Переходы магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия

К естественным и искусственным препятствиям относятся: реки, водохранилища, каналы, озера, пруды, ручьи, протоки и болота, овраги, балки, железные и автомобильные дороги.

Подводные переходы трубопроводов через водные преграды

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 выправи тельных работ в заданном районе пересечения трубопроводом водной преграды и требований по охране рыбных ресурсов.

Подземные переходы трубопроводов через железные и автомобильные

дороги

Переходы трубопроводов через железные и автомобильные дороги следует предусматривать в местах прохождения дорог по насыпям либо в местах с нулевыми отметками и в исключительных случаях - при соответствующем обосновании в выемках дорог.

Угол пересечения трубопровода с железными и автомобильными дорогами должен быть, как правило, 90°. Прокладка трубопровода через тело насыпи не допускается.

Участки трубопроводов, прокладываемых на переходах через железные и автомобильные дороги всех категорий с усовершенствованным покрытием капитального и облегченного типов должны предусматриваться в защитном футляре (кожухе) из стальных труб или в тоннеле, диаметр которых определяется условием производства работ и конструкцией переходов и должен быть больше наружного диаметра трубопровода не менее чем на 200 мм.

Концы футляра должны выводиться на расстояние:

а) при прокладке трубопровода через железные дороги:

от осей крайних путей - 50 м, но не менее 5 м от подошвы откоса насыпи и 3 м от бровки откоса выемки;

от крайнего водоотводного сооружения земляного полотна (кювета, нагорной канавы) - 3 м;

б) при прокладке трубопровода через автомобильные дороги- от бровки земляного полотна - 25 м, но не менее 2 м от подошвы насыпи.

Заглубление участков трубопроводов, прокладываемых под железными дорогами общей сети, должно быть не менее 2 м от подошвы рельса до верхней образующей защитного футляра, а в выемках и на нулевых отметках, кроме того, не менее 1,5 м от дна кювета, лотка или дренажа.

Заглубление участков трубопроводов, прокладываемых под автомобильными дорогами всех категорий, должно приниматься не менее 1,4 м от верха покрытия дороги до верхней образующей защитного футляра, а в выемках и на нулевых отметках, кроме того, не менее 0,4 м от дна кювета, водоотводной канавы или дренажа.

При прокладке трубопровода без защитных футляров вышеуказанные глубины следует принимать до верхней образующей трубопровода.

Заглубление участков трубопровода под автомобильными дорогами на территории КС и НПС принимается в соответствии с требованиями #M12291 5200094СНиП II-89-80*#S.

Расстояние между параллельными трубопроводами на участках их переходов под железными и автомобильными дорогами следует назначать исходя из грунтовых условий и условий производства работ, но во всех случаях это расстояние должно быть не менее расстояний, принятых при подземной прокладке линейной части магистральных трубопроводов.

4.1. Устойчивость подводного трубопровода

Под устойчивостью подводного трубопровода понимается способность оставаться в покое при самом неблагоприятном сочетании основных силовых воздействий - выталкивающее Ар­химедово усилие, горизонтальная и вертикальная составляющие гидродинамического воздействия потока, силы упругости трубо­провода и т. д. Расчет устойчивости подводных трубопроводов, прокладываемых на переходах через водные преграды, можно выполнить по формуле

(47)

где Б - необходимая пригрузка; К_н.в - коэффициент надежно­сти при расчете устойчивости положения трубопровода против всплытия, принимается равным для водных преград с шириной зеркала воды в межень до 200 м, условным диаметром менее 1000 мм - 1,1; для остальных водных преград (реки) - 1,15; q_в - расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод (с учетом изоляции и футеровки),

(48)

Б_г - дополнительная пригрузка, необходимая для компенсации горизонтальной составляющей гидродинамического воздействия потока Р_х

(49)

f_тр - коэффициент трения трубопровода о грунт; для трубо­провода, покрытого сплошной деревянной футеровкой, прини­мается в зависимости от характеристики грунта в следующих пределах:

таблица 6

Характеристика грунтов
Разрушенная скала, скальные грунты	0,65
Пески крупные и гравелистые	0,55
Пески мелкие и супеси	0,45
Илистые и суглинистые грунты	0,4

с_х - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от пара­метра

(50)

υ_ср -средняя скорость потока, набегающего на трубу;

(51)

D_тр - наружный диаметр трубопровода с учетом изоляции и футеровки;

δ_из, δ_фут - соответственно толщина изо­ляции и футеровки;

ν - кинематический коэффициент вязкости, при 20° С для воды ν = 0,01 сСт;

g - ускорение свободного паде­ния; при Rе<10⁵ с_х=1,2 , при Rе=10⁵÷10⁷ с_х=1;

Б_в - допол­нительная пригрузка, необходимая для компенсации вертикальной составляющей гидродинамического воздействия потока,

(52)

с_у – коэффициент подъемной силы при несимметричном обте­кании трубы, с_у = 0,55;

Б_изг - дополнительная пригрузка, необ­ходимая для изгиба трубопровода по заданной кривой дна траншеи;

Б_пр.с - дополнительная пригрузка, необходимая для предотвращения подъема трубопровода на криволинейных участ­ках в вертикальной плоскости под действием продольных усилий.

Суммарную величину Б_изг+ Б_пр.с можно найти по следующей зависимости:

(53)

где T -расчетное тяговое усилие при протаскивании трубо­провода;

Е×I - жесткость при изгибе;

l_кр , f - соответственно про­тяженность и стрела прогиба криволинейного участка, берутся на основании данных фактического профиля перехода. Осталь­ные параметры определяются аналогично расчету балласти­ровки на болотах.

4.2. Расчет подводного трубопровода в строительный период методом протаскивания

При укладке подводных трубопроводов наиболее распростра­ненным способом - протаскиванием его по дну с помощью заранее уложенного троса - необходимо определить тяговое усилие для всех возможных случаев, рассчитать тяговый трос и анкеры, подобрать тяговые средства и определить допустимую скорость движения трубопровода при протаскивании с самозаливом.

Расчетное тяговое усилие

(54)

где m_тяг- коэффициент условий работы тяговых средств (m_тяг = 1,1 -протаскивание лебедкой; m_тяг= 1,2 -протаскивание тя­гачами);

Т_п - предельное сопротивление трубопровода на сдвиг, определяемое для следующих расчетных случаев; при трогании трубопровода с места

(55)

где q_i - вес единицы длины снаряженного трубопровода;

l_пл - длина протаскиваемой плети;

Е_нас - пассивный отпор грунта врезающимся в него неровностям на поверхности трубы (при протаскивании трубопровода с гладкой поверхностью Е_нас = 0),

(56)

N_г - число выступающих элементов па поверхности трубы;

i_г - длина части окружности трубы, врезающейся в грунт;

t_г - толщина выступающих элементов;

ρ_ест, φ_гр, с_гр - соответ­ственно плотность в естественном состоянии, угол внутрен­него трения и сцепления грунта;

при вынужденных остановках

(57)

где q_пс - сила присоса, для плотных глин b суглинков q_нс = 0,03 тс/м², для вязких - q_нс = 0,06 тс/м²;

F_он - площадь опирания трубопровода на водонасыщенный глинистый грунт,

В качестве тяговых средств могут использоваться тягачи или мощные тяговые лебедки.

Тяговый трос подбирается в зависимости от разрывного уси­лия

(58)

где m_тс - коэффициент условий работы, m_тс = 1,1;

n_п - коэффи­циент перегрузки, n_п = 2 - при протаскивании по грунту, n_п = 1,3 - по специальным дорожкам;

k_тс - коэффициент однород­ности троса, k_тс = 1 - новый трос, k_тс = 0,8 - трос, имеющий об­рывы проволок в пределах установленной нормы;

t_тс - коэффициент тросового соединения, значения которого принимаются по таблице 7.

таблица 7

Подбор коэффициента перегрузки
При изгибе троса:
вокруг подвижного блока	0,43
вокруг коуша	0,67
продетого в отверстие в планке	0,35
через крюк простой петлей	0,2
через крюк закидной петлей	0,7
При наличии на тросе расплавленных узлов	0,5
При сжатии троса специальными сжимами	0,7
При наличии простого, двойного или задвижного штыка	0,5

Для обеспечения устойчивости трубопровода при его про­таскивании с одновременным заполнением водой скорость про­таскивания должна быть соизмеримой со скоростью самозалива.

Максимальная скорость протаскивания

(59)

где d₀ - диаметр заливочного отверстия; D_в - внутренний диа­метр трубопровода.

4.3. Расчеты, связанные с укладкой трубопровода с поверхности воды

В данном способе укладки при заливе внутрь трубопровода воды образуется переходный участок с. Каждое сече­ние трубопровода последовательно испытывает значительные напряжения от изгиба, при этом для сохранности трубопровода должно выполняться следующее условие прочности:

(60)

где - М^а_max , М^b_max соответственно максимальные изгибающие моменты для участка a и b;

R^н₂ - нормативное сопротивление трубной стали, равное пределу текучести.

Выполним геометрический и прочностной расчеты, считая известными следующие величины:

(61)

При известном отношении q₁/q₂ по уравнению

(62)

или из графика можно найти соотношение между дли­ной изогнутого участка с и участка, заполненного водой, а; n = с / а. Длину заполненного водой участка а определяем по выражению

(63)

Рисунок 9 - Расчетная схема переход­ной кривой

Зависимость n от q₁/q₂

Тогда с = n × а и b = с - a

Опорная реакция

(64)

Максимальный изгибающий момент на участке а

(65)

а для участка b

(66)

Для облегчения расчетов можно использовать график зави­симости коэффициентов ψ_a и ψ_b от q₁/q₂ . Максимальные напряжения в трубопроводе на участке а

(67)

а для участка b

(68)

здесь r_ср - средний радиус трубы,

(69)

Зависимость ψ_а, ψ_b от q₁/q₂

Если условие прочности не выполняется, необходимо искусственно изменить отношение q₁/q₂, например использованием утяжеляющих грузов или разгружающих понтонов.

Новое значение ψ_a,b, соответствующее условию прочности, будет

(70)

При укладке с поверхности воды также рассчитывают число оттяжек, удерживающих трубопровод в створе от сноса течением реки.

Расстояние между оттяжками:

при двух пролетах

(71)

при трех пролетах

(72)

при четырех и большем числе пролетов

(73)

здесь R₂ – расчетное сопротивление трубной стали; p_i – интенсивность воздействия гидродинамического потока на трубопровод

(74)

с - коэффициент, зависящий от отношения длины трубопровода l_пер к диаметру, при l_пер /D_тр >40 с = 1,15;

h - проекция смочен­ной поверхности трубопровода на вертикальную плоскость:

Определив расстояния l_от , находим прогиб трубопровода f :

для прибрежных пролетов

(75)

для русловых пролетов

(76)

Величина f должна быть не больше, чем половина ширины дна траншеи.

Необходимо отметить, что дополнительная пригрузка увели­чивает устойчивость подводных трубопроводов, особенно при их укладке непосредственно по дну водоема или с незначительным заглублением.

4.4. Расчет на прочность защитного футляра (кожуха) при пересечении железных и автомобильных дорог

Одними из наиболее серьезных искусственных препятствии являются железные и автомобильные дороги. Прокладка участков переходов трубопроводов через железные и автомобильные дороги (за исключением V категории) предус­матривается в защитном футляре (кожухе), который является основной деталью перехода и предназначен для предохранения укладываемого через него трубопровода от воздействия нагрузок, агрессивных грунтовых вод и блуждающих токов, а при авариях трубопровода - для предохранения полотна до­роги от разрушения.

Рисунок 10 - Схема перехода под железной и автомобильной дорогой

1 – трубопровод; 2 – защитный футляр; 3 — опора; 4 - сальниковое уплотнение;

5 – отводная труба; 6 – вытяжная свеча; 7 – отводной колодец

На футляр действуют внешние нагрузки - верти­кальное и боковое давление грунта q_{гр. в} и q_{гр. б} и давление от веса подвижного транспорта q_н

таблица 8

Геометрические параметры переходов
Дороги	Размеры, мм
a	b	H
Железная общей сети Железная промышленная Автомобильная			1,5 1,5 1,4

Рисунок 11 - Схема к расчету футляра на прочность

Расчетная вертикальная нагрузка

(76)

где n_гр = 1,2 — коэффициент перегрузки; γ_гр — плотность грунта в естественном состоянии; h_св — высота грунта в преде­лах естественного свода обрушения, действующая на футляр,

(77)

f_кр - коэффициент крепости породы; В - ширина пролета ес­тественного свода обрушения,

(78)

D_ф - наружный диаметр футляра: φ_гр - угол внутреннего тре­ния грунта.

Боковое давление

(79)

Рассматривая полотно дороги как балку на упругом основа­нии под действием нагрузок Р_i от подвижного состава, определяется давление от подвижного состава.

Реакция основания

(80)

где Р_i - действующая нагрузка; k₀ - коэффициент постели грунта; b - ширина полотна дороги, D - цилиндрическая жесткость полотна дороги,

(81)

Е_п - модуль упругости материала полотна дороги; μ_п - коэф­фициент Пуассона материала полотна дороги; l_п - момент инерции материала полотна дороги,

(82)

h_п - толщина покрытия дороги; α - коэффициент жесткости,

(83)

η – текущая координата от центра приложения силы Р_i

Определив зону распространения эпюры реакции основания 2×а и ее максимальную величину строится эпюра распределения напряжений, используя формулу

(84)

где x, z – соответственно горизонтальная и вертикальная координата до рассматриваемой точки.

Нагрузка от подвижного состава

(85)

где n_п.с = 1,2 – коэффициент перегрузки; А – коэффициент, зависящий от глубины заложения в грунт защитного футляра.

Толщина стенки футляра

(86)

где N – поперечное усилие

(87)

r_ф - радиус футляра; М - изгибающий момент,

(88)

с_пл - коэффициент учитывающий всестороннее сжатие футля­ра,

с_пл = 0,25; R₂ - расчетное сопротивление материала.