 17 см. У разі, якщо трубоукладачі
піднімуть трубу над сусідніми опорами, відповідно зникне сила тертя і, як
наслідок, дещ о збільшаться горизонтальні переміщення. Аналіз такої ситуа
ції буде проведено в наступному розділі.
-0,3 J-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Осьова координата, м
Рис. 3. Горизонтальні переміщення за температурного перепаду в залежності від дії сил тертя:
1 - без урахування сил тертя; 2 - з урахуванням сил тертя; 3 - із жорсткими опорами.
3. В изначення доп усти м и х напруж ень. Перш ніж виконати відповідні
розрахунки, оцінимо допустимий напружений стан, з яким будемо порівню
вати поточний напружений стан, що відповідає виконанню ремонтів із п ід
няттям труби над певними опорами.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 173
І. В. Ориняк, І. В. Лохман, М. Д. Сидор та ін.
За нормального робочого режиму роботи газопроводу внутрішній тиск
складає р = 5,5 МПа і йому відповідає окружне напруження о д , яке обчис
люється за відомою формулою:
р Я
о в = —̂ - = 195 МПа. (4а)
Приймемо цей рівень напружень за допустимий. Очевидно, що проектні
допустимі напруження дещ о більші, оскільки встановлюються в залежності
від границі міцності матеріалу труби. Однак одним з аргументів цього є те,
що дана труба знаходилась в експлуатації і на ній могли бути експлуатаційні
дефекти або дефекти в зварних швах. Тому абсолютно логічним є певне
зменшення рівня допустимих напружень.
Номінальні осьові напруження розраховуються як
± р Я
° х = ^2й ± 0 М , (4б)
де о м - напруження від згинального моменту. Оскільки максимальне зги
нальне напруження газопроводу становить о м = 52 МПа (див. п. 2), номі
нальні осьові напруження в зоні розтягу і стиску для заданого повітряного
переходу відповідно складають: о * = 149,5 МПа і о ~ = 45,5 МПа.
Скористаємося третьою теорією міцності (Треска) в якості критерію
жи напі
напружень:
оцінки напруженого стану при сумісній д ії окружних о в і осьових о х
т а х { о х , о в , о в - о х } < [о ] = 195 МПа. (5)
При виконанні ремонтних робіт номінальний внутрішній тиск було змен
шено до р і = 4,5 МПа. Тоді номінальні окружні напруження від внутрішнього
тиску за формулою (4) становитимуть 159 МПа. Оцінимо рівень допустимих
згинальних напружень для найбільш консервативної умови о д — о - < [ о ].
Згідно з (5) та (6) маємо
о м = [ о ] — = 1 9 5 — 79,5 = 115,5 МПа. (6а)
Консервативно приймемо, що максимальні згинальні напруження не
повинні перевищувати
| о м |< 100 МПа. (6б)
Для врахування можливих дефектів скористаємося вищезгаданою мето
дологією розрахунку з урахуванням катетеризації напружень. Оскільки кон
центратори призводять до збільшення напружень тільки в локальному околі
дефекту і вони можуть релаксувати при виникненні пластичних деформацій,
допустима величина напружень, звичайно, є набагато більшою, ніж від внут-
174 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Визначення напружено-деформованого стану
рішнього тиску. Враховуючи практику зарубіжних стандартів [3], приймемо,
що діючі напруження не повинні перевищувати 2 о т . Тоді критерій оцінки
напруженого стану набуде такого вигляду:
к ] 0 0 -Ь к ^ о
Р і й
м 2 і
= 2 о т < 600 МПа, (7)
де к х, к 2 - відповідно коефіцієнти концентрації напружень в окружному та
поздовжньому напрямках. Консервативно вибираючи максимальне значення
з двох коефіцієнтів концентрації напружень, отримаємо додаткове обм еж ен
ня на величину згинальних напружень:
о м < 600/ к - 72,5, (8)
що при к < 3,5 не призводить до додаткових обмежень порівняно з (6б).
4. Р озрахунок напруж ень та тягових зусиль при п іднятті труби з
коткових опор.
4.1. М о д е л ю в а н н я д і ї т я го в и х зу си л ь , п р и к л а д е н и х у д во х т очк ах .
Розглянемо умовну ділянку трубопроводу, що складається з двох опор 1 та 2,
на яких виникають реакції Q l та Q 2 (рис. 4). На відстані 2 м від кожної з
опор прикладено тягові зусилля Рі та Р 2 . В ідмітимо, що тягове зусилля
може створюватись за допомогою як одного, так і двох трубоукладачів.
Д ослідимо, яким чином зусилля Рі та Р 2 впливають на переміщення труби
над опорами 1 і 2 та напруження.
Рис. 4. Схема навантаження трубопроводу за допомогою двох трубоукладачів.
Розглянемо ситуацію, коли тягові зусилля на обох трубоукладачах дорів
нюють деякому довільно взятому значенню Р с . При цьому значенні труба
піднята тільки з опор 1 та 2 (рис. 4). Позначимо отримані розрахункові
переміщення на опорах як ^ сі і ^ с2 . Подальше збільшення тягових зусиль
призводить до лінійного приросту переміщень (за умови, що труба не зру
шиться з сусідніх опор), і для повного переміщення труби над опорами
можна записати наступні вирази:
^ і = w cl + ( Р і - Р с М ^ і + ( Р 2 - Р с М ^ і ;
^ 2 = ^ с 2 + ( Р і - Р с ) < ^ 2 + ( Р 2 - Р с 2 >
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, N2 5
(9)
175
І. В. Ориняк, І. В. Лохман, М. Д. Сидор та ін.
де d w 1, d w 2 - приріст переміщень трубопроводу в точках відриву від опор 1
і 2 при збільшенні зусилля Рі на 1 тс; dw l, d w 2 - приріст переміщень
трубопроводу в точках відриву від опор 1 і 2 при збільш енні зусилля Р 2 на
1 тс.
Розв’язавши (9) відносно Р1 та Р2 , запишемо залежності між тяговими
зусиллями після відриву труби від опор і вертикальними переміщеннями ^1
та ^ 2 трубопроводу (на рис. 4 точки 1, 2):
Р1 = Рс +
Р2 = Рс +
d w 2 ( Wl — w cl ) — d w l( W2 — Wc2)
dw 2 d w l — d w l dw 2
dw l( w 2 — Wc2 ) — dw 2( Wl — w cl)
dw 2 d w l — d w l dw2
(10)
Аналогічні вирази можна привести і для згинального напруження о м в
будь-якій точці труби:
0 М = 0 с + (Р 1 — Р с )d о 1 + (Р 2 — Р с М ° 1, (11)
де о с - напруження в точці при зусиллі Р с ; d о 1 - приріст напруження в
точці при збільшенні зусилля Рі на 1 тс; d о 1 - приріст напруження в точці
при збільшенні зусилля Р 2 на 1 тс.
Отримані співвідношення (10) з урахуванням умови Wl = W2 = 0 дозво
ляють знайти зусилля Рі і Р 2 , що необхідні для одночасного зрушення з обох
опор. Позначимо їх відповідно Рі в і Р 2 в і запишемо
и - и ■ d w 2 w c1 — ^ 1 ̂ 2
Р 1,в = Р с +
Р2,в = Р с +
dw 2 d w l — d w l dw 2
d w l w c2 — dw 2 w cl (12)
dw 2 d w l — d w l dw2
У випадку, коли Р1 = Р 2 , тобто Р1 — Р с = Р 2 — Р с = А Р , з (9) для перемі
щень можна записати
Wl = w cl + А Р( dwl + dwl);
(13)
звідки отримаємо
W2 = Wc2 + А Р( dW2 + d w 1 ),
а р = ; ( 14)awl + awl
dwl + dwl
W1 = w cl + 1 — , Л— ( w 2 — w c2 ) ; (15а)
dW2 + dW2
176 ISSN 0556-171Х. Проблеми прочности, 2009, № 5
Визначення напружено-деформованого стану
dw 2 + dw2
^2 = ^ 2 + -1— , ,---- (^1 - ^ 1 )•
d w 1 + dw l
(156)
Співвідношення (15) дозволяють знайти значення переміщення Wl, якщо
наперед задано W2 , і навпаки.
Таким чином, фактично задача звелась до визначення параметрів Р с , w cl,
w c2 , о с та приростів dwl, d w 2 , dw l, dw2 , d o і, d o і.
4.2. Р о зр а х у н о к Н Д С п р и п ід й о м і т р у б и з о п о р № 1 і 2 . Промоделюємо
підйом труби з опор № і і 2 трубоукладачами, що розташовані між опорами
на відстані 2 м до опор (рис. 4). Розглянемо три випадки: рівномірні і
нерівномірні тягові зусилля та наявність додаткових поперечних опор.
Р івн ом ірн і т я го в і зуси лля . Для того щ об відбувся відрив труби від двох
опор, тягове зусилля повинно складати Рі = Р2 = 33 т. При цьому перемі
щення на першій опорі Ж і = 0, на другій - Ж 2 = 0,086 м.
При д ії однакових зусиль на трубоукладачах при підйомі труби на Ю см
над перш ою опорою тягові зусилля складають 34,25 т, при цьому перемі
щення на другій опорі Ж2 = 16,3 см, максимальні напруження о м = 63 МПа.
Залежності переміщень і напружень у точках, що відповідають опорам № 1 і
2, від д ії рівномірних тягових зусиль на трубоукладачах показано на рис. 5.
Р і = Р 2 , т
Рис. 5. Залежність переміщень і напружень ві,ц дії однакових тягових зусиль.
Н ерівн ом ірн і т я гов і зуси лля . Проаналізуємо інш у ситуацію: прикладення
нерівномірних тягових зусиль на трубоукладачі за однакових значень пере
міщень над опорами. Тоді розрахункові значення тягових зусиль при одно
часному відриві труби від двох опор складатимуть: Рі = 36 ,4 т і Р 2 = 27 ,3 т.
Максимальне напруження при цьому буде о м = 46,5 МПа. У разі підйому
труби над двома опорами на висоту 10 см тягові зусилля такі: Рі = 36 ,7 т і
Р 2 = 30,1 т, максимальні напруження о м = 65 МПа. Графіки при нерівно
мірному розподілу тягових зусиль представлено на рис. 6.
А н ал із п ідй ом у т р уб о п р о во д у за наявн ост і додат кови х поперечних о п о р .
В п. 2 було показано, що на трубу діють поперечні сили, які викликають
поперечні переміщення. При стримуванні цих переміщень не виключається
можливість застосування гнучких (трос) або жорстких обмежувачів попереч
них переміщень під час підйому труби. Коли труба зривається з опор, сили
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 177
І. В. Ориняк, І. В. Лохман, М. Д. Сидор та ін.
тертя на них відсутні і це може збільшити поперечні переміщення. П ро
аналізуємо три варіанти встановлення поперечних опор у зоні підйому труби
над опорами № 1 і 2 (рис. 7). Розрахунки виконано для випадку одночасного
відриву труби від двох опор, при цьому тягові зусилля від д ії трубоукладачів
будуть: Рі = 36 ,4 т і = 27 ,3 т.
40
35
ЗО
25
Р1
- ■
60
55
50
6 ‘
45
40
0 10
= ¥¥ 2 , сн
15 20
Рис. 6. Залежність тягових зусиль і напружень від переміщень над опорами.
Рис. 7. Три варіанти схеми (а, б, в) встановлення поперечних опор.
Розрахунки показують, що переміщення за відсутності поперечної опори
та сил тертя на опорах № 1 і 2 становлять 14 см. Різні схеми встановлення
поперечної опори дозволяють несуттєво зменшити це значення (до 11 см).
Найбільше значення реакції на поперечній опорі має м ісце в разі її розташ у
вання посередині прольоту між 1 - і 2-ю опорами і складає 5 т. За другої схеми
реакція опори вже менша - 3,3 т, при розташуванні за другою опорою на
відстані 5 м (третя схема) вона становить 3 т. При цьому найбільше напру
ження відповідає точці розташування першого трубоукладача і становить
о м = 65 МПа.
Із проведених розрахунків можна дійти висновку, що встановлення попе
речних опор не дає суттєвого ефекту і може застосовуватись у разі, якщо
зазначені горизонтальні переміщення є недопустимими.
178 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Визначення напружено-деформованого стану
Зведена таблиця основних результатів
№ ремонтного
прольоту
між опорами
Тягові зусилля
в момент відриву, т
Тягові зусилля
при піднятті труби на 10 см, т
о м ,
МПа
Л Л2 Л2
1-2 27,9 33,0 36,7 30,1 65
3-4 28,0 27,0 30,5 28,7 42
5-6 32,5 27,5 34,5 33,8 52
8-9 30,3 27,4 35,2 30,3 53
10-11 25,5 30,8 28,5 36,1 65
13-14 28,0 28,3 30,5 31,8 47
15-16 26,5 30,2 30,0 35,5 55
18-19 28,0 31,1 33,5 34,5 52
20-21 31,5 31,5 33,6 33,3 50,3
22-23 30,8 28,5 34 31,9 50,5
24 24,5 38,5 79
4.3. З в е д е н і р е з у л ь т а т и р о зр а х у н к ів д л я к о т к о ви х і к о в зн о ї о п о р . Роз
рахунки силових характеристик при проведенні ремонту повітряного пере
ходу представлено в таблиці. Там же наведено дані про тягові зусилля одно
часного відриву труби від коткових опор; зусилля, що відповідають підйому
труби на 10 см над обома опорами, а також про максимальні згинальні
напруження о м .
Окремо розглянемо декілька варіантів підняття труби над опорою № 12
на 10 см:
1) працюють два трубоукладачі на відстані 2 м від опори з різних сторін.
Тоді тягові зусилля на перш ому становитимуть 23,5 т, на другому - 13 т,
максимальні напруження - 65 МПа;
2) працює перший трубоукладач. Тягове зусилля становить 36 т, напру
ження - 71 МПа;
3) працює другий трубоукладач. Тягове зусилля становить 37 т, напру
ження - 74 МПа.
Для всіх опор виконується умова міцності, оскільки згинальні напружен
ня не перевищують визначений нами раніше їх допустимий рівень 100 МПа.
5. А н ал із п ідйом у труби над анкерним и опорам и. Оскільки анкерні
опори № 7 і 17 є подібними (має місце однакове значення прольоту між
сусідніми опорами), розглянемо приклад аналізу підйому труби тільки для
однієї опори, а саме: № 7.
Згідно з попереднім “Планом проведення робіт” трубоукладачі встанов
люються попарно перед і за опорою на відстані 2 м. Для такої схеми було
проведено розрахунки підняття труби на висоту 50 см. На рис. 8 представ
лено графіки вертикальних переміщень труби при поетапному процесі наван
таження рівномірними зусиллями кожної пари трубоукладачів. Як бачимо,
для підняття труби на висоту 50 см над опорою необхідно прикласти тягове
зусилля на кожну пару трубоукладачів по 34 т. При цьому відповідні макси
мальні згинальні напруження сягають 165 МПа, що перевищує встановлені
допустимі напруження 100 МПа.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 179
К00|)ДІ1Н<1Т<1, 1.1
Рис. 8. Графік вертикальних переміщень у процесі підняття труби над анкерною опорою: 1 -
Р = 16 т; 2 - Р = 30 т; 3 - Р = 34 т.
Т рубоукладач — ^ / О п о р а № 7
_̂а ______ ^
І \
20 м<-------------------------------- ►
І_
10 м 4------------- ►
-1 А '
Рис. 9. Схема розміщення трубоукладачів.
Для зменшення рівня згинальних напружень трубоукладачі необхідно
розміщувати на більшій відстані один від одного, наприклад, як зображено на
рис. 9. За такої схеми необхідне переміщення над опорою 50 см досягається
при рівномірному навантаженні трубоукладачів тяговим зусиллям 21 т. Макси
мальні згинальні напруження при цьому вдалося зменшити більше ніж у два
рази (77 МПа), що є допустимим.
