09.04.2011

Введение

В последние годы в России широко стала применяться бесканальная прокладка теплопроводов с использованием стальных предварительно изолированных труб, для компенсации температурных деформаций которых применяются стартовые сильфонные компенсаторы (СК) и предварительно изолированные сильфонные компенсационные устройства (СКУ).

Как уже описывалось ранее , применение при бесканальной прокладке стартовых компенсаторов целесообразно на тепловых сетях в тех системах теплоснабжения, где применяется количественное регулирование тепловых нагрузок. Кроме того, стартовые сильфонные компенсаторы можно использовать в регионах с мягкими климатическими условиями, когда перепады температур теплоносителя относительно средней температуры незначительны и стабильны. При качественном регулировании тепловых нагрузок в пиковые режимы отопления, а также при остывании теплоносителя и его сливе, что довольно часто происходит во многих регионах России, температурные напряжения на трубопровод и неподвижные опоры резко возрастают, что нередко приводит к авариям на стартовых компенсаторах.

Учитывая также сложности при «запуске» стартового компенсатора и ремонтах трубопровода , в большинстве регионов России применяют осевые СК. Иногда при бесканальной прокладке предизолированного теплопровода осевой сильфонный компенсатор помещают в камеру. Но в большинстве случаев применяют теплогидроизолированные СКУ, изготовленные на изоляционных заводах из осевых СК. Конструкции данных СКУ разнообразны (у каждого завода – своя конструкция), но все они имеют общие особенности:

• гидроизоляция подвижной части СКУ не обеспечивает долговечную защиту от грунтовых вод при многократном циклическом воздействии , что приводит к намоканию тепловой изоляции, усиленной электрохимической коррозии деталей компенсатора и трубопровода, хлоридной коррозии сильфона, чего допускать нельзя , а система оперативно-дистанционного контроля (ОДК) при этом не срабатывает, т.к. сигнальные проводники внутри компенсационного устройства были проложены в изолирующем кембрике по всей его длине (до 4,5 м);
• из-за недостаточной изгибной жесткости конструкции такого СКУ не обеспечивается защита сильфона от изгибающих моментов, поэтому возрастают требования по соосности трубопровода при монтаже.

О создании надежной конструкции теплогидроизолированного осевого СКУ

Проанализировав особенности существующих конструкций СКУ, ОАО «НПП «Компенсатор» совместно с ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром» с 2005 г. вплотную занялось разработкой собственной конструкции полностью теплогидроизолированного осевого СКУ для бесканальной прокладки теплопроводов, обеспечивающей надежную гидроизоляцию от грунтовых вод и защиту сильфона от возможного прогиба трубопровода на протяжении всего срока эксплуатации.

В процессе разработки были испытаны различные варианты узла гидроизоляции от грунтовых вод подвижной части СКУ на циклическую наработку: уплотнительные кольца, изготовленные из резины различных марок; уплотнительные манжеты различных конфигураций профиля; сальниковая набивка. Циклические испытания опытных образцов СКУ с различными конструкциями узла гидроизоляции проводились в ванной, заполненной водно-песчаной взвесью, имитируя наихудшие условия их эксплуатации. Испытания показали, что различные виды уплотнений, работающих в условиях трения, не обеспечивают надежной гидроизоляции по нескольким причинам: возможность попадания песчинок между уплотнением и полиэтиленовой оболочкой, что со временем приведет к нарушению гидроизоляции; а также невозможность обеспечить стабильность качества установки уплотнительных колец или манжет фиксированного размера из-за большого разброса (до 14 мм) допускаемых предельных отклонений диаметра полиэтиленовой оболочки и ее овальности. Лучше всего себя показал узел гидроизоляции с применением сальниковой набивки. Но проконтролировать качество гидроизоляции сальниковой набивкой при изготовлении СКУ не представляется возможным.

Тогда было принято решение применить в качестве узла гидроизоляции дополнительный защитный сильфон в комбинации с сальниковой набивкой (подробное описание конструкции см. в работе ). Опытные образцы СКУ успешно выдержали циклические испытания, и с 2007 г. началось их серийное производство. Основным потребителем данной конструкции СКУ являются предприятия тепловых сетей Республики Беларусь, где требования к качеству и надежности строительства тепловых сетей несколько выше, чем в России. В тепловых сетях России установлено всего несколько десятков таких СКУ из-за относительно высокой их стоимости по сравнению со стоимостью компенсационных устройств, применявшихся ранее.

Тогда же начались серийные поставки упрощенной конструкции теплогидроизолированных СКУ без дополнительного защитного сильфона, но с применением антикоррозионного покрытия рабочего сильфона. Данная конструкция обеспечивает все требования , узел гидроизоляции выполнен с применением сальниковой набивки. За последние 3,5 года такие теплогидроизолированные СКУ нашли широкое применение во многих регионах РФ.

Учитывая пожелания монтажных и эксплуатирующих организаций, а также принимая во внимание высокую стоимость теплогидроизолированных СКУ с дополнительным защитным сильфоном, перед коллективом ОАО «НПП «Компенсатор» была поставлена задача создать менее трудоемкую конструкцию теплогидроизолированного СКУ, обеспечивающего надежную гидроизоляцию от грунтовых вод и «равнодушную» к возможной несоосности трубопровода.

От дополнительного защитного сильфона, значительно увеличивавшего стоимость СКУ, надо было отказываться, и тогда вновь вставал вопрос обеспечения надежной гидроизоляции. Снова рассматривались различные конструктивные решения узла гидроизоляции. От уплотнения, работающего в условиях трения, отказались сразу. Стабильность качества гидроизоляции сальниковой набивкой зависит от «человеческого фактора». Заманчиво было применить резиновую муфту, как это делают на некоторых изоляционных заводах, но проведенные испытания резиновой муфты на осевые перемещения показали, что при сжатии муфта не принимает форму гофра, а в месте стыка происходит ее излом, в котором со временем образуется разрыв муфты. Да и подобрать листовой резиновый материал и клей для него, сохраняющие свои физикомеханические свойства в течение 30 лет, весьма затруднительно, поскольку серийно выпускаемые нашей промышленностью резиновые листы не соответствуют данным требованиям.

В начале 2009 г. была разработана новая конструкция теплогидроизолированного СКУ, в которой учтены все пожелания монтажных и эксплуатирующих организаций: менее трудоемкая при изготовлении и в которой применен принципиально новый узел гидроизоляции. За основу конструкции принята отработанная конструкция СКУ для наземной и канальной прокладок теплопроводов , которые успешно эксплуатируются с 1998 г. Здесь также предусмотрены цилиндрические направляющие опоры, установленные с обеих сторон от сильфона, которые телескопически перемещаются вместе с патрубками компенсационного устройства по внутренней поверхности толстостенного кожуха и защищают сильфон от потери устойчивости при несоосности трубопровода.

Гидроизоляция подвижной части СКУ выполняется с помощью эластичной цельно-отлитой мембраны. Мембрана герметично зафиксирована на конструкции компенсационного устройства. Это позволяет гарантировать полную защиту сильфона и теплоизоляции от проникновения грунтовых вод в течение всего срока службы СКУ. Сама мембрана защищена от грунта и песка плотно набитой сальниковой набивкой. Тем самым, в новой гидроизолированной конструкции компенсационного устройства предусмотрена двухуровневая защита наружной поверхности сильфона и конструкции СКУ в целом.

Сигнальные проводники системы ОДК внутри компенсационного устройства проложены в электроизолирующем термостойком кембрике, перфорированном для возможности срабатывания системы ОДК в случае нарушения герметичности сильфона или гидроизолирующей мембраны, что маловероятно, поскольку нарушение герметичности в данной конструкции сведено к минимуму.

Вся наружная поверхность кожуха СКУ защищена от воздействия внешней среды специально разработанной термоусаживающейся полиэтиленовой манжетой. Также в новой конструкции предусмотрена теплоизоляция сильфона, позволяющая исключить возможность образования конденсата внутри СКУ.

Итак, в новой конструкции СКУ в качестве узла гидроизоляции применено принципиально новое решение – гидрозащитная эластичная мембрана. Что же это такое?

Гидрозащитная эластичная мембрана изготавливается литьем в пресс-формах из смеси на основе специально разработанного каучука и рассчитана на срок службы СКУ до 50 лет при бесканальной прокладке.

Мембрана, применяемая для гидроизоляции в конструкции СКУ, позволяет уйти от использования узла трения, как основного герметизирующего элемента. Специально спроектированная форма мембраны позволяет обеспечить ее беспрепятственное перемещение при температурных деформациях теплопровода относительно неподвижного кожуха СКУ.

Температурные испытания мембраны, проведенные ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром», показали, что при температуре 150 ОC мембрана не теряет своих физико-механических свойств и находится в работоспособном состоянии в течение всего срока службы СКУ.

Квалификационные испытания новой конструкции теплогидроизолированного осевого СКУ с мембраной проводились летом 2009 г. совместно с представителями ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром» и НП РТ .

При испытаниях СКУ на подтверждение вероятности безотказной работы по циклической наработке были сымитированы наихудшие условия эксплуатации: опытный образец компенсационного устройства был помещен в бочку с водой и подвергнут циклическим испытаниям осевым ходом на сжатие-растяжение. Через каждую 1000 циклов проводились контрольные замеры электрического сопротивления между патрубками СКУ и сигнальными проводниками системы ОДК при испытательном напряжении 500 В.

После отработки назначенной наработки с учетом вероятности безотказной работы (суммарно около 30000 циклов) циклические испытания были прекращены. Опытный образец СКУ был проверен на прочность и герметичность, после чего с него был удален кожух. Разрушений сильфона, мембраны, а также следов проникновения воды во внутрь СКУ не обнаружено.

Межведомственная комиссия по испытаниям «дала добро» на серийное производство теплогидроизолированных СКУ новой конструкции на ОАО «НПП «Компенсатор», которое началось в 2010 г.

По итогам поставок первых партий СКУ новой конструкции на предприятия тепловых сетей были собраны пожелания и предложения проектных и монтажных организаций, на основе анализа которых в конструкцию теплогидроизолированного СКУ были внесены изменения, касающиеся удобства монтажа и теплоизоляции стыка СКУ с трубопроводом, оптимизации массогабаритных характеристик, унификации деталей СКУ. Также был улучшен узел гидроизоляции СКУ с точки зрения повышения его надежности и защиты от механических повреждений.

«ВНИПИэнергопром» ведет постоянный мониторинг, производственные и лабораторные испытания теплогидроизолированных СКУ и иной продукции ОАО «НПП «Компенсатор» для подтверждения их технических характеристик.

Литература

1. Логунов В.В., Поляков В.Л., Слепченок В.С. Опыт применения осевых сильфонных компенсаторов в тепловых сетях// Новости теплоснабжения. 2007. № 7. С. 47-52.
2. Максимов Ю.И. Некоторые аспекты проектирования и строительства бесканальных термически напряженных предизолированных трубопроводов с применением стартовых компенсаторов // Новости теплоснабжения. 2008. № 1. С. 24-34.
3. Игнатов А.А., Ширинян В.Т., Бурганов А.Д. Модернизированное сильфонное компенсационное устройство в ППУ изоляции для тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2008. № 3. С. 52-53.
4. ГОСТ 30732-2006 Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой. Технические условия.
5. События и планы НП «Российское теплоснабжение» // Новости теплоснабжения. 2009. № 9. С. 10. Новости теплоснабжения № 4 (апрель), 2011 г.

Тепловые удлинения трубопроводов при температуре теплоносителя от 50 °С и выше должны восприниматься специальными компенсирующими устройствами, предохраняющими трубопровод от возникновения недопустимых деформаций и напряжений. Выбор способа компенсации зависит от параметров теплоносителя, способа прокладки тепловых сетей и других местных условий.

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов за счет использования поворотов трассы (самокомпенсация) может применяться при всех способах прокладки тепловых сетей независимо от диаметров трубопроводов и параметров теплоносителя при величине угла до 120°. При величине угла более 120°, а также в том случае, когда по расчету на прочность поворот трубопроводов не может быть использован для самокомпенсации, трубопроводы в точке поворота крепят неподвижными опорами.

Для обеспечения правильной работы компенсаторов и самокомпенсаций трубопроводы делят неподвижными опорами на участки, не зависящие один от другого в отношении теплового удлинения. На каждом участке трубопровода, ограниченном двумя смежными неподвижными опорами, предусматривается установка компенсатора или самокомпенсация.

При расчете труб на компенсацию тепловых удлинений приняты следующие допущения:

неподвижные опоры считаются абсолютно жесткими;

сопротивление сил трения подвижных опор при тепловом удлинении трубопровода не учитывается.

Естественная компенсация, или самокомпенсация, наиболее надежна в эксплуатации, поэтому находит широкое применение на практике. Естественная компенсация температурных удлинений достигается на поворотах и изгибах трассы за счет гибкости самих труб. Преимуществами ее над другими видами компенсации являются: простота устройства, надежность, отсутствие необхо димости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Для устройства естественной компенсации не требуется дополнительного расхода труб и специальных строительных конструкций. Недостатком естественной компенсации является поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода.

Определим полные тепловые удлинения участка трубопровода

Для безаварийной работы тепловых сетей необходимо, чтобы компенсирующие устройства были рассчитаны на максимальные удлинения трубопроводов. Поэтому при расчете удлинений температуру теплоносителя принимают максимальной, а температуру окружающей среды - минимальной. Полное тепловое удлинение участка трубопровода

l = αLt, мм, Стр.28 (34)

где α – коэффициент линейного расширения стали, мм/(м-град);

L – расстояние между неподвижными опорами, м;

t – расчетный перепад температур, принимаемый как разность между рабочей температурой теплоносителя и расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления.

l = 1,23*10 -2 *20*149 = 36,65 мм.

l = 1,23* 10 -2 * 16* 149 = 29,32 мм.

l = 1,23*10 -2 *25*149 = 45,81 мм.

Аналогично находим l для других участков.

Силы упругой деформации, возникающие в трубопроводе при компенсации теплового удлинения, определяются по формулам:

Кгс; , Н; Стр.28 (35)

где Е – модуль упругости трубной стали, кгс/см 2 ;

I - момент инерции поперечного сечения стенки трубы, см;

l – длина меньшего и большего участка трубопровода, м;

t – расчетная разность температур, °С;

А, В - вспомогательные безразмерные коэффициенты.

Для упрощения определения силы упругой деформации (Р х, P v) в таблице 8 дана вспомогательная величина для различных диаметров трубопроводов.

Таблица 11

Наружный диаметр трубы d H , мм

Толщина стенки трубы s, мм

В процессе работы тепловой сети появляются напряжения в трубопроводе, которые создают для предприятия неудобства. Для уменьшения напряжений, возникающих при нагреве трубопровода, применяются осевые и радиальные стальные компенсаторы (сальниковые, П- и S-образные и другие). Широкое применение нашли П-образные компенсаторы. Для увеличения компенсирующей способности П-образных компенсаторов и уменьшения изгибающего компенсационного напряжения в рабочем состоянии трубопровода для участков трубопроводов с гибкими компенсаторами производят предварительную растяжку трубопровода в холодном состоянии при монтаже.

Предварительную растяжку производят:

при температуре теплоносителя до 400 °С включительно на 50 % от полного теплового удлинения компенсируемого участка трубопровода;

при температуре теплоносителя выше 400 °С на 100 % полного теплового удлинения компенсируемого участка трубопровода.

Расчетное тепловое удлинение трубопровода

Мм Стр.37 (36)

где ε – коэффициент, учитывающий величину предварительной растяжки компенсаторов, возможную неточность расчета и релаксацию компенсационных напряжений;

l – полное тепловое удлинение участка трубопровода, мм.

1 участок х = 119 мм

По приложению при х = 119 мм выбираем вылет компенсатора Н = 3,8 м, тогда плечо компенсатора В = 6 м.

Для нахождения силы упругой деформации проводим горизонталь Н = 3,8 м, ее пересечение с В = 5 (Р к) даст точку, опустив перпендикуляр из которой до цифровых значений Р к, получим результат Р к - 0,98 тс = 98 кгс = 9800 Н.

Рисунок 3 – П-образный компенсатор

7 участок х = 0,5*270 = 135 мм,

Н = 2,5, В = 9,7, Р к – 0,57 тс = 57 кгс = 5700 Н.

Остальные участки просчитываем аналогично.

Cтраница 1

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов осуществляется либо установкой компенсаторов, либо изгибами трубопровода, специально предусматриваемыми при его трассировке. Для правильной работы компенсаторов необходимо четко фиксировать участок, удлинение которого он должен воспринимать, и обеспечить свободное перемещение трубопровода на этом участке. Для этого опоры трубопровода выполняют неподвижными и подвижными. Компенсатор должен воспринимать удлинение между двумя неподвижными опорами. Подвижные опоры позволяют трубопроводу свободно перемещаться в определенном направлении.  

Компенсация тепловых удлинений трубопровода может осуществляться как за счет самокомпенсации, так и путем установки компенсаторов.  

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов производится одним из двух способов: 1) устройством трубопроводов с самокомпенсацией; 2) установкой компенсаторов различных типов.  

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов осуществляется либо установкой компенсаторов, либо изгибами трубопровода, специально предусматриваемыми при его трассировке.  

Компенсация тепловых удлинений трубопровода обеспечивается специальными устройствами. Для паропроводов низкого давления (до 0 5 МПа) применяют сальниковые или линзовые компенсаторы. Число волн в линзовом компенсаторе не должно превышать 12 во избежание продольного изгиба. В большинстве случаев для теплопроводов применяют гнутые компенсаторы, имеющие П - образную, лирообразную и другие формы. Их изготовляют на месте монтажа из тех же труб, что и трубопровод. Наибольшее распространение получил П - образный компенсатор.  

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов производится одним.  

Защитный кожух - [ IMAGE ] Схема самокомпенсирующегося трубопровода.

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов достигается устройством трубопроводов с самокомпенсацией или установкой компенсаторов различных типов.  

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов осуществляется либо установкой компенсаторов, либо изгибами трубопровода, специально предусматриваемыми при его трассировке. Для правильной работы компенсаторов необходимо ограничить участок, удлинение которого он должен воспринимать, а также обеспечить свободное перемещение трубопровода на этом участке. Для этого опоры трубопровода выполняют неподвижными (мертвые точки) и подвижными. Неподвижные опоры фиксируют трубопровод в определенном положении и воспринимают усилия, появляющиеся в трубе даже при наличии компенсатора.  

Компенсацию теплового удлинения трубопровода предусматривают за счет углов поворотов трубопровода или применения П - образных компенсаторов.  

Размещение подвесных излучающих нотолочных (1 я настенных (2 панелей в помещении.| Зависимость расстояния от крайних подвесных излучающих панелей до стен / 3 от высоты их подвески Л. н.

Компенсация температурных деформаций стальных трубопроводов имеет исключительно важное значение в технике транспорта теплоты.

Если в трубопроводе отсутствует компенсация температурных деформаций, то при сильном нагревании в стенке трубопровода могут возникнуть большие разрушающие напряжения. Значение этих напряжений может быть рассчитано по закону Гука

, (7.1)

где Е – модуль продольной упругости (для стали Е = 2 10 5 МПа); i – относительная деформация.

При повышении температуры трубы длиной l на Dt удлинение должно составить

где a – коэффициент линейного удлинения, 1/К (для углеродистой стали a= 12-10 -6 1/К).

Если участок трубы защемлен и при нагревании не удлиняется, то его относительное сжатие

Из совместного решения (7.1) и (7.3) можно найти напряжение сжатия, возникающее в стальной трубе при нагреве прямолинейного защемленного (без компенсаторов) участка трубопровода

Для стали s= 2,35 Dt МПа.

Как видно из (7.4), напряжение сжатия, возникающее в защемленном прямолинейном участке трубопровода, не зависит от диаметра, толщины стенки и длины трубопровода, а зависит только от материала (модуля упругости и коэффициента линейного удлинения) и перепада температур.

Усилие сжатия, возникающее при нагревании прямолинейного трубопровода без компенсации, определяется по формуле

, (7.5)

где f – площадь поперечного сечения стенок трубопровода, м 2 .

По своему характеру все компенсаторы могут быть разбиты на две группы: осевые и радиальные.

Осевые компенсаторы применяются для компенсации температурных удлинений прямолинейных участков трубопровода.

Радиальная компенсация может быть использована при любой конфигурации трубопровода. Радиальная компенсация широко применяется на теплопроводах, прокладываемых на территориях промышленных предприятий, а при небольших диаметрах теплопроводов (до 200 мм) – также и в городских тепловых сетях. На теплопроводах большого диаметра, прокладываемых под городскими проездами, устанавливаются главным образом осевые компенсаторы.

Осевая компенсация. На практике находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и упругие.

На рис. 7.27 показан односторонний сальниковый компенсатор. Между стаканом 1 и корпусом 2 компенсатора располагается сальниковое уплотнение 3. Сальниковая набивка, обеспечивающая плотность, зажимается между упорным кольцом 4 и грундбуксой 5. Обычно набивка выполняется из асбестовых колец квадратного сечения, пропитанных графитом. Компенсатор вваривается в трубопровод, поэтому установка его на линии не приводит к увеличению количества фланцевых соединений.

Рис. 7.27. Односторонний сальниковый компенсатор:
1 – стакан; 2 – корпус; 3 – набивка; 4 – упорное кольцо; 5 – грундбукса

На рис. 7.28 приведен разрез двухстороннего сальникового компенсатора. Недостатком сальниковых компенсаторов всех типов является сальник, требующий систематического и тщательного ухода в эксплуатации. Набивка в сальниковом компенсаторе изнашивается, теряет со временем упругость и начинает пропускать теплоноситель. Подтяжка сальника в этих случаях не дает положительных результатов, поэтому через определенные периоды времени сальники приходится перебивать.

Рис. 7.28. Двухсторонний сальниковый компенсатор

От этого недостатка свободны все типы упругих компенсаторов.

На рис. 7.29 показана секция трехволнового сильфонного компенсатора. Для уменьшения гидравлического сопротивления внутри сильфонной секции вварена гладкая труба. Сильфонные секции выполняются обычно из легированных сталей или сплавов.
В нашей стране сильфонные компенсаторы изготовляются из стали 08Х18Н10Т.

Рис. 7.29. Трехволновой сильфонный компенсатор

Компенсирующая способность сильфонных компенсаторов определяется обычно по результатам испытаний или принимается по данным заводов-изготовителей. Для компенсации больших термических деформаций соединяют последовательно несколько сильфонных секций.

Осевая реакция сильфонных компенсаторов представляет собой сумму двух слагаемых

, (7.6)

где s к – осевая реакция от температурной компенсации, вызываемая деформацией волны при термическом расширении трубопровода, Н; s д – осевая реакция, вызываемая внутренним давлением, Н.

Для повышения устойчивости против деформации сильфонов под действием внутреннего давления компенсаторы выполняются разгруженными от внутреннего давления путем соответствующей компоновки сильфонных секций в корпусе компенсатора, выполняемого из трубы большего диаметра. Такая конструкция компенсатора показана на рис. 7.30.

Рис. 7.30. Разгруженный сильфонный компенсатор:
l р – длина в растянутом состоянии; l сж – длина в сжатом состоянии

Перспективным методом компенсации температурных деформаций может служить применение самокомпенсирующихся труб. При производстве спирально-сварных труб из полосы листового металла на нем роликом выдавливается продольная канавка глубиной примерно 35 мм. После сварки такого листа канавка превращается в спиральный гофр, способный компенсировать температурную деформацию трубопровода. Опытная проверка таких труб показала положительные результаты.

Радиальная компенсация. При радиальной компенсации термическая деформация трубопровода воспринимается изгибами специальных эластичных вставок или естественными поворотами (изгибами) трассы отдельных участков самого трубопровода.

Последний метод компенсации термических деформаций, широко используемый в практике, называется естественной компенсацией. Преимущества этого вида компенсации над другими видами: простота устройства, надежность, отсутствие необходимости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Недостаток естественной компенсации – поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода, требующее увеличения ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций и бесканальных конструкций.

Расчет естественной компенсации заключается в нахождении усилий и напряжений, возникающих в трубопроводе под действием упругой деформации, выборе длин взаимодействующих плеч трубопровода и определении поперечного смещения его участков при компенсации. Методика расчета базируется на основных законах теории упругости, связывающих деформации с действующими усилиями.

Участки трубопровода, воспринимающие температурные деформации при естественной компенсации, состоят из отводов (колен) и прямых участков. Гнутые отводы повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность. Влияние гнутых колен на компенсирующую способность особенно заметно в трубопроводах большого диаметра.

Изгиб кривых участков труб сопровождается сплющиванием поперечного сечения, которое превращается из круглого в эллиптическое.

На рис. 7.31 показана изогнутая труба с радиусом кривизны R. Выделим двумя сечениями аb и cd элемент трубы. При изгибе в стенке трубы с выпуклой стороны возникают растягивающие, а с вогнутой – сжимающие усилия. Как растягивающие, так и сжимающие усилия дают равнодействующие Т, нормальные к нейтральной оси.

Рис. 7.31. Сплющивание трубы при изгибе

Компенсирующая способность компенсаторов может быть увеличена вдвое при предварительной растяжке их во время монтажа на величину, равную половине теплового удлинения трубопровода. На основе вышеизложенной методики получены уравнения для расчета максимального изгибающего напряжения и компенсирующей способности симметричных компенсаторов различного типа.

Тепловой расчет

В задачу теплового расчета входит решение следующих вопросов:

· определение тепловых потерь теплопровода;

· расчет температурного поля вокруг теплопровода, т. е. определение температур изоляции, воздуха в канале, стен канала, грунта.

· расчет падения температуры теплоносителя вдоль теплопровода;

· выбор толщины тепловой изоляции теплопровода.

Количество теплоты, проходящей в единицу времени через цепь последовательно соединенных термических сопротивлений, вычисляется по формуле

где q – удельные тепловые потери теплопровода; t – температура теплоносителя, °С; t o – температура окружающей среды, °С; R – суммарное термическое сопротивление цепи теплоноситель – окружающая среда (термическое сопротивление изоляции теплопровода).

При тепловом расчете тепловых сетей приходится обычно определять тепловые потоки через слои и поверхности цилиндрической формы.

Удельные тепловые потери q и термические сопротивления R относят обычно к единице длины теплопровода и измеряют их соответственно в Вт/м и (м К)/Вт.

В изолированном трубопроводе, окруженном наружным воздухом, теплота должна пройти через четыре последовательно соединенных сопротивления: внутреннюю поверхность рабочей трубы, стенку трубы, слой изоляции и наружную поверхность изоляции. Так как суммарное сопротивление равно арифметической сумме последовательно соединенных сопротивлений, то

R = R в + R тр + R и + R н , (7.8)

где R в , R тр , R и и R н – термические сопротивления внутренней поверхности рабочей трубы, стенки трубы, слоя изоляции и наружной поверхности изоляции.

В изолированных теплопроводах основное значение имеет термическое сопротивление слоя тепловой изоляции.

В тепловом расчете встречаются два вида термических сопротивлений:

· сопротивление поверхности;

· сопротивление слоя.

Термическое сопротивление поверхности. Термическое сопротивление цилиндрической поверхности составляет

где pd – площадь поверхности 1 м длины теплопровода, м; a – коэффициент теплоотдачи от поверхности.

Для определения термического сопротивления поверхности теплопровода необходимо знать две величины: диаметр теплопровода и коэффициент теплоотдачи поверхности. Диаметр теплопровода при тепловом расчете является заданным. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплопровода к окружающему воздуху представляет собой сумму двух слагаемых – коэффициента теплоотдачи излучением a л и коэффициента теплоотдачи конвекцией a к :

Коэффициент теплоотдачи излучением a л может быть подсчитан по формуле Стефана-Больцмана:

, (7.10)

где С – коэффициент излучения; t – температура излучающей поверхности, °С.

Коэффициент излучения абсолютно черного тела, т.е. поверхности, которая поглощает все падающие на нее лучи и ничего не отражает, С = 5,7 Вт/(м К) = 4,9 ккал/(ч м 2 К 4).

Коэффициент излучения «серых» тел, к которым относятся поверхности неизолированных трубопроводов, изоляционных конструкций, имеет значение 4,4 – 5,0 Вт/(м 2 К 4). Коэффициент теплоотдачи от горизонтальной трубы к воздуху при естественной конвекции, Вт/(м К), можно определить по формуле Нуссельта

, (7.11)

где d – наружный диаметр теплопровода, м; t , t о – температуры поверхности и окружающей среды, °С.

При вынужденной конвекции воздуха или ветра коэффициент теплоотдачи

, (7.12)

где w – скорость воздуха, м/с.

Формула (7.12) действительна при w > 1 м/с и d > 0,3 м.

Для вычисления коэффициента теплоотдачи по (7.10) и (7.11) необходимо знать температуру поверхности. Так как при определении тепловых потерь температура поверхности теплопровода обычно заранее неизвестна, задача решается методом последовательных приближений. Предварительно задаются коэффициентом теплоотдачи наружной поверхности теплопровода a , находят удельные потери q и температуру поверхности t , проверяют правильность принятого значения a .

При определении тепловых потерь изолированных теплопроводов проверочного расчета можно не проводить, так как термическое сопротивление поверхности изоляции невелико по сравнению с термическим сопротивлением ее слоя. Так, 100%-ная ошибка при выборе коэффициента теплоотдачи поверхности приводит обычно к ошибке в определении теплопотерь 3 – 5%.

Для предварительного определения коэффициента теплоотдачи поверхности изолированного теплопровода, Вт/(м К), когда температура поверхности неизвестна, может быть рекомендована формула

, (7.13)

где w – скорость движения воздуха, м/с.

Коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности трубопровода весьма высоки, что определяет столь малые значения термического сопротивления внутренней поверхности трубопровода, которыми при практических расчетах можно пренебречь.

Термическое сопротивление слоя. Выражение для термического сопротивления однородного цилиндрического слоя легко выводится из уравнения Фурье, которое имеет вид

где l – теплопроводность слоя; d 1 , d 2 – внутренний и наружный диаметры слоя.

Для теплового расчета существенное значение имеют только слои с большим термическим сопротивлением. Такими слоями являются тепловая изоляция, стенка канала, массив грунта. По этим соображениям при тепловом расчете изолированных теплопроводов обычно не учитывается термическое сопротивление металлической стенки рабочей трубы.

Термическое сопротивление изоляционных конструкций надземных теплопроводов. В надземных теплопроводах между теплоносителем и наружным воздухом включены последовательно следующие термические сопротивления: внутренняя поверхность рабочей трубы, ее стенка, один или несколько слоев тепловой изоляции, наружная поверхность теплопровода.

Первыми двумя тепловыми сопротивлениями в практических расчетах обычно пренебрегают.

Иногда тепловую изоляцию выполняют многослойной, исходя из различных допустимых температур для применяемых изоляционных материалов или из экономических соображений с целью частичной замены дорогих материалов изоляции более дешевыми.

Термическое сопротивление многослойной изоляции равно арифметической сумме термических сопротивлений последовательно наложенных слоев.

Термическое сопротивление цилиндрической изоляции увеличивается с увеличением отношения ее наружного диаметра к внутреннему. Поэтому в многослойной изоляции первые слои целесообразно укладывать из материала, имеющего более низкую теплопроводность, что приводит к наиболее эффективному использованию изоляционных материалов.

Температурное поле надземного теплопровода. Расчет температурного поля теплопровода проводится на основании уравнения теплового баланса. При этом исходят из условия, что при установившемся тепловом состоянии количество теплоты, протекающей от теплоносителя к концентрической цилиндрической поверхности, проходящей через любую точку поля, равно количеству теплоты, уходящей от этой концентрической поверхности к наружной среде.

Температура поверхности теплоизоляции из уравнения теплового баланса будет равна

. (7.15)

Термическое сопротивление грунта. В подземных теплопроводах в качестве одного из последовательно включенных термических сопротивлений участвует сопротивление грунта.

При подсчете тепловых потерь за температуру окружающей среды t о принимают, как правило, естественную температуру грунта на глубине заложения оси теплопровода.

Только при малых глубинах заложения оси теплопровода (h/d < 2) за температуру окружающей среды принимают естественную температуру поверхности грунта.

Термическое сопротивление грунта может быть определено по формуле Форхгеймера (рис. 7.32)

, (7.16)

где l – теплопроводность грунта; h – глубина заложения оси теплопровода; d – диаметр теплопровода.

При укладке подземных теплопроводов в каналах, имеющих форму, отличную от цилиндрической, в (7.16) вместо диаметра подставляют эквивалентный диаметр

где F – площадь сечения канала, м; П – периметр канала, м.

Теплопроводность грунта зависит главным образом от его влажности и температуры.

При температурах грунта 10 – 40 °С теплопроводность грунта средней влажности лежит в пределах 1,2 – 2,5 Вт/(м К).

Компенсационные устройства в тепловых сетях служат для устранения (или значительного уменьшения) усилий, возникающих при тепловых удлинениях труб. В результате снижаются напряжения в стенках труб и силы, действующие на оборудование и опорные конструкции.

Удлинение труб в результате теплового расширения металла оп ределяют по формуле,.

где — коэффициент линейного расширения, 1/°С; l — длина трубы, м; t — рабочая температура стенки, 0 С; t м — температура монтажа, 0 С.

Для трубопроводов тепловой сети значение t принимают равным рабочей (максимальной) температуре теплоносителя; t м — расчетной для отопления температуре наружного воздуха. При средней величине = 12 · 10 -6 1/°С для углеродистой стали удлинение 1 м трубы на. каждые 100°С изменения температур составит l = 1,2 мм/м.

Для компенсации удлинения труб применяют специальные устройства — компенсаторы, а также используют гибкость труб на поворотах трассы тепловых сетей (естественную компенсацию).

По принципу работы компенсаторы подразделяют на осевые и радиальные. Осевые компенсаторы устанавливают на прямолинейных участках теплопровода, так как они предназначены для компенсации усилий, возникающих только в результате осевых удлинений. Радиальные компенсаторы устанавливают на теплосети любой конфигурации, так как они компенсируют как осевые, так и радиальные усилия. Естественная компенсация не требует установки специальных устройств, поэтому ее необходимо использовать в первую очередь.

В тепловых сетях находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и линзовые. В сальниковых компенсаторах (рис. 6.11) температурные деформации труб приводят к перемещению стакана 1 внутри корпуса 5, между которыми для герметизации помещается сальниковая набивка 3. Зажимается набивка между упорным кольцом 4 и грундбуксой 2 при помощи болтов 6.

Рис. 6.11. Сальниковые компенсаторы

а — односторонний; б — двусторонний: 1 — стакан; 2 — грундбукса; 3 — сальниковая набивка; 4 — упорное кольцо; 5 — корпус; 6 — затяжные болты

В качестве сальниковой набивки применяют асбестовый прографиченный шнур или термостойкую резину. В процессе работы набивка изнашивается и теряет упругость, поэтому требуются периодическая ее подтяжка (зажатие) и замена. Для возможности проведения указанных ремонтов сальниковые компенсаторы размещают в камерах.

Соединение компенсаторов с трубопроводами осуществляется сваркой. При монтаже необходимо оставлять зазор между буртом стакана и упорным кольцом корпуса, исключающий возможность возникновения растягивающих усилий в трубопроводах в случае понижения температуры ниже температуры монтажа, а также тщательно выверять осевую линию во избежание перекосов и заедания стакана в корпусе.

Основными достоинствами сальниковых компенсаторов являются малые габариты (компактность) и низкие гидравлические сопротивления, вследствие чего они нашли широкое применение в тепловых сетях, Особенно при подземной прокладке. В этом случае их устанавливают при d y = 100 мм и более, при надземной прокладке — при d y = 300 мм и более.

В линзовых компенсаторах (рис. 6.12). при температурных удлинениях труб происходит сжатие специальных упругих линз (волн). При этом обеспечивается полная герметичность в системе и не требуется обслуживания компенсаторов.

Изготовляют линзы из листовой стали или штампованных полулинз с толщиной стенки от 2,5 до 4 мм газовой сваркой. Для уменьшения гидравлических сопротивлений внутри компенсатора вдоль волн вставляется гладкая труба (рубашка).

Линзовые компенсаторы имеют относительно небольшую компен сирующую способность и большую осевую реакцию. В связи с этим для компенсации температурных деформаций трубопроводов тепло вых сетей устанавливают большое число волн или производят пред варительную их растяжку. Применяют их обычно до давлений при мерно 0,5 МПа, так как при больших давлениях возможно вспучи вание волн, а повышение жесткости волн путем увеличения толщины стенок приводит к снижению их компенсирующей способности и возрастанию осевой реакции.

Естественная компенсация температурных деформаций происходит в результате изгиба трубопроводов. Гнутые участки (повороты) повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность.

При естественной компенсации на поворотах трассы температурные деформации трубопроводов приводят к поперечным смещениям участков (рис. 6.13). Величина смещения зависит от расположения неподвижных опор: чем больше длина участка, тем больше его удлинение. Это требует увеличения ширины каналов и затрудняет работу подвижных опор, а также не дает возможности применять современную бесканальную прокладку на поворотах трассы. Максимальные напряжения изгиба возникают у неподвижной опоры короткого участка, так как он смещается на большую величину.

К радиальным компенсаторам, применяемым в тепловых сетях, относятся гибкие и волнистые шарнирного типа. В гибких компенсаторах температурные деформации трубопроводов устраняются при помош.и изгибов и кручения специально согнутых или сваренных участков труб различной конфигурации: П- и S-образных, лирообразных, омегообразных и др. Наибольшее распространение на практике вследствие простоты изготовления получили П-образные компенсаторы (рис. 6.14,а).

Их компенсирующая способность определяется суммой деформаций -по оси каждого из участков трубопроводов . При этом максимальные изгибающие напряжения возникают в наиболее удаленном от оси трубопровода отрезке — спинке компенсатора. Последняя, изгибаясь, смещается на величину у, на которую необходимо увеличивать и габариты компенсаторной ниши.

Для увеличения компенсирующей способности компенсатора или уменьшения величины смещения его устанавливают с предварительной (монтажной) растяжкой (рис. 6.14,б). При этом спинка компенсатора в нерабочем состоянии изогнута внутрь и испытывает изгибающие напряжения. При удлинении труб компенсатор приходит сначала в ненапряженное состояние, а затем уже спинка изгибается наружу и в ней возникают изгибающие напряжения обратного знака.

Если в крайних положениях,т. е. при предварительной растяжке и в рабочем состоянии достигаются предельно допустимые напряжения, то компенсирующая способность компенсатора увеличивается вдвое по сравнению с компенсатором без предварительной растяжки. В случае же компенсации одинаковых температурных деформаций в компенсаторе с предварительной растяжкой не будет происходить смещение спинки наружу и, следовательно, уменьшатся габариты компенсаторной ниши. Работа гибких компенсаторов других конфигураций - происходит примерно таким же образом.

Расчет естественной компенсации и гибких компенсаторов заключается в определении усилии и максимальных напряжений, возникающих в опасных сечениях, в выборе длин участков трубопроводов, закрепленных в неподвижных опорах, и геометрических размеров компенсаторов, а также в нахождении величины смещений при компенсации температурных деформаций.

Методика расчета основывается на законах теории упругости, связывающих деформации с напряжениями и геометрическими размерами труб, углов изгиба и компенсаторов. При этом напряжения в опасном сечении определяются с учетом суммарного действия усилий от температурных деформаций трубопроводов, внутреннего давления теплоносителя, весовой нагрузки и др. Суммарные напряжения не должны превышать допустимой величины.

На практике расчет максимальных изгибающих напряжений в гнутых компенсаторах и участках естественной компенсации производят по специальным номограммам и графикам. В качестве примера на рис. 6.15 приведена номограмма для расчета П-образного компенсатора.

Расчет П-образного компенсатора по номограмме производят в зависимости от величины температурного удлинения трубопровода t и принятого соотношения между длиной спинки компенсатора В и его вылетом Н (показано стрелками).

Номограммы строятся для различных стандартных диаметров трубопроводов d y , способа изготовления и радиусов углов изгиба. При этом указываются также принятые значения допустимых изгибающих напряжений , коэффициента линейного расширения и установочные условия.

Волнистые компенсаторы шарнирного типа (рис. 6.16) представляют собой линзовые компенсаторы, стянутые стяжками с шарнирным устройством 1 с помощью опорных колец 2, надаренных на трубы. При установке их на трассе, имеющей ломаную линию, они обеспечивают компенсацию значительных тепловых удлинений, работая на изгиб вокруг своих шарниров. Изготовляются такие компенсаторы для труб с d y = 150-400 мм на давление Р у 1,6 и 2,5 МПа и температуру до 450 °С. Компенсирующая способность шарнирных компенсаторов зависит от максимально допустимого угла поворота компенсаторов и схемы их установки на трассе.

Рис. 6.16. Простейшая конструкция компенсатора шарнирного типа; 1 - шарниры; 2 — опорное кольцо

Рис. 6.15. Номограмма для расчета П-образного компенсатора трубопровода flfy = 70 см.