Б.3  Выбор и расчет компенсационных устройств

Б.2  Методика расчета

Предельная длина компенсируемого прямого участка трубопровода между неподвижной опорой или условно неподвижными сечениями трубы и компенсирующим устройством не должна превышать предельного расстояния L_mах, м, рассчитанного по формуле

                                                                       (Б.1)

где s_доп — допускаемое осевое напряжение в трубе, Н/мм²;

F_ст — площадь поперечного сечения стенки трубы, мм²;

f_тр — удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м.

Площадь поперечного сечения стенки трубы определяется по формуле

                                                                 (Б.2)

где D_н — наружный диаметр стальной трубы, мм;

s — толщина стенки стальной трубы, мм.

Удельная сила трения f_тр, Н/м, на единицу длины трубы определяется по формуле

                                                              (Б.3)

где m   — коэффициент трения полиэтиленовой оболочки по грунту, при трении по песку допускается принимать m = 0,40;

j_гр — угол внутреннего трения грунта (для песка j_гр = 30°);

g    — удельный вес грунта, Н/м³;

Z   — глубина засыпки по отношению к оси трубы, м;

D_об — наружный диаметр полиэтиленовой оболочки, мм, для конструкций ПИ-труб с величиной адгезии теплоизоляции к трубе и оболочки к теплоизоляции больше или равно 0,15 МПа, при меньших значениях расчеты ведутся по D_н трубы;

q_трубы — вес 1 м трубопровода с водой, Н/м.

Применение коэффициентов перегрузки: 1,2 — к плотности грунта; 1,1 — к весу трубы; 1,2 — к весу изоляции.

Допускаемое осевое напряжение s_доп, Н/мм², в трубе определяется по формуле

            (Б.4)

где j_и — коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на изгиб;

s — допускаемое напряжение для заданного материала, Н/мм²;

Р — избыточное внутреннее давление, МПа;

s — номинальная толщина стенки стальной трубы, мм;

j — коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на давление (для электро­сварных труб).

При полном проваре шва и контроле качества сварки по всей длине неразрушающими методами j = 1; при выборочном контроле качества сварки, не менее 10 % длины шва, j = 0,8, менее 10 % — j = 0,7.

При наличии изгиба j_и = 0,9, а при отсутствии изгиба j_и = 1.

Допустимо пользоваться приближенными формулами:

при j_и = 1

s_доп = 1,25[s], Н/мм²;                                                             (Б.5)

при j_и = 0,8

s_доп = 1,125[s], Н/мм².                                                           (Б.6)

Предельная длина компенсируемого участка трубопровода может быть увеличена разными способами, например, путем:

— применения стальных труб с повышенной толщиной стенки;

— уменьшения коэффициента трения m обертыванием ПИ-трубы полиэтиленовой пленкой;

— уменьшения Z — глубины прокладки трубопровода, т. е. засыпки по отношению к оси трубы;

— повышения качества сварных швов и др.

Пример

Определить предельную длину прямого участка стального трубопровода 159×4,5 мм, рабочая температура 130 °С, рабочее давление 1,6 МПа, материал — сталь Вст3сп5. Грунт песчаный, угол внутреннего трения грунта j_гр = 30°, расстояние от поверхности земли до оси трубы Z = 1,0 м.

Номинальное допускаемое напряжение для заданного материала при температуре 130 °С
[s] = 137 Н/мм².

Площадь поперечного сечения стенки трубы F_ст определяется по формуле (Б.2) исходя из заданных числовых значений:

 мм²

Удельная сила трения на единицу длины трубы f_тр определяется по формуле (Б.3):

 Н/м.

Допускаемое осевое напряжение s_доп определяется по формуле (Б.5):

s_доп = 1,25 · 137 = 171 Н/мм².

Предельная длина прямого участка трубопровода L_MAX определяется по формуле (Б.1):

м.

При увеличении толщины стенки трубы, например до 6 мм, делается перерасчет по формулам (Б.2), (Б.3) и (Б.5) соответственно:

мм².

 Н/м.

м.

Компенсация тепловых деформаций трубопровода может быть осуществлена следующими компенсирующими устройствами и системами:

I группа (устройства)

а — с П-образными компенсаторами, углами поворота трассы в виде Г-образных, Z-образных компенсаторов;

б — с сильфонными компенсаторами (СК) или сильфонными компенсирующими устройствами (СКУ).

II группа (системы)

а — системы с предварительным нагревом до засыпки грунтом;

б — системы со стартовыми компенсаторами, завариваемыми после предварительного нагрева.

Компенсационные устройства группы Iа могут размещаться в любом месте трубопровода.

При этом протяженный теплопровод может иметь три вида зон:

— зоны изгиба L_и — участки трубопровода, непосредственно примыкающие к компенсатору. Тепло­провод при нагреве перемещается в осевом и боковых направлениях;

— зоны компенсации L_к — участки трубопровода, примыкающие к компенсатору, перемещающиеся при температурных деформациях. Участки изгиба включаются в длину участков компенсации;

— зоны защемления L_з — неподвижные (защемленные) участки трубопровода, примыкающие
к неподвижным опорам или естественно неподвижным сечениям трубы, компенсация температурных колебаний в которых происходит за счет изменения осевого напряжения.

В общем случае деформация трубопровода DL рассчитывается по формуле

                                               (Б.7)

где DL_t — температурная деформация;

DL_тр — деформация под действием сил трения;

DL_p — деформация от внутреннего давления;

DL_дм — реакция демпфера (грунта, упругих подушек, жесткости осевого компенсатора, упругости П-образных, Г-образных, Z-образных и других компенсирующих устройств).

Выбор и расчет компенсационных устройств группы Ia (П-образных, Г-образных, Z-образных ком­пенсаторов, углов поворота трассы и т. п.) рекомендуется производить по компьютерной программе или по номограммам.

Размещение компенсационных устройств группы Ia наиболее эффективно в середине компенсируемого участка.

При П-образных компенсаторах рекомендуется длину наибольшего плеча принимать менее 60 % общей длины участка.

При наличии углов поворота трассы рекомендуется использовать их в качестве компенсирующих устройств.

Длина участка труб в зоне компенсации, L_к, м, может быть определена по упрощенной формуле

                                                                                                                     (Б.8)

где F_ст — площадь поперечного сечения стенки трубы, мм²;

Е — модуль упругости материала трубы, Н/мм²;

a — коэффициент линейного расширения стали, мм/(м×°С);

Dt = t₁ – t_э, °С,

здесь t_э — минимальная температура в условиях эксплуатации (t_монт, t_упора и т. д.);

f_тр — удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м.

Выбор t_э производится при проектировании по согласованию с заказчиком и эксплуатирующей организацией.

Максимальное удлинение зоны компенсации DL_к, м, при нагреве трубопровода после засыпки траншеи грунтом можно определить по упрощенной формуле

                          (Б.9)

где a — коэффициент линейного расширения стали, мм/(м×°С);

t₁     — максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

t_э     — минимальная температура при условиях эксплуатации;

L_к — длина зоны (участка) компенсации, м;

f_тр   — удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м;

E — модуль упругости материала трубы, 2 · 10⁵ Н/мм²;

F_ст — площадь поперечного сечения стенки трубы, мм².

В формулах (Б.8) и (Б.9) с целью упрощения проектных расчетов не учтены два члена:

— [(0,5 – 0,3) · s_раст], Н/мм² — осевая составляющая растягивающего окружного напряжения от внутреннего давления. При расширении учитывается с положительным знаком;

— [N_r /F_ст], Н/мм² — влияние усилия от активной реакции грунта. При расширении учитывается
с отрицательным знаком.

Амортизирующие прокладки, тем более канальные участки, практически не препятствуют свободному расширению трубопровода и сводят к минимуму влияние N_r /F_ст.

Второй член может быть заменен величиной упругой деформации компенсатора.

Выбор и расчет компенсационных устройств группы Iб рекомендуется производить по расчетным формулам и таблицам, приведенным в рекомендациях по применению осевых сильфонных компенсаторов и сильфонных компенсационных устройств изготовителей СК и СКУ, продукция которых, как правило, отличается конструктивно и технологически.

Длина участка , м, на котором устанавливается один СК или СКУ, рассчитывается по формуле

                                                         (Б.10)

где l — амплитуда осевого хода, мм;

a — коэффициент линейного расширения стали, мм/(м×°С);

t₁ — максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

t_о — расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления (средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92), °С.

Коэффициент 0,9 принимается при наличии на участке канальной и бесканальной прокладок, 1,15 — при бесканальной прокладке.