Building an algorithm for calculation of distances between overground gas pipeline supports of different diameters depending on climatic characteristics

Full Text

На сегодняшний день надземная прокладка газопроводов на опорах приобретает особую актуальность в связи с необходимостью технического перевооружения существующих газовых сетей и строительства новых, в рамках программы газификации Самарской области на 2020‒2024 годы (Приказ Министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Самарской области от 7 ноября 2019 года № 208 «Об утверждении программы газификации Самарской области на 2020-2024 годы, финансируемой за счет средств, полученных от применения специальных надбавок к тарифам на транспортировку газа обществом с ограниченной ответственностью ˝Средневолжская газовая компания˝» (с изменениями на 17 июня 2021 года)). Общая протяженность газопроводов, входящих в газораспределительную систему региона, составляет более 25 тыс. км, 60 % из которых приходится на долю надземной прокладки (Распоряжение Правительства Самарской области от 27 ноября 2020 года № 589-р «Об утверждении региональной программы газификации жилищно-коммунального хозяйства, промышленных и иных организаций Самарской области на 2020‒2024 годы»). Критериями надежности на стадии эксплуатации газораспределительных систем являются их прочность и устойчивость, на степень которых существенно влияет правильно подобранная дистанция между опорными креплениями [1−3].

Расстояние между опорами, состоящими из столбчатых железобетонных фундаментов и металлических стоек, рекомендуется принимать руководствуясь требованиями СП 42-102-2004 и согласно результатам расчета на прочность и устойчивость. При выполнении вычислений должны быть удовлетворены условия обеспечения компенсации температурных удлинений, статической прочности, предельно допустимого прогиба и динамической. В случае необходимости удовлетворения всех условий расстояние между опорами принимается наименьшим из определения устойчивости (СП 42-102-2004. Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб).

Для определения величины среднего пролета газопровода из условия статической прочности применима формула

$L_{\text{ст}}=\left(d_e-t_{nom}\right)\cdot {\left(\frac{3\cdot \pi \cdot t_{nom}\cdot R}{q}\right)}^{\mathrm{0,5}}\cdot {\left\{1-\mathrm{0,75}{\left[\frac{p\left(d_e-\mathrm{1,2}\cdot t_{nom}\right)}{2\cdot t_{nom}\cdot R}\right]}^2\right\}}^{\mathrm{0,25}}\cdot {10}^3\text{,\hspace{0.33em}м}$(1)

где d_e ‒ эквивалентный диаметр газопровода, мм; t_пот ‒ номинальная толщина стенки трубы, принимается для надземных газопроводов не менее 2 мм; R ‒ расчетное сопротивление металла, МПа (СП 42 – 102 – 2004).

Нагрузки и воздействия на газопровод определяются с учетом собственного веса единицы длины газопровода q_q, Н/м, веса транспортируемого газа в единице длины газопровода q_g, Н/м, веса снежного покрова v_s, Н/м, веса обледенения v_i, Н/м, и ветровой нагрузки на единицу длины надземного газопровода w_n, Н/м [4, 5]:

$q={\left[{\left(q_q+q_g+{\upsilon }_s+{\upsilon }_i\right)}^2+w_n^2\right]}^{\text{0,5}}\text{,\hspace{0.33em}}Н/\text{м}$ (2)

При этом в выражении для q, Н/м, из нагрузок снеговой v_s и гололедной v_i принимается одна ‒ наибольшая (СП 42-102-2004).

Как видно из приведенных ранее формул, для определения расстояния между опорами надземного газопровода предварительно должен быть выполнен расчет характеристик материала на прочность [4]. Однако подобные вычисления требуют значительных инженерных усилий и существенно увеличивают время выполнения рабочего проекта. Вследствие этого в практических работах обычно прибегают к использованию сводных примерных таблиц, разработанных с целью унификации конструктивных решений [6, 7]. Кроме того, для обеспечения надежности функционирования газораспределительных систем при принятии проектных решений необходимо учитывать не только технические характеристики сети, но и влияние климатических условий зоны их эксплуатации [8].

На рынке программного обеспечения существуют специализированные программы, позволяющие определять расстояния между опорами [9, 10]. Однако их применение требует дополнительных инвестиций и времени на обучение исполнителя. Кроме того, пользователь отстранен от исходного формульного аппарата и от алгоритма вычислений [11]. В качестве программной поддержки в исследовании использованы пакеты электронных расчетных таблиц и графических инструментов Microsoft Excel, лишенные вышеупомянутых недостатков [12].

Авторами проведены расчеты величин средних пролетов газопровода из условия статической прочности для транспортировки осушенного природного газа согласно СП 42-102-2004 и для транспортировки газа, в котором возможно образование конденсата для двух вариантов:

1 вариант ‒ расчет величин, выполненный для основной части Самарской области ‒ IV район по снеговой нагрузке, III район по давлению ветра, III район по толщине стенки гололеда (СП 20.13330-2016 «Нагрузки и воздействия» с Изменениями № 1,2. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*).

2 вариант ‒ расчет величин, выполненный для западной части Самарской области (западнее г. Сызрани) ‒ III район по снеговой нагрузке, II район по давлению ветра, IV район по толщине стенки гололеда (СП 20.13330.2016).

Последовательность расчетов определяется логической цепочкой, учитывающей исходные проектные данные (рабочее давление в газопроводе, материал, диаметр, толщину стенки, климатический район строительства и т. д.) Для схематического представления алгоритма расчета величин средних пролетов между опорами надземных газопроводов для различных климатических условий составлена блок-схема, которая затем была применена в электронных таблицах Microsoft Excel.

Примеры реализации решения показаны на рис.1, 2.

 

Рис.1. Блок-схема алгоритма расчета величин средних пролетов между опорами надземных газопроводов для различных климатических условий

 

Рис.2. Результаты расчета величины среднего пролета газопровода (вариант 1)

 

Рис.3. Результаты расчета величины среднего пролета газопровода (вариант 2)

 

Целью данной работы была автоматизация подсчета величин средних пролетов между опорами надземных газопроводов для различных климатических условий посредством математических операторов с целью сокращения времени расчета.

Использование усредненных нормативно-технических сведений при выполнении инженерных вычислений приводит к игнорированию ряда существенных факторов, влияющих как на статическую прочность и устойчивость, так и на стоимостную характеристику линейных участков надземной газовой сети. Проведено сравнение значений межосевых расстояний надземного стального газопровода низкого и среднего (высокого) давлений для диапазона d_y = 25 ÷ 400 мм, полученных с помощью предложенного алгоритма, со справочными данными [7], используемыми при выполнении инженерных расчетов. Визуализация результатов представлена на рис. 4 и 5.

 

Рис. 4. Вариант 1. Зависимость дистанции между опорными креплениями от диаметра надземного стального газопровода

 

Рис. 5. Вариант 2. Зависимость дистанции между опорными креплениями от диаметра надземного стального газопровода

 

Вывод. Анализ полученных графических зависимостей позволил выявить динамику возрастания значений межосевых расстояний между опорами надземного газопровода по сравнению со справочными усредненными данными [7]. Увеличение дистанции между опорными креплениями, при сохранении прочности и устойчивости конструкции сети, ведет к значительной экономии средств на капитальные и эксплуатационные затраты.

Применение предложенного авторами алгоритма при решении конструкторских задач проектирования и строительства газораспределительных сетей позволяет достаточно гибко и рационально организовать вычислительный процесс, наглядно представить результаты математических вычислений для принятия верных и экономически целесообразных проектных решений [13−15]. Табличный алгоритм значительно упрощает подбор расстояния между опорами для надземного стального газопровода и может быть применен для выполнения конструкторских расчетов при других климатических условиях эксплуатации газораспределительных сетей.

About the authors

Olga A. Balandina

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: balandinaolya88@rambler.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
Senior Lecturer of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Elena B. Filatova

Samara State Technical University

Email: ele51763539@yandex.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
Senior Lecturer of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Svetlana M. Puring

Samara State Technical University

Email: puring@mail.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Alena I. Filatova

Samara State Technical University

Email: puring@mail.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
Сollege Student

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files