Надземный переход

ВВЕДЕНИЕ

     При пересечении  трассой трубопровода сложных  естественных и искусственных препятствий в ряде случаев предусматривается строительство надземных переходов. Надземную прокладку трубопроводов осуществляют по различным конструктивным схемам в зависимости от характера пересекаемого препятствия.

     В трубопроводном  строительстве применяются следующие  конструктивные схемы надземных  трубопроводов:

1. Балочные переходы:

а) прямолинейная прокладка без  компенсации продольных деформаций;

     б) прокладка  трубопроводов с компенсацией продольных деформаций:

• трубопроводы с П-, Г- и Z-образными компенсаторами, устанавливаемыми через определенные расстояния в вертикальной или горизонтальной плоскостях;
• трубопровод, имеющий в плане зигзагообразную форму ;
• упругоискривленный самокомпенсирующийся трубопровод ;
• прямолинейная прокладка со слабоизогнутыми компенсационными участками ;

2. Подвесные (висячие, вантовые) переходы  – особенностью данной схемы и ее разновидностей является подвеска трубопровода к специальным несущим канатам, закрепляемым на высоких опорах;

3. Арочные переходы представляют собой конструкции с пролетными строениями криволинейного очертания, имеющими форму арки;
4. Переходы в виде самонесущей провисающей нити  – трубопровод подвешивается к опорным устройствам и материал труб воспринимает нагрузку от веса трубопровода и транспортируемого продукта;
5. Трапецеидальная схема  – трубопровод сооружается в форме трапеции, что дает возможность компенсировать удлинения труб;
6. Мостовая схема – трубопровод прокладывается по специальному мосту, поэтому нагрузок от собственного веса и веса продукта трубопровод не несет [2].

 

Выбор места сооружения перехода зависит в основном от положения  трассы нефтепровода  и лишь в  очень небольшой степени от условий  пересечения реки.

Исходными данными для проектирования  воздушных переходов были материалы  изысканий, которые  проводились в несколько сокращенном объеме по сравнению  с обычными изысканиями для проектирования мостовых переходов.

При проектировании переходов  производили анализ схем, включающих в той или иной степени трубы в работу сооружения. Были рассмотрены воздушные переходы арочной системы, переходы в виде провисающей нити из самих труб и, наконец, висячие и вантовые схемы, в которых трубы усилены гибкими нитями из высокопрочных  стальных канатов.

Наиболее удобными для  перекрытия больших проемов оказались  висячие конструкции. Величина пролета  для них практически не ограничена. Возможны и многопролетные схемы. Они  удобны в монтаже, их легко монтировать, так как трубы свободно подвешиваются к ранее смонтированному канату.

Впервые висячие системы  были применены в мостах, затем  в разных строительных конструкциях и, наконец, при строительстве трубопроводов.

По восприятию нагрузок и по передаче их опорам висячие  системы аналогичны арочным, но отличаются тем, что основные несущие элементы представлены нитями и работают только на расстояние. Это позволяет использовать высокопрочные стали, в результате чего висячие системы получаются экономическими и легкими.

К недостаткам висячих  систем следует отнести их малую жесткость и следовательно значительную деформативность. Это особенно сказывается при несимметричных нагрузках, образуется S-образный изгиб: одна половина пролета изгибается вниз, а вторая вверх.

Основными параметрами  для разработки конструкции висячих переходов являются: пролет, стрелка провисания несущих канатов, панель для трубы или расстояния между подвесками, схема горизонтального раскрепления для восприятия ветровых нагрузок и конструкция анкерных  опор. Размер стрелки провисания канатов влияет на сечения канатов и мощность анкерных опор, а также на высоту, вес и конструкцию пилонов.

Институтом «Укрпроектстальконструкция»  разработана и внедрена в производство новая система горизонтального  крепления висячих переходов  боковыми оттяжками, прикрепленными к трубам через 40-50 м и к неподвижным легким опорам, расположенным на берегах, примерно в отворе  с основными пилоновыми опорами. Расчет выполняется.

Анкерные опоры воспринимают усилия  от оттяжек или канатов  висячей системы и передают их на грунт.

Конструкция анкерной опоры  зависит главным образом от положения  точки прик-репления каната или оттяжки  к опоре и от способа передачи усилия на грунт. Чем выше точка приложения силы от каната, тем больше опрокидывающий момент для опоры и изгибающие моменты для ее конструктивных элементов. Эту точку следует размещать ближе к линии восприятия усилия грунтом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструкция  висячего перехода.

Висячие системы переходов  состоят из растянутых несущих и  ветровых элементов (цепей или вант), к которым с помощью также растянутых элементов (подвесок, растяжек) или непосредственно закреплен трубопровод. Поскольку основные несущие и ветровые элементы висячих систем работают на растяжение, то их, как правило, выполняют из высокопрочных канатов (тросов). В зависимости от длины пролета перехода, конструкции пролетного строения, диаметра трубопровода, нагрузок и методов монтажа растягивающие усилия, возникающие в несущих или ветровых  канатах, могут изменяться от десятков до тысяч тонн. От величины усилия зависят конструкция и число канатов. С увеличением пролетов переходов и нагрузок количество канатов приходится увеличивать. Количество и расположение канатов зависят не только от нагрузки, но и от конструкции пролетного строения и метода его монтажа.

В некоторых случаях  вместо канатов (тросов) делают цепи из отдельных жестких элементов, шарнирно соединенных между собой. Однако, это, как правило утяжеляет конструкцию, поскольку сталь, применяемая  в  канатах, имеет более высокие  прочностные характеристики.

Несущие и ветровые канаты, соединенные наклонными оттяжками, вместе с вертикальными подвесками и горизонтальными оттяжками  создают несущую систему висячего перехода, воспринимающую все виды нагрузок.

В висячих переходах  трубопроводов очень ответственно закрепление концов канатов. Способ крепления канатов выбирают в зависимости от  диаметра  каната, конструкции анкерных опор, условий эксплуатации. Крепление концов канатов к анкерным опорам осуществляется через талрепы  и другие стяжные устройства, с помощью которых можно регулировать длину канатов.

Несущие канаты висячих  переходов трубопроводов, как правило, опираются на специальные высокие  опоры – пилоны. Конструкция пилонов  зависит от длины перекрываемых  пролетов, передаваемых на пилоны нагрузок, расчетной схемы  пилонов, числа ниток трубопровода на переходе, материала пилонов и других факторов. Неотъемлемой  частью промежуточных, а часто и крайних пилонов висячих переходов больших пролетов являются консоли для опоры ветровых канатов.

Консоли прикрепляют к опорам или непосредственно  к пилонам. Целесообразнее, а иногда и удобнее, располагать их несколько ниже от трубопровода, так как в этом случае ветровые канаты оттягивают трубопроводы вниз и этим несколько повышают жесткость перехода, т.е. затрудняют возникновение вертикальных колебаний от ветровой нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчетная  часть.

2.1. Расчёт толщины стенки трубопровода.

 

Исходные данные для  расчёта:

- наружный диаметр  трубопровода D_н=720 мм;

- давление в трубопроводе P=5,1 МПа;

- ширина реки 400 м;

Район / время строительства  – г. Новосибирск/зима .

Продукт – нефть.

По сортаменту выбираем для газопровода трубы, выпускаемые  Челябинским трубопрокатным заводом  из стали маркой 13Г2АФ с   σ_в=530 МПа и σ_т=363 МПа.

В общем случае толщину стенки трубопровода можно определить по формуле

 

                                     ; (1)

 

где ψ₁ – коэффициент двухосного напряжённого состояния металла труб;

      n_p – коэффициент надёжности по нагрузке от внутреннего давления для газопроводов, n_p=1,1 ;

      Р – внутреннее  давление в трубопроводе , МПа;

      D_Н – наружный диаметр трубопровода, мм;

      R₁ – расчётное сопротивление материала можно рассчитать по формуле (2)

                                                                                                                                                                        

                                             ; (2)

 

где R^H₁ – нормальное сопротивление материала, зависящее от марки стали и в расчётах принимается R^H₁=σ_в=530 МПа;

       m – коэффициент условий работы трубопровода, для III категории трубопроводов m=0,9 ;

       k₁ – коэффициент надёжности по металлу, k₁ = 1,47 ;

       k_Н – коэффициент надёжности по назначению.

Для трубопровода с условным диаметром 720 мм внутренним давлением 5,1МПа, k_H=1,0

 

                                    

                                                                                                  

Коэффициент ψ₁=1 при сжимающих продольных осевых напряжениях σ_прN > 0.

При σ_прN <0 коэффициент ψ₁ определяется по формуле:

                                                     

                              ; (3)

где σ_прN – продольное напряжение.

Рассчитаем предварительную толщину стенки трубопровода, первоначально принимая ψ₁=1 , по формуле (1):

 

                     

                             

 

Полученное расчётное значение толщины стенки округляем до ближайшего большего по сортаменту, равного δ_Н=7 мм. По СНиП 2.01.07-85 находим для района прокладки трубопровода t_I = - 20 ⁰C, t_VII = +20 ⁰С, Δ_I = 20 ⁰C, Δ_VII = 6 ⁰C. Нормативные значения температуры наружного воздуха в холодное и тёплое время года:

 

                              t^х_н = - 20 ⁰С – 20 ⁰С = - 40 ⁰С;

                              t^т_н = + 20 ⁰С + 6 ⁰С = + 26 ⁰C,

 

а расчётное значение

    

                                     t^х = - 40 – 6 = - 46 ⁰С;

                                     t^т = + 26 + 3 = + 29 ⁰С.

 

Температурный перепад при замыкании трубопровода в холодное время года

 

                                     Δt^х = +9 – (- 46) = + 55 ⁰С,

 

а при замыкании в  тёплое время года

        

                                     Δt^т = +9 – (+29) = - 20 ⁰С.

 

В качестве расчётного температурного перепада принимаем наибольшее значение

 

                                     Δt = +55 ⁰C.

 

Продольное напряжение

       

                                     ; (4)

 

где α_t – коэффициент линейного расширения металла,  α_t = 1,2 * 10^-5 1/ ⁰С;

      E – модуль Юнга, Е = 2,06 * 10⁵  МПа;

      μ – коэффициент  Пуассона, μ=0,3;

      D_вн – внутренний диаметр трубы

 

                                   D_вн = D_н - 2δ = 720 – 2 * 7 = 706 мм;

 

Рассчитываем продольное напряжение                                                                                                                                          

                                                                                                                                             

             =  - 53,728

            

 

Знак «минус» указывает на наличие  осевых сжимающих напряжений, поэтому  необходимо определить коэффициент  ψ₁, учитывающий двухосное напряжённое состояние металла труб.

 

             

 

По формуле (1) пересчитываем значение толщины стенки трубопровода

 

             

                       ;

 

Ближайшее большее значение толщины стенки по сортаменту равно 7 мм.

Принятая толщина стенки удовлетворяет условиям

 

                      D_н/140= 720/140=5,14 < 7

 

Очевидно, что δ_н=7мм можно принять за окончательный результат.

 

 

 

2.2. Определение нагрузок  действующих на трубопровод.