Петров И.П., Спиридонов В.В. - Надземная прокладка трубопроводов

АННОТАЦИЯ
В книге дан обзор отечественного п зарубежного опыта строительства надземных систем трубопроводов. Приведены различные конструктивные схемы ц конструкции надземных трубопроводов, методика их расчета по предельным состояниям и рекомендации по проектированию и строительству надземных систем трубопроводов. В книге помещен большой иллюстративный материал: фотографии, графики для расчета и справочные таблицы.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией магистральных трубопроводов, а также может быть использована студентами вузов, обучающимися по соответствующей специальности.
ПРЕДИСЛОВИЕ
XXII съезд КПСС наметил грандиозную программу дальнейшего развития народного хозяйства Советского Союза. В течение 20 лет в СССР будет создана материально-техническая база коммунизма.
Выпуск промышленной продукции возрастет не менее чем в б раз, а сельскохозяйственной — примерно в 3,5 раза. Небывало высокими темпами будет развиваться газовая промышленность. Если в I960 г. в СССР было добыто и произведено 47 млрд. ле3газа, то в 1970 г. эта цифра возрастет до 310—325 млрд. м3, а в 1980 г. —до 680—720 млрд. м3. За этот же период добыча нефти увеличится в 4,7—4,8 раза. Доля природного и попутного нефтяных газов в общем объеме производства топлива увеличится до 31%, в то время как в I960 г. она составляла только 8%. Во втором десятилетии ('1971 — 1980 гг.) газовая промышленность СССР выйдет на первое место среди топливных отраслей народного хозяйства и превзойдет газовую промышленность США.
Для передачи газа и нефти служит в основном трубопроводный транспорт. С 1959 по 1965 г. намечено построить около 30 тыс. км магистральных газопроводов и примерно столько же нефте и продуктопроводов. Планы семилетки успешно претворяются в жизнь.
С развитием трубопроводного транспорта увеличивается протяженность магистралей, а также диаметр применяемых для них труб. Значительная часть трубопроводов будет сооружаться из труб диаметром 1000—1400 мм. Длина отдельных магистралей достигнет 3,5 тыс. км.
В настоящее время из труб диаметром 1000 мм уже построена первая нитка газопровода Бухара — Урал протяженностью около 2 тыс. км и заканчивается строительство нефтепровода «Дружба».
Трубопроводы очень металлоемки. Стоимость металлических труб составляет значительную часть общих затрат на сооружение магистральных трубопроводов. Развитие трубопроводного строительства требует сокращения расхода металла. Основную роль в этом играет, повышение прочностных показателей металла и улучшение качества труб. Сокращение расхода металла может быть получено и за счет рационального проектирования магистральных трубопроводов и, в частности, за счет применения надземных переходов через естественные и искусственные препятствия вместо подземной и надземной прокладки трубопроводов на большом протяжении.
Грандиозный объем работ по сооружению магистральных .трубопроводов требует широкого внедрения комплексной механизации, максимальной индустриализации и применения прогрессивных, наиболее совершенных методов их прокладки.
В ближайшие годы трубопроводы будут сооружаться из длинномерных труб (18—24 .и), что сократит объем сварочно-монтажных работ и ускорит темпы строительства. Снижение стоимости трубопроводов и сокращение сроков строительства могут быть достигнуты за счет применения труб с изоляцией, нанесенной в заводских условиях. Совершенствование технологии строительства трубопроводов и методов прокладки, применение прогрессивных конструктивных решений также позволят сократить затраты и повысить темпы выполнения работ.
При сооружении трубопроводов надземная прокладка должна получить широкое распространение не только на переходах, но и на линейных участках трассы. Технико-экономическая целесообразность надземной прокладки трубопроводов во многом зависит от правильности выбранных конструктивных решений и рационального проектирования отдельных элементов и деталей.
Анализ отечественного и зарубежного опыта строительства надземных переходов показывает, что при правильном конструктивном решении надземная прокладка трубопроводов может снизить стоимость, сократить сроки строительства, увеличить надежность и облегчить условия эксплуатации трубопроводов. В настоящей книге освещаются вопросы выбора схемы, расчета и конструирования надземных переходов и надземной прокладки трубопроводов на участках большой протяженности. Книга предназначается для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и строительством магистральных трубопроводов, а также для студентов.
