Розрахунок трубопроводів системи збору нафти і газу на механічну міцність зводиться до визначення товщини стінки, яка була б мінімальною, але в той же час не допускала руйнування труб при експлуатації. Основними силовими чинниками, які треба враховувати при розрахунках, є внутрішній тиск, вигин трубопроводу і перепад температур, а також їх комбінації.
Внутрішній тиск є одним з основних і вирішальних силових факторів, що визначає роботу трубопроводів. Тому при розрахунку трубопроводів товщину стінок труб в першу чергу знаходять виходячи із заданого внутрішнього тиску. Якщо силовий фактор обмежується лише одним внутрішнім тиском, то мінімальна товщина стінки труби розраховується по тангенціальному напрузі, заміна якого на допустиме напруження призводить до такої формули:
де p - максимальний робочий тиск, при якому працює трубопровід;
Dвн - номінальний внутрішній діаметр труби;
# 963; - допустиме напруження, яке приймається 0,9 (# 963; *).
тут # 963; * - нормативне напруження розтягу матеріалу труби, яке приймається 40% від мінімального значення межі текучості, тобто 6 * = 0,4 (# 963; Т).
При дії всіх силових факторів (рисунок 21.1) знаходять суму поздовжніх напруг, що розтягують. Поздовжнє розтяжне напруга в трубопроводах виникають під дією внутрішнього тиску, деформації вигину і температурного перепаду, що з'являється в результаті різниці між температурою трубопроводу під час укладання та засипання і температурою в процесі експлуатації.
Малюнок 21.1 - Схема до розрахунку трубопроводу на механічну міцність
Згідно малюнку 2.2 в перерізі II-II виникають напруги 1, 2, 3:
1 - від внутрішнього тиску:
2 - від деформації вигину;
3 - від перепаду температур:
# 963; = # 945; Е # 916; t
де D - середній діаметр труби;
Е - модуль пружності металу, який дорівнює 2,1 * 10 11 МПа;
R - радіус вигину трубопроводу;
а - коефіцієнт лінійного розширення (для стали а = 1,2 * 10 -4 1 / ° С);
# 916; t - температурний перепад, який приймає позитивним числом при нагріванні.
Температурний перепад враховується в тому випадку, коли трубопроводи затиснені в грунті і при охолодженні вони можуть деформуватися, викликавши тим самим в металі труб поздовжні напруження розтягу.
Поздовжні стискають зусилля можуть привести до випучіванію трубопроводів в тих випадках, коли він укладений в малосвязанних грунтах, що не забезпечують необхідного защемлення трубопроводів грунтом. При проектуванні таких ділянок необхідно збільшити глибину залягання, уникати укладання криволінійних ділянок з малим радіусом вигину або застосовувати гвинтові анкерні кріплення. Граничний стан поздовжніх напружень визначається з умови
де k - коефіцієнт умов роботи;
# 963; - нормативне допустима напруга;
# 931; # 963; р - сума поздовжніх напруг, що розтягують в розрахунковому перерізі трубопроводу від впливів внутрішнього тиску, вигину трубопроводу, температурних коливань і впливів деформуючого зусилля грунту. Для прямолінійних і пружно вигнутих ділянок підземних і наземних трубопроводів при відсутності поздовжніх і поперечних переміщень, просадок і пученія грунту поздовжні осьові напруги від впливу внутрішнього тиску, вигину і температури розраховуються за такою формулою:
де # 968; - коефіцієнт, що враховує двовісне напружений стан труб, який розраховується за формулою
тут # 931; # 963; - абсолютне значення поздовжніх осьових стискаючих напруг, обумовлених від розрахункових навантажень і впливу з урахуванням пружно-пластичної роботи металу труб.
Товщину стінок труб слід приймати не менше 1/140 величини зовнішнього діаметра труб і не менше 4 мм. Розрахункова товщина стінки округляється в більшу сторону до найближчої товщини в сортаменті труб. Радіальні напруги ар малі в порівнянні з тангенціальними і осьовими, тому в розрахунках не враховуються. При розрахунку трубопроводу на міцність не враховуються також тиск грунту і рухливі навантаження (трактори, сільськогосподарські машини, автомобілі), які можуть діяти на трубопровід. Ці зовнішні навантаження незначні. Крім того, вони компенсуються внутрішнім тиском. Не приймаються в розрахунок також силові дії випадкового характеру (від зсувних явищ, від ваги трубопроводу при розмиванні підстави, на якому лежить трубопровід).
Розрахувати сумарні напруги, що виникають в трубопроводі, за двома методиками і визначити розрахункову методику. Вихідні дані для розрахунку взяти з таблиці