Принимая во внимание, что в полиэтиленовых трубопроводах с

Определение
основных
параметров
рабочего
оборудования
бестраншейного трубоукладчика для прокладки трубы из полиэтилена
ПЭ-80
А.А. Серебренников, Ю.Е. Якубовский, И.Г. Лавров, З.Р. Хакимов
(Тюменский государственный нефтегазовый университет)
Современные способы бестраншейной прокладки полиэтиленовых
трубопроводов и ремонта ими стальных [1 - 4] зачастую предполагают изгиб
трубы во время ее укладки. К таким технологиям относятся, например, метод
бестраншейной прокладки трубопроводов, связанный с кратковременным
нарушением дневной поверхности грунта [5] (рис. 1). Данный метод
заключается в непрерывной подаче трубы (4) из бухты (1) через
направляющий короб (3) в полость, образованную ножом (2) по мере
продвижения тележки. По мере выработки осуществляется сварка труб и
замена бухт.
Рис. 1. - Общий вид трубоукладчика
Труба, проходя через направляющий короб, изгибается и, следовательно,
радиус изгиба направляющего короба должен соответствовать минимально
допустимым радиусам изгиба укладываемой трубы с целью сохранения ее
физико-механических характеристик.
Проведенные ранее исследования по определению радиусов допустимого
изгиба
полиэтиленовых
труб
касаются
положительных
температур
окружающего воздуха [6]. Однако, интерес вызывает поведение труб при
изгибе в условиях отрицательных температур [7, 8], т.к. на большей части
Российской
Федерации
значительный
промежуток
времени
в
году
температура окружающего воздуха отрицательна.
Принимая во внимание, что в полиэтиленовых трубопроводах с разным
диаметром при изгибе возникают различные напряжения, необходимо
решение задачи обоснованности выбора радиуса изгиба, при котором
обеспечиваются требуемые характеристики укладываемой трубы.
Анализ методов расчета на прочность гибких длинномерных труб с
позиции теории прочности криволинейных стержней показал, что описание
напряженно-деформированного состояния гибкой трубы требует учета
нелинейных характеристик материала. Для расчета допустимых диаметров
изгиба в известной математической модели [7, 8], удовлетворяющей этому
требованию, необходимо знать прочностные характеристики материала
трубы, т.е. модуль упругости и предел текучести.
В
институте
неметаллических
материалов
Сибирского
отделения
Российской академии наук проводились испытания на растяжение труб из
полиэтилена ПЭ80 при температурах +20, 0, -20 , -40, -60º C с целью
изучения влияния температуры на физико-механические характеристики
материала. Данные этих испытаний представлены в таблице.
Таблица 1.
Прочностные характеристики трубы ПЭ80
Температура, ºС
Модуль упругости, МПа
Предел текучести, МПа
20
770
19,5
0
1240
27
-20
1770
32,5
-40
2220
36,9
-60
Анализ
2790
полученных
на
основе
44,5
этих
исследований
результатов,
проведенный с целью оценки поведения полиэтиленовых труб при изгибе,
позволил получить обобщающие зависимости изменения модуля упругости и
предела текучести от температурного фактора.
В результате аппроксимации данных, приведенных в таблице, получено,
что модуль упругости зависит от температуры следующим образом [9]
(достоверность аппроксимации составляет 0,97):


T
Et  E20    0,6  t  1,6  ,
T20


(1)
где Et – модуль упругости материала трубы при текущем значении
температуры, МПа;
E20 – модуль упругости материала трубы при температуре 20º C, МПа; Тt –
температура окружающего воздуха, ºС; T20 – температура окружающего
воздуха, равная 20º С;
Зависимость предела текучести от температуры выглядит следующим
образом (R2 = 0,97):

 t   20    0,3 


Tt
 1,3  ,
T20

(2)
где σt – предел текучести материала трубы при заданной температуре, МПа;
σ20 – предел текучести материала трубы при температуре 20º C, МПа.
Используя полученные зависимости, математическая модель расчета на
прочность трубы была преобразована с целью определения допустимых
радиусов изгиба трубы при отрицательных температурах.
Положив в основу расчетов ограничение, заключающееся в том, что
напряжения при изгибе не должны превышать предела текучести материала,
были рассчитаны минимально допустимые радиусы изгиба для труб из
полиэтилена ПЭ-80 всех диаметров при различных температурах. Для
температур 20, 0 и -20ºС результаты представлены на рисунке графически
(рис. 2).
Рис. 2. - Минимально-допустимые радиусы изгиба R
для труб различных диаметров d при различных температурах Tt.
Обработка результатов позволила получить, что зависимость минимальнодопустимого
радиуса
изгиба
от
диаметра
трубы
может
быть
аппроксимирована линейно с высокой степенью достоверности (R2 = 0,99 для
всех значений температур), в частности:
при температуре 20º С
R = 6,4d + 8 (мм),
(3)
при температуре 0º С
R = 7d + 9 (мм),
(4)
R = 7,1d + 9 (мм),
(5)
при температуре -20º С
Полученные
зависимости
предполагают
обеспечение
требуемых
прочностных условий.
Анализ данных показывает, что минимально-допустимый радиус изгиба
полиэтиленовой трубы при снижении температуры до -20 º С относительно
температуры +20º С увеличивается на 10-12 % [2,10].
Рис. 3. – Зависимость площади боковой поверхности от радиуса изгиба
направляющего короба
Однако, с увеличением радиуса изгиба направляющего короба, неизбежно
увеличится площадь его боковой поверхности (рис. 3), что приведет к
дополнительным сопротивлениям от сил трения стенок короба о грунт.
С целью определения зависимости сил сопротивления резанию от
геометрических
параметров
рабочего
органа
и
физико-механических
характеристик грунта была сконструирована лабораторная установка грунтовый канал (рис. 4).
Рис. 4. - Схема грунтового канала.
Грунтовый
канал
представляет
собой
металлический
короб
(1)
заполненный грунтом, который может быть уплотнен до необходимой стадии
за счет трамбующего устройства (5). На каретке (2), расположена модель
рабочего органа бестраншейного трубоукладчика (6), которая перемещается
за счет тягового усилия каната, наматываемого на барабан посредством
мотор-редуктора (3). Реверс тележки осуществляется за счет ручной лебедки
(4).
Установленный на канате динамометр позволяет фиксировать усилия
резания со сменными моделями рабочего органа.
Для установления зависимости сил сопротивления перемещению рабочего
органа
трубоукладчика
в
грунте
были
сконструированы
модели
направляющего короба в масштабах 1:6 и 1:4 [10] с различными значениями
площади боковой поверхности.
Рис. 5. Зависимость изменения сил сопротивления резанию (Р) от площади
боковой поверхности (S) моделей рабочего органа трубоукладчика
Результаты замеров изменения сил сопротивления резанию в зависимости
от одного из определяющих геометрических параметров, в данном случае
площади боковой поверхности, представлены на рис. 5.
Таким образом, в качестве обобщающей к использованию в инженерных
расчетах
для
расчета
минимально
допустимого
радиуса
изгиба
полиэтиленовой трубы рекомендована зависимость R > 7,1d + 9.
Для расчета требуемого тягового усилия, необходимого для преодоления
сопротивления
грунта
перемещению
рабочего
органа
рекомендуется
зависимость P > 10335S+14341.
Список литературы:
1.
A.V. Filatov, A.V. Yevtyushkin, V.M. Bryksin. Some results of long term
geodynamic monitoring of oil and gas fields and power engineering infrastructure
in Western Siberia and Arctic by INSAR technique using ERS-2, ENVISAT and
ALOS satellite data. Electronic scientific journal "Oil and Gas Business", 2012,
Issue 3, pp. 43-73.
2.
Бородавкин
П.П.,
Березин
В.Л.
Сооружение
магистральных
трубопроводов: Учебник для вузов [Текст] - М.: Недра, 1987. -100с.
3.
Вирясов А.Н., Гостинин И.А, Семенова М.А. Применение труб
коррозионно-стойкого
исполнения
для
обеспечения
надежности
нефтегазотранспортных систем Западной Сибири [Электронный ресурс]//
«Инженерный
Вестник
Дона»,
2013,
№
1.
http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1487
-
Режим
доступа:
(доступ свободный) –
Загл. с экрана. – Яз. рус.
4.
Серебренников Д.А. Опыт и перспективы сооружения полиэтиленовых
трубопроводов для транспорта газа // "Вопросы состояния и перспективы
развития нефтегазовых объектов западной Сибири". Сборник научных
трудов. – Тюмень: Нефтегазовый университет, 2002г.-с.20-34
5.
Скворцов И.Д. Повышение эффективности бестраншейной прокладки
трубопроводов под автомобильными и железными дорогами. - Тюмень:
ТюмГНГУ, 2003.-112с
6.
N.V. Chuhareva, S.A. Mironov, T.V. Tikhonova. Prediction of accidents and
damage to gas pipelines in Far North conditions. Electronic scientific journal "Oil
and Gas Business", 2012, Issue 3, pp. 99-107.
7.
Гостинин И.А. Расчет коэффициента надежности по назначению
трубопровода для Западно-Сибирского региона [Электронный ресурс]//
«Инженерный
Вестник
Дона»,
2014,
№
2.
http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2419
-
Режим
доступа:
(доступ свободный) –
Загл. с экрана. – Яз. рус.
8.
Стручков
А.С.
Хладостойкость
и
особенности
сопротивления
разрушению нефтегазовых пластмассовых труб. Автореф. дис. … д-ра техн.
наук. – Якутск, 2005. – 34 с.
9.
Якубовская С.В. Теоретические основы повышения надежности
полимерных газораспределительных и сборных сетей. Автореф. дис. … д-ра
техн.наук. – Тюмень, 2005. – 36 с.
10. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой
рабочих органов дорожно-строительных машин: Учеб. Пособие для
студентов высш.учеб. заведений. 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение,
1994.- 432 с.