---

. (Б.67)

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

. (Б.68)

Ці напруження призводять до деформації i_zf:

, (Б.69)

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

i_z= i_zt+ i_zf, (Б.70)

і переміщення вільного кінця l_i:

l_i = i_z · L_i. (Б.71)

Це переміщення буде виступати до того моменту, поки в пункті L_i= L_тр не настане рівновага:

‌, (Б.72)

В цьому пункті виникне рівновага напружень:

, (Б.73)

звідки L_TP, 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 t_МОНТ= 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, L_max, м, не повинна перевищувати граничної довжини, розрахованої за формулою:

, (Б.77

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

F_тр – 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 4,5 мм, робоча температура 140 °С, робочий тиск 1,6 МПа, матеріал – сталь Вст3сп5. Ґрунт піщаний, кут внутрішнього тертя ґрунту φ_ГР = 30°, відстань від поверхні землі до осі труби h₀= 1,0 м

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

Площа поперечного перерізу стінки труби:

А_i = π · (d₃ – е_nСТ) · е_nСТ= 3,14 (159 – 4,5) 4,5 = 2183 мм²

Питома сила тертя на одиницю довжини труби:

F_тр = μ · [(1 – 0,5 · sinφ_n) · γ_n · h₀ · π · D_ПЕ · 10^-3 + g_тр] =

=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:

A_i= 3,14(159 – 6) 6 = 2882 мм²;

F_тр = 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 L_max, 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 σ_z, 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 σ_z = 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 (σ_z = 0). Після цього виконується один із можливих засобів закріплення труби і засипка труби. Температура t_n має бути підібрана так, щоб при нагріванні трубопроводу від t_n до максимальної робочої температури напруження стискання, а при охолодженні труби від t_n 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.10 Вибір 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, Z‑подібних 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 L_ВИГ – ділянки теплопроводу, що безпосередньо примикають до компенсатора. Теплопровід при нагріванні переміщується в осьовому й бічному напрямках;

• зони компенсації L_K – 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.10.1 Вибір та розрахунок П-подібних, Г-подібних, Z-подібних компенсаторів (група Iа)

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

При П-подібних компенсаторах рекомендується довжину найбільшого плеча приймати < 60 % загальної довжини ділянки.

За наявності кутів повороту траси рекомендується використовувати їх як компенсуючі пристрої.

Довжина ділянки труб у зоні компенсації L_к, м, може бути визначена за спрощеною формулою:

. (Б.79)

 – приймати рівним (t_max – t_MOHТ), °С;

Вибір t_MOHT проводиться при проектуванні за узгодженням із замовником і експлуатуючою організацією.

Максимальне подовження зони компенсації l_k при нагріванні теплопроводу після засипання траншеї ґрунтом можна визначити за спрощеною формулою:

. (Б.80)

У формулах (Б.79) і (Б.80) з метою спрощення проектних розрахунків не враховані два члени:

• осьова складова окружного розтягувального напруження від внутрішнього тиску, яка при розширенні враховується з позитивним знаком;

• вплив зусилля від активної реакції ґрунту, яке при розширенні враховується з від'ємним знаком.

Прокладку з радіальною (гнучкою) компенсацією для безканальних трубопроводів можна поділити на два типи: типова і нетипова. Це пов'язано з тим, що кути менше 45° вважаються некомпенсуючими (мова йдеться про кут відхилення осі трубопроводу від прямої лінії).

Для всіх видів радіальної компенсації необхідно дотримуватися (рисунок Б.16) наступних правил:

• при прокладанні трубопроводів не застосовувати коліна (відводи) з кутами в межах від 10° до 45° в якості компенсаційних;

• у випадку застосування колін з кутами більше ніж 45° та менше ніж 90° переміщення визначаються за формулою (Б.80);

• відстань від дійсної (фізичної) або умовної опори до компенсаційного коліна не може перевищувати L_max.

• у випадку застосування несиметричних ділянок компенсації (Z, П, нетипова) необхідно визначити переміщення ділянок, які знаходяться по обидві сторони компенсуючого елемента. Для визначення розміру компенсуючого плеча приймається подвійна величина переміщення кінця довшої з ділянок;

• зміну напрямку траси на кут менше 10° трактувати як пряму трубу, а таку зміну виконувати шляхом підрізки кінців окремих елементів при зварюванні стиків. Кут зміни на кожному стику не може перевищувати 3°;

• слід уникати змін напрямку траси поблизу нерухомих опор і сильфонових компенсаторів.

З метою можливості переміщення компенсуючих колін і сприйняття згину труб на ділянках гнучкої компенсації необхідно виконувати так звані "компенсаційні зони" з еластичних матеріалів.

Для виконання компенсаційних зон можна застосовувати:

• для D_пе менше 315 мм мінераловатні плити завтовшки 50 60 мм з обгорткою зовні поліетиленовою плівкою (заклеювання стиків клейкою стрічкою) або руберойдом (з просмоленням стиків);

• мати із спіненого поліетилену завтовшки 40 60 мм.

Приклади виконання компенсаційних зон для різних способів прокладання із радіальною (гнучкою) компенсацією наведено на рисунку Б.18.

Приймається, що один шар мінеральної вати, плити або шкаралупи завтовшки 50 60 мм із спінених полімерів сприймає 30 мм переміщення компенсаційного плеча.

У місцях компенсаційних зон необхідно виконати розширення траншеї. Приклади розміщення компенсаційних подушок і розширення траншеї наведені в додатку Е. У таблиці Б.8 наведено рекомендовані довжини компенсаційної зони в залежності від розрахункового видовження провідної труби. Для довідки в таблиці Б.8 надані рекомендації щодо встановлення одно- та багатошарових компенсаційних зон при розрахунковому видовжені l_z 90 мм. Для l_z 10 мм встановлення компенсаційних подушок не потрібне.

Визначені згідно з нижченаведеними розрахунками розміри (довжини) компенсаційних зон, в мм, необхідно закруглити в більшу сторону до цілого значення.

Крім того, якщо виникне необхідність застосування інших компенсаційних матеріалів, можна користуватися наступним допущенням. Якщо один шар компенсаційного матеріалу завтовшки δ сприймає якусь частину видовження l на повній довжині зони компенсації L_k1, то другий шар повинен мати довжину , м, що визначається за формулою:

Скачать бесплатно