РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНОГО
ТРУБОПРОВОДА
При выборе основных элементов и главных размерений ТУС (в частности, при
проектировании балластной системы для обеспечения приемлемого угла дифферента
ТУС при укладке ПТ) возникает проблема регламентации угла дифферента, в
значительной мере оказывающего влияние на напряжённое состояние укладываемого
на дно трубопровода.
ПТ испытывает напряжения от внутреннего давления при эксплуатации и от внешних
нагрузок при укладке. Задача расчёта ПТ на внутреннее давление в данной работе
автором не ставилась, это задача эксплуатационников. Для расчёта трубопровода
от внешних воздействий обычно рассматриваются следующие виды нагрузок на
отдельных участках прокладываемого трубопровода [99]: натяжение, уменьшаемое
массой ПТ под водой и гидростатическим давлением; напряжения, возникающие на
верхнем выпуклом участке от изгиба и натяжения ПТ; напряжения на нижнем
вогнутом участке, которые определяются изгибом в противоположном направлении;
напряжения на промежуточном участке ПТ от изгиба, натяжения, собственной массы
и гидростатического давления. На дне моря на ПТ будет воздействовать натяжение,
уменьшающееся по мере удаления от точки касания трубопроводом дна;
гидростатическое давление и остаточные деформации от изгиба трубопровода на
верхнем и нижнем участках.
В практике строительства ПТ отмечаются случаи его повреждения при сходе со
стингера, что объясняется недостаточностью информации о системе "ТУС – стингер
– ПТ".
Известные автору теоретические решения определения напряжённого состояния не
позволяют получить достаточно точной информации о влиянии дифферента ТУС на
максимальное удлинение на верхнем и нижнем изогнутом участках ПТ.
В опытовом бассейне Киевского института Гидромеханики АН Украины были проведены
экспериментальные исследования системы "ТУС – ПТ"[63]. Но малый масштаб
моделирования (1:38) не позволил получить достаточно надёжного подтверждения
теоретических исследований.
Поставим задачу экспериментально оценить влияние угла дифферента ТУС на
удлинение на верхнем и нижнем изогнутых участках трубопровода [3, 63].
Для испытаний была выбрана крупномасштабная модель ТУС с корпусом понтонного
типа с размерениями: L = 13.04 м, B = 5.2 м, D = 1.08 м, d = 0.8 м.
2.1. Моделирование подводного трубопровода
В процессе моделирования трубопровода в качестве исходного был выбран ПТ со
следующими характеристиками
Dнат.нр = 950мм - наружный диаметр трубопровода со слоем бетона;
Dнат = 820мм - наружный диаметр жёсткой трубы;
dнат = 790мм - внутренний диаметр жёсткой трубы.
Материал: сталь Eн = 2,1·105 МПа.
Критерии подобия, по которым проводилось моделирование:
геометрическое подобие наружных размеров и формы поверхности;
подобие жёсткости модели и натуры на изгиб;
равенство отношений максимальных напряжений от изгиба к максимальным
напряжениям от растяжения;
подобие массовых и инерционных сил.
Моделью исходного трубопровода служила труба из поливинилхлорида. Модуль
упругости Eм = 2,96·103 МПа. Большая разница в модулях упругости между
материалом натуры и модели позволила обеспечить подобие жёсткости E·J как на
продольное растяжение, так и на изгиб.
Геометрическое подобие наружных размеров и формы поверхности модели
трубопровода, находящейся в контакте с окружающей водой,
(мм),
где Dмод - наружный диаметр трубы модели, мм;
л = 15 - масштабный коэффициент.
Подобие жёсткости модели и натуры на изгиб
, (2.1)
где ,- момент инерции поперечного сечения трубы, натуры и модели
соответственно;
Eм·Jм - жёсткость модели;
Eн·Jн - жёсткость натуры.
Подставляя формулы для определения момента инерции в (2.1) получаем
(2.2)
Отсюда внутренний диаметр модели
56,8 (мм).
Равенство отношений максимальных напряжений от изгиба к максимальным
напряжениям от растяжения
. (2.3)
После преобразования получим
, (2.4)
где д - толщина стенки трубы, мм.
Подставляя в (2.4) диаметры и толщину стенок, получим
Таким образом, получаем . Строгого геометрического подобия (Dмод – дмод) и
(Dнат – днат) не требуется. У модели эта величина может быть относительно
меньше, важно, чтобы соблюдалось условие равенства отношений максимальных
напряжений от изгиба к максимальным напряжениям от растяжения.
Подобие массовых и инерционных сил, т.е. подобие суммарных масс в подобных
объёмах
, (2.5)
где сбет = 2 т/м3 - плотность бетона;
сп = 0 - плотность покрытия трубы модели;
сст = 7,85 т/м3 - плотность стали;
см = 1,4 т/м3 - плотность модели (поливинилхлорид).
Или
, (2.6)
где мбет = 1,42 т/пог.м - погонная масса слоя бетона;
мтр = 0,298 т/пог.м - погонная масса трубопровода;
ммод = 9,46 г/пог.см - погонная масса модели.
При данной массе модели подобие не соблюдается. Требуемая масса модели равна
76,1 г/пог.см. Для увеличения погонной массы модель трубопровода
балластировалась – заполнялась водой. Погонная масса воды внутри модели: ммод =
25,3г/пог.см. Тогда общая масса модели, с учётом массы стальных соединительных
хомутов и тензометрических проводов соответствует требуемой (74,91г/пог.см).
Расчёты по приведенным выше формулам показали, что натурную стальную трубу с
размерами: Dнат.нр = 950 мм (с учётом слоя бетона), Dнат = 820 мм, толщиной
стенки днат = 15 мм можно при М = 1:15 см
- Київ+380960830922