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).

Цель занятия. Ознакомление студентов с основными методами соединения труб в трубопроводах и их разгрузки от напряжений, возникающих вследствие температурных деформаций.

Раздел 1. Соединения труб в технологических трубопроводах]

Соединения, отдельных звеньев труб между собой и с арматурой производятся различными способами. Выбор способа зависит от необходимой надежности работы, начальной стоимости, требуемой частоты разборки, свойств материала соединяемых деталей, наличия соответствующего инструмента, навыков монтажного и эксплуатационного персонала.

Все виды соединений можно подразделить на разъемные и неразъемные. К разъемным относятся соединения на резьбе (с помощью муфт, ниппелей), на фланцах, на раструбах и с помощью специальных приспособлений. К неразъемным относятся соединения с помощью сварки, пайки или склейки.

Соединения на резьбе . Резьбовые соединения труб применяются, главным образом в трубопроводах тепло- водоснабжения и газовых линиях хозяйственно-бытового назначения. В химической промышленности такие соединения используют в трубопроводах сжатого воздуха. Для соединения на резьбе концы труб снаружи нарезаются трубной резьбой. Такая резьба отличается от нормальной (метрической) значительно меньшим шагом и меньшей глубиной. Поэтому она не вызывает значительного ослабления стенки трубы. Кроме того, трубная резьба имеет угол при вершине треугольника 55°, в то время как метрическая – 60°.

Трубная резьба выполняется в двух вариантах: со срезом вершины по прямой, и скруглением. Трубные резьбы с прямым и закругленным профилем, изготовленные с надлежащими допусками, взаимозаменяемы.

Для соединения труб в трубопроводах высокого давления применяется коническая резьба. Соединение на конической резьбе отличается исключительной герметичностью.

Концы труб соединяют между собой и с арматурой с помощью резьбовых муфт. Муфтовые резьбовые соединения обычно применяют для трубопроводов диаметром до 75 мм. Иногда этот вид соединения применяется также при прокладке труб больших диаметров (до 600 мм).

Муфта (рис. 5.1, а и б ) представляет собой короткий полый цилиндр, внутренняя поверхность которого сплошь нарезана трубной резьбой. Муфты изготовляются из ковкого чугуна для условных проходов диаметром от 6 до 100 мм и из стали для условных проходов диаметром от 6 до 200 мм. Для соединения с помощью муфты соединяемые трубы нарезают на половину длины муфты, и свинчивают. Если стыкуют две ранее смонтированные трубы, то применяют сгон (рис. 5.1, в). Для уплотнения муфтового соединения ранее применяли льняную прядь или асбестовый шнур. Для повышения герметичности газовых линий уплотнительный материал пропитывали краской. В настоящее время льняная прядь практически вытеснена фторпластовым уплотнительным материалом (ФУМ) и специальной пастой (гермепласт).

Рис. 5.1.– Резьбовые фасонные части. а, 6 – муфты; в – согон; г – контргайка.

Для разветвлений трубопроводов собранных на резьбе используют тройники и крестовины, для переходов с одного диаметра на другой – специальные муфты или вставки.

Фланцевые соединения. Фланцы – металлические диски, которые привариваются или привинчиваются к трубе, а затем соединяются болтами с другим фланцем (рис. 5.2). Для этого по периметру диска делаются несколько отверстий. Соединить таким образом можно не только два участка трубопровода, но и присоединить трубу к резервуару, насосу, подвести ее к оборудованию или измерительному прибору. Фланцевые соединения применяются в энергетической промышленности, нефтегазовой, химической и других отраслях производства. Фланцы обеспечивают легкость монтажа и демонтажа.

Больше всего производятся стальные фланцы, хотя для некоторых видов труб выпускают и пластиковые. При производстве учитывается диаметр трубы, к которой будет производиться крепление, и ее форма. В зависимости от формы трубы внутреннее отверстие во фланце может быть не только круглым, но и овальным или даже квадратным. На трубу фланец крепят, применяя сварку. Парный фланец крепится на другом участке трубы или оборудования, а затем оба фланца привинчиваются друг к другу болтами через имеющиеся отверстия. Фланцевые соединения делят на беспрокладочные и с прокладками. В первых герметичность обеспечивается за счет тщательной обработки и большого сжатия. Во вторых между фланцами помещается прокладка. Прокладки бывают нескольких видов, в зависимости от формы самих фланцев. Если фланец имеет гладкую поверхность, то прокладка может быть картонной, резиновой или паронитовой. Если один фланец имеет желоб для выступа, который находится на парном фланце, то применяют паронитовую и асбометаллическую прокладку. Делается это обычно при установке на трубах с высоким давлением.

По способу посадки на трубу фланцы делят на приварные (рис. 5.3, е, ж, з), литые заодно с трубой (рис. 5.3, а, б), с шейкой на резьбе (рис. 5.3, в), свободные на отбортованной трубе (рис. 5.3, к) или кольцах (рис. 5.3, з), последние плоские или с шейкой под отбортовку.

По другой классификации различают фланцы свободные (рис. 5.3, з, и, к), воротниковые (рис. 5.3, а, б, ж, з) и плоские (рис. 5.3, в, г, д, е).

Фланцы имеют размеры, зависящие от диаметра трубы (Dy ) и давления (Py ), но присоединительные размеры всех фланцев одинаковы для одинаковых Dy и Py .

Раструбные соединения. Раструбные соединения (рис. 5.4) применяются при прокладке некоторых видов стальных, чугунных, керамиковых, стеклянных, фаолитовых, асбоцементных труб, а также труб из пластмасс. Его преимущество – относительная простота и дешевизна. В то же время ряд недостатков: трудность разъема соединения, недостаточная надежность, возможность нарушения плотности при появлении незначительного перекоса смежных труб,– ограничивают применение этого вида соединений.

Рис. 5.4.– Раструбное соединение. 1 – раструб, 2 – набивка

Для уплотнения раструбного соединения (рис. 5.4) кольцевое пространство образуемое раструбом 1 одной трубы и телом другой, заполняют набивкой 2, в качестве которой используют промасленную прядь, асбестовый шнур или резиновые кольца. После чего наружный участок этого пространства зачеканивают или замазывают какой-либо мастикой. Метод ведения этих работ и род применяемых материалов зависят от материала труб. Так, раструбы чугунных водопроводных труб конопатят льняной прядью и зачеканивают увлажненным цементом, а в особо ответственных случаях заливают расплавленным свинцом, который затем также зачеканивают. Раструбы керамиковых канализационных труб заполняют до половины пеньковой смоляной прядью. Вторая половина заполняется белой, хорошо промятой глиной. В жилищном строительстве заделка раструбов чугунных труб осуществляется асфальтовой мастикой.

Специальные приспособления . Используется большое количество разнообразных специальных соединений для труб. Однако наиболее распространенными являются легкоразборные. В качестве примера рассмотрим соединение с помощью соединительной гайки (рис. 5.5.)

Соединительная гайка состоит из трех металлических частей (1, 2 и 4) и мягкой прокладки 3. Основные части гайки 1 и 4 навертываются на короткие резьбы труб. Средняя часть – накидная гайка 2 – стягивает между собой эти основные части. Герметичность соединения достигается мягкой (резиновой, асбестовой, паронитовой) прокладкой 3. Благодаря наличию прокладки накидная гайка не соприкасается с протекающей по трубам средой, а потому опасность заедания гайки сводится к минимуму.

Соединение труб сваркой, пайкой и склеиванием. В промышленности широкое распространение получили методы соединения труб сваркой, пайкой и склейкой. Сваркой или пайкой можно соединять трубы из черных металлов (кроме чугунных), цветных металлов, а также из винипласта.

Отличие сварки от пайки заключается в том, что в первом случае для соединения труб используется такой же материал, как и тот, из которого они изготовлены. Во втором – сплав (припой) с температурой плавления существенно меньшей, чем у материала трубы. Припои принято делить на две группы – мягкие и твёрдые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 300 °С, к твёрдым – выше 300 °С. Кроме того, припои существенно различаются по механической прочности. Мягкими припоями являются оловянно-свинцовые сплавы (ПОС). Большое количество оловянно-свинцовых припоев содержит небольшой процент сурьмы. Наиболее распространёнными твёрдыми припоями являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с различными добавками.

Стоимость подготовки труб под сварку и стоимость самой сварки во много раз ниже стоимости фланцевого соединения (пары фланцев, прокладки, болтов с гайками, работы по посадке фланца на трубу). Хорошо выполненное сварное соединение весьма долговечно и не требует ремонта и связанных с этим остановок производства, что имеет место, например, при вырывании прокладок у фланцевого соединения.

На сварном трубопроводе фланцы ставят лишь в местах установки арматуры. Возможны, однако, случаи применения стальной арматуры с концами под приварку.

Несмотря на преимущества сварки и пайки труб перед другими видами соединений, их не следует производить в трех случаях:

· если передаваемый по трубам продукт действует разрушающе на наплавленный металл или на нагреваемые при сварке концы труб;

· если трубопровод требует частой разборки;

· если трубопровод находится в цехе, характер производства которого исключает работу с открытым пламенем.

При соединении труб из углеродистой стали может быть применена как кислородно-ацетиленовая (газовая), так и электродуговая сварка. Газовая сварка имеет по сравнению с электродуговой следующие преимущества:

· металл в шве получается более вязким;

· работы могут быть произведены в трудно доступных местах;

· потолочные швы выполняются гораздо легче.

Электродуговая сварка имеет, однако, свои преимущества:

· она в 3-4 раза дешевле газовой сварки;

· свариваемые детали прогреваются слабее.

При подготовке к сварке труб толщиой не менее 5 мм кромки труб запиливают под углом 30-45°. Внутренняя часть стенки остается нескошенной на толщине 2-3 мм. Для обеспечения хорошего провара труб между ними оставляют зазор 2-3 мм. Этот зазор предохраняет также концы труб от сплющивания и изгибания. По наружной поверхности шва наплавляют усиливающий валик высотой 3-4 мм. Для предохранения от попадания капелек расплавленного металла внутрь трубы шов не доваривают на 1 мм до внутренней поверхности трубы

Соединение труб из цветных металлов с помощью сварки или пайки производится по одному из способов, показанных на рис. 5.6.

Сварка встык (рис. 5.6, а) широко применяется при соединении свинцовых и алюминиевых труб. Сваркой (пайкой) с разбортовкой и подкаткой концов (рис.21, б, в и г) пользуются при соединении свинцовых и медных труб. В тех случаях, когда к соединению предъявляются требования особенно высокой прочности, сварной шов выполняется, как показано на рис. 5.6, д.

Для усиления шва при соединении алюминиевых труб проводят наплавку металла валиком (рис. 5.6, а), а при соединении свинцовых и медных труб наружные края труб, кроме того, слегка отбортовывают (рис. 5.6, б, в, г).

Соединение алюминиевых и свинцовых труб производится наплавкой металла, одинакового с основным металлом труб, т. е. сваркой; соединение медных труб – как сваркой, так и пайкой (твердым припоем).

Трубы из фаолита можно соединять путем склеивания по способам, показанным на рис. 5.6, в, д. Трубы из винипласта соединяют по способам, показанным на рис. 5.6, а, б и в, причем соединение по способу, показанному на рис. 5.6, б, отличается большой прочностью.

Раздел 2. Температурное удлинение трубопроводов и его компенсация.

Температура нормальной эксплуатации трубопроводов отличается, часто существенно, от температуры при которой производился их монтаж. В результате температурных удлинений в материале труб возникают механические напряжения, которые, если не принять специальных мер, могут привести к их разрушению. Такие меры называются компенсацией температурных удлинений или просто – температурной компенсацией трубопровода.

Рис. 5.7. Изгиб трубопровода при самокомпенсации

Простейшим и наиболее дешевым методом температурной компенсации трубопроводов является так называемая «самокомпенсация». Сущ­ность этого метода заключается в том, что трубопровод прокладывается с поворотами таким образом, чтобы прямые участки не превышали определенной расчетной длины. Прямой участок трубы, расположенный под углом к другому его отрезку и составляющий с ним одно целое (рис. 5.7), может воспринять его удлинение за счет собственной упругой деформаций. Обычно оба расположенные под углом участка трубы взаимно воспринимают тепловые удлинения и таким образом играют роль компенсаторов. Для иллюстрации на рис. 5.7 сплошной линией изображен трубопровод после монтажа, а штрихпунктирной – в рабочем, деформированном состоянии (деформация утрирована).

