Оценка допустимого радиуса изгиба трубопровода




 

Один из видов повреждений магистральных трубопроводов связан с появлением изгиба с недопустимо низким радиусом кривизны, который ведёт к повышению местных изгибных напряжений, к образованию гофра и разрыву на дефектах. Однако остается нерешённым вопрос, какие радиусы изгиба трубопроводов допустимы? В строительных нормах проектирования магистральных трубопроводов [1] указано, что допустимы только радиусы изгиба более 1000 диаметров трубы. Однако этот параметр не связывается с особенностями, такими как категория трубопровода, механические свойства стали, толщина стенки, рабочее давление, температура, грунтовые условия и др. Это в ряде случаев может привести к завышению или занижению объемов ремонта трубопроводов. Поэтому изучение данного вопроса представляет научный и практический интерес.

Итак, рассмотрим напряженное состояние трубопровода диаметром D и толщиной стенки d на участке изгиба. На этом участке помимо рабочего давления Р могут действовать продольная сила N и изгибающий момент М. Кроме того, оказывает влияние температурный перепад DT по отношению к начальному состоянию. Трубопровод находится в грунте, который оказывает сопротивление сдвигу трубы (реакция грунта). За предельное допустимое состояние трубопровода примем такое, когда в наиболее напряженной точке интенсивность напряжений si достигает некоторого предельного допустимого уровня. За предельный уровень можно принять предел текучести стали sт, который определяет момент начала пластических деформаций. Но из соображений безопасности установим предельное напряжение равным , где m - коэффициент условий работы трубопровода на данном участке [2].

Интенсивность напряжений [3]

, (1)

где sj, sz, sr – напряжения в окружном, продольном, радиальном направлениях соответственно. Для них известны формулы

; ; ; (2)

; ; (3)

; ; . (4)

Здесь использованы обозначения:

Е, m – модуль упругости и коэффициент Пуассона металла труб;

eос, sос – осевая деформация и осевое напряжение;

Jх – момент поперечного сечения трубы, определяется по формуле:

; (5)

F – площадь поперечного сечения трубы, вычисляется по формуле

; (6)

R и r – наружный и внутренний радиусы трубы (; ).

Пользуясь приведёнными формулами, исследуем зависимость предельного радиуса изгиба трубы от перечисленного выше набора исходных параметров. Для этого найдём значения радиуса изгиба трубы , при которых хотя бы в одной точке сечения трубопровода интенсивность напряжений достигает предельного значения .

Исследования выполним численно и графически: варьируя всеми исходными параметрами по очереди. Алгоритм решения следующий:

1) задать набор исходных параметров и распечатать их значения;

2) выбрать варьируемый параметр и организовать цикл вычислений;

3) вычислить все компоненты напряжений и интенсивность напряжений в двух точках сечения, соответствующих наибольшим и наименьшим напряжениям изгиба;

4) распечатать таблицу “варьируемый параметр xk – интенсивность напряжений ”.

Ниже приведены некоторые из полученных результатов. На графиках красным цветом преимущественно изображены напряжения на сжатой образующей (внутренней), синим – на растянутой образующей (растянутой). На всех графиках s - интенсивность напряжений.

На рисунке 1 показаны зависимости интенсивности напряжений от радиуса изгиба трубопроводов размерами 720´12 мм и 1020´19 мм, находящихся под давлением 6,5 МПа, без температурного перепада (). Так же показан способ определения допустимого радиуса изгиба rпр. Из графиков видно, что при данных условиях на сжатой (внутренней) образующей интенсивность напряжений выше, чем на всех других образующих.

 

 

Рисунок 1 – Интенсивность напряжений при изгибе трубопровода

на сжатой (sсж) и растянутой (sрас) образующих.

 

Для ряда сочетаний исходных параметров (размеров труб), включая те, которые показаны на рисунке 1, зависимость допустимого радиуса изгиба rпр от допустимого напряжения sпр показана в таблице 1 и на рисунке 2. И эти данные показывают, что регламентированное документом СП 86.13330.2014 требование соответствует трубам, изготовленным из металлов с невысокими прочностными показателями. Для современных более высокопрочных трубных сталей данное требование устарело и не годится для практического использования, так как приводит к неоправданно высоким объёмам ремонта.