ЧАСТЬ I
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ НАДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ И ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Газопроводы и нефтепродуктопроводы прокладывают в самых различных природных условиях. Трубопроводы строят в горных районах, в пустынях, в районах Крайнего Севера, они пересекают реки, овраги, ущелья, болота, дороги и другие естественные и искусственные препятствия. Разнообразие условий прокладки трубопроводов требует различных методов их проектирования и строительства. Не всегда целесообразно укладывать трубопроводы в грунт.
Нередко при пересечении естественных и искусственных препятствий более проста и дешева надземная прокладка трубопроводов. Метод прокладки выбирают на основании технико-экономических расчетов и сравнения различных вариантов. Надземная прокладка трубопроводов в большинстве случаев целесообразна при пересечении оврагов и малых рек с крутыми берегами, каналов и больших арыков, на горных реках с блуждающим руслом и сильно размываемым дном, при плотных скальных грунтах, в районах горных выработок и оползней, при пересечении селевых русел. В условиях же Крайнего Севера и вечной мерзлоты надземная прокладка — основной способ сооружения трубопроводов.
При относительно небольшой протяженности открытого участка трубопровода (в пределах нескольких сотен метров или даже 2—3 км) температура транспортируемого продукта при прохождении по открытой части изменяется немного и, следовательно, наличие открытых участков мало отразится на режиме работы всего трубопровода, большая часть которого уложена в землю. Когда же длина надземной части трубопровода велика или когда между компрессорными или насосными станциями трубопровод целиком проложен над землей, то атмосферные условия скажутся на температуре транспортируемого продукта, особенно в конце данного участка трубопровода, что отразится на общем режиме его эксплуатации, производительности и условиях работы компрессорных и насосных станций.
При строительстве надземных трубопроводов большой протяженности, как правило, применяют простейшие системы конструкций, в которых трубопровод работает как неразрезная балка. При пересечении рек, оврагов, ущелий и других препятствий помимо балочных конструкций применяют балки, усиленные дополнительными элементами (например, шпренгелями), арочные и висячие системы. Во всех случаях необходимо стремиться к максимальному использованию несущей способности самого трубопровода, конечно, с учетом надежности принятого решения, условий строительства и эксплуатации сооружений,
Проектные решения надземных переходов, используемые до недавнего времени, часто были излишне усложнены. Применение защитных кожухов, тяжелых, а часто и ненужных опор, небольших пролетов увеличивало стоимость переходов. На рис. 1. 1 приведены типы переходов, принятых на одном из первых газопроводов. Наиболее дешевыми при строительстве, простыми и удобными в эксплуатации являются различные балочные системы, получившие в СССР широкое распространение на магистральных трубопроводах. В настоящее время балочными системами на трубопроводах диаметром 529—1020 мм перекрывают пролеты до 40—60 м.
В местах пересечения небольших оврагов и рек трубопровод укладывают прямолинейно, без устройства специальных опор в местах выхода его из грунта (рис 1. 2, а). В отдельных случаях при слабых грунтах, неустойчивых откосах и при максимальных расчетных пролетах в местах выхода трубопровода из грунта под трубопровод кладут железобетонные плиты, уменьшающие давление на грунт. Аналогично однопролетным могут устраиваться и двух-трехпролетные переходы. Величина пролетов в прямолинейных одно-трехпролетных переходах в зависимости от диаметра труб, толщины их стенки и марки стали может назначаться при трубах диаметром 529—1020 мм до 25—40 м.
Значительные пролеты можно перекрыть балочными системами с консолями (рис. 1, 2, б). Средний пролет двухконсольного перехода с двумя опорами может достигать 50 м и более. По концам перехода устраивают наклонные компенсаторы, что позволяет обеспечить любой необходимый вылет компенсатора. Увеличивая длину консолей, трубопроводу можно придать небольшой подъем. При большом числе пролётов следует предусматривать компенсацию температурных напряжений.
При прямолинейной открытой прокладке на большой длине устанавливают обычные П- или Г-образные компенсаторы (рис. 1.3, а). Размеры компенсаторов зависят от температурного перепада и длины участка между неподвижными опорами. С целью компенсации температурных напряжений трубопроводы можно прокладывать также криволинейно, в виде пологой дуги или двух прямолинейных участков, направленных друг к другу под углом с криволинейным сопряжением. При числе пролетов более шести-восьми трубопроводы целесообразно укладывать в виде горизонтальной «змейки»: ломаной линии с криволинейными вставками (рис. 1. 3, б) или в виде плавной волнообразной кривой.
При зигзагообразной прокладке трубопровода в виде «змейки» длина трубопровода получается меньше, чем при прямолинейной, с постановкой П- и Г-образных компенсаторов. Применение зигзагообразной прокладки позволяет беспрепятственно прочищать трубопровод поршнем или скребком («ершом»).
Для увеличения пролетов балочных систем в некоторых случаях применяют усиление наиболее напряженных участков трубопроводов либо шпренгельные конструкции. Шпренгельные системы могут быть однопролетными и многопролетными. Они достаточно легкие, но уменьшают габариты под трубопроводом и поэтому не всегда приемлемы. При больших пролетах необходимую жесткость шпренгельной системы в горизонтальной плоскости обеспечивают устройством двух наклонных шпренгелей (рис. 1. 4, а) или постановкой дополнительных горизонтальных шпренгелей.
В некоторых случаях, например, когда требуется прокладка нескольких трубопроводов, делают специальный мост или эстакаду, на которой укладывают трубопроводы. Несущей конструкцией наиболее часто являются балки или фермы. Трубопроводы укладывают на пролетные строения с помощью скользящих или Катковых опорных элементов или крепят к ним на подвесках. Из приведенных примеров видно, что балочные переходы допускают большое многообразие решений и применяются наиболее широко.
Различные конструктивные решения балочных переходов трубопроводов широко распространены на таких крупных сооружениях, как газопроводы Джаркак — Бухара — Самарканд — Ташкент, Карадаг — Акстафа — Тбилиси и Акстафа — Ереван; нефтепровод «Дружба»; газопроводы Бухара — Урал, Орджоникидзе — Тбилиси, Беговат — Фергана — Тумшук — Душанбе; на нефтепроводах Тихорецкая - Новороссийск, Тихорецкая — Туапсе и других магистральных трубопроводах.
Большие пролеты наиболее часто перекрывают висячими системами переходов. Такие конструкции наиболее целесообразны при пролетах переходов трубопроводов 80 и более метров. Висячие переходы с пролетами 50. и-более-метров широко распространены как в СССР, так и за рубежом. Они имеют разнообразные схемы и конструктивные решения. Их устраивают с наклонными несущими вантами, с одним или несколькими несущими канатами, к которым на подвесках крепят трубопровод. При значительных пролетах для обеспечения необходимой жесткости конструкции в горизонтальной плоскости устанавливают ветровые канаты (рис. 1. 4, б). Несущие и ветровые канаты располагают и крепят по-разному. Несущие канаты, как правило, опираются на пилоны и закрепляются в анкерных опорах. Ветровые канаты могут опираться на консольные выносы у опор (рис. 1. 4, б) и закрепляться в анкерных опорах несущих канатов либо иметь самостоятельную анкеровку.
Многообразие конструктивных решений висячих систем переходов обусловлено множеством различных факторов, важнейшими из которых являются: величина перекрываемого пролета, необходимость использования перехода для проезда машин или прохода людей, климат и рельеф местности, инженерно-геологические данные, способ и средства -монтажа, наличие материалов, диаметр трубопровода и др.
В некоторых случаях, при соответствующем рельефе местности (переходы через ущелья), висячие переходы могут осуществляться без пилонов. С увеличением пролетов и диаметра трубопровода конструкция висячих переходов усложняется (рис. 1. 5, а). Появляется необходимость в двух и большем количестве несущих канатов, сложнее становятся опоры. В ряде случаев может быть рационально применена конструкция самонесущего висячего трубопровода в виде провисающей нити типа «висячая труба» (рис- 1. 5, б). Такие конструкции могут быть весьма экономичны, при пересечении больших пролетов (200—400 м) и диаметре труб до 720 мм включительно. Трубопровод может перекрывать не только расстояния между пилонами, но и служить в качестве оттяжек.
При пересечении ущелий, балок и оврагов с крутыми берегами систему в виде провисающей нити можно применять без пилонов. В этом случае концы открытого провисающего участка крепят в специальных анкерах, а при относительно небольших пролетах возможна передача растягивающего усилия полностью на подземные участки трубопровода, продолжением которых является переход. Особенность висячих систем переходов трубопроводов — малая их жесткость, что иногда может вызвать вибрацию трубопровода в ветровом потоке. Поэтому при проектировании переходов больших пролетов предусматривают мероприятия для предотвращения опасных колебаний. Для увеличения вертикальной жесткости применяют вантовые фермы, а горизонтальная жесткость висячих систем переходов повышается постановкой ветровых канатов или оттяжек. В системах типа «висячая труба», которые наиболее гибки, уменьшить колебания можно установкой виброгасителей. Однако и в этом случае при определенных скоростях и направлениях ветра не исключается возможность возникновения значительных колебаний трубопровода.
Ряд висячих переходов построен на магистральных газопроводах Джаркак — Бухара — Самарканд — Ташкент, Орджоникидзе — Тбилиси, Бухара — Урал, нефтепроводе «Дружба» и других магистралях.
За рубежом висячие системы также, широко распространены. Их построено много в Канаде, США, Италии, Китае, Бирме и других странах. Арочные конструкции надземных переходов применяются реже, чем балочные и висячие системы. Однако в последнее время их используют все шире как в СССР, так и за рубежом. При пересечении горных рек, ущелий^ судоходных рек, где- требуется обеспечить необходимый габарит, при пересечении каналов, арыков и дорог арочные переходят трубопроводов часто более рациональны, чем другие системы в некоторых случаях строительство арочных- переходов целесообразно не по техническим или экономическим, а по художественно-эстетическим соображениям.
В отечественной практике при пересечении небольших рек, каналов и особенно арыков получают большое распространение простейшие однотрубные арочные переходы небольших пролетов — до 30— 40 л, не требующие устройства сложных опор (рис. 1. 6, а). Такие переходы могут даже работать не как арочная распорная конструкция, а как балочная система.
При больших пролетах арочных переходов для увеличения поперечной устойчивости их сооружают из двух (рис. 1. 6, б) или большего числа связанных между собой трубопроводов. Трубопроводы соединяют между собой связями. При необходимости перекрытия арками больших пролетов и большом числе трубопроводов или при малом их диаметре несущую конструкцию выполняют в виде пространственной арки, по которой прокладывают трубопроводы (рис. 1. 7). В этом случае трубопроводы не являются элементами несущей конструкции.
Многообразие природных условий и различных других факторов заставляет проектировщиков применять множество различных конструктивных решений переходов. На основе анализа этих решений создаются новые, еще более экономичные конструкции переходов. Общей тенденцией является снижение веса конструкций, разработка наиболее простых методов монтажа переходов и индустриальность изготовления конструкций надземных переходов. Этому способствует типизация отдельных, наиболее употребительных систем
переходов и специализация строительных организаций, занимающихся их сооружением.
Каждый надземный переход или участок надземной прокладки трубопроводов должны удовлетворять ряду требований производственного, эксплуатационного, расчетно-конструктивного, экономического и архитектурного характера. Трубопроводу необходима непрерывная безаварийная работа всех его звеньев. Выход из строя лишь одного участка ограниченной протяженности прекращает работу всего трубопровода протяженностью в сотни километров. Поэтому надземные переходы трубопроводов, находящиеся часто в более сложных эксплуатационных условиях, чем линейная часть,— особенно ответственные сооружения. Производственные и эксплуатационные требования заключаются в том, чтобы при непрерывном транспортировании продукта по трубопроводу была обеспечена безаварийность его работы при всех режимах эксплуатации и безопасность для окружающих.
Магистральные газопроводы, по которым газ подается от мест его добычи или производства до газораспределительных станций городов, населенных пунктов или отдельных предприятий, в зависимости от рабочего давления газа в них разделяют на газопроводы: низкого давления (до 12 кПсм2 включительно); среднего давления (12—25 кГ/см2 включительно); высокого давления (25—64 кГ/сч2 включительно).
Магистральными нефте- и нефтепродуктопроводами считаются трубопроводы, прокладываемые от центральных пунктов сбора нефти к пунктам ее переработки, станциям перекачки и налива и от нефтеперерабатывающих заводов к станциям перекачки, налива и нефтебазам при расположении их вне территории промысла и промышленной территории.
...