Кольцевые напряжения в изоляционных

ПОКРЫТИЯХ

1. Кольцевые напряжения, возникающие в покрытии вследствие колебаний температуры трубопровода

При изменении температуры трубопровода в изоляционном покрытии возникают напряжения растяжения (при охлаждении) или сжатия (при нагревании), обусловленные тем, что температурный коэффициент линейного расширения стали (α_ст = 0,12ּ10^-4 К^-1) на порядок меньше, чем у большинства покрытий. Рассмотрим случай, когда трубопровод защемлен и реализуются только кольцевые деформации, т. е. когда они максимальны. Наиболее опасны напряжения растяжения, возникающие в покрытии при охлаждении трубопровода (особенно ниже температуры стеклования, когда эластичность покрытия резко уменьшается). При понижении температуры на Δt °C периметр трубы сокращается на

. (54)

где П - начальный периметр трубы, измеренный по границе контакта труба - покрытие.

Изменение периметра, к которому стремится покрытие, следующее:

, (55)

где α_ИЗ - коэффициент линейного расширения изоляционного покрытия.

В покрытии, нанесенном на трубу, сокращение периметра не может реализоваться полностью, периметр изоляции может уменьшиться только на значение ΔП, вследствие чего покрытие подвергается деформации растяжения:

. (56)

Относительная деформация при этом составит

. (57)

Максимально возможный перепад температуры Δt принимаем равным 100°С (от +70°С до - 30°С при остановке и вскрытии трубопровода зимой). Относительные удлинения, возникающие при этом, рассчитанные для некоторых изоляционных материалов, приведены ниже:

 

Материал покрытия	α, К^-1	ε ּ100%
Битумные мастики Эпоксидные смолы Полиэтилен и поливинилхлорид	5 ּ10^-4 1 ּ10^-4 5,5 ּ10^-4	4,9 0,9 5,4

Напряжения, возникающие в покрытиях при этих удлинениях, можно рассчитать по закону Гука, так как покрытия эксплуатируются в области упругих деформаций:

, (58)

где Е - модуль упругости материала покрытия.

Так как модуль упругости сильно зависит от температуры и степени старения материала и его определение затруднено и не всегда осуществимо, то вместо вычисления напряжений и сравнения их с прочностью материала применяют другой подход для оценки работоспособности покрытия.

Этот подход заключается в измерении относительного удлинения при разрыве данного изоляционного материала при температуре охлаждения трубопровода и сравнении этой величины с термоупругой деформацией, вычисленной по формуле (57). Если термоупругая деформация больше разрывного удлинения, то покрытие неработоспособно.

Следует заметить, что термоупругие напряжения реализуются в полной мере при остановках трубопровода и действие их кратковременно, поэтому неверно было бы при оценке долговечности покрытия суммировать их с напряжениями растяжения, возникающими в результате оседания грунтовой засыпки.

2. Кольцевые напряжения, возникающие в покрытии вследствие колебаний давления в трубопроводе.

При повышении давления в трубопроводе от 0 до р в стальной стенке трубы возникают кольцевые напряжения растяжения. Здесь, как и в предыдущем случае, рассмотрим защемленный трубопровод, когда реализуются только кольцевые деформации, следовательно, когда они максимальны. Напряжения определяются по формуле

. (59)

где р - изменение давления в трубопроводе (от 0 до значения, определяемого условиями эксплуатации трубопровода);

D - наружный диаметр трубопровода;

δ - толщина стенки трубопровода.

Относительное удлинение определяется по закону Гука

(60)

где Е_СТ =2,1ּ10⁵ МПа - модуль упругости стали.

Такое же относительное удлинение испытывает и изоляционное покрытие.

Относительные удлинения покрытия, вызываемые изменениями давления в трубопроводе, весьма незначительны. Следовательно, напряжения растяжения, определяемые этими деформациями, также малы и ими можно пренебречь при оценке долговечности покрытия.

3. Кроме указанных двух причин, кольцевые напряжения растяжения могут возникать в покрытиях из полимерных лент вследствие натяжения этих лент при нанесении. При нанесении полимерных лент на трубопровод прижатие их к поверхности трубопровода (необходимое для лучшего приклеивания ленты) осуществляется за счет усилия натяжения ленты. Зависимость нормального давления ленты на трубопровод от силы ее натяжения можно вывести, исходя из схемы, приведенной на рис. 5.

Рис. 5. Схема сил, действующих при намотке изоляционной ленты

Здесь рН - нормальное давление ленты на трубопровод, ТН - сила натяжения ленты, отнесенная к единице длины трубопровода, D - диаметр трубопровода.

Рассмотрим произвольный случай, когда угол охвата трубы лентой равен ξ. Тогда равнодействующая сила натяжения составит

. (61)

Нормальное давление ленты в точке А равно

(62)

Из формулы (62) видно, что давление прижатия ленты не зависит от угла охвата, а определяется натяжением ленты и диаметром трубопровода.

Обычно при строительстве трубопроводов ленту наносят с натяжением 1...2 Н/мм. При толщине основы 0,35 мм кольцевые напряжения в ленточном покрытии составят от 3 до 6 МПа.

Таким образом, изоляционные покрытия трубопроводов, выполненные из полимерных лент, являются предварительно напряженными конструкциями. Величина предварительного напряжения определяется усилием натяжения ленты при нанесении на трубопровод и ее толщиной и составляет в начальный период эксплуатации 3...6 МПа. Со временем эти напряжения могут уменьшаться вследствие релаксации. Так, в предварительно напряженном полиэтилене, уменьшение напряжений вследствие релаксации может достигать 50 %.

При определении рабочих напряжений важно иметь в виду, что здесь, как и всегда в предварительно напряженных конструкциях, предварительное напряжение не суммируется с напряжениями, приложенными в процессе эксплуатации. Если предварительное напряжение меньше приложенного в процессе эксплуатации, то изделие эксплуатируется при приложенном напряжении; если же предварительное напряжение больше приложенного при эксплуатации, то изделие работает при предварительном напряжении.

 

Задания для студентов № 5

Рассчитать относительное удлинение покрытия, обусловленное изменением давления от 0 до значения, определяемого условиями эксплуатации трубопровода

Таблица 5

№ варианта	Давление в трубопроводе р, МПа	Диаметр трубопровода D, м	Толщина стенки δСТ, мм	Удлинение покрытия ε ∙100%
	5,5	1,42
	1,22
	1,02
	0,82
	7,5	1,42
	1,22
	1,02
	0,82
	10,0	1,42
	1,22
	1,02
	0,82