Прочностные расчеты тепловых сетей

Тепловая сеть – это комплекс связанного между собой разнообразного оборудования (труб, задвижек, клапанов, компенсаторов температурных расширений, опор, дренажных устройств, каналов, камер и т.д.). Оборудование в процессе эксплуатации подвергается непрерывному воздействию разнообразных внешних механических и термических сил, вызывающих возникновение внутренних напряжений, деформаций и смещений, поэтому требуются предварительные прочностные расчеты для обоснованного выбора необходимого типоразмера.

Основные зависимости и методики проведения этих расчетов изложены в [13], раздел 9. Ниже излагаются особенности применения указанных методик к конкретному оборудованию тепловых сетей в условиях его функционирования, определяемого нормативно-технической и эксплуатационной документацией.

Трубы, по которым транспортируется теплоноситель, являются одним из важнейших элементов тепловой сети. Техника транспорта через них специфических теплоносителей в виде пара, горячего конденсата и горячей воды предъявляет многообразные требования к свойствам трубопроводов.

К применению рекомендуются:

• для теплопроводов водяных тепловых сетей и конденсатопроводов – стальные электросварные трубы;
• для паропроводов – бесшовные стальные трубы;
• для сетей закрытых систем горячего водоснабжения, на участках от подогревателей горячего водоснабжения до водоразборных приборов – оцинкованные или эмалированные трубы;
• для участков тепловых сетей, по которым транспортируется пар с давлением не выше 0,07 МПа или горячая вода с температурой ниже 115°С, допускается применять неметаллические трубы.

В табл.2.35 приведены сортаменты стальных труб, рассчитанных на транспорт теплоносителя с температурой до 200°С, с условным давлением P_усл, соответственно, равным 1,6 МПа и 2,5 МПа.

При транспортировке более горячего теплоносителя эти трубы могут использоваться для рабочего давления не выше P_раб = ε P_усл, МПа.

Значение коэффициента e в зависимости от максимальной температуры транспортируемого теплоносителя составляет:

 

Максимальная температура теплоносителя, °С....200, 250, 300, 350, 400, 425, 435, 445.

Значение коэффициента.........…………….............1.00, 0.90, 0.80, 0.70, 0.64, 0.53, 0.50, 0.45.

Рабочее давление и температура теплоносителя для выбора труб, арматуры, оборудования и деталей трубопроводов должны приниматься едиными для всей протяженности трубопровода от источника теплоты до потребителей и равными:

а) для паровых сетей:

• при получении пара непосредственно от котлов – по номинальным значениям давления и температуры пара на выходе из котлов;
• при получении пара из регулируемых отборов или противодавления турбин – по давлению и температуре пара принятых на выводах от ТЭЦ, для данной системы паропроводов;
• при получении пара после РОУ, РУ, ОУ – по давлению и температуре пара, после соответствующей установки.

б) для подающих трубопроводов водяных тепловых сетей:

• давление – по наибольшему давлению в подающем трубопроводе за выходными задвижками на источники теплоты при работе сетевых насосов, без учета потерь давления в сетях, но с учетом рельефа местности (но не менее 1,0 МПа);
• температуру – по температуре теплоносителя в трубопроводе при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования систем отопления– [[Image:]], °С.

в) для конденсатных сетей:

• давление – по наибольшему давлению в сети при работе конденсатных насосов и учете рельефа местности;
• температура в конденсатопроводе после конденсатоотводчиков – по температуре насыщения при максимально-возможном давлении пара перед конденсатоотводчиками;
• температура после конденсатных насосов – по температуре конденсата в сборных баках.

Компенсация температурных удлинений в трубопроводах тепловых сетей является необходимым условием их надежной работы.

Монтируемые при умеренных температурах наружного воздуха t_н, °C, трубопроводы тепловых сетей в рабочих условиях передают горячий теплоноситель и могут прогреваться до его расчетных температур.

При нагреве материала стенок трубы любой ее участок длиной l_у, м, удлиняется на величину Δl_у = α_л×l_у×Δt, мм, где: α_л – коэффициент линейного расширения, 1/°С (для углеродистой стали α_л.=12×10^-6, 1/°С); Δt = τ - t_н – разность между температурой стенок трубы в ее рабочий период и в момент монтажа, °С.

Расчетная величина разности температур Δt_р для определения максимально-возможного удлинения участка трубы, подлежащего компенсации, – Δl_п , – вычисляется по наиболее тяжелым условиям, когда трубопровод работает при максимальных температурах теплоносителя τ_1ор или t_sp, °С, а его монтаж был произведен при расчетной температуре наружного воздуха t_н.х^Б.5. Для водяных сетей Δt_р=τ_1ор-t_н.х^Б.5, а для паропроводов Δt_р= t_sp - t_н.х^Б.5.

Если возникающие удлинения не компенсировать, то в стенках трубы возникают напряжения, определяемые по закону Гука: σ_р = E×i = E×α_л×Δt_р, где Е – модуль продольной упругости (для стали Е= 0.2×10⁶ МПа); i = Δl/l = α_л×Δt – относительное удлинение материала труб. Максимально-допустимые напряжения в стенках стальных труб приведены в табл. 3.13.

Табл.3.13

 

Таблица 3.13.Допустимые напряжения для стальных трубопроводов, МПа [12]

 

Температура °С	Марки стали
===== Ст 2 =====	Ст 3			102С1	15ГС	16ГС
	- - - - - - - - -	- - - - - - - - -			- - - -		- - - -

В тепловых сетях, которые транспортируют теплоносители с высокими температурами, напряжения выше допустимых, и в них должна предусматриваться компенсация температурных удлинений. Используемые в тепловых сетях компенсаторы делятся на два вида:

• осевые компенсаторы, применяемые для компенсации удлинений прямолинейных участков трубопроводов;
• радиальные компенсаторы, используемые при любой конфигурации трубопроводов.

Для трубопроводов с диаметром от 100 мм и более, транспортирующих теплоносители с Р_у<2,5 МПа и t_р<300⁰ С, при их подземной канальной прокладке или наземной на низких опорах, наибольшее распространение получили стальные сальниковые компенсаторы (рис.3.19), присоединяемые к трубопроводу на сварке.

 

Рис.3.19. Односторонний сальниковый компенсатор:

1 – стакан; 2 – корпус; 3 – набивка; 4 – упорное кольцо; 5 - грундбукса

Использование сальниковых компенсаторов при воздушной прокладке на эстакадах и отдельно стоящих высоких опорах не рекомендуется.

При установке сальниковых компенсаторов участок трубопровода разрезается перпендикулярно оси на две части. Одна из частей приваривается к стакану 1, а вторая – к корпусу 2. Затем стакан вводится внутрь корпуса. Между стаканом и корпусом компенсатора располагается сальниковая набивка 3, которая зажимается между упорным кольцом 4 и грундбуксой 5. Регулируя затяжку болтов, связывающих грундбуксу с фланцем корпуса, добиваются такого уплотнения набивки, чтобы она не допускала утечки теплоносителя, но позволяла при термическом расширении корпусу и стакану смещаться относительно друг друга по оси трубы. Максимальная величина смещения Δl_ск=L_max-L_min представляет собой компенсирующую способность сальникового компенсатора.

При движении стакана относительно корпуса на поверхности набивки возникает горизонтальное усилие от трения стали по набивке, Н:

 

Fск = 4000×n×lc×dc×μс×π/Ac

(3.96)

или

 

Fск = 2рр×μс×π×lc×dc,

(3.97)

где А_с= 0,785(d_вк²-d_с²) – площадь поперечного сечения набивки компенсатора, м²; n – число болтов компенсатора, шт.; l_c – длина слоя набивки сальникового компенсатора, м; d_с – наружный диаметр стакана компенсатора, м; μ_с=0,15 – коэффициент трения сальниковой набивки о металл компенсатора; Р_р – рабочее давление теплоносителя, Па; d_вк - внутренний диаметр корпуса компенсатора, м. Большую из величин, вычисленных по (3.96) и (3.97), принимают за расчетное горизонтальное усилие от сил трения сальникового компенсатора. Этот тип компенсаторов нуждается в доступе для наблюдения и ремонта, так как в процессе эксплуатации при частых смещениях стакана относительно корпуса сальниковая набивка изнашивается и периодически приходится ее уплотнять или заменять на новую.

 

Рис.3.20. Трехволновой сильфонный компенсатор

Рис.3.20К осевым компенсаторам относятся также упругие (сильфонные), представленные на рис.3.20. При изменениях температуры теплоносителя термическое удлинение трубы компенсируется соответствующим сжатием или расширением гибких сильфонных секций, выполняемых из стали 08Х18Н10Т. Компенсирующая способность сильфонных компенсаторов определяется по результатам их испытаний. Осевая реакция этих компенсаторов складывается из суммы:

• осевая реакция от деформации волн сильфона при термическом удлинении трубы, Н:

 

Fсфр = R×Δl/n,

(3.98)

где R – жесткость волны компенсатора при ее сжатии на 1 мм, Н/мм; Δl – компенсирующая способность компенсатора, мм; n – количество волн в компенсаторе, шт.;

• осевая реакция от внутреннего давления теплоносителя Р_р, Н:

 

Fсфр = ψ×Pи×π×(D^2-d^2)/4,

(3.99)

где ψ» 0,5¸0,6 – опытный коэффициент, зависящий от геометрических размеров и толщины стенки волны; D и d – наружный и внутренний диаметры волны, м; Р_и – избыточное давление теплоносителя, Па.

Радиальная компенсация, при которой термическая деформация трубопровода воспринимается изгибами специальных эластичных гнутых поворотов, ввариваемых в состав трубы (гнутые компенсаторы, рис.3.21), или эластичностью естественных поворотов участка трубопровода (естественная компенсация, рис.3.22).

 

Рис.3.21. Схема П-образного компенсатора:

Н – вылет компенсатора; l ₁ – длина компенсатора; R – радиус изгиба гнутых участков

 

Рис.3.22. Схема угловой компенсации

При изгибе трубы круглое сечение прямой трубы приобретает эллиптическую форму, что понижает его жесткость. Поэтому, когда при повышении температуры материала стенок трубы происходит ее удлинение, то менее жесткое колено деформируется и воспринимает это удлинение. При этом возникают реакции сопротивлению деформации и возрастают напряжения в стенках трубопровода.

Выбор типоразмера компенсатора должен обеспечивать восприятие возникающих удлинений без превышения предельных напряжений в стенках труб. Наибольшее распространение в тепловых сетях получили П-образные компенсаторы с гнутыми отводами (коленами) и со сварными коленами, каждое из которых выполнено из нескольких секций отрезков прямых труб, сваренных последовательно друг с другом под углом 11-15°.

В табл.3.14 и 3.15 приведены типоразмеры используемых П-образных компенсаторов, величины их компенсирующих способностей (при условии их предварительной растяжки на 50%) и максимальные осевые силы реакций, возникающих при их работе.

 

Таблица 3.14. Компенсирующая способность Δl_к, мм и осевые силы Р_к, кН для П-образных компенсаторов с гнутыми отводами (при полной компенсации Δl_к)*[15]

 

Вылет компенсатора, Н, м	===== Условный диаметр труб, мм =====
Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0	- - - - - -	8,4 7,5 5,6 4,2 4,5 4,0 - - - - - -	- - - - - -	- 9,6 12,8 7,0 7,0 6,3 5,5 - - - - -	- - - - -	- 27,0 18,0 15,0 15,0 10,5 9,0 7,2 - - - -	- - - - -	- 45,0 36,0 30,0 27,0 24,5 18,0 15,0 - - - -	- - - - -	- - 48,0 40,0 35,0 31,0 24,0 20,0 18,0 - - -	- - - -	- - 52,0 34,0 30,0 22,5 19,2 18,5 17,5 15,0 - -	- - -	- - - 49,0 51,0 44,0 36,4 31,5 24,0 25,0 20,0 19,5

Самокомпенсация удлинений трубопроводов за счет гибкости собственных поворотов широко используется в тепловых сетях. Эти участки наиболее надежны в эксплуатации, не допускают утечки теплоносителя и не требуют регулярного наблюдения за своей работой.

Наибольшее применение получили плоскостные Г-образные повороты с двумя участками и прямым или тупым углом поворота между ними.

 

Таблица 3.15. Компенсирующая способность Δl_к, мм и осевые силы Р_к, кН, для П-образных компенсаторов со сварными отводами (при полной компенсации Δl_к)* [15]

 

Вылет компен-сатора, Н, м	===== Условный диаметр труб, мм =====
Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк	Δlк	Рк
4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0	- - - -	- - 16,0 13,3 11,5 10,4 10,5 8,3 7,4 7,6 - -	- - - -	- - - 25,2 22,0 18,4 16,2 15,0 13,2 12,9 12,0 -	- - - -	- - - 32,4 26,0 23,0 21,6 19,5 16,5 14,8 14,0 -	- - - -	- - - 37,8 32,0 27,6 27,0 24,0 23,7 18,5 18,0 -	- - - -	- - - - 39,6 32,0 29,9 28,6 24,0 22,4 22,2 20,0	- - - -	- - - -54,0 50,0 41,4 41,6 45,0 32,0 29,6 28,0	- - - -	- - - - 81,0 70,0 69,0 62,4 54,0 51,2 48,1 48,0
* Таблицы 3.14 и 3.15 составлены при σк = 160 МПа с учетом предварительной растяжки компенсаторов на половину расчетного температурного удлинения трубопровода.

При повышении температуры теплоносителя стенки трубы нагреваются, удлиняются и занимают положение, показанное пунктиром. При этом в стенках труб возникают изгибающие напряжения. Границы участков самокомпенсации ограничивают неподвижными опорами “В” и “C” таким образом, чтобы максимальная величина напряжений изгиба не превышала максимально-допустимых напряжений материалов труб σ_с < [σ], σ_А < [σ].

Для Г-образного участка максимальные напряжения возникнут у опоры короткого плеча, вычисляемые по выражению

 

σс =1,5ΔlEdн[n+1+(n+3)/(n+1)*sinβ]/(l^2cosβ)

(3.100)

где l– короткое плечо, м; Δl– удлинение короткого плеча, м; n = l₁/1; d_н – наружный диаметр, м.

При бесканальной прокладке изолированных теплопроводов, засыпанных грунтом, с хорошей адгезией между трубой и изоляцией, особенностью расчета компенсации температурных удлинений и расчета на прочность является:

• необходимость учитывать действие больших усилий и напряжений, вызванных большой величиной сил трения между перемещающимся теплопроводом и окружающим его грунтом;
• невозможность поперечных (по отношению к оси) перемещений зажатого грунтом теплопровода.

Большие осевые усилия от трения в грунте в периоды изменения температуры теплоносителя вызывают сильное увеличение сжимающих или растягивающих напряжений в стенках и усилий, передаваемых на конструкции неподвижных опор. Это требует более частого расположения осевых компенсаторов и повышенной прочности неподвижных опор.

Невозможность поперечных перемещений теплопроводов требует на участках естественных поворотов и на участках установки П-образных компенсаторов переходить на их канальную прокладку.

Расчеты усилий трения требуют для каждого участка знание величин:

• плотности грунта на участке;
• силы трения о конкретный вид грунта, в котором положен теплопровод;
• заглубления и конкретный диаметр трубопровода,

а также ряд других факторов, которые рекомендуется определить непосредственным измерением или использовать зависимости, изложенные в [14].

Опоры являются ответственными деталями теплопроводов. По своему функциональному назначению они разделяются на:

• подвижные (свободные), которые воспринимают усилия от веса трубопровода и передают их на грунт или на строительные конструкции тепловых сетей, сохраняя при этом возможность участку теплопровода при температурных деформациях перемещаться в горизонтальной плоскости;
• неподвижные (мертвые) опоры, строго фиксирующие и мешающие возможности смещении в любом направлении отдельным сечениям трубопровода. При этом неподвижные опоры воспринимают усилия, возникающие в закрепленном сечении под действием внутреннего давления теплоносителя и температурных деформаций и передают их на строительные конструкции или грунту.

В качестве подвижных опор используются:

• скользящие, при всех способах прокладки тепловой сети и для любых диаметров труб, независимо от направления горизонтального перемещения трубопровода (рис.3.23);
• катковые – при прокладке в тоннелях, на кронштейнах или на отдельно стоящих опорах и эстакадах при воздушной прокладке труб диаметром 200 и более мм и их строго осевом перемещении (рис.3.24);
• пружинные опоры или подвески. Они применяются в местах, где для горизонтальных участков трубопроводов не могут быть использованы скользящие и катковые опоры, или в местах вертикальных расположений труб диаметром 150 мм и более (рис.3.25).
• жесткие подвески – при надземной прокладке теплопроводов с гибкими компенсаторами или на участках, использующих естественную самокомпенсацию поворотов (рис.3.25). Для водяных тепловых сетей и конденсатопроводов длина жесткой подвески должна в десять раз превышать величину температурного удлинения трубы в месте расположении подвески, наиболее удаленной от неподвижной опоры.

Рис.3.23. Скользящая опора:

1 – тепловая изолящия; 2 – опорный полуцилиндр; 3 – стальная скоба; 4 – бетонный камень; 5 – цементно-песчаный раствор

 

Рис.3.24. Катковая опора

 

Рис.3.25. Подвесные опоры:

а – простая; б – пружинная

 

Рис.3.26. Железобетонная щитовая неподвижная опора

 

Рис.3.27. Неподвижная опора в камере

Расстояние между соседними подвижными опорами – l, м:

 

l=√(12βφ[σ]W/q)

(3.101)

где [σ] – допускаемое напряжение материала стенки трубы, МПа, приведенное в табл. 3.16; β = 0,4¸0,5 – коэффициент, снижающий значение [σ] при определении расстояний между опорами; φ – коэффициент прочности сварного стыка (односторонний ручной шов – φ=0,7; двухсторонний ручной шов – φ=0,85; односторонний автоматический шов φ=0,8; двухсторонний автоматический шов – φ=0,9); W – экваториальный момент сопротивления сечения стенок трубы, м³; q = √(q_в²+q_г²) – удельная нагрузка на единицу длины трубопровода, Н/м; q_в = (q_тр +q_из +q_т) – вертикальная нагрузка на единицу длины теплопровода, включающая: q_тр – вес 1 м трубы, q_и - вес изоляции на одном метре трубы, q_т – вес теплоносителя, находящегося в одном метре трубы, Н/м; q_г = k×W_б²×ρ(d_н + 2δ_из) – горизонтальная удельная нагрузка на единицу длины теплопровода, учитывающая ветровое усилие, Н/м, воздействующее только на опоры теплопроводов воздушной прокладки; k=1,4¸1,6 – аэродинамический коэффициент; W_б – расчетная скорость ветра, м/с; r – плотность воздуха, кг/м³; d_н – наружный диаметр трубы, м; δ_из – толщина слоя теплоизоляции, м.

Вертикальная нагрузка на опору F_в, Н: F_в=q_в×l.

Горизонтальная нагрузка на опору F_г, Н: F_г=q_г×l.

Горизонтальные нормативные осевые F_гх и боковые F_гу, Н, нагрузки на подвижные опоры труб от сил трения:

 

Fгх = μх×qв×l,

(3.102)

 

Fгу = μу×qв× l,

(3.103)

где μх и μу – коэффициенты трения в опорах, соответственно, при перемещении опоры вдоль оси трубопровода и под углом к оси, принимаются по табл.3.16.

Таблица 3.16.

Трение на подвижных опорах

===== Тип опоры =====	Материал трущихся пар	Коэффициент трения
μх	μу
===== Скользящая =====	сталь по стали сталь по бетону чугун по чугуну сталь по фторопласту	0,3 0,6 0,35 0,1	0,3 0,6 0,35 0,1
Катковая	сталь по стали	0,1	0,3
Роликовая	Fгх = μх×qв× l	0,1	0,1
Подвеска жесткая	Fгх = μх×qв× l	0,1*	0,1*
* Для жесткой подвески при известной длине тяги lт, мм, коэффициент трения можно определять по = 0,6 Δl / lт, где Δl – тепловое удлинение участка от неподвижной опоры до компенсатора, мм.

Неподвижные опоры'препятствуют деформации или перемещению закрепленных сечений трубопроводов под действием сил внутреннего давления теплоносителя, реакции от подвижных опор и реакций компенсаторов температурных удлинений.

Расчетная горизонтальная нагрузка на неподвижную опору теплопровода определяется следующим образом. Если неподвижная опора промежуточная, то расчетную осевую нагрузку следует считать как разность сумм сил, действующих на нее с участков, расположенных по разные стороны от опоры. При этом меньшая сумма сил (за исключением неуравновешенных сил внутреннего давления, распорных усилий и жесткости сильфонных компенсаторов) принимается с коэффициентом 0,7.

Если неподвижная опора концевая, т.е. расположена в начале или в конце сети, то расчетное горизонтальное усилие, действующее на нее, следует определять как алгебраическую сумму всех перечисленных выше горизонтальных сил со стороны ближайшего к опоре участка.

Нормативная горизонтальная нагрузка на неподвижную опору F, Н, со стороны участка, прилегающего к опоре, складывается:

а) из сил трения:

• в подвижных опорах, расположенных на участке l_i, м, от неподвижной опоры до ближайшего компенсатора или до поворота трубопровода:

 

Fгх^но= μхi×qвi×li;

(3.104)

• в сальниковом компенсаторе, расположенном на конце участка l_i (по уравнению (3.96) или (3.97));

б) из осевой реакции от деформации:

• волн сильфона, при установке сильфонного компенсатора (по уравнению (3.98));
• сил упругих деформаций П-образных компенсаторов (табл.3.14 и 3.15));

в) из неуравновешенных сил внутреннего давления теплоносителя:

• на волны сильфонного компенсатора (по уравнению (3.99));
• при установке сальникового компенсатора на участке трубопровода, прилегающего к опоре и имеющего в своем составе запорную арматуру, либо углы поворота, либо заглушки. В этом случае используется формула F_р^но=πd_c²P_p/4;

• из осевых усилий от внутреннего давления в сильфонном компенсаторе (по уравнению (3.99)).

По конструкции неподвижные опоры разделяются на: