Р 294-77 Руководство по методам расчета подводных трубопроводов при погружении на большие глубины

1.1. Настоящее Руководство разработано в развитие главы СНиП II-45-75* "Нормы проектирования. Магистральные трубопроводы", "Рекомендаций по технологии прокладки морских трубопроводов" Р 125-72, "Руководства по конструкциям и методам расчета трубопроводов в шельфовых зонах морей" Р 216-76**. Оно может быть использовано при проектировании и строительстве нефте-, газо- и продуктопроводов, сооружаемых на внутренних водоемах и морских акваториях.

________________

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 2.05.06-85, здесь и далее по тексту;

** Документ, упомянутый здесь и далее по тексту, не приводится. За дополнительной информацией обратитесь по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.

1.2. Руководство содержит методы расчета трубопроводов на нагрузки и воздействия, возникающие при строительно-монтажных работах, которые следует применять при составлении проектов организации строительства, используя при этом "Рекомендации по технологии прокладки морских трубопроводов" Р 125-72, нормативные документы ВНИИСТа по технологии укладки подводных трубопроводов методом свободного погружения с приложением растягивающих усилий и другие нормативные и рекомендательные документы Миннефтегазстроя, относящиеся к технологии строительства подводных трубопроводов.

В разделе 2 настоящего Руководства перечислены типичные способы укладки подводных трубопроводов, которые получили наибольшее распространение в мировой практике строительства.

Изложенные ниже методы расчета подводных трубопроводов относятся к укладке методом погружения (исключая способ протаскивания). Оборудование, необходимое для осуществления укладки тем или иным способом, указывается в проекте организации строительства подводного трубопровода.

1.3. Нагрузки и воздействия на трубопровод при укладке и их сочетания, которые следует учитывать в расчете, перечислены в разделе 3 настоящего Руководства. При определении величин нагрузок и воздействий используют материалы инженерных изысканий, состав и объем которых определяют согласно Рекомендациям Р 125-72 и Руководству Р 216-76.

1.4. Изложенный в разделе 4 настоящего Руководства метод расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода при укладке относится к случаям действия на трубопровод нагрузок в вертикальной плоскости.

При необходимости учета напряжений и деформаций трубопровода от действия течений рекомендуется применять методику, изложенную в книге С.И.Левина "Подводные трубопроводы". М.,"Недра", 1970.

Метод расчета трубопровода, учитывающий волновые воздействия при укладке и динамическую нагрузку при качке трубоукладочной баржи, в настоящее время отсутствует.

Применение приведенного здесь метода расчета допустимо при волнении до 1 балла (на основе существующего опыта).

1.5. В прил.1, 2, 3 даны программы ГЕК-1, ГЕК-2 и ГЕМ на алгоритмическом языке Фортран, предназначенные для расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода при укладке.

Программа ГЕК-1 позволяет рассчитать напряжения, возникающие при укладке подводных трубопроводов на большие глубины, и перемещения его при погружении заливом без продольных усилий; программа ГЕК-2 - напряжения и перемещения при погружении заливом с приложением продольных растягивающих усилий; по программе ГЕМ производятся вычисления динамических напряжений и перемещений трубопровода в процессе спуска конца плети.

Зависимости максимальных продольных напряжений в трубопроводе от глубины укладки при различных усилиях натяжения, полученные в результате расчета по программам ГЕК-1 и ГЕК-2, приведены в прил.4.

2.1. При строительстве подводных трубопроводов, сооружаемых в различных условиях, применяет следующие основные способы укладки:

• протаскивание трубопровода по дну или по предварительно разработанной траншее;

• укладка трубопровода с трубоукладочных барж различной конструкции;

• свободное погружение с поверхности воды смонтированной плети трубопровода.

2.2. Способ укладки подводных трубопроводов определяется следующими факторами:

• гидроморфологическими, топографическими и климатическими условиями в районе строительства трубопровода (длиной перехода, глубиной водоема, водным и ледовым режимом, рельефом дна и берегового участка и т.д.);

• назначением и конструкцией подводного трубопровода (видом транспортируемого продукта, диаметром и толщиной стенки труб, маркой стали, типом и массой изоляционного и утяжеляющего покрытия);

• условиями судоходства в районе строительства;

• наличием специального оборудования для укладки трубопровода (тяговые и плавучие средства, спусковые устройства, понтоны и т.д.).

В некоторых случаях способ укладки подводных трубопроводов может определять его конструкцию (диаметр, толщину стенки, тип и конструкцию балластировки). Это относится, в частности, к укладке трубопровода на большие глубины.

2.3. Протаскивание применяет для укладки трубопровода заданной (проектной) длины или при ограниченных размерах береговой монтажной площадки для укладки отдельных плетей со сваркой стыков на берегу около уреза воды.

Способ укладки трубопровода протаскиванием по дну практически не зависит от глубины водной преграды. Применение этого способа ограничивается для труб малого диаметра (до 500 мм) их прочностью на разрыв, а для труб большого диаметра - мощностью тяговых средств, а также сопротивлением трубопровода боковому смещению под воздействием течений.

При разработке технологии протаскивания трубопровода по дну необходимо определить:

• массу трубопровода без пригрузки и с пригрузкой;

• отрицательную плавучесть трубопровода с пригрузкой и закрепленными разгружающими понтонами;

• необходимую величину тяговых усилий на различных этапах протаскивания;

• напряжения в трубопроводе в процессе протаскивания;

• допустимые радиусы изгиба трубопровода.

2.4. Укладка трубопровода с трубоукладочной баржи в зависимости от ее конструкции, метода монтажа и спуска трубопровода может выполняться следующими способами:

• последовательным наращиванием с монтажом и сваркой отдельных труб в нитку на монтажной эстакаде баржи и спуском трубопровода в воду с помощью специального устройства - стингера;

• вертикальным погружением трубопровода на дно водоема;

• сматыванием трубопровода с барабана, установленного на барже.

2.5. Укладка трубопровода с баржи последовательным наращиванием состоит из следующих операций:

• заготовки на береговых базах изолированных и обетонированных труб (секций);

• транспортировки труб (секций) на грузовых баржах к трубоукладочной барже и выгрузки труб краном трубоукладочной баржи;

• монтажа и сварки отдельных труб в нитку на монтажной эстакаде баржи с контролем и изоляцией стыков;

• перемещения баржи по трассе с помощью якорной системы на длину одной секции трубопровода с одновременным спуском трубопровода на дно.

На рис.1 дана схема укладки трубопровода с баржи, оборудованной спусковым и натяжным устройствами.

2.6. С целью уменьшения напряжений в трубопроводе в процессе укладки, и, следовательно, увеличения допустимой глубины погружения, баржа оборудована специальным спусковым устройством - стингером, поддерживающим трубопровод на верхнем участке, и натяжными устройствами для создания в трубопроводе растягивающего усилия, которое уменьшает его кривизну на нижнем провисающем участке.

2.7. Метод вертикального погружения с баржи (рис.2) заключается в том, что трубопровод наращивают и погружают в воду в вертикальном положении. После стыковки и сварки очередной трубы с погруженной плетью баржу перемещают по трассе буксиром. Одновременно с перемещением трубопровод опускают на дно. Такой метод укладки позволяет исключить изгиб трубопровода на верхнем участке плети. Натяжение трубопровода в процессе его укладки является необходимым условием, обеспечивающим надежную работу всей трубоукладочной системы.

2.8. Для укладки трубопроводов небольшого диаметра (до 600 мм) применяют специальные баржи, оснащенные барабаном для намотки труб. Перед укладочными операциями на береговой монтажной площадке производят сварку, изоляцию и намотку трубопровода на накопительный барабан. В процессе укладки трубопровода баржу перемещают вдоль трассы, плеть разматывают с барабана, трубопровод выпрямляют на специальном устройстве и опускают в воду. Трубоукладочные баржи с барабаном также оборудованы устройством для натяжения трубопровода в процессе укладки.

На рис.3 дана схема укладки трубопровода сматыванием с барабана, установленного на барже.

2.9. Способ укладки свободным погружением с поверхности воды предварительно смонтированного трубопровода включает в себя: заготовку на береговой монтажной площадке плети трубопровода, транспортировку ее на плаву в створ укладки, стыковку прибуксированной плети с ранее уложенной (при строительстве подводных трубопроводов большой протяженности) и собственно укладку трубопровода на дно.

Укладка трубопровода может выполняться путем заполнения его водой; последовательным откреплением понтонов, удерживавших трубопровод на поверхности водоема или заполнением понтонов водой. Возможны различные сочетания указанных методов.

На рис.4 приведена схема укладки трубопровода способом свободного погружения с заполнением водой.

3.1. Нагрузки и воздействия на подводный трубопровод в процессе его монтажа следует принимать согласно главам СНиП II-6-74* "Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия", СНиП II-57-75** "Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)", СНиП II-45-75 "Нормы проектирования. Магистральные трубопроводы", Рекомендациям Р 125-72, Руководству Р 216-76 и с учетом требований настоящего Руководства.

________________

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 2.01.07-85, здесь и далее по тексту;  

** На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 2.06.04-82, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.

3.2. Расчетные нагрузки определяются как произведение нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки , учитывающий возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону.

В процессе укладки на трубопровод действует одновременно несколько нагрузок. Расчет следует выполнять с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок. При учете сочетаний, устанавливаемых исходя из физически реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок, к их величинам (или к вызываемым ими внутренним усилиям), вводят в виде множителя коэффициент сочетаний .

3.3. Нагрузки, действующие на подводный трубопровод при укладке с поверхности, подразделяют согласно главе СНиП II-6-74 на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

К постоянным нагрузкам относятся:

• нагрузки, обусловленные массой трубопровода, изоляционных покрытий, балласта, устройств и оборудования, установленного на трубе на весь период эксплуатации (коэффициент перегрузки 1,1);

• гидростатическое давление и выталкивающая сила водной среды, в которую укладывают трубопровод (коэффициент перегрузки 1,0);

• силы реакции деформированного грунтового основания под трубопроводом (коэффициент перегрузки 1,0); временные длительные нагрузки при укладке трубопровода отсутствуют.

К кратковременным нагрузкам относятся:

• нагрузки, обусловленные массой жидкости, заполняющей трубопровод при укладке свободным погружением с заливом;

• нагрузки от натяжных и других монтажных устройств (понтоны, пригрузы и т.п.), коэффициент перегрузки равен 1,0;

• нагрузки, вызванные волнением водной поверхности;

• нагрузки от подводных течений;

• гидродинамическое сопротивление воды при движении трубопровода в процессе погружения.

К особым нагрузкам, могущим возникнуть при укладке трубопровода, относятся нагрузки, вызванные резким нарушением технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования.

3.4. В зависимости от состава нагрузок, учитываемых в расчете, различают:

• основные сочетания нагрузок, состоящие из постоянных и временных нагрузок;

• особые сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, временных и одной из особых нагрузок.

При расчете трубопровода на основные сочетания лишь с кратковременными нагрузками от монтажных устройств (включая и массу заполняющей жидкости) величины этих нагрузок следует учитывать без снижения, а при расчете на основные сочетания, включающие также нагрузки от волнения или от подводных течений (или обе эти нагрузки одновременно), расчетные величины этих нагрузок (или соответствующих им усилий) следует умножить на коэффициент сочетаний 0,9.

При расчете трубопровода на особые сочетания расчетные величины нагрузок от волнения и течений (или соответствующих усилий) следует умножить на коэффициент сочетаний 0,8.

Особую нагрузку следует принимать без снижения.

3.5. Собственную массу трубопровода, отнесенную к единице длины (кг/см), определяют расчетом по среднему диаметру трубы и номинальной толщине стенки при плотности стали 0,00785 кг/см.

При расчете укладки трубопровода с бетонным покрытием необходимо пользоваться уточненными значениями массы бетонного покрытия и площади поперечного сечения трубопровода с покрытием в соответствии с указаниями, изложенными в разделе 1 Рекомендаций Р 125-72.

3.6 Выталкивающую силу воды (кгс/см), которая приходится на единицу длины полностью погруженного участка трубопровода и действует по нормали к изогнутой оси трубопровода, следует определять по формуле

,                                                         (1)

где - плотность воды, которая должна быть установлена с учетом количества растворенных в воде солей, кг/см;

981 см/с - ускорение силы тяжести;

- полная площадь поперечного сечения трубопровода по наружному диаметру с учетом изоляции, обетонирования и т.п., см;

- глубина погружения рассматриваемого элемента трубопровода (от свободной поверхности воды до оси трубы), см;

- угол наклона касательной к изогнутой оси трубопровода по отношению к горизонтали, рад;

- кривизна изогнутой оси трубопровода (считается положительной при расположении центра кривизны ниже оси), 1/см.

Для участка трубопровода, частично погруженного в воду при пересечении трубопроводом свободной поверхности, выталкивающую силу следует рассчитывать умножением величины, найденной по формуле (1), на коэффициент , значения которого даны на графике рис.6 в зависимости от отношения глубины погружения к наружному диаметру .

3.7 Силу реакции деформируемого грунтового основания на дне (кгс/см), действующую на единицу длины трубопровода, определяют по формуле

,                                                                 (2)

где - модуль деформации линейно-деформируемого грунтового основания, кгс/см;

- ширина (хорда) сегмента трубопровода, погруженного в грунт, см.

Модуль деформации грунта определяют по данным инженерно-геологических изысканий с учетом указаний главы СНиП II-16-76* "Нормы проектирования. Основания гидротехнических сооружений".

________________

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 2.02.02-85, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.     

При отсутствии данных изысканий значения модуля деформации грунтов следует принимать по табл.1 СНиП II-16-76, где: для скальных грунтов 50000 кгс/см, для полускальных грунтов 10000-50000 кгс/см, для крупнообломочных грунтов 50-1000 кгс/см, для глинистых грунтов 30-1000 кгс/см.

3.8. Сила гидродинамического сопротивления воды в вертикальной плоскости при движении трубопровода в процессе укладки принимается действующей по нормали к изогнутой оси в направлении, противоположном направлению движения, равной

,                                       (3)

где - нормальная составляющая скорости движения трубопровода, см/с;

- нормальная составлявшая ускорения, см/с;

- коэффициент лобового сопротивления;

- коэффициент присоединенной массы.

3.9. Волновые нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения приведены в главе СНиП II-57-75 и во "Временных технических указаниях по расчету устойчивости морских подводных трубопроводов при воздействии волн и течений"  ВТУ-65-мПТ*, Гипроморнефть, Баку, 1965.

________________

* Документ не приводится. За дополнительной информацией обратитесь по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.

Нагрузки, вызванные волнением водной поверхности и качкой трубоукладочного судна, обусловленной этим волнением, допускается не учитывать в расчете при волнении до 1 балла.

3.10. Силу лобового сопротивления и подъемную силу на единицу длины трубопровода, обусловленные действием течения, определяют по формулам:

;                                                        (4)

,                                                          (5)

где - коэффициент лобового сопротивления;

- коэффициент подъемной силы;

- скорость набегающего потока.

В расчете необходимо учитывать направление набегающего на трубопровод потока по отношению к укладываемому трубопроводу.

При определении нагрузок от подводных течений направление и скорость течения определяют по данным инженерно-гидрологических изысканий.

Значения коэффициента лобового сопротивления для трубопроводов с различными типами поверхности, покрытыми изоляционными пленками, бетонным покрытием, футеровочными деревянными рейками, меняются в зависимости от числа Рейнольдса в диапазоне от 1,2 до 0,4.

Коэффициент подъемной силы зависит от относительного расстояния до дна и от числа Фруда и изменяется в диапазоне от 0 до 1. Величины и для конкретных случаев можно найти в обзоре С.И.Левина и Д.В.Штеренлихта "Вопросы проектирования и строительства подводных трубопроводов, сооружаемых в сложных условиях", М., изд. ВНИИОЭНГ, 1969.

4.1. В настоящем разделе приведены основные положения методики, алгоритмы расчета и описания программ для ЭВМ, с помощью которых вычисляют продольные усилия, изгибающие моменты в вертикальной плоскости и форму упругой оси при укладке подводных трубопроводов.

4.2. В качестве расчетной модели трубопровода принят тонкий гибкий нерастяжимый стержень с конечной жесткостью на изгиб. Используется система координат, связанная с изогнутой осью трубопровода (рис.7). Положение каждой точки на оси определяется координатой , отсчитываемой от верхнего конца укладываемой плети вдоль соответствующей кривой, форму которой в каждый момент имеет упругая ось трубопровода. Кроме того, каждой точке упругой оси соответствует угол , составляемый касательной к оси трубопровода с горизонталью.

4.3. В программе ГЕМ, составленной для расчета перемещений и напряжений в трубопроводе при спуске конца плети с поверхности, используется метод, основанный на численном моделировании нестационарного процесса спуска.

В программах ГЕК-1 и ГЕК-2, составленных для расчета статических перемещений и напряжений в подводном трубопроводе при укладке погружением по -образной кривой без растягивающих усилий (ГЕК-1) и с приложением продольных растягивающих усилий (ГЕК-2), использован вариант метода установления. Метод основан на численном решении тех же уравнений движения, что применены в программе ГЕМ, но при иных начальных условиях.

4.4. Изгиб трубопровода в вертикальной плоскости при укладке описывается следующим уравнением движения в проекциях на нормаль к изогнутой оси:

     ,  (6)

где - изгибная жесткость трубопровода, кгс·см;

- масса трубопровода на единицу длины, кгс·с/см;

- относительная величина дополнительной массы (пригрузки) на единицу длины на отдельных участках погружаемого трубопровода;

- продольное растягивающее усилие в трубопроводе, зависящее от координаты , кгс;

- выталкивающая сила на единицу длины трубопровода, кгс/см;

- реакция деформируемого грунтового основания на единицу длины для участков трубопровода, лежащих на дне, кгс/см;

- распределенная по длине сила гидродинамического сопротивления, кгс/см;

- время, с.

Уравнение в проекциях на касательную к оси трубопровода, служащее для вычисления распределения растягивающего продольного усилия по длине трубопровода, имеет вид

,                    (7)

где - коэффициент трения трубопровода о грунт.

В случаях приложения к трубопроводу сосредоточенных сил от понтонов, тросов и т.п. в уравнения (6) и (7) вводятся члены, соответствующие проекциям этих усилий на нормаль и на касательную к изогнутой оси.

4.5. Уравнения (6), (7) решаются при тех или иных граничных условиях в зависимости от технологической схемы укладки.

На верхнем конце трубопровода (при 0) задаются значения угла и кривизны . Например, в случае укладки с прямолинейного стингера угол , где - угол наклона стингера к горизонтали; кривизна 0. При укладке трубопровода с криволинейного стингера , где - радиус кривизны стингера (см. рис.1). При укладке способом погружения с поверхности воды по схеме рис.4 задаются значениями 0; .

Граничные условия на нижнем конце рассчитываемой плети трубопровода принимаются различными при расчете -образной (или -образной) кривой и при расчете процесса опуска конца плети.

При расчете -образной (или -образной) кривой на нижнем конце задаются значения 0; , где - угол наклона дна к горизонтали.

При расчете процесса опуска конца плети задаются значения:

; .

После касания концом плети дна граничные условия принимают вид:

; .

Начальные условия для углов и скоростей плети во всех случаях принимаются нулевыми.

4.6. Система нелинейных уравнений, описывающих движение трубопровода, приведена к безразмерному виду.

Уравнение (6) представлено в форме

,                       (8)

где - безразмерная продольная координата;

- безразмерный параметр времени;

- безразмерный параметр выталкивающей силы;

- безразмерная масса трубопровода на единицу длины;

- безразмерная реакция грунтового основания;

- безразмерное продольное усилие;

- коэффициент "искусственной вязкости", который вводится при расчете методом установления.

- длина плети трубопровода, см.

4.7. Численное решение уравнения (6) осуществляется с помощью неявной схемы метода конечных разностей. Ось рассчитываемой плети трубопровода разбивается по длине на участков длиной каждый (рис.8). Шаг по времени обозначается через .

4.8. Форму упругой оси трубопровода на каждом шаге по времени определяют, вычисляя координаты узлов по формулам:

;                                                (16)

     
.                                               (17)

Значения и принимаются в зависимости от схемы укладки.

4.9. Распределение продольных усилий по длине трубопровода находят по значениям и с помощью численного интегрирования по формуле, вытекающей из (7):

.                            (18)

Значение на верхнем конце плети принимается равным нулю при отсутствии натяжения и при натяжении усилием .

4.10. Расчет напряжений и перемещений подводного трубопровода при укладке свободным погружением с заливом водой без продольного натяжения осуществляется по программе ГЕК-1. В качестве исходных данных задаются значения следующих параметров:

- число участков, на которое разбита по длине рассматриваемая плеть трубопровода (рекомендуется принимать 100);

- шаг по длине для выдачи на печать информации о перемещениях и напряжениях в трубопроводе;

- безразмерный диаметр трубопровода , где - наружный диаметр трубопровода с изоляцией, слоем бетона и т.п.; - длина трубопровода; рекомендуется принимать , где - диаметр стальной трубы);

- безразмерная (отнесенная к длине трубопровода ) глубина акватории в месте укладки;

- отношение массы воды , заполняющей трубопровод при заливе (на единицу длины трубопровода), к массе единицы длины (пустого) трубопровода ;

- коэффициент трения трубопровода о дно (при отсутствии экспериментальных данных допускается принимать равным 0,5);

- безразмерная реакция грунтового основания;

- безразмерная масса трубопровода (см. п.4.6);

- безразмерный параметр выталкивающей силы (см. п.4.6);

- безразмерный параметр "искусственной вязкости" (рекомендуется принимать 1000);

- отношение шага по времени к шагу по координате, принимается равным 0,8.

В соответствии с программой в качестве начального условия принят изгиб трубопровода на длине по -образной кривой, составленной из двух полуволн синусоиды. Соответствующее распределение перемещений и углов по длине трубопровода описано формулами:

,                                       (19)

     
.                                                   (20)

Другое начальное условие - скорость движения трубопровода равна нулю:

.                                                             (21)

Принято, что плеть на половине длины заполнена водой (или пригружена иным способом). Значение параметра длины , соответствующего относительной длине участка плети без пригрузки, равно 0,5.

Трубопровод при заданных начальных условиях не находится в равновесии, поэтому дальнейшее интегрирование уравнений движения по алгоритму, описанному в пп.4.4-4.10, приводит к описанию динамических перемещений трубопровода под действием неуравновешенных сил к некоторому равновесному состоянию. Ввиду наличия в уравнении движения "искусственной вязкости" после достижения этого состояния дальнейшее движение прекращается.

Полученное стационарное состояние трубопровода в виде -образной кривой является результатом расчета по программе ГЕК-1.

На печать выдаются значения следующих безразмерных параметров: времени; уровня воды, залитой в трубопровод; угла наклона трубопровода в этой точке и скорости его изменения; прикладываемого растягивающего усилия, а также таблица безразмерных значений параметров , , , и по длине плети. Значения перемещений и напряжений по длине трубопровода могут быть представлены в виде графиков.

4.11. Вычисления напряжения и перемещений подводного трубопровода, укладываемого методом погружения при действии продольного натяжения, выполняются по программе ГЕК-2.

В качестве подпрограммы используется программа ГЕК-1. Кроме исходных данных, используемых в программе ГЕК-2, для данной программы вводятся следующие исходные данные:

- максимальное значение безразмерного параметра внешнего усилия, прикладываемого к трубопроводу на верхнем конце;

- безразмерная скорость возрастания внешнего растягивающего усилия;

- шаг значений внешнего усилия для вывода на печать перемещений и усилий в трубопроводе.

Вначале по подпрограмме ГЕК-1 находится стационарное положение трубопровода при укладке погружением без приложения растягивающего усилия. Затем усилие на верхнем конце трубопровода увеличивается во времени по линейному закону. Вычисление перемещений и напряжений в трубопроводе проводится по тому же алгоритму, который описан в пп.4.4-4.10, но с учетом изменения граничного условия для . Счет заканчивается при достижении величиной значения .

На печать выдаются значения , , , и при значениях , равных , , …, .

4.12. По программе ГЕМ вычисляются динамические напряжения и перемещения трубопровода в процессе погружения конца плети под действием залива воды в полость трубопровода.

Исходные данные для вычислений те же, что в программе ГЕК-1, и дополнительно следующие:

- безразмерная линейная скорость заполнения водой плети трубопровода; , где - соответствующая размерная скорость изменения длины заполненного водой участка трубопровода;

- предельное значение скорости изменения угла наклона трубопровода в сечении, соответствующем поверхности уровня залитой в трубопровод воды; при значении , меньшем или равном , расчет заканчивается;

- шаг изменения длины залитого водой участка трубопровода для вывода информации на печать.

Вычисления по программе ГЕМ производят для процесса опуска трубопровода без приложения растягивающего усилия. В качестве начального условия принято положение трубопровода, которое соответствует заглушенной плети, плавающей на поверхности воды.

Счет начинается с момента начала залива трубопровода водой. Воду заливают с одного конца плети с постоянной заданной скоростью . С помощью алгоритма, описанного в пп.4.4-4.10, вычисляют последовательные положения трубопровода при погружении и соответствующие напряжения. По прохождении точкой, соответствующей концу залитого участка, длин , где 1, 2, ...., и т.д., печатается таблица (или графики) величин, характеризующих форму и напряжения в трубопроводе. После касания плетью дна на соответствующие участки трубопровода действует сила реакции грунтового основания. На каждом шаге вычисляется угол и глубина погружения точки трубопровода, соответствующей уровню залива. Когда плеть трубопровода занимает равновесное положение в виде -образной кривой, дальнейшее заполнение плети водой приводит к смещению -образной кривой параллельно самой себе. Уровень воды в трубопроводе относительно поверхности и угол при этом остаются постоянными. Поэтому, когда становится меньше некоторого малого наперед заданного значения , счет по программе заканчивается.

4.13. Значения изгибающих моментов, действующих в вертикальной плоскости (бее учета волновых нагрузок), находят по формуле

,                                                          (22)

где значения берутся из столбца "изгиб" таблицы результатов счета. Расчетным является максимальное значение . Горизонтальную и вертикальную координаты соответствующего сечения по длине трубопровода находят умножением значений, стоящих в той же строке в столбцах и величин, на .

Расчетное значение полного изгибающего момента находят геометрическим суммированием момента с моментом от сил, действующих в горизонтальной плоскости:

.                                                          (23)

Продольные напряжения в стенках трубопровода от изгиба следует находить делением на момент сопротивления, вычисленный без учета изоляции, обетонирования и т.п.

Продольные усилия в стенках трубопровода находят умножением величины в столбце "растяжение" (в той же строке, где найден максимальный изгибающий момент) на параметр :

.                                                               (24)

Продольные напряжения находят делением на площадь сечения трубы без изоляции, бетона и т.д.

5.1. Проверку прочности стенок подводного трубопровода при укладке проводят согласно СНиП II-45-75 из условия

,                                                        (25)

где - максимальные суммарные продольные напряжения в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий;

- минимальное значение предела текучести материала труб по государственным стандартам и техническим условиям на трубы;

- коэффициент надежности, принимаемый по табл.10 СНиП II-45-75;

- коэффициент, принимавший равным 0,85, для трубопроводов I и II категорий и 0,65 для категории В согласно СНиП II-45-75.

5.2. Устойчивость стенок трубопровода при совместном действии сжимающих напряжений от изгиба и внешнего гидростатического давления проверяют по формуле

,                                                        (26)

где - расчетное продольное сжимающее напряжение от изгиба и продольного усилия в укладываемом трубопроводе, кгс/см;

- расчетное кольцевое сжимающее напряжение от внешнего гидростатического давления , кгс/см;

- принимается равным меньшей из величин и ( - толщина стенки трубы, - диаметр срединной поверхности трубы), - расчётное сопротивление стали сжатию, равное , где - коэффициент безопасности по материалу, принимаемый по СНиП II-45-75;

- определяют по формуле

;

- коэффициент условий работы, принимаемый по СНиП II-45-75.

5.3. Если не выполняется условие устойчивости (26), следует выбрать трубопровод с большей толщиной стенки и повторить весь расчет.

Если не выполняется условие (25), применяют следующее:

• увеличивают радиус упругого изгиба трубопровода с помощью приложения растягивающего усилия к трубопроводу, применяя понтоны, используя стингер или иную схему укладки;

• применяют трубы из стали с более высокими механическими характеристиками;

• увеличивают толщину стенки трубопровода.

Рис.10. Зависимость максимальных продольных напряжений в трубопроводе диаметром 426 мм с толщиной стенки 8 мм от глубины укладки при различных усилиях натяжения