 

Таблица 1 – Зависимость предельного допустимого радиуса кривизны трубопровода rпр от прочностных свойств металла (Р=6,5 МПа, DТ=0)
Размеры труб 530´8 мм 720´12 мм 1020´16 мм 1220´19 мм
sпр, МПа Предельно допустимые значения rпр, м
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         

 

 

Рисунок 2 – Интенсивность напряжений при изгибе трубопровода

на сжатой образующей (на растянутой образующей напряжения ниже).

 

По графикам рисунка 2 можно также заметить, как зависит допустимый радиус изгиба от размеров трубопровода: при равных других условиях с увеличением диаметра труб D допустимый радиус изгиба rпр растёт. Однако на этом рисунке толщина стенки d также принимает разные значения. Поэтому желательно разделить влияние диаметра и толщины стенки, а также всех других факторов.

Рассмотрим далее закономерности, определяющие зависимость параметра rпр от всех исходных параметров и факторов.

 

1. Зависимость rпр от диаметра труб D.

 

 

Рисунок 3 – Зависимость максимальных значений интенсивности напряжений от диаметра труб при постоянных других параметрах.

 

Как видим из графиков рисунка 3, с увеличением диаметра труб допустимые значения радиуса изгиба повышаются, но для обычных трубных сталей не достигают значений 1000 D.

 

2. Зависимость rпр от толщины стенки труб d.

 

 

Рисунок 4 – Зависимость максимальных значений интенсивности напряжений от диаметра труб при постоянных других параметрах.

 

Графики на рисунке 4 также показывают, что с увеличением толщины стенки труб допустимые значения радиуса изгиба повышаются, и также не достигают значений 1000 D для обычных трубных сталей..

 

3. Зависимость rпр от рабочего давления Р.

 

 

Рисунок 5 – Зависимость максимальных значений интенсивности напряжений от рабочего давления при постоянных других параметрах.

 

По рисунку 5 можно сделать вывод, что при равных других условиях с повышением рабочего давления интенсивность напряжений растёт и в принципе может достичь любых высоких значений. При этом допустимый радиус изгиба также может повышаться до любых больших значений. Однако это не является обоснованием требования , так как рабочее давление не может быть произвольно высоким, оно также ограничено допустимым значением. И в пределах допустимых рабочих давлений, вероятнее всего, допустимые значения r будут меньше .

 

4. Зависимость rпр от температурного перепада DТ.

Здесь важно уточнить, что называем перепадом температуры при эксплуатации трубопровода. Учитывая, что перепады температуры вызывают температурные напряжения, примем за начало отсчёта температуру Т0, при которой считается, что напряжений не было. За такую температуру с некоторым приближением примем температуру, при которой был засыпан трубопровод в траншею. Температуру трубопровода в процессе эксплуатации обозначим ТЭ. Тогда перепад температуры будет определяться как разность .

На рисунке 6 приведены графики зависимости интенсивности напряжений на двух противоположных образующих (сжатой и растянутой при изгибе) при разных температурных перепадах. Эти графики показывают, что температурные зависимости имеют более сложный характер. В частности, видно, что наибольшие значения интенсивности напряжений могут возникать как на сжатой, так и на растянутой образующих трубопровода.

 

 

Рисунок 6 – Зависимость максимальных значений интенсивности напряжений от рабочего давления при постоянных других параметрах.

 

В таблице 2 и на рисунке 7 показана зависимость допустимого радиуса изгиба от температурного перепада при условии, что интенсивность напряжений не должна превышать 300 МПа. По графикам видно, что для каждого рабочего давления существует такая определенная температура, выше которой наибольшие напряжения возникают на сжатой (внутренней) образующей, ниже – на растянутой (внешней) образующей трубопровода. При отсутствии рабочего давления такая температура соответствует DТ = 0.

 

Таблица 2 – Радиус изгиба r (м), соответствующий напряжению на образующей si = 300 МПа при разных перепадах температуры DТ
Давление Р=0 Р=6,5 МПа Р=0 Р=6,5 МПа
На сжатой образующей На растянутой образующей
-40        
-30        
-20        
-10        
         
+10        
+20        
+30        
+40        

 

 

Рисунок 7 – Зависимость предельного радиуса изгиба от перепада температуры при предельном значении напряжений si = 300 МПа. Сплошные линии соответствуют давлению Р = 6,5 МПа, пунктирные – случаю, когда давления нет.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-11-29 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: