Страница 9: ДСТУ-Н Б В.2.5-35:2007. Теплові мережі та мережі гарячого водопостачання з використанням попередньо теплоізольованих трубопроводів настанова з проектування, монтажу, приймання та експлуатації (34075)

Б.8.4Напруження у трійниках

Напруження у трійниках визначаються згідно з Б.8.1 для перерізів А – А,Б – Б та В – В (рисунок Б.8). За розрахункове еквівалентне напруження приймається найбільше із трьох значень.

Концентрація напружень вигину в трійниках залежить від безрозмірного параметра .

Для зварних трійників без зміцнювальних накладок, конструкція яких відповідає рисунку Б.3, а,

(Б.52)

Для зварних трійників зі зміцнювальними накладками, конструкція яких відповідає рисунку Б.4, а, при еn 1,5 · еnCT

,(Б.53)

при еn 1,5 еnCT

,(Б.54)

Для штампованих і штампозварних трійників, конструкція яких відповідає рисунку Б.4, б,

.(Б.55)

При розрахунку відгалуження (переріз В – В) у ці формули замість номінальної товщини стінки підставляється ефективна ее, мм, яка визначається так:

• за наявності внутрішнього тиску (Р 0):

ес =enCT· · eR / eRm,(Б.56)

де enCT  – номінальна товщина стінки магістралі;

eR – товщина стінки магістралі без урахування ослаблення отвором (розраховується згідно з (Б.6);

eRm – товщина стінки магістралі згідно з (Б.6);

• за відсутності внутрішнього тиску (Р = 0):

ес =enCT· · φd / φm,(Б.57)

де φd – обчислюється за формулою (Б. 18),

φm – приймається найбільшим із двох значень φd і φw:

φm =mах(φd; φw).

Коефіцієнти концентрації напружень вигину i0 при дії згинального моменту із площини трійника:

• у звареному трійнику з відношенням зовнішнього діаметра відгалуження до зовнішнього діаметра магістралі dзB / d3 >0,5:

;(Б.58)

• у звареному трійнику з відношенням dзВ / d3 0,5, а також у штампованому (штампозварному) трійнику:

.(Б.59)

Коефіцієнти концентрації напружень вигину ii при дії згинального моменту в площині трійника: незалежно від його конструкції й співвідношення dзВ / d3 обчислюються за формулою:

ii =0,75i0 + 0,25.(Б.60)

Безрозмірний параметр у формулах (Б.56) – (Б.58) визначається за формулою:

.(Б.61)

Характеристики перерізу при розрахунку магістралі (перерізи А – А і Б – Б) визначаються за формулою (Б.40), при розрахунку відгалуження (переріз В – В ) – за формулами:

,(Б.62)

у яких ebm приймається: при розрахунку зварних трійників як найменше значення з величин еb і ebii, a при розрахунку штампованих і штампозварних трійників як найменше значення з величин es і esii.

Врізання, конструкція яких відповідає рисунку Б.3, а та рисунку Б.4, а, розраховуються за формулами зварних трійників.

Б.8.5Напруження від росту температури

Якщо в трубопроводі, який укладений у ґрунт і підданий нагріванню, відсутня компенсація температурних деформацій, то в стінці труби виникають напруження σt, МПа, які обчислюють за формулою:

σt = σ · Е · ∆t,(Б.63)

де σ – середній коефіцієнт лінійного видовження при нагріванні від 0 до максимальної температури теплоносія;

Е – модуль поздовжньої пружності (за максимальної температури теплоносія);

t = t1 – tMOHT – різниця між максимальною температурою теплоносія та температурою трубопроводу при монтажних роботах.

Модулі пружності і коефіцієнт лінійного розширення для трубних сталей марок Ст.3, 10, 20 наведені в таблиці Б.7.

Таблиця Б.7

Б.9Максимальна довжина прямих ділянок

Базуючись на інформації, яка була викладена в розділах Б.1 – Б.8, можна окреслити загальні принципи розрахунку витривалості попередньо ізольованих теплових мереж. Починаючи розрахунок проектант має керуватися однією засадою – сумарне напруження, яке виникає в стінці провідної труби, завжди має бути меншим ніж допустиме нормативне напруження.

Розгляд проблеми розрахунку попередньо ізольованих трубопроводів слід почати з наступного прикладу.

Ділянка трубопроводу завдовжки L0 затиснута між двома нерухомими опорами (рисунок Б.9).

Наповнення трубопроводу теплоносієм з температурою t1, що відрізняється від початкової температури труби t0 підтиском Рр, викликає в перерізі "i" на відстані від нерухомої опори L0, м, осьові напруження розширення σz, МПа:

σz = α · E · ∆t – v – σα,(Б.64)

де t = t1 – t0

У ситуації, коли один із кінців звільнений від нерухомої опори (рисунок Б.10), замість напружень у матеріалі труби виникає деформація izt:

,(Б.65)

яка викликає переміщення вільного кінця на величину li, м:

li = Li · izt = Li · α · ∆t.(Б.66)

Якщо додатково помістити трубопровід у ґрунт (рисунок Б.11), який впливає на зовнішню оболонку (що передається на провідну трубу) рівномірно розкладеною силою Р, це викличе додаткові напруження від тертя , МПа:

.(Б.67)

З урахуванням дії тиску (якщо, наприклад, на вільному кінці знаходиться коліно) отримаємо осьові напруження стиску σz, МПа:

.(Б.68)

Ці напруження призводять до деформації izf:

,(Б.69)

які з деформаціями за формулою (Б.65) викликають відносну деформацію iz

iz = izt + izf,(Б.70)

і переміщення вільного кінця li:

li = iz · Li.(Б.71)

Це переміщення буде виступати до того моменту, поки в пункті Li = Lтрне настане рівновага:

‌,(Б.72)

В цьому пункті виникне рівновага напружень:

,(Б.73)

звідки LTP, м:

(Б.74)

або без впливу дії тиску

,(Б.75)

.(Б.76)

Довжина визначає граничну відстань від вільного кінця труби до пункту, де відсутнє переміщення труби. Такий пункт називається натуральною або умовною нерухомою опорою. Як видно з формул (Б.75) і (Б.76), відсутні напруження від тиску в трубопроводі і максимальне напруження може досягти . Це викликано тим, що в аварійній ситуації може впасти тиск у мережі, а температура деякий час утримається на досягнутому рівні.

У такому випадку напруження в трубі σ, МПа, при рекомендованій температурі монтажу tМОНТ = t0 = 10 °С при рості до t1 = 150 °С видно з формули (Б.63):

σ = 2,37 · (150 – 10) = 332 МПа,

що перевищує допустиме.

Гранична довжина прямої ділянки теплопроводу, що компенсується між нерухомою опорою (або природно нерухомим перерізом труби) і пристроєм, що компенсує, Lmax, м, не повинна перевищувати граничної довжини, розрахованої за формулою:

,(Б.77

де Аi, – площа поперечного перерізу стінки труби, мм2,

Fтр – питома сила тертя на одиницю довжини труби, Н/м

Гранична довжина ділянки теплопроводу, що компенсується, може бути збільшена різними способами, наприклад, шляхом:

• застосування сталевих труб з підвищеною товщиною стінки;
• зменшення коефіцієнта тертя μ обгортанням теплопроводу поліетиленовою плівкою;
• зменшення глибини прокладання теплопроводу, тобто засипання стосовно осі труби тощо.

Приклад

Визначити граничну довжину прямої ділянки теплопроводу 159 x , робоча температура 140 °С, робочий тиск 1,6 МПа, матеріал – сталь Вст3сп5. Ґрунт піщаний, кут внутрішнього тертя ґрунту φГР = 30°, відстань від поверхні землі до осі труби h0 =

Номінальне допустиме напруження для заданого матеріалу за температури 140 °С [σ] = 127 Мпа.

Площа поперечного перерізу стінки труби:

Аi = π · (d3 – еnСТ) · еnСТ = 3,14 (159 – 4,5) 4,5 = 2183 мм2

Питома сила тертя на одиницю довжини труби:

Fтр = μ · [(1 – 0,5 · sinφn) · γn · h0 · π · DПЕ · 10-3 + gтр] =

=0,4[(1 – 0,5 · 0,5)1,2 · 15 · 103 · 1,0 · 3,14 · 250 · 103 + 503] = 4440Н/м

Осьове допустиме напруження:

[σ] = 1,1 · σ = 1,1 · 127 = 140МПа

Гранична довжина прямої ділянки теплопроводу:

.

При збільшенні товщини стінки труби, наприклад, до 6 мм:

Ai= 3,14(159 – 6) 6 = 2882 мм2;

Fтр = 0,4[(1 – 0,5 · 0,5)18 · 103 · 1,0 · 3,14 · 250 · 103 + 508] = 4445Н/м;

Виходячи з вищенаведеного, можливо зробити висновок, що основною проблемою при проектуванні тепломереж із попередньо ізольованих труб є правильний вибір геометрії траси і розташування компенсуючих елементів так, щоб не існувало таких пунктів на трасі, де напруження, яке виникає в стінці труби, перевищувало б допустиме.

Можна відзначити три способи досягнення цієї умови. При розгляді цих способів слід зазначити, що тут і в подальших поясненнях під терміном "вільний кінець трубопроводу" мається на увазі компенсуючий елемент трубопроводу.

Перший спосіб полягає в тому, що геометрія тепломережі має бути запроектована так, щоб відстані від вільного кінця до умовної або дійсної нерухомої опори ("УН" або "Н") не перевищувала величини Lmax, яка робить неможливим виникнення напружень, більших за допустимі: .

До того ж дійсні нерухомі опори "Н" застосовуємо тільки тоді, коли на розрахунковій ділянці змінюється діаметр трубопроводу для захисту труби меншого діаметра.

Іншим способом мережа проектується так, щоб осьові напруження σz, МПа, від приросту температури в умовних нерухомих опорах і на ділянках між ними незалежно від відстані до вільного кінця не перевищували допустимі:

.(Б.78)

Цього можна досягти наступними способами:

• перший – це вибрати такий матеріал труби, щоб напруження при розрахунковій різниці температур не перевищували б допустимих;
• другий – це виконання попереднього підігрівання труби під час монтажних робіт.

На рисунку Б.14 показано розклад напружень у трубі між двома компенсаційними колінами на ділянках між кутами повороту і умовними нерухомими опорами, де відбувається видовження і осьові напруження зростають від σz = 0 до в пунктах "УН". Між нерухомими опорами ділянка трубопроводу "затиснута" силами тертя між ґрунтом і трубою і напруження підпорядковані умові формули (Б.32). Напруження в трубі не перевищують допустимі.

Метод попереднього підігрівання труби заснований на тому, що при монтажних роботах труба попередньо підігрівається до відповідної температури. При цьому при якійсь певній різниці температур є можливість видовження вільних кінців труби (σz = 0). Після цього виконується один із можливих засобів закріплення труби і засипка труби. Температура tn має бути підібрана так, щоб при нагріванні трубопроводу від tn до максимальної робочої температури напруження стискання, а при охолодженні труби від tn до мінімальної можливої температури (а це буде температура ґрунту на осі залягання труби в разі зупинки тепломережі) напруження розтягу не перевищувало допустимого.

Третій спосіб застосовується на прямих ділянках траси великої довжини і полягає в застосуванні різних видів осьових (в нашому випадку сильфонових) компенсаторів.

На рисунку Б.15 показаний розклад напружень на одному із варіантів такої прокладки.

Слід додати, що реально величина обмежується компенсуючою здатністю підібраного компенсатора.

Б.10Вибір та розрахунок компенсуючих пристроїв

Компенсація теплових деформацій теплопроводу може бути здійснена наступними компенсуючими пристроями і системами:

I група (пристрої)

а)з П-подібними компенсаторами, кутами повороту траси у вигляді Г-подібних, Zподібних компенсаторів;

б)із сильфоновими компенсаторами (СК) або сильфоновими компенсуючими пристроями (СКП).

II група (системи)

а)системи з попереднім підігріванням до засипки ґрунтом;

б)системи зі стартовими компенсаторами, що заварюються після попереднього підігрівання.

Компенсуючі пристрої групи Iа можуть бути розміщені в будь-якому місці теплопроводу.

При цьому протяжний теплопровід може мати три види зон:

• зони вигину LВИГ – ділянки теплопроводу, що безпосередньо примикають до компенсатора. Теплопровід при нагріванні переміщується в осьовому й бічному напрямках;
• зони компенсації LK – ділянки теплопроводу, що примикають до компенсатора та переміщуються при температурних деформаціях. Ділянки вигину включаються в довжину ділянок компенсації;
• зони защемлення L3 – нерухомі (затиснені) ділянки теплопроводу, що примикають до нерухомих опор або природно нерухомих перерізів труби, компенсація температурних коливань у яких відбувається за рахунок зміни осьового напруження.

Б.10.1Вибір та розрахунок П-подібних, Г-подібних, Z-подібних компенсаторів (група Iа)

Розміщення компенсуючих пристроїв групи Iа найбільш ефективне в середині ділянки, що компенсується.