Основные сведения о магистральных трубопроводах технологии перекачки нефти и газа

2.1. Основные сведения о магистральных трубопроводах. Классификация магистральных трубопроводов

Магистральные трубопроводы - это капитальные инженер­ные сооружения, рассчитанные па длительный срок эксплуата­ции и предназначенные для бесперебойной транспортировки на значительные расстояния природных и искусственных газов (в газообразном или сжиженном состоянии), нефти, нефтепро­дуктов, воды, твердых и сыпучих тел, взвешенных в потоке воздуха или воды, от мест их добычи, переработки, забора (на­чальная точка трубопровода) к местам потребления (конечная точка).

В настоящее время все вновь строящиеся, а также рекон­струируемые магистральные трубопроводы и отводы от них ус­ловным диаметром до 1400 мм включительно с рабочим давле­нием не выше 10 МПа должны проектироваться с учетом основных положении строительных норм и правил.

Эти нормы не распространяются на трубопроводы, про­кладываемые внутри городов и населенных пунктов, на уча­стках вечномерзлых грунтов, в районах морских акваторий, а также в районах с повышенной сейсмичностью интенсивностью 8 баллов и более для подземных и 6 баллов и более для над­земных трубопроводов.

Магистральные газопроводы в зависимости от нормативно­го рабочего давления делятся на два класса:

· I класс - 2,5 МПа (кгс/см² ) < р ≤ 10 МПа (кгс/см²);

· II класс – р ≤ 2,5 МПа (кгс/см²).

Маги­стральные нефтепродуктопроводы в зависимости от условного диаметра D_у подразделяются па четыре класса:

· I класс - 1000 мм < Dу ≤ 1400 мм;

· II класс - 500 мм < D_у ≤ 1000 мм;

· III класс -300 мм < D_у ≤ 500 мм;

· IV класс - D_у ≤ 300 мм.

Чем выше класс трубопровода, тем большую опасность он представляет в случае разрушения и тем, будут большие рас­стояния от оси трубопровода до близлежащих населенных пунк­тов, промышленных предприятий, а также отдельных зданий и сооружений.

Конструктивные схемы прокладки линейной части трубопроводов

Основной составляющей магистрального трубопровода явля­ется линейная часть - непрерывная нить, сваренная из отдель­ных труб или секции и уложенная вдоль трассы тем или иным способом.

В настоящее время существуют следующие принципиально различные конструктивные схемы прокладки магистральных трубопроводов:

· подземная,

· полуподземная,

· наземная,

· надземная.

Выбор той или иной схемы прокладки определяется усло­виями строительства и окончательно принимается на основа­нии технико-экономического сравнения различных вариантов.

Подземная, схема укладки является наиболее распространен­ной (98% от общей протяженности) и предусматривает уклад­ку трубопровода и грунт па глубину, превышающую диаметр труб. При подземной укладке достигается макси­мальная механизация работ всех видов, не загромождается территория и после окончания строительства используются па­хотные земли, отсутствует воздействие солнечной радиации и атмосферных осадков, трубопровод находится в стабильных температурных условиях. Однако па участках с вечномерзлыми, скальными и болотистыми грунтами данная схема укладки является неэкономичной из-за высокой стоимости земляных ра­бот. Кроме того, необходимость специальной балластировки (особенно газопроводов) на участках с высоким стоянием грун­товых вод и надежного антикоррозионного покрытия от поч­венной коррозии значительно удорожает стоимость строитель­ства.

Полуподземная схема укладки применяется при пересече­нии трубопроводом заболоченных и солончаковых участков, при наличии подстилающих скальных пород. Трубопровод уклады­вается в грунт на глубину менее диаметра с последующим об­валованием выступающей части.

Рисунок 1 - Подземная и полуподземная схемы укладки:

а - с вертикальными боковыми откосами;

б - комбинированная траншея;

в - наклонными боковыми откосами;

г - пригрузка одиночными грузами;

д - пригрузка металлическими винтовыми анкерными устройствами;

е - полуподземная схема укладки.

Наземная схема укладки в насыпи преимущественно исполь­зуется в сильно обводненных и заболоченных районах. При всех ее преимуществах недостатком является слабая устойчи­вость грунта насыпи и устройство большого числа водопропу­скных сооружений.

Рисунок 2 - Наземная схема укладки:

1- трубопровод; 2 - торфяная или хворостяная подготовка;

3 - обвалование или насыпь из песчаного грунта; 4 - лежневая дорога;

5 - противопожарная канава.

Надземная прокладка как линейной части магистральных трубопроводов, так и отдельных его участков рекомендуется в пустынных районах, районах горных вырабо­ток и оползней, на участках вечномерзлых грунтов и болот III типа, а также на переходах через естественные и искусст­венные препятствия. При надземной прокладке сводится к ми­нимуму объем земляных работ, отпадает необходимость в доро­гостоящей пригрузке и в устройстве защиты от почвенной кор­розии и блуждающих токов. Однако надземная укладка имеет недостатки: загроможденность территории, устройство опор, специальных проездов для техники и миграции животных и значительная подверженность трубопровода суточному и сезон­ному колебаниям температуры, что требует принятия специаль­ных мер.

2.2. Трассы магистрального трубопровода

Трассы магистрального трубопровода разделяются по категориям.

Магистральные трубопроводы проходят по участкам с раз­личным рельефом местности, с различными гидрогеологически­ми условиями, пересекают водные преграды, автомобильные и железные дороги, электрические подземные кабели и воздушные высоковольтные линии электропередач, линии сияли и т. д.

Поэтому в зависимости от условий работы трубопровода, а так­же для безопасности расположенных вблизи трассы объектов согласно СНиП линейная часть и отдельные участки магистральных трубопроводов подразделяются па пять катего­рий - В, I, II, III и IV. В каждой категории предъявляются определенные требования к прочности трубопровода, к контро­лю качества сварных соединении, предварительным гидравли­ческим испытаниям и типам изоляционного покрытия.

Категорийность линейной части магистральных трубопроводов и их участков зависит от вида транспортируемого продукта и услов­ного диаметра трубопровода.

Рисунок 3 - Надземная схема укладки линейной части магист­рального трубопровода:

а - трубопровод с компенсаторами;

б - трубопровод в виде зигзагообразного самокомпенсирующего контура;

в - упругоискривленный самокомпенсирующий трубопровод;

г - трубопровод со слабоизогнутыми участками;

1- трубопровод; 2 - промежуточная продольно-подвижная опора;

3 - неподвижная опора; 4 - П- образный компенсатор;

5 - про­межуточная или скользящая опора; 6 - шарнирная опора;

7 - свободноподвижная опора; 8 - слабоизогнутый участок (компенсатор);

Рисунок 4 - Надземная прокладка отдельных магистральных трубопроводов:

Блочные системы:

а - однопролетный трубопровод;

б - многопролетный трубопровод в обычных грунтах;

в - многопролетный трубопровод на земляных призмах;

г - трубопровод с П пли Г-образным компенсатором.

Арочные системы:

д - однотрубный переход по круговой или параболической форме очертания ­оси;

е - треугольный;

ж - трапецеидальный.

Висячие системы:

з - вантовый переход;

и - гибкий переход;

к - самонесущий переход

РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Расчет технологических параметров нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.

Технологический расчет трубопроводов, по которым перека­чиваются нефть и нефтепродукты, имеющие постоянную темпе­ратуру по длине всего трубопровода, включает определение оптимальных параметров:

· диаметра трубопро­вода,

· давления на нефтеперекачивающих станциях и числа на­сосных станций;

· расстановку НС вдоль фиксиро­ванной трассы трубопровода;

· определение режимов перекачки.

Гидравлический расчет трубопровода при изотермическом режиме перекачки выполняют по основным формулам, устанав­ливающим взаимосвязь между перечисленными факторами.

Пропускная способность нефтепровода (Q - объемная или G - массовая) является основной исходной величиной для гид­равлического расчета

(1)

где ρ_t - расчетная плотность нефтепродукта,

(2)

где ρ₂₀ - плотность нефтепродукта при 20° С; ξ_t - температур­ная поправка,

(3)

Средняя скорость движения нефтепродукта по трубопроводу с расходом связана соотношением

(4)

где F_св - площадь поперечного сечения трубы в свету; D_в - внутренний диаметр трубопровода.

Учитывая значения Q и F_св определим внутренний диаметр трубопровода

(5)

Имея заданную пропускную способность трубопровода и приняв среднюю скорость ориентировочно равной 1-2 м/с, можно выбрать рациональный диаметр трубопровода , ко­торый в последующем оптимизируется с учетом не только всех технических параметров, но и экономической эффективности всей системы трубопровода. Потери напора от трения жидкости h_r по длине трубопровода определяются по формуле Дарси—Вейсбаха

(6)

где λ_тр- коэффициент гидравлического сопротивления; L - длина трубопровода; g - ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²).

Гидравлический режим течения жидкости по трубопроводу при заданных пропускной способности Q, длине L и внутрен­нем диаметре D_в трубопровода характеризуется числом Рейнольдса

(7)

где ν, μ - соответственно кинематический и динамический ко­эффициент вязкости нефтепродукта.

При ламинарном течении λ_тр определяется по формуле Стокса

(8)

Ламинарный режим сохраняется до Re ≈ 2320, при 2320 < Re ≤ 2800 существует так называемый переходный режим. Ко­эффициент λ_тр при этом можно определять по формуле

(9)

При турбулентном режиме течения (Rе > 2800) коэффициент λ_тр можно определить по формулам.

Гидравлический уклон i есть потеря напора на трение на единицу длины трубопровода

(10)

где m - коэффициент, характеризующий режим течения (для ламинарного режима m = 1, для переходного режима m = 0,25, для турбулентного режима m = 0).

Если трубопровод имеет параллельно действующую нитку (трубопровод - лупинг), то гидравлический уклон на участке установки лупинга

(11)

где i - гидравлический уклон трубопровода без лупинга; D_л - диаметр лупинга; D_в - диаметр основной магистрали.

Для трубопровода, имеющего вставку другого диаметра D_вс, гидравлический уклон

(12)

где i - гидравлический уклон основного трубопровода.

Суммарный расход на сдвоенном участке равен расходу в одиночном трубопроводе

(13)

где Q - расход в одиночном трубопроводе; Q_л - расход и лупинге,

(14)

где Q_м - расход в основной магистрали на сдвоенном участке,

(15)

Потери напора в трубопроводе с лупингом длиной x_л и диа­метром D_л определяются по формуле

(16)

где

(17)

Если D_л = D_в, то при ламинарном течении ω = 0,5; при турбулентном течении в зоне гидравлически гладких труб ω = 0,296; в зоне квадратичного закона сопротивления ω = 0,25.

Потери напора в трубопроводе, имеющем вставку, опреде­ляются аналогичным образом:

(18)

где

(19)

x_вс - длина вставки

Потери на местные сопротивления определяют по формуле

(20)

где ξ_м._с - коэффициент местного сопротивления. Для маги­стральных трубопроводов потери напора в местных сопротивле­ниях незначительны и их принимают равными 1 - 2% от потерь на трение.

Полные потери напора в трубопроводе

(21)

где ∆Z = Z₂ – Z₁; Z₁ и Z₂ – геодезические отметки начала и конца трубопровода.

Число НС ( насосных станций) вдоль фиксированной трассы тру­бопровода определяется следующим образом:

(22)

где

(23)

[р] - допускаемое давление для труб с толщиной стенки δ.

Определив гидравлический уклон в трубопроводе, формулу можно представить в виде

(24)

Расчетное число насосных станций n_н.с , как правило, полу­чается дробным и может быть округлено как в сторону боль­шего числа n_н.с , так и в сторону меньшего n_н.с . При округле­нии числа станций в сторону увеличения изменяется Q. Увели­чение расхода подсчитывается по формуле

(25)

При округлении числа станции в сторону уменьшения для обеспечения заданной пропускной способности Q предусматри­вают лупинг длиной х_л

(26)

В случае применения вставки большего диаметра сущест­вует аналогичная формула, в которой вместо х_л и i_л следует принимать х_вс и i_вс. Гидравлические уклоны i_л и i_вс определяются по формулам .

3.2. Расчет толщины стенки трубопровода

Номинальная толщина стенки трубопровода определяется согласно СНиП следующим образом:

(27)

Если же при этом продольные осевые напряжения σ_{пр N}, определяемые от расчетных нагрузок и воздействий, например для прямолинейных бесконечных трубопроводов от воздействия температуры и внутреннего давления,

(28)

будут иметь отрицательное значение (σ_{пр N} < 0), то величина δ корректируется по формуле

(29)

где ψ₁ – коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, определяемый при сжимающих продольных осевых напряжениях (σ_{пр N} < 0) по формуле

(30)

Толщина стенки трубопровода, определяется по формулам, округляется в большую сторону до ближайшей в сортаменте труб. В формулу следует подставлять значение δ, округленное по сортаменту.

Принятая толщина стенки труб должна быть не менее 1/140 значения наружного диаметра труб и не менее 4 мм, т.е. удовлетворять условиям

(31)

Приведенная методика расчета толщины стенки трубопрово­да представляет собой итерационный процесс, так как в выра­жение для определения σ_{пр N} требуется подставить зна­чение δ, после чего значе­ние принимаемой толщины стенки по сортаменту может изме­ниться и вычисления приходится повторять с новым значе­нием δ.

Рекомендуется следующая формула для определения толщины стенки трубопровода, позволяющая обойтись без последующих итераций:

(32)

3.3. Расчет устойчивости трубопровода на болотах при различных способах балластировки

Трубопровод, укладываемый в болотистом и обводненном грунте, должен быть закреплен против всплытия, если он имеет положительную плавучесть.

Трубопровод закрепляют одиночными утяжеляющими железобетонными и чугунными грузами, сплошным о бетонированием, металлическими винтовыми анкер­ными устройствами и засыпкой минеральным грунтом. Проверка против всплытия трубопроводов, прокладываемых на обводненных участках, выполняется по расчетным нагрузкам и воздей­ствиям из условия

(33)

где Б - необходимая величина пригрузки или расчетного усилия анкерного устройства, приходящаяся на трубопровод длиной 1 м; К_м - коэффициент безопасности по материалу, принимае­мым равным для анкерных устройств 1; для железобетонных, чугунных грузов 1,05; при сплошном о бетонировании в опалубке 1,07; при сплошном о бетонировании методом торкрети­рования 1,1; при балластировке грунтом -,2; К_н.в - коэффициент надежности при расчете устойчивости положения трубопровода против всплытия, принимаемый равным для болот и периоди­чески заливаемых участков 1% обеспеченности К_н.в=1,05; q_доп - расчетный вес продукта на воздухе, дополнительных обустройств в воде, а также обледенения в воде при транспор­тировке продукта с отрицательной температурой; q_в - расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопровод (с уче­том изоляции), определяемая по формуле

(34)

D_тр - наружный диаметр трубы с учетом изоляционного по­крытия; ρ_в - плотность воды с учетом растворенных солей и взвешенных частиц грунта,

ρ_в = 1100 ÷ 1150 кг/см³;

q_тр - расчетный вес трубопровода (с учетом изоляции) на воздухе,

q_тр = q_св + q_из (35)

q_св - собственный вес трубы; q_из = q_л + q_бр - вес изоляционного покрытия; q_л - вес липкой лепты; q_бр - вес оберточного слоя (бризола).

Расстояние между отдельными грузами балластировки тру­бопровода определяется по формуле

(36)

где Q_г.ср - средний вес одного груза в воздухе; V_г.ср - фактическим объем груза:

для железобетонных грузов

(37)

для чугунных

(38)

Рисунок 5 - Железобетонный седловидный груз

Рисунок 6 - Чугунный кольцевой груз

Параметры одиночных грузов приведены на рисунках и в таблицах

таблица 2

Железобетонные седловидные грузы для балластировки трубопроводов
Наружный диаметр трубопроводов	Масса груза, кг	Размеры, мм
A	b	c	d	R	∆	h

таблица 3

Чугунные кольцевые грузы для балластировки трубопроводов
Наружный диаметр трубопровода, мм	Масса груза, кг	Размеры, мм
R1	R2	R3	A	M	d	l
6 30
1 020

таблица 4

Значение коэффициента kгр
Группа грунта	Грунты	Коэффициент несущей способности грунта
I	Мягкопластичные глины и суглинки, пластичные супеси
II	Пески мелкие, плотные и средней плотности, маловлажные, влажные и водонасыщенные; полутвердые тугопластичные глины и суглинки
III	Пески гравелистые, крупные е средней зернистос­ти, маловлажные, влажные и водонасыщенные; твердые супеси, глины и суглинки

При сплошном обетонировании требуемый наружный диаметр забалластированной трубы определится из выражения

(39)

где ρ_б – плотность бетона, кгс/м³ ; D_из – диаметр заизолированного трубопровода.

Рисунок 7 - Винтовое анкер­ное устройство

При балластировке металличе­скими винтовыми анкерными уст­ройствами расчетное уси­лие (допускаемая нагрузка) Б_анк определяется по формуле

(40)

где Z_анк - число анкеров в одном анкерном устройстве; k_гр - коэффи­циент несущей способности грунта, в котором находятся лопасти анке­ров; m_анк - коэффициент условий работы анкерного устрой­ства, принимаемый равным 0,5 при Z_анк ≤ 2 и 0,4 при Z_анк > 2; N_анк - максимальная (критическая) нагрузка на одни винтовой анкер, завинченный в грунт I группы на глубину не менее шести диаметров лопасти

таблица 5

Подбор анкеров
Диаметр анкера, мм	Максимальная (критическая) нагрузка на одни винтовой анкер Nанк , кгс

Расстояние между анкерами

(41)

Дополнительно определяется расстояние между анкерами из условия прочности

(42)

где R₂ - расчетное сопротивление трубной стали; W - осевой момент сопротивления поперечного сечения трубы; Р_пл - поло­жительная плавучесть,

(43)

V_в – объем воды, вытесненной 1 м трубы с учетом изоляции,

(44)

δ_из - толщина изоляционного покрытия.

Рисунок 8 - Расчетная схема балластировки трубопровода минеральным грунтом:

1 - начальная форма засыпки; 2- изме­ненная форма засыпки; 3 - линия переда­чи давления; 4 - трубопровод

При замене слабого торфяного грунта минеральным всплы­тию трубопровода будет про­тивостоять вес призмы грунта над ним. Уравнение устойчивости трубопровода в этом случае будет

(45)

где ρ_сух — плотность сухого песка; h_н — проектная высота насыпи; D_тр — диаметр соору­жаемого трубопровода; h_s — осадка насыпи,

(46)

В_н - ширина насыпи поверху;

а_н - угол откосов насыпи после засыпки, а_н = 40÷45°;

А - коэффициент, равный 0,088 для болот II типа; 0,193 для болот I типа.

3.4. Изделия для закрепления трубопроводов против всплытия

Для закрепления (балластировки) трубопроводов, прокладываемых через водные преграды, на заболоченных и обводненных участках, должны предусматриваться утяжеляющие навесные и кольцевые одиночные грузы, скорлупообразные грузы, сплошные утяжеляющие покрытия, балластирующие устройства с использованием грунта и анкерные устройства. В особо сложных условиях Западной Сибири и Крайнего Севера при соответствующем обосновании для балластировки подводных переходов трубопроводов диаметром 1020 мм и более в русловой части допускается применять чугунные кольцевые грузы.

Все изделия, применяемые для закрепления трубопроводов, должны обладать химической и механической стойкостью по отношению к воздействиям среды, в которой они устанавливаются.

Навесные утяжеляющие одиночные грузы должны изготавливаться в виде изделий из бетона, особо тяжелых бетона и железобетона и других материалов с плотностью не менее 2200 кг/куб.м (для особо тяжелых бетонов не менее 2900 кг/куб.м ).

Каждый груз подлежит маркировке масляной краской с указанием массы и объема груза, а грузы, предназначенные для укладки в агрессивную среду, маркируются дополнительным индексом.#G1

#G0Номинальная масса утяжеляющего бетонного груза устанавливается проектом.

Кольцевые одиночные утяжеляющие грузы должны изготавливаться из чугуна, из железобетона или других материалов в виде двух половин.

Каждый полугруз подлежит маркировке масляной краской с указанием массы и наружного диаметра трубопровода, для которого предназначен этот груз.

Скорлупообразные грузы следует предусматривать из железобетона в виде продольных частей цилиндрической оболочки.

Анкерные устройства изготавливаются из чугуна или стали, обеспечивающих механическую прочность и возможность соединения их между собой.