В и с н о в к и
1. Проаналізовано базові значення напружень та переміщень при статич
ному навантаженні з урахуванням температурного перепаду і д ії сил тертя на
опорах. Показано, що врахування сил тертя значно зменш ує переміщення
трубопроводу. Максимальні переміщення становлять 17 см.
2. На прикладі ремонту прольоту між опорами № 1 і 2 повітряного
переходу показано принцип отримання оціночних значень переміщень і напру
жень. Розрахунки виконано за допомогою ПК “3Б РіреМа8Іег”. Для всіх
коткових опор при підйомі труби на висоту 10 см згинальні напруження не
перевищують допустимого значення 100 МПа.
3. Проаналізовано можливість встановлення поперечних опор для стри
мування поперечних переміщень під час підйому труби. Установлено макси
мальні величини переміщень, які можуть мати місце за різних схем розта
шування поперечної опори (розтяжки).
180 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Визначення напружено-деформованого стану
4. Для анкерних опор № 7 і 17 розраховано підйомні зусилля на трубо
укладачі і напруження, що виникають у трубі, та запропоновано схему
розташування трубоукладачів таким чином, щ об за умови підняття труби над
опорою на 50 см максимальні згинальні напруження не перевищували допус
тимий рівень.
Р е з ю м е
Разработаны методика расчета напряженного состояния и критерии допус
тимого состояния при ремонте воздуш ных переходов магистральных газо
проводов с учетом возможных дефектов металла трубы. С помощью про
граммного комплекса “3D PipeM aster” рассчитаны различные варианты и
приведены рекомендации по оптимальной расстановке трубоукладчиков для
обеспечения подъема трубы на необходим ую для ремонта высоту при гаран
тированном выполнении условий прочности. Определены значения тяговых
усилий на трубоукладчиках. Указаны оптимальные места закрепления трубо
провода в поперечном направлении и рассчитаны соответствующие усилия в
тросах, предотвращающие поперечные перемещения трубопровода.
1. С Н и П 2 .0 5 .0 6 -8 5 . Магистральные трубопроводы. - М.: ЦИТП Госстроя
СССР, 1988. - 52 с.
2. A le x a n d e r С. a n d S c r iv n e r R . A nalysis o f girth w elds in p ipelines subjected
to lifting loads. IPC 2006-10480 // Proc. 6th Int. Pipeline Conf. (IPC 2006,
Sep. 2 5 -2 9 , Calgary), 2006.
3. О риняк І. В , Б о гд а н А. В., Б о р о д ій M . В . Використання категоризації
напружень і деформаційних критеріїв при оцінці м іцності магістральних
трубопроводів // Техн. диагностика и неразрушающий контроль. - 2007.
- № 4. - С. 6 -1 5 .
4. О ры няк И. В., Т ороп В. М ., Р ом ащ ен ко В. А., Ж ур а х о вск и й С. В. Расчет
пространственного разветвленного трубопровода в программном комп
лексе оценки прочности оборудования АЭС // Пробл. прочности. - 1998.
- № 2. - С. 87 - 100.
5. К р а со вск и й А. Я ., О ры няк И. В., Р адч ен ко С. А., Б а т ур а А. С. Оценка
прочности трубопроводов А ЭС с учетом их фактического состояния с
помощью программного комплекса “3D PipeM aster” // Проблеми ресурсу
і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин. - 2006. — С. 171 -
176.
6. О ры няк И. В., Р адч ен ко С. А., Б а т ур а А. С. Расчет собственных и
вынужденных колебаний трубопроводной системы. Сообщ. 1. Анализ
колебаний пространственной стержневой системы // Пробл. прочности. -
2007. - № 1. - С. 79 - 93.
7. О ры няк И. В., Р адч ен ко С. А., Б а т ур а А. С. Расчет собственных и
вынужденных колебаний трубопроводной системы. Сообщ. 2. Динами
ческая жесткость гиба трубы // Там же. - № 2. - C. 5 2 - 7 1 .
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2009, № 5
Поступила 12. 05. 2009
181
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48422 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-27T11:06:22Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ориняк, І.В. Лохман, І.В. Сидор, М.Д. Радченко, С.А. Бородій, М.В. 2013-08-19T13:56:13Z 2013-08-19T13:56:13Z 2009 Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт / I.В. Ориняк, I.В. Лохман, М.Д. Сидор, С.А. Радченко, М.В. Бородій // Проблемы прочности. — 2009. — № 5. — С.169-181. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48422 539.4 Розроблено методику розрахунку напруженого стану та критерії допустимого стану при ремонті повітряних переходів магістральних газопроводів з урахуванням можливих дефектів металу труби. За допомогою програмного комплексу “3D PipeMaster” розраховано різні варіанти та приведено рекомендації щодо оптимального розташування трубоукладачів із метою забезпечення підйому труби на необхідну для ремонту висоту при гарантованому виконанні умов міцності. Визначено значення тягових зусиль на трубоукладачах. Указано оптимальні місця закріплення трубопроводу в поперечному напрямку та розраховано відповідні зусилля в тросах, що запобігають поперечним переміщенням трубопроводу. Разработаны методика расчета напряженного состояния и критерии допустимого состояния при ремонте воздушных переходов магистральных газопроводов с учетом возможных дефектов металла трубы. С помощью программного комплекса “3D PipeMaster” рассчитаны различные варианты и приведены рекомендации по оптимальной расстановке трубоукладчиков для обеспечения подъема трубы на необходимую для ремонта высоту при гарантированном выполнении условий прочности. Определены значения тяговых усилий на трубоукладчиках. Указаны оптимальные места закрепления трубопровода в поперечном направлении и рассчитаны соответствующие усилия в тросах, предотвращающие поперечные перемещения трубопровода. We have developed a technique for stressed state calculation and limit state criteria for repared overground junctions of gas mains with account of probable defects in the pipe metal. Using the soft ware program “3D PipeMaster”, we have calculated various options and provided recommendations on the optimal positioning of pipe-layers which would ensure that pipe is raised to the level required for the repair operations and guarantee fulfillment of the safe strength conditions for the raised pipe. We have calculated the required tensile loads of pipe-layers. We have specified the optimal places of pipeline fastening in the lateral direction and calculated the respective efforts in cables, which prevent lateral displacements of the pipeline portion. uk Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт Stress-strain state evaluation of the pipeline overground junctions required for technical repair operations Article published earlier |
| spellingShingle | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт Ориняк, І.В. Лохман, І.В. Сидор, М.Д. Радченко, С.А. Бородій, М.В. Научно-технический раздел |
| title | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт |
| title_alt | Stress-strain state evaluation of the pipeline overground junctions required for technical repair operations |
| title_full | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт |
| title_fullStr | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт |
| title_full_unstemmed | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт |
| title_short | Визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт |
| title_sort | визначення напружено-деформованого стану повітряного переходу трубопроводу при виконанні ремонтних робіт |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48422 |
| work_keys_str_mv | AT orinâkív viznačennânapruženodeformovanogostanupovítrânogoperehodutruboprovoduprivikonanníremontnihrobít AT lohmanív viznačennânapruženodeformovanogostanupovítrânogoperehodutruboprovoduprivikonanníremontnihrobít AT sidormd viznačennânapruženodeformovanogostanupovítrânogoperehodutruboprovoduprivikonanníremontnihrobít AT radčenkosa viznačennânapruženodeformovanogostanupovítrânogoperehodutruboprovoduprivikonanníremontnihrobít AT borodíimv viznačennânapruženodeformovanogostanupovítrânogoperehodutruboprovoduprivikonanníremontnihrobít AT orinâkív stressstrainstateevaluationofthepipelineovergroundjunctionsrequiredfortechnicalrepairoperations AT lohmanív stressstrainstateevaluationofthepipelineovergroundjunctionsrequiredfortechnicalrepairoperations AT sidormd stressstrainstateevaluationofthepipelineovergroundjunctionsrequiredfortechnicalrepairoperations AT radčenkosa stressstrainstateevaluationofthepipelineovergroundjunctionsrequiredfortechnicalrepairoperations AT borodíimv stressstrainstateevaluationofthepipelineovergroundjunctionsrequiredfortechnicalrepairoperations |