Оптимальне профілювання трубопроводів. Спорудження магістральних трубопроводів. Дорошенко Я.В.

Зміст

При визначенні оптимальності профілю трубопроводу, як правило, в якості критерію оптимальності приймають витрати на спорудження трубопроводу при забезпеченні необхідних умов надійності експлуатації трубопроводу. Ці витрати складаються з вартості земляних, монтажних і ізоляційно-укладальних робіт. Крім того повинно бути забезпечено прилягання трубопроводу до дна траншеї, міцність трубопроводу, повздовжню стійкість трубопроводу, захист трубопроводу від механічних пошкоджень та тепловий захист. Аналіз вартості цих робіт стосовно оптимального профілю трубопроводу показав:

- видовження трубопроводу за рахунок зміни його вертикального положення мале і його можна не враховувати;

- темп виконання ізоляційно-укладальних робіт в дуже малій мірі залежить від профілю траси;

- найбільший вплив висотне положення трубопроводу має на вартість і обсяг земляних робіт.

Вартість розроблення одиниці об'єму ґрунту суттєво залежить як від глибини траншеї так і від місця розроблення оскільки характеристика ґрунтів вздовж траси не є однаковою, що вимагає зміни технології їх розроблення і відповідної механооснащеності цих робіт. Тому для розв'язку задачі вибору оптимального профілю трубопроводу необхідно скласти залежності, які дозволяють визначати об'єм земляних робіт залежно від висотного положення трубопроводу.

Відомо, що земляні роботи виконуються тільки за визначеними схемами прокладання трубопроводу. Такими схемами є:

- підземна (рисунок 1.6, а);

- півпідземна у двох її варіантах – піввиїмка (рисунок 1.6, б) або півнасип (рисунок 1.6, в);

- наземна (рисунок 1.6, д).

Площа траншеї:

- при

                                                                      ;                      (1.2)

- при

                                      ,                                    (1.3)

де  – віддаль від осі трубопроводу до поверхні ґрунту;

     – зовнішній діаметр трубопроводу;

     а – ширина траншеї по низу;

     φ₁ – кут нахилу стінки траншеї.

Площа насипу:

- при

                                                ;                                    (1.4)

1 – траншея; 2 – трубопровід; 3 – насип; 4 – підкладка

Рисунок 1.6 – Схеми прокладання трубопроводів

- при

                                                                    ;                (1.5)

- при

                                                                                              ;    (1.6)

- при

                                                                                            ,       (1.7)

де с – товщина мінімального захисного шару ґрунту над трубою;

      в – ширина верхньої частини насипу;

      φ₂  – кут відкосу насипу;

      – площа сегменту труби в насипі (рисунок 1.7).

Площа сегменту труби в насипі рівна

                                     ,                           (1.8)

де  – радіус труби;

      – кут сегменту.

Рисунок 1.7 – Розрахункова схема для визначення площі сегменту труби в насипі

Площа зворотної засипки трубопроводу визначається за наступними виразами:

- при

                                     ;                              (1.9)

- при

                      ;                         (1.10)

- при

                                   .                                     (1.11)

Враховуючи записані залежності вартість земляних робіт при спорудженні ділянки трубопроводу залежно від його висотного положення рівна

              ,    (1.12)

де , ,  – вартість виконання одиниці об'єму робіт з розроблення траншеї, влаштування насипу, засипання траншеї;

 – довжина ділянки трубопроводу.

Мінімальне значення вартості земляних робіт є першим критерієм оптимального профілю трубопроводу. При цьому глибина закладання трубопроводу не повинна бути меншою за встановлену нормативними документами.

Другим важливим критерієм оптимального профілю трубопроводу є забезпечення прилягання трубопроводу до дна траншеї при збереженні його міцності.

Умова прилягання трубопроводу до дна траншеї забезпечується, якщо

                                ,                              (1.13)

де  – модуль пружності матеріалу труби;

      – момент інерції поперечного перерізу труби;

      – пружна реакція ґрунту основи;

      – рівномірно розподілене навантаження від ваги трубопроводу, привантаження і утримуючої сили анкерів.

Реакція ґрунту може виникати тільки у випадку коли . Ця умова і визначає прилягання трубопроводу до дна траншеї. З врахуванням цього з рівняння (1.13) отримаємо умову прилягання

                                           .                                 (1.14)

Якщо прилягання трубопроводу відбувається тільки за рахунок сили тяжіння, то  і рівне силі тяжіння одиниці довжини труби.

Якщо прилягання забезпечується привантаженням залізобетонними чи іншими привантажувачами, то

                                        ,                         (1.15)

де  – розподілена на одиницю довжини трубопроводу сила тяжіння окремих привантажувачів.

Третій критерій оптимального профілю є забезпечення міцності трубопроводу під час його укладання в траншею.

Умова забезпечення міцності трубопроводу під час його укладання в траншею забезпечується, якщо

                                           ,                                  (1.16)

де  – мінімальний радіус пружного згину трубопроводу.