МШШСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТРАНСПОРТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

СОГЛАСОВАНО    УТВЕРЖДЕН

с Госгортехнадзором России    Акционерной компанией

письмо № 10-14/318    "Транснефть’'

от 22 июня 1998 г.    6 июля 1998 г.

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ РЕМОНТИРУЕМЫХ ЛИНЕЙНЫХ УЧАСПСОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ С УЧЕТОМ ДЕФЕКТОВ, ОБНАРУЖЕННЫХ ПРИ ДИАГНОСТИЧЕСКОМ ОБСЛЕДОВАНИИ

РД 39-00147105-016-98

Уфа-1999

3 НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА РЕМОНТИРУЕМЫЙ УЧАСТОК НЕФТЕПРОВОДА

3.1    При расчете нефтепроводов на прочность и устойчивость следует учитывать нагрузки и воздействия, возникающие при их сооружении, испытании, эксплуатащш и ремонте. При производстве ремонтных работ нефтепровод находится под воздействием поперечных нагрузок от собственного веса, веса устанавливаемых на него ремонтных муфт, ремонтных машин, а также подвергается осевым усилиям от внутреннего давления, температурного перепада, изменения высотного положения, предварительного изгиба (полученного в процессе строительства) и т.д.

3.2    Коэффициенты надежности по нагрузке надлежит принимать по табл. 3.1.

Примечание. Здесь и в других таблицах диаметры к толщины стенок труб приведены а миллиметрах, а при вычислениях эти величины переводятся в метры.

Собственный вес ремонтируемого нефтепровода длиной 1 м, включая вес перекачиваемой нефти и изоляционного покрытия, является основной нагрузкой, вызывающей изгиб ремонтируемого участка нефтепровода, определяется по следующей формуле:

5|у_ст + я5цз[Ол + 5|и^у_Из+0₁785О_ву_в, кН/м (3.1) где 5 - толщина стенки трубы, м;

и

a„_p = 0,5<7_ki( , МПа,    (3.6)

Соответствующие этим напряжениям относительные продольные деформации равны:

£_пр=^-^ = 0,2.5р,    (3.7)

где Е - модуль упругости (для стали Е^Об'Ю⁵ МПа); д - коэффициент Пуассона (для стали д=0,3).

0,5 <т_кп

Здесь-- составляет удлинение нефтепровода под действи-

Е

ем продольных напряжений Сщ, = 0,5

—— _ укорочение нефтепровода вследствие возникно-Е

всння <т_к„.

3.5 В стенкг вскрытого прямолинейного участка нефтепровода с защемленными концами от внутреннего давления возникают продольные растягивающие напряжения:

с_пр = 0,3с_кц, МПа.    (3.8)

Значения вычислений а_пр приведены в таблице 3.2.

3.6    При проведении ремонтных работ нефтепровод находится под воздействием температурного перепада:

ДТ = Т_р - T_JX, °С,    (3.9)

где Т\, - температура стенки нефтепровода при ремонте, К;

- то же, при укладке нефтепровода (в момент сварки в непрерывную нить), К.

От изменения температуры стенок труб возникают продольные деформации нефтепровода:

е, = аДТ,    (ЗЛО)

где а - коэффициент линейного расширения (для стали а=0,<ХХК>12).

3.7    При отсутствии возможности продольных перемещений в селении прямолинейного нефтепровода с защемленными концами возникают продольные термонапряжения (растягивающие напряжения при понижении температуры и сжимающие - при ее повышении):

a_t =±a ЕДТ, МПа.    (3.11)

Значение вычислений a_t приведены в табл. 3.3.

14

3.8    Масса ремонтных машин л механизмов устанавливается по их технической характеристике.

3.9    Нормативное давление транспортируемой нефти на ремонтируемом участке нефтепровода определяется гидравлическим расчетом (согласно проектной документации).

3.10    Воздействие предварительного напряжения нефтепровода (упругого изгиба и т.д.) определяется согласно чертежам на строительство нефтепровода,

3.11    Основное сочетание расчетных и нормативных нагрузок я воздействий устанавливается исходя из фактически реальных вариантов одновременного действия длительных и кратковременных нагрузок и воздействий.

3.12    Суммарное продольное напряжение в стенке нефтепровода определяется по следующей формуле:

^сум.пр ⁼ °пр + CT_t +    + <j_e+Oqct , МПа,    (3-12)

где а_ир - продольное напряжение от внутреннего давления в нефтепроводе, МПа;

15

0, - напряжение от разности между температурой нефтепровода во время укладки (сварки в непрерывную нить) и температурой металла труб в процессе ремонта, МПа;

о_я- продольное напряжение от изгиба нефтепровода, возникающего в процессе ремонта и-за счет предварительного упругого изгиба, МПа;

Оост - остаточные продольные напряжения в стенке трубопровода, определяются экспериментально, МПа;

о_е - напряжение от удлинения нефтепровода в процессе ремонта (появляющиеся при осадке нефтепровода, при его подъеме), определяется по следующей формуле:

8/f

°£=—f'E,    (3.13)

St

где /j - величина максимальной осадки или подъема нефтепровода в средней части участка, м;

/ - расчетная длина участка нефтепровода, равная расстоянию между сечениями нефтепровода, где его прогиб незначителен.

Формула (ЗЛ2) представляет собой алгебраическую сумму: растягивающие напряжения принимаются со знаком "плюс", а сжимающие - со знаком “минус”.

16

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕМОНТИРУЕМОГО УЧАСТКА НЕФТЕПРОВОДА

4.1    При определении изгибающих моментов нефтепровод принимается за упругий стержень, поперечное сечение которого в нагруженном состоянии остается плоским и сохраняет свою круглую форму.

4.2    Учитывая большое разнообразие расчетных схем, их статическую неопределенность (при решении с применением обычных аналитических методов) более перспективным н удобным является вычисление изгибающих моментов с применением метода конечных элементов и метода постепенного приближения.

При этом нефтепровод вдоль оси представляется в виде отдельных элементов (узлов) определенной длины с приложенными в их центрах обобщенными дискретными нагрузками (рис. 4.1). При рассмотрении условия локального равновесия элементов нефтепровода предлагается общая зависимость длк определения упругой линии нефтепровода:

^Vi = |j|r⁺j(Vi-l ^+Vi+¹)“^(^V«-2^{+ V}i+2^    (⁴¹)

При наличии в нефтепроводе предварительных сжимающих осевых усилий формула (4.1) принимает вид:

V,- = e(V_M + V_M) + e(V_w + V_w) + с,

где Vf - смещение, соответственно i-ro и соседних элементов рассматриваемого участка нефтепровода, м;

q₍- - суммарная поперечная нагрузка, действующая на каждый элемент нефтепровода, кН/м. я = -k ЕI, в = k(4EI. - Nh²), с = kq,-h⁴,

6Е1 +2Nh^z ’

I - момент инерции поперечного сечения трубы, м⁴; h - длина единичного элемента (по рисунку 4.1), м;

N - осевое усилие в нефтепроводе, кН.

Нагрузку q, следует определить, в целом, по следующей алгебраической зависимости:

q/=q_n⁺4_n+q_rp^+R/ ^{+ p}«.    (⁴-2)

17

где q_n - вес трубы, изоляционного покрытия н перекачиваемой нефти, кН/м;

q_a - вес грунта, действуюицш на нефтепровод сверху (присыпанный, уплотненный), кН/м;

- отпор грунта на нефтепровод снизу, кН/м;

R/ - усилие грузоподъемного устройства (например, усилие на крюке трубоукладчика), кН/м;

Р,- - вес ремонтных машин, кН/м.

Знаки нагрузок в формуле (4.2) выбираются так: если нагрузка направлена вверх - “плюс”, если вниз - “минус”. При отрыве нефтепровода от грунта снизу, отпор грунта равен “нулю”.

4.3 Взаимодействие нефтепровода и грунта.

Смещения V,-, V,-.;, V_w, V₍-_f2 являются искомыми величинами, зависящими от q,-.

На рис.4.2 приведена наиболее характерная схема ремонтируемого участка нефтепровода.

Участок 1. Нефтепровод защемлен в уплотненном грунте. Высота грунта над трубой равна Нр На трубу действуют: вес трубы, давление грунта сверху q_Hl и отпор грунта снизу.

Отоор уплотненного грунта практически можно определить исходя из условия, что грунт обладает свойством сопротивляться деформации сжатия по линейному закону.

Отпор грунта следует определять в зависимости от смещения нефтепровода по формуле:

<Jrp = q^p^-ClV, кН I м,    (43)

где Ч_гр = -Чр ⁺ q_Hl) - начальный параметр отпора грунта, равный суммарному весу трубы и грунта, кН/м;

V - смещение трубы по высоте относительно ее начального положения, м;

Cj - коэффициент постели уплотненного под нефтепроводом грунта, кН/м².

При значении q_rp меньше нуля в вычислениях принимается Чф=0.

Участок 2. “Земляная тумба". Отпор уплотненного грунта определяется также по формуле (4.3). Здесь ‘‘земляная тумба” под нефтепроводом имеет возможность разрушаться из-за наличия технологических приямков или на границе с подкопанным участком, при котором появляется нагрузка, превьпнающая критическую q_Kp (критическое смещение). При вычислениях, если q^ > q_Kp, то принимается

Ягр ⁼ Чкр^-

Участок 3 ”Подкоп”. На этом участке на нефтепровод действуют: вес трубы, вес ремонтных машин, усилия грузоподъемных устройств.

Участок 4 “Подсыпка". На этом участке проводят подсыпку грунта под нефтепровод н его уплотнение. На нефтепровод действуют: его собственный вес, вес грунта, присыпанного на трубу, отпор грунта. Здесь коэффициент постели С₄ значительно меньше, чем коэффициент постели на начальном участке. Коэффициент С₄ определяется: экспериментально или на основе имеющихся научно-технических материалов. Отпор грунта на этом участке при механическом

19

УДК 622.692.4

РД 39-00147105-016-98. Методика расчета прочности и устойчивости ремонтируемых линейных участков магистральных нефтепроводов с учетом дефектов, обнаруженных при диагностическом обследовании -Уфа, ИПТЭР, 1999-

Настоящая Методика устанавливает порядок расчета напряжений и деформаций в стенке нефтепровода и технологических параметров при ведении ремонтных работ.

Мелодика предназначена для работников, занимающихся проектированием и проведением ремонтных работ на магистральных нефтепроводах.

Разработчики: специалисты Института проблем транспорта энергорссурсов д.т.н. ГумеровА.Г., д.т.н. ГумеровР.С., к.н.т. Азмстов Х.А., к.т.н. Гумсров К.М., к.т.н. Гаскаров Н.Х., инж. Ронжина Е.Г., инж. Ишмуратов Р.Г.

В разработке приложения Г принимали участие специалисты Центрального imcTirryra авиационного моторостроения (ЦИАМ) д-т.н. Темпе Ю.М., х.т.н. Зюзина В.М., инж. Азметов Х.Х.

© Институт проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР), 1999.

СОДЕРЖАНИЕ

1    Общие положения......................................................................... б

2    Классификация расчетных схем нагружения ремонтируемых участков нефтепроводов............................................... 8

3    Нагрузки, действующие на ремонтируемый участок нефтепровода...........................................................................................И

4    Определение напряженно-деформированного состояния

ремонтируемого участка нефтепровода.....................................17

5    Определение расчетного сопротивления стенок ремонтиру

емых участков нефтепроводов с учетом различных дефектов к старения металла труб......*......... 23

6    Проверка прочности и устойчивости ремонтируемых

участков нефтепровода................................................................25

7    Список использованных источников..........................................28

Приложения:

А Текст компьютерной программы. Исходные данные н

результаты расчета........................................................ 30

Б Пример расчета на прочность и устойчивость ремонтируемого участка нефтепровода.......................................................39

В Ориентировочные технологические параметры при

капитальном ремонте магистральных нефтепроводов.............45

Г Значения коэффициентов влияния длительности

эксплуатации нефтепровода и его дефектности на расчетное сопротивление стенок труб..........................................................56 ¹

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ РЕМОНТИРУЕМЫХ ЛИНЕЙНЫХ УЧАСТКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ С УЧЕТОМ ДЕФЕКТОВ, ОБНАРУЖЕННЫХ ПРИ ДИАГНОСТИЧЕСКОМ ОБСЛЕДОВАНИИ

РД 39-00147105-016-98

Вводится взамен:

Методики расчета на прочности и устойчивость ремонтируемого участка нефтепровода диаметром 219-1220 мм.

Уфа: ВНИИСПТнефть, 1976.

РД 39-30-451-80. Руководства по расчету на прочность участка подземного трубопровода диаметром 1020 и 1220 мм при ремонте без подъема. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1980.

Срок введения с 01.09.1998 г.

Настоящая Методика предназначена для расчета на прочность и устойчивость ремонтируемого участка магистрального нефтепровода при определении основных технологических параметров ремонтной колонны с учетом дефектов в стенках труб и старения нефтепроводов, снижающих несущую способность, с учетом особенностей проведения ремон тных работ.

В Методике рассмотрены поперечные и продольные нагрузки, возникающие при проведении ремонтных работ, взаимодействие нефтепровода с грунтом, значения изгибающих моментов н прогибов вдоль всего ремонтируемого участка.

Основные технологические параметры проведения работ при капитальном ремонте определяются с учетом данных дефектоскопического обследования.

Все технические мероприятия по подготовке и обеспечению противопожарных и безопасных условий проведения ремонтных работ

4

осуществляются согласно действующим нормативно-техническим документам.

Область применения настоящего документа — магистральные нефтепроводы, относящиеся к АК "Транснефть".

Методика не распространяется на нефтепроводы, проложенные в условиях болот, горной местности, в районах с сейсмичностью более? баллов, в районах горных выработок.

5

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1    Основной целью расчета нефтепроводов на прочность и устойчивость является обеспечение безопасности ведения ремонтных работ н определение условий безаварийной эксплуатации нефтепровода.

1.2    Проверка прочности ремонтируемого участка нефтепровода заключается в сравнении расчетного сопротивления стенки трубы (с учетом старения п наличия различных дефектов) с расчетными напряжениями, возникающими при ремонте и в лослсрсмонтный период.

1.3    Вскрьггый участок нефтепровода, представляющий собой неразрезную балку, подвергается изгибу иод действием собственного веса и веса ремонтных машин. Вследствие значительных продольных сил от температурных воздействий и внутреннего давления вскрытый участок нефтепровода находится в условиях продольно-поперечного изгиба.

1.4    При ре моте магистральных нефтепроводов опасность представляют следующие факторы:

—    дефекты в стенках труб и в сварных стыках;

—    механические напряжения в стенке нефтепровода, вызванные давлением нефти, внешними воздействиями со стороны грунта и ремонтных механизмов, остаточными напряжениями, напряжениями из-за изменений температуры стенки трубы;

—    изменения механических характеристик металла труб нефтепровода в результате длительной эксплуатации (старение металла).

1.5    Механические напряжения в стенке нефтепровода, возникающие в процессе ремонта, как правило, имеют следующие составляющие:

—    напряжения от упругого изгиба нефтепровода;

—    напряжения, вызванные конструктивными особенностями участка;

—    напряжения от воздействия внутреннего давления в нефтепроводе;

—    напряжения от перепадов температуры в процессе ремонта;

—    ремонтные напряжения, возникающие вследствие подкопа, засыпки и уплотнения грунта, воздействия ремонтных механизмов и других операциях.

1.6    При совместном воздействии всех этих напряжений в процессе ремонта и дальнейшей эксплуатации нефтепровод должен находиться в безопасном состоянии, исключающем потерю устойчивости,

6

пластическое деформирование с образованием вмятин я гофр, разрыв трубы.

1.7 Исходные данные для выполнения расчетов предоставляет эксплуатирующая организация (ОАО МН). Эти данные содержатся в следующих документах:

—    отчеты по диагностическому обследованию заданного участка нефтепровода, включая внутритрубное и дополнительное внешнее обследование;

—    проектно-сметная документация данного участка нефтепровода;

—    ведомость фактической раскладки труб по нефтепроводу для данного участка;

—    технические характеристики используемых ремонтных машин и механизмов (подкапывающей, очистной, изоляционной, грузоподъемных механизмов).

7

2 КЛАССИФИКАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ НАГРУЖЕНИЯ РЕМОНТИРУЕМЫХ УЧАСТКОВ НЕФТЕПРОВОДОВ

2Л В Методике рассмотрены технологические схемы выборочного и капитального ремонта.

2.2    Расчет на прочность и устойчивость ремонтируемого участка нефтепровода включает определение и анализ значений изгибающих моментов, прогибов и осевых усилий в сечении нефтепровода.

2.3    На основе обобщения технологических схем ремонта, протя-жениости ремонтируемых участков приняты типовые расчетные схемы, которые приведены в табл.2.1. Принятые в схемах обозначения: G,, С₂, G₃ — вес ремонтных машин; Rj, R₂, R₃ — усилия грузоподъемных механизмов.

ТАБЛИЦА 2.1

Характеристика и область применения _

Нефтепровод вскрыт, подкопан для обеспечения ра-

-гт-.............. боты ремонтных машин.

Концы ремонтируемого участка защемлены в грунте.

Нефтепровод вскрыт длиной М+21-2 подкопан на длине 1} для обеспечения работы ремонтных машин. Концы ремонтируемого ^-У^Г~    участка вскрыты длиной U

^_я    до нижней образующей!

что уменьшает максимальное напряжение в сечении нефтепровода (и соответственно увеличивает длину Ц}и позволяет дополнительно обследовать техническое состояние участков, прилегающих к ремонтируемому.

8

1