Самокомпенсация легко осуществляется на трубопроводах из стали, меди, алюминия и винипласта, так как эти материалы обладают значительной прочностью и эластичностью. На трубопроводах из других материалов удлинение воспринимается обычно с помощью компенсаторов, описание которых дается ниже.

Пользуясь деформацией прямого участка трубы, можно, вообще говоря, воспринять тепловое удлинение любой величины при условии, что компенсирующий участок имеет достаточную длину. На практике, однако, обычно не идут дальше значений 400 мм для стальных труб и 250 мм для винипластовых.

Если самокомпенсация трубопровода недостаточна для разгрузки температурных напряжений или ее невозможно осуществить, то прибегают к использованию специальных устройств, в качестве которых применяют линзовые и сальниковые компенсаторы, а также компенсаторы гнутые из труб.

Линзовые компенсаторы. Работа линзового компенсатора основана на прогибе круглых пластин или волнообразных уширений, составляющих тело компенсатора. Линзовые компенсаторы могут быть изготовлены из стали, красной меди или алюминия.

По способу выполнения различают следующие типы линзовых компенсаторов: сварные из отштампованных полуволн (рис. 5.8, а и б), сварные тарельчатые (рис. 5.8, в), сварные барабанные (рис. 5.8, г) и предназначенные специально для работы на вакуум-трубопроводах (рис. 5.8, д).

Рис. 5.8.– Линзовые компенсаторы.

Общими преимуществами линзовых компенсаторов всех без исключения типов является их компактность и нетребовательность в отношении обслуживания. Эти преимущества в большинстве случаев обесцениваются существенными их недостатками. Основные из них следующие:

· линзовый компенсатор создает значительные осевые усилия, действующие на неподвижные опоры трубопровода;

· ограниченная компенсирующая способность (максимальная деформация линзового компенсатора не превышает 80 мм):

· непригодность линзовых компенсаторов для давлений выше 0,2-0,3 МПа;

· сравнительно высокое гидравлическое сопротивление;

· сложность изготовления.

В силу перечисленных соображений линзовые компенсаторы применяются очень редко, а именно при совпадении ряда специфических условий: при низком давлении среды (от вакуума до 0,2 МПа), при наличии трубопровода большого диаметра (не менее 100 мм), при малой длине участка, обслуживаемого компенсатором (обычно не более 20 м), при передаче по трубопроводу газов и паров, но не жидкостей.

Сальниковые компенсаторы. Простейший тип сальникового компенсатора (так называемый односторонний неразгруженный компенсатор) показан на рис. 5.9. Он состоит из корпуса 4 с лапой (которой он крепится к неподвижной опоре), стакана 1 и сальника. Последний включает, сальниковую набивку 3 и грундбуксу (уплотнитель набивки) 2. Набивка сальника выполняется обычно из натертого графитом асбестового шнура, уложенного в виде отдельных колец. Стакан и корпус присоединяются посредством фланцев к трубопроводу. Стакан имеет бортик (помечен буквой а ), предотвращающий выпадение стакана из корпуса.

Основными достоинствомами сальниковых компенсаторов являются их компактность и значительная компенсирующая способность (обычно до 200 мм и выше).

Недостатки сальниковых компенсаторов:

· большие осевые усилия,

· необходимость периодического обслуживания сальников (что требует остановки трубопровода),

· возможность пропуска (протечки) среды через сальник,

· возможность заедания сальника, приводящая к поломке какой-либо детали трубопровода.

Заедание сальника может произойти вследствие неточной укладки трубопровода по прямой линии, оседания одной из опор в процессе эксплуатации, искривления продольной оси трубопровода под влиянием температурных изменений в ответвлении, разъедания поверхностей скольжения и отложения на них накипи или ржавчины.

В силу перечисленных недостатков сальниковые компенсаторы на трубопроводах общего назначения применяются чрезвычайно редко (например, на теплотрассах в стесненных городских условиях). Они находят применение на трубопроводах, выполненных из таких материалов, как: чугун (ферросилид и антихлор), стекло и фарфор, фаолит. Эти материалы по своим свойствам требуют укладки на жесткие основания, которые могут обеспечить хорошую работу сальниковых компенсаторов и из-за своей хрупкости исключают возможность применения самокомпенсации. Сальниковые компенсаторы, устанавливаемые на трубопроводах из этих материалов, выполняются из коррозионностойких материалов, что исключает заедание от ржавления трущихся поверхностей.

Все прочие трубопроводы, требующие компенсации тепловых удлинений, рекомендуется выполнять самокомпенсируемыми или снабжать, по возможности, компенсаторами из гнутых труб. О них ниже.

Компенсаторы, гнутые из труб. Компенсаторы этого типа в условиях предприятий и на магистральных трубопроводах являются наиболее распространенными. Гнутые компенсаторы выполняются из стальных, медных, алюминиевых и винипластовых труб.

а	б
Рис. 5.11.– Гнутые компенсаторы а – П-образный; б – S-образный

В зависимости от способа изготовления различают компенсаторы: гладкие (рис. 5.10, а), складчатые (рис. 5.10, б), волнистые (рис. 5.10, в), а в зависимости от конфигурации – лирообразные (рис. 5.10), П-образные (рис. 5.11, а) и S-образные (рис. 5.11, б).

Под термином «складчатый» понимается компенсатор, кривизна которого получается вследствие образования складок на внутренней поверхности изгибов, под термином «волнистый» – компенсатор, имеющий на криволинейных участках волны по всему сечению трубы. Основное различие между этими компенсаторами заключается в их компенсирующей способности и гидравлическом сопротивлении. Если принять компенсирующую способность гладкого компенсатора за единицу, то при прочих равных условиях компенсирующая способность складчатого компенсатора составит около 3, а волнистого около 5 – 6. В то же время гидравлическое сопротивление этих устройств минимально у гладкого и максимально у волнистого компенсатора.

К недостаткам гнутых компенсаторов всех без исключения типов следует отнести:

· значительные габариты, затрудняющие применение этих компенсаторов в тесных местах;

· сравнительно большое гидравлическое сопротивление;

· возникновение со временем явлений усталости в материале компенсатора.

Наряду с этим гнутые компенсаторы обладают следующими преимуществами:

· значительной компенсирующей способностью (обычно до 400 мм);

· незначительной величиной осевых усилий, нагружающих неподвижные опоры трубопровода;

· легкостью изготовления на месте монтажа;

· нетребовательностью в отношении прямолинейности трубопровода и появления перекосов в нем в процессе работы;

· простотой эксплуатации (не требует обслуживания).

Любой материал: твердый, жидкий, газообразный в соответствии с законами физики изменяет свой объем пропорционально изменению температуры. Для предметов, длина которых значительно превышает ширину и глубину, например, трубы, главным показателем является продольное расширение по оси - тепловое (температурное) удлинение. Такое явление должно быть обязательно принято в расчет в ходе реализации тех или иных инженерных работ.

К примеру, во время поездки на поезде слышно характерное постукивание из-за термических стыков рельс (рис.1), или при прокладке линий электропередач, провода монтируют, так чтобы они провисали между опорами (рис.2).

рис.4

Все тоже самое происходит и в инженерной сантехнике. Под воздействием температурных удлинений, при применении несоответствующих случаю материалов и отсутствию мероприятий по тепловой компенсации в системе, трубы провисают (рис.4 справа), увеличиваются усилия на элементах крепления неподвижных опор и на элементы инсталляции, что уменьшает долговечность системы в целом, а, в крайних случаях, может привести и к аварии.

Увеличение длины трубопровода рассчитывается по формуле:

ΔL - увеличение длины элемента [м]

α - коэффициент теплового расширения материала

lo - начальная длина элемента [м]

T2 - температура конечная [K]

T1 - температура начальная [K]

Компенсация тепловых расширений для трубопроводов инженерных систем осуществляется преимущественно тремя способами:

• естественная компенсация за счет изменения направления трассы трубопровода;
• использование элементов компенсации, которые в состоянии погасить линейные расширения труб (компенсаторы);
• предварительная натяжка труб (данный способ достаточно опасен и должен быть использован с крайней осторожностью).

рис.5

Естественная компенсация используется в основном при “скрытом” способе монтажа и представляет собой прокладку труб произвольными дугами (рис.5). Этот способ подходит для полимерных труб малой жесткости, таких как трубопроводы Системы KAN-therm Push: PE-X или PE-RT. Данное требование указано в СП 41-09-2005 (Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий с использованием труб из “сшитого” полиэтилена) в п. 4.1.11 В случае прокладки труб ПЭ-С в конструкции пола не допускается натягивание по прямой линии, а следует укладывать их дугами малой кривизны (змейкой) (...)

Такая укладка имеет смысл при монтаже трубопроводов по принципу “труба в трубе”, т.е. в трубе гофрированной или в трубной теплоизоляции, что указано не только в СП 41-09-2005, но и в СП 60.13330-2012 (Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) в п.6.3.3 …Прокладку трубопроводов из полимерных труб следует предусматривать скрытой: в полу (в гофротрубе)…

Тепловое удлинение трубопроводов компенсируется за счет пустот в защитных гофрированных трубах или теплоизоляции.

При выполнении компенсации такого типа следует обращать внимание на исправность фитингов. Чрезмерное напряжение, возникающее из-за изгиба труб, могут привести к образованию трещин на тройнике (рис. 6). Чтобы этого гарантировано избежать, изменение направления трассы трубопроводов должно происходить на расстоянии - минимум 10 наружных диаметров от штуцера фитинга, а труба рядом с фитингом должна быть жестко закреплена, это, в свою очередь, минимизирует воздействие изгибающих нагрузок на штуцеры фитинга.

рис.6

Еще одним видом естественной температурной компенсации является, так называемое, “жесткое” крепление трубопроводов. Оно представляет собой разбивку трубопровода на ограниченные участки температурной компенсации таким образом, чтобы минимальное увеличение трубы значимым образом не влияло на линейность ее прокладки, а излишние напряжения уходили в усилия на крепления точек неподвижных опор (рис.7).

рис.7

Компенсация этого типа работает на продольный изгиб. Для защиты трубопроводов от повреждения необходимо разделить трубопровод точками неподвижных опор на участки компенсации не более 5 м. Следует обратить внимание, что при такой прокладке на крепления трубопроводов воздействует не только вес оборудования, но и напряжения от температурных удлинений. Это ведет к необходимости каждый раз рассчитывать предельно допустимую нагрузку на каждую из опор.

Силы, возникающие от тепловых удлинений и воздействующие на точки неподвижной опоры, рассчитываются по следующей формуле:

DZ - наружный диаметр трубопровода [мм]

s - толщина стенки трубопровода [мм]

α - коэффициент теплового удлинения трубы

E - модуль упругости (Юнга) материала трубы [Н/мм]

ΔT - изменение (прирост) температуры [K]

Кроме этого, на точку неподвижной опоры также действует собственный вес отрезка трубопровода, заполненного теплоносителем. На практике основной проблей является то, что ни один производитель крепежа не дает данных по предельно допустимым нагрузкам на свои элементы креплений.

Естественными компенсаторами температурных удлинений являются Г,П,Z-образные компенсаторы. Это решение применяется в местах, где возможно перенаправить свободные термические удлинения трубопроводов в другую плоскость (рис. 8).

рис.8

Размер компенсационного плеча для компенсаторов типа „Г” „П” и „Z” определяется в зависимости от полученных тепловых удлинений, типа материала и диаметра трубопровода. Расчет выполняется по формуле:

[м]

K - константа материала трубы

Dz - наружный диаметр трубопровода [м]

ΔL - тепловое удлинение отрезка трубопровода [м]

Константа материала K связана с напряжениями, которые может выдержать данный тип материала трубопровод. Для отдельных Систем KAN-therm значения постоянной материала K представлены ниже:

Push PlatinumK = 33

Компенсационное плечо компенсатора типа „Г” :

A - длина компенсационного плеча

L - начальная длина отрезка трубопровода

ΔL - удлинение отрезка трубопровода

PP - подвижная опора

A - длина компенсационного плеча

PS - точка неподвижной опоры (неподвижная фиксация) трубопровода

S - ширина компенсатора

Для расчета компенсационного плеча А необходимо принять за эквивалентную длину Lэ большее из значений L1 и L2. Ширина S должна составлять S = A/2, но не менее 150 мм.

A - длина компенсационного плеча

L1, L2 - начальная длина отрезков

ΔLx - удлинение отрезка трубопровода

PS - точка неподвижной опоры (неподвижная фиксация) трубопровода

Для расчета компенсационного плеча необходимо принять за эквивалентную длину Lэ сумму длин отрезков L1 и L2: Lэ = L1+L2.

рис.9

Кроме геометрических температурных компенсаторов существует большое количество конструктивных решений такого вида элементов:

• сильфонные компенсаторы,
• эластомерные компенсаторы,
• тканевые компенсаторы,
• петлеобразные компенсаторы.

Ввиду относительно высокой цены некоторых вариантов, такие компенсаторы чаще всего применяются в местах, где ограничено пространство или технические возможности геометрических компенсаторов или естественной компенсации. Эти компенсаторы имеют ограниченный срок эксплуатации, рассчитанный в рабочих циклах - от полного расширения до полного сжатия. По этой причине для оборудования, работающего циклически или с переменными параметрами, трудно определить конечное время эксплуатации устройства.

Сильфонные компенсаторы для компенсации тепловых удлинений используют упругость материала сильфона. Сильфоны часто изготавливаются из нержавеющей стали. Такая конструкция определяет срок службы элемента - приблизительно 1000 циклов.

Срок службы осевых компенсаторов сильфонного типа значительно снижается в случае несоосного монтажа компенсатора. Эта особенность требует высокой точности их монтажа, а также их правильного крепления:

• возможно монтировать не более одного компенсатора на участке температурной компенсации между 2 соседними точками неподвижных опор;
• подвижные опоры должны полностью охватывать трубы и не создавать большого сопротивления компенсации. Максимальный размер люфтов не более 1 мм;
• осевой компенсатор рекомендуется, для большей стабильности, устанавливать на расстоянии 4Dn от одной из неподвижных опор;

Если у Вас возникают вопросы по температурным компенсациям трубопроводов Системы KAN-therm, Вы можете обратиться к .

12.1. Одно из условий сохранения прочности и надежной работы трубопроводов - полная компенсация температурных деформаций.

Температурные деформации компенсируют за счет поворотов и изгибов трассы трубопроводов. При невозможности ограничиться самокомпенсацией (например, на совершенно прямых участках значительной протяженности) на трубопроводах устанавливают П-образные, линзовые или волнистые компенсаторы.

12.2. Не допускается применять сальниковые компенсаторы на технологических трубопроводах, транспортирующих среды групп А и Б.

12.3. При расчете самокомпенсации трубопроводов и конструктивных размеров специальных компенсирующих устройств можно рекомендовать следующую литературу:

Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1965. 396 с.

Справочник по проектированию электрических станций и сетей. Раздел IX. Механические расчеты трубопроводов. М.: Теплоэлектропроект, 1972. 56 с.

Компенсаторы волнистые, их расчет и применение. М.: ВНИИОЭНГ, 1965. 32 с.

Руководящие указания по проектированию стационарных трубопроводов. Вып. II. Расчеты трубопроводов на прочность с учетом напряжений компенсации, № 27477-Т. Всесоюзный государственный проектный институт «Теплопроект», Ленинградское отделение, 1965. 116 с.

12.4. Тепловое удлинение участка трубопровода определяют по формуле:

где l - тепловое удлинение участка трубопровода, мм;  - средний коэффициент линейного расширения, принимаемый по табл. 18 в зависимости от температуры; l - длина участка трубопровода, м; t м - максимальная температура среды, °С; t н - расчетная температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки, °С; (для трубопроводов с отрицательной температурой среды t н - максимальная температура окружающего воздуха, °С; t м - минимальная температура среды, °С).

12.5. П-образные компенсаторы можно применять для технологических трубопроводов всех категорий. Их изготовляют либо гнутыми из цельных труб, либо с использованием гнутых, крутоизогнутых или сварных отводов; наружный диаметр, марку стали труб и отводов принимают такими же, как и для прямых участков трубопровода.

12.6. Для П-образных компенсаторов гнутые отводы следует применять только из бесшовных, а сварные - из бесшовных и сварных труб. Сварные отводы для изготовления П-образных компенсаторов допускаются в соответствии с указаниями п. 10.12 .

12.7. Применять водогазопроводные трубы по ГОСТ 3262- 75 для изготовления П-образных компенсаторов не разрешается, а электросварные со спиральным швом, указанные в табл. 5 , рекомендуются только для прямых участков компенсаторов.

