Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Атырауский институт нефти и газа

Факультет: Механический

Кафедра: «Технологические машины и оборудование»

Курсовой проект

по дисциплине:

Сооружение подводных нефтегазопроводов

На тему:

Проектирование и сооружение перехода через водную преграду

Выполнил: ст. гр. МТТ-09к/о

Данкенов М.Г.

Проверил: доц. Абишев М.Н.

Атырау 2012

Содержание

• Введение
• 1. Задание на курсовое проектирование
• 2. Расчет толщины стенки трубопровода
• 3. Проверка толщины стенки трубопровода
• 3.1 Проверка на прочность трубопровода в продольном направлении
• 3.2 Проверка недопустимых пластических деформаций трубопровода
• 4. Расчет устойчивости трубопровода на водном переходе
• 5. Расчет тягового усилия, подбор троса и тягового механизма
• 5.1 Первый этап расчета предельного сопротивления трубопровода
• 5.2 Второй этап расчета предельного сопротивления трубопровода
• 5.3 Третий этап расчета предельного сопротивления трубопровода
• Заключение
• Список литературы



Введение

Магистральные трубопроводы пересекают, как правило, большое число препятствий двух видов: естественные и искусственные.

Под естественными понимают препятствия, сформировавшиеся на земной поверхности без участия человека; под искусственными понимают препятствия, появившиеся в результате деятельности человека.

К естественным препятствиям относятся: реки, озера, болота, пруды, ручьи, овраги и т.п.; к искусственным - населенные пункты, каналы, искусственные водохранилища, железные и автомобильные дороги и т.п.

При решении вопроса о способе преодоления препятствий, как правило, приходится решать не только конструкторские и технологические, но и экономические вопросы. Так, при необходимости пересечь трубопроводом реку можно применить подземную схему.

Подводные переходы трубопроводов через водные преграды следует проектировать на основании данных гидрологических, инженерно-геологических и топографических изысканий с учетом условий эксплуатации в районе строительства ранее построенных подводных переходов, существующих и проектируемых гидротехнических сооружений, влияющих на режим водной преграды в месте перехода, перспективных дноуглубительных и выправительных работ в заданном районе пересечения трубопроводом водной преграды и требований по охране рыбных ресурсов.

В данном курсовом проекте ставится цель - расширение и закрепление материала полученного при изучении дисциплины «Сооружение и ремонт магистральных газонефтепроводов».

Основная задача - изучение методики расчета на устойчивость трубопровода на водном переходе через реку, а так же расчета тягового усилия необходимого для протаскивания трубопровода.

Данный курсовой проект состоит из шести глав. Вторая и третья главы посвящены расчету толщины стенки трубопровода и проверки на прочность трубопровода в продольном направлении, а также сделана проверка недопустимых пластических деформаций трубопровода.

При проектировании подводного перехода через водные преграды обязательно должен выполняться расчет против всплытия трубопровода. Данный вопрос раскрывается в четвертой глава курсового проекта.

При прокладке подводных трубопроводов наиболее распространенный способ является способ протаскивание его по дну с помощью заранее уложенного троса. В пятой главе определяется тяговое усилие троса и подбор тягового средства.

Одним из способов строительства переходов трубопроводов через водные преграды является способ наклонно-направленного бурения (ННБ). Шестая глава курсового проекта рассматривает этот метод.

1. Задание на курсовое проектирование

Рассчитать устойчивость трубопровода на водном переходе через реку. Рассчитать тяговое усилие, подобрать трос и тяговый механизм.

Исходные данные для расчета:

- наружный диаметр трубопровода D_н = 820мм;

- давление в трубопроводе Р= 5,5 МПа;

- средняя скорость течения воды V_ср= 0,75 м/с;

- длина перехода L_тр= 75 м;

- грунт - глина _гр= 1800 кг/м³;

- ;

- ;

- плотность бетона _бет= 2400 кг/м³;

- плотность чугуна _чуг= 7500 кг/м³;

- плотность битума _бит= 1040 кг/м³;

- плотность воды _в= 1075 кг/м³;

- плотность футеровки _фут= 650 кг/м³.



2. Расчет толщины стенки трубопровода

Методика определения толщины стенки труб магистрального трубопровода, основана на принципе предельных состояний.

За предельное состояние, при котором трубопровод перестает удовлетворять предъявляемым к нему требованиям, принимается состояние разрушения. Поэтому расчетное сопротивление определяется, исходя из временного сопротивления материала труб.

Данные курсовой работы:

D_н = 820 мм;

Р_в = 5,5МПа.

Выберем трубы стальные электросварные прямошовные диаметром 530-1020 мм. Для стенки трубы выбираем материал - сталь ТУ 14-3-1270-84 марки 17ГС (Челябинский трубный завод) со следующими характеристиками: временное сопротивление разрыву _в=510 МПа, предел текучести _т=353 МПа, коэффициент надежности по металлу трубы к₁=1,47.

1) При отсутствии продольных осевых сжимающих напряжений толщина стенки определяется по формуле:

мм (2.1)

где - коэффициент надежности по нагрузке от внутреннего давления, определим n_p = 1,0

р - внутреннее давление в трубопроводе, МПа;

- наружный диаметр трубопровода, мм;

R₁ - расчетное сопротивление материала трубы, МПа.

R₁ рассчитаем по формуле:



(2.2)

где нормативное сопротивление материала, зависящее от марки стали, и в расчетах принимаем =_в=510 МПа

m - коэффициент условий работы трубопровода, согласно для второй категории трубопроводов m=0,75.

к₁ - коэффициент надежности по металлу, для данной марки стали к₁=1,47;

к_н - коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с условным диаметром 820 мм и внутренним давлением от 5,4 до 7,5 МПа к_н=1

МПа

Тогда расчетная номинальная толщина стенки равна:

Принимаем д=8,5мм.

2) При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять по формуле:

(2.3)

где ₁ - коэффициент двухосного напряженного состояния металла труб и определяемый по формуле:

(2.4)

где - продольное осевое сжимающее напряжение, МПа, определяемое от расчетных нагрузок и воздействий с учетом упругопластической работы металла труб в зависимости от принятых конструктивных решений.

(2.5)

где _t - коэффициент линейного расширения металла, _t=1,210^-5 1/⁰С

Е - модуль Юнга, Е=2,0610⁵ МПа;

t - расчетный перепад температур;

- коэффициент Пуассона, =0,3;

D_ВН - внутренний диаметр трубопровода.

мм

Предельно допускаемый перепад температур вычислим по формулам:

Положительный

⁰С,

Отрицательный

⁰С.

Найдем значение _пр.N - при д = 8,5мм:

Рассчитаем значение коэффициента двухосного напряженного состояния для _{пр N(+)}<0 (при _{пр N(-)}>0 ₁=1 и этот случай уже рассчитан):

Тогда при наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки будет равна:

Окончательно принимаем толщину стенки д = 8,5мм.



3. Проверка толщины стенки трубопровода

Подземные и наземные (в насыпи) трубопроводы проверяют на прочность и деформацию в продольном направлении

3.1 Проверка на прочность трубопровода в продольном направлении

Проверку на прочность подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов в продольном направлении следует производить из условия

(3.1.1)

где _пр.N - продольное осевое напряжение от расчетных нагрузок и воздействий, МПа, определяемое согласно (3.1.1)

ш₂ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных напряжениях (_пр.N 0) принимаемый равным единице, при сжимающих (_пр.N < 0) определяемый по формуле

(3.1.2)

_кц - кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления, МПа, определяемые по формуле:

(3.1.3)



Итак

Тогда:

, при _пр.N < 0

при _пр.N 0

Как видно из последних неравенств условия проверки трубопровода на прочность в продольном направлении выполняются.

3.2 Проверка недопустимых пластических деформаций трубопровода

Для предотвращения недопустимых пластических деформаций подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов проверку необходимо производить по двум условиям:

(3.2.1)

(3.2.2)

где - максимальные (фибровые) суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий, определяемые согласно (3.2.2)

₃ - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб; при растягивающих продольных напряжениях принимаемый равным единице, при сжимающих - определяемый по формуле:

(3.2.3)

где m - коэффициент условий работы трубопровода, согласно второй категории трубопроводов m=0,75;

к_н - коэффициент надежности по назначению, для трубопровода с условным диаметром 820 мм и внутренним давлением от 5,4 до 7,5 МПа к_н=1

нормативное сопротивление материала, зависящее от марки стали, в расчетах принимается =_т=353 МПа (3.2.4)

- кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давления, МПа, вычислено выше

Проверим выполнение первого условия:

, условие выполняется.

Теперь проверим выполнение второго условия, для этого найдем ш₃:

Определим максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе по формуле:

(3.2.5)

где с- минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода,

Тогда максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе для:

- положительного перепада температур:

- отрицательного перепада температур:

Проверим выполнения условия:

при <0,

, выполняются оба условия

при >0,

, выполняются оба условия.

трубопровод тяговый устойчивость деформация



4. Расчет устойчивости трубопровода на водном переходе

Уравнение устойчивости подводного трубопровода согласно СНиП 2.05.06-85* имеет следующий вид

(4.1)

где n_б - коэффициент надежности по материалу балластировки, n_б=0,9 для железобетонных пригрузов;

к_н.в - коэффициент надежности против всплытия, к_н.в=1,1 для русловых участков переходов при ширине реки до 200 м;

q_изг - расчетная нагрузка, обеспечивающая упругий изгиб трубопровода соответственно рельефу дна траншеи.

q_в - расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод;

q_верт - величина пригруза, необходимая для компенсации вертикальной составляющей Р_у воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода,

q_верт = Р_у;

q_г - величина пригруза, необходимая для компенсации горизонтальной Р_х составляющей воздействия гидродинамического потока на единицу длины трубопровода, q_г=Р_х /к;

к - коэффициент трения трубы о грунт при поперечных перемещениях, к=0,4;

q_доп - нагрузка от веса перекачиваемого продукта, q_доп=0 т.к. рассчитывается крайний случай - трубопровод без продукта;

q_тр - расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода;

Расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод

(4.2)

где D_н.ф. - наружный диаметр футерованного трубопровода.

На подводном переходе применяется двойная изоляция, т.е. два слоя изоляционной ленты и два слоя обертки. Для изоляции трубопровода выбираем изоляционную ленту «Поликен» толщиной д_и.л.=0,635 мм, плотностью с_и.л.=1046 кг/м³ и обертку «Поликен» толщиной д_об.=0,635 мм, плотностью с_об.=1028 кг/м³ .

Горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия потока

(4.3)

С_х-гидродинамический коэффициент лобового сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и характера внешней поверхности трубопровода.

(4.4)

где V_ср - средняя скорость течения реки, V_ср=0,75 м/с

н_в - вязкость воды,

н_в =1,31 10^-6 м²/с

Для офутерованного трубопровода и 10⁵<Re<10⁷ коэффициент С_х=1,0.

Вертикальная составляющая гидродинамического воздействия потока

(4.5)

С_у - коэффициент подъемной силы, С_у=0,55

Расчетную нагрузку от собственного веса трубопровода рассчитаем по следующей формуле

q_тр = n_св (q_м^н + q_из^н+q_фут^н₎ (4.6)

где n_св - коэффициент надежности по нагрузкам от действия собственного веса, n_св=0,95

q_м^н - нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы;

q_из^н -нормативная нагрузка от собственного веса изоляции;

q_фут^н - нормативная нагрузка от собственного веса футеровки.

Нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы



(4.7)

_м - удельный вес металла, из которого изготовлены трубы (для стали _м=78500 Н/м³

D_Н - наружный диаметр трубопровода, м;

D_ВН - внутренний диаметр трубопровода, м;

Нормативная нагрузка от собственного веса изоляции

(4.8)

q_и.л.^н - нормативная нагрузка от собственного веса изоляционной ленты;

q_об^н - нормативная нагрузка от собственного веса обертки.

q_и.л.^н =к_изD_Нg_и.л.и.л. (4.9)

q_об^н =к_изD_Нg_обоб (4.10)

к_из - коэффициент, учитывающий величину нахлеста, при двухслойной изоляции (обертки), к_из=2,3 [2].

q_и.л.^н =2,33,140,8209,810,63510^-31046=38,59 Н/м

q_об^н =2,33,140,829,810,63510^-31028=37,92 Н/м

Тогда



Нормативная нагрузка от собственного веса футеровки

(4.11)

где _фут - плотность деревянной футеровки;

D_н.ф - наружный диаметр офутерованного трубопровода;

D_н.и - наружный диаметр изолированного трубопровода;

• D_н.и=D_Н+4_и.п+4_об=820+40,635+40,635=825,08 мм.
• В результате расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода будет равна:
• q_тр = 0,95•(1701+76,51+425,69)=2093,04 Н/м.
• Теперь определим дополнительную выталкивающую силу за счет изгиба трубопровода
• (4.12)
• Где
• (4.13)
• J- осевой момент инерции поперечного сечения трубы
• Таким образом, величина пригрузки трубопровода в воде, равна:

Определим расстояние между пригрузами и их число.

Для балластировки трубопровода выбираем железобетонные кольцевые пригрузы, марка УТК 1020-24-2 массой 4048 кг, объемом 1,76 м³ , толщина груза =0,200м, ширина груза 2,4м, наружный диаметр =1,50м

Расстояние между пригрузами

(4.14)

где Q_г - масса груза;

V_г - объем груза;

Число пригрузов

Принимаем количество пригрузов N_г=21 шт.



5. Расчет тягового усилия, подбор троса и тягового механизма

Расчет тягового усилия ведем из условия

(5)

где Т_р - расчетное тяговое усилие;

m_тяг - коэффициент условий работы тягового устройства, m_тяг=1,1 при протаскивании лебедкой;

Т_пр - предельное сопротивление трубопровода на сдвиг.

Расчет предельного сопротивления трубопровода на сдвиг можно разбить на три этапа.

5.1 Первый этап расчета предельного сопротивления трубопровода

Трогание трубопровода с места на берегу.

Усилие протаскивания определим по формуле:

T_пр=q_i f L + C + E_пас (5.1.1)

где q_i - вес полностью снаряженного трубопровода единичной длины в воздухе (металл трубы, изоляция, футеровка, балластировка);

f - коэффициент трения трубопровода о грунт при продольных перемещениях, который можно в первом приближении принять равным тангенсу угла внутреннего трения грунта, для глин tg _гр=0,287;

С - сопротивление трубопровода сдвигу, обусловленное сцеплением грунта;

Е_пас - пассивный отпор грунта.

q_i =n_св (q_м^н +q_из^н + q_фут^н) +n_б q_бал^н. (5.1.2)

Рассчитаем нормативный вес балластировки в воздухе

(5.1.3)

с_б - плотность материала пригрузки (бетон), с_б=2400 кг/м³;

Вес единицы длины трубопровода в воздухе

q_i= 0,95( 1701+76,51+425,69)+0,911218 = 12189,24 Н/м.

Теперь определим сопротивление трубопровода сдвигу по формуле

С=Lc_грi_тр, (5.1.4)

c_гр - сцепление грунта, для глин c_гр=19,5 кПа;

i_тр - длина части окружности трубы, врезавшейся в грунт,

i_тр= 0,3D_н.ф = 0,30,875 = 0,2625 м.

С = 60195000,2625 = 307125 Н.

Пассивный отпор грунта врезающимися в него неровностями на поверхности трубы:



(5.1.5)

где N_г - число выступающих элементов на поверхности трубы

i_г - длина хорды той части пригруза, которая погружена в грунт;

с_гр - плотность грунта _гр= 1800 кг/м³;

t_г - толщина пригруза =0,200м;

_гр - угол внутреннего трения грунта, для суглинка принимаем _гр=16⁰ [2].

(5.1.6)

D_н.г - наружный диаметр груза, D_н.г=1,50 м.

Усилие протаскивания

Т_пр=12189,24 0,28775+307125+276734,61= 846233,001 Н.

5.2 Второй этап расчета предельного сопротивления трубопровода

а) по берегу:

Т_пр=q_ifL (5.2.1)

Т_пр=12189,24 0,28775= 262373,391 Н

б) в воде по дну траншеи:

Т_пр=q_iв f_вL (5.2.2)

где f_в - коэффициент трения трубопровода о грунт в воде, ориентировочно f_в=0,8tg _гр=0,8tg 16⁰=0,229;

q_iв - вес единицы длины протаскиваемого трубопровода в воде.

q_iв=q_м +q_из +q_фут +q_бал.в-q_в=q_i - q_в

q_iв=12189,24 - 6342,5 = 5846,74 Н

Т_пр= 5846,74 0,22975 = 100417,76 Н

5.3 Третий этап расчета предельного сопротивления трубопровода

Третья стадия - трогание трубопровода с места, после вынужденной (более одного часа) остановки протаскивания.

Определяем усилие протаскивания при балластировке одиночными грузами:

Т_пр= q_iв f_в L +Е_пас.в+q_псS_пс (5.3.1)

где Е_пас.в - пассивный отпор грунта в воде;

q_пс - интенсивность «присоса» трубопровода ко дну подводной траншеи, в суглинках q_пс=0,3 кН/м²;

S_пс - площадь поверхности контакта трубопровода и пригрузов с грунтом.



(5.3.2)

гдес_гр.в - сцепление грунта в воде, для футерованного трубопровода.

с_гр.в=0,1 с_гр=0,119,5= 1,95кПа

S_пс=i_трL=0,262575=19,69 м²

Т_пр=5846,74 0,22975+34284,065+300 19,69 = 140608,82 Н.

Наибольшее предельное сопротивление трубопровода на сдвиг наблюдается при трогании с места на берегу, поэтому для определения расчетного тягового усилия будем использовать Т_пр=872588,673 Н.

Определим расчетное тяговое усилие Т_р

Т_р=m_тягТ_пр (5.3.3)

где m_тяг - коэффициент условий работы при протаскивании лебедкой, m_тяг =1,1.

Т_р=1,1872588,673 = 959847,54 Н =959,8 кН

Данное тяговое усилие обеспечивает лебёдка ЛП - 151 с тяговым усилием 1500 кН. Диаметр троса лебедки 60,5 мм. Проверим трос на разрыв. Условие проверки

(5.3.4)



где m_т - коэффициент условий работы, m_т=1,1

n_т - коэффициент надежности по нагрузке от тягового усилия, n_т=2

k_од - коэффициент однородности троса, k_од=1 (трос новый)

t_т.с - коэффициент тросового соединения, t_т.с=0,7 (через крюк)

кН

Трос диаметром 60,5 мм данное тяговое усилие не обеспечивает.

Принимаем протаскивание через блок, усилие делится пополам.

По табл.14 выбираем трос диаметром 60,5 мм для которого R_тр=1895 кН.

R_пр= 2R_тр =21895=3790 кН >3110,8 кН

Условие выполняется.



Заключение

Все проектные и монтажные работы должны выполняться согласно нормативным документам, таким как:

- Магистральные трубопроводы - СниП 2.05.06-85*

- Сооружение подводных переходов - СП 108-34-96

- Балластировка, обеспечение устойчивости положения газопроводов на проектных отметках - СП 107-34-96

- Организация строительства. - СП 102-34-96

- Подготовка строительной полосы. - СП 103-34-96

- Производство земляных работ - СП 104-34-96

- Производство сварочных работ и контроль качества сварных соединений - СП 105-34-96 и многими другими.

В результате проделанной работы, была достигнута цель, был увеличен информационный объем знаний в изучаемой дисциплине. Был изучен и разобран расчет перехода трубопровода через водную преграду.

Список литературы

1. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. Справочное пособие. М., Недра, 1982, 341с.

2. Бабин Л.А., Быков Л.И., Волохов В.Я. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. М., «Недра», 1979, 176с.

3. Бородавкин П.П., Березкин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов: Учебник для вузов. - 2-е издание, перераб. И доп. - М.: Недра, 1987. - 471с.

4. ГОСТ 25100-95 Классификация грунтов.

5 Нормы технологического проектирования магистральных нефтепроводов (ВНТП 2 - 86).

5. СНиП 2.05.06 - 85 Магистральные газопроводы

6. СНиП 2.01.07 - 87 Нагрузки и воздействия.

7. СНиП 2.04.12 - 86 Расчет на прочность стальных трубопроводов.

8. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф. и др., Типовые расчеты при проектирование и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Учебное пособие для ВУЗов. - Уфа: «Дизайн-ПолиграфСервис», 2002. - 658с.

9. ВН 39 - 1.9 - 004 - 98 Инструкция по проведению гидравлических испытаний трубопроводов повышенным давлением.

10. СП 108-34-97 Сооружение подводных переходов.

Размещено на Allbest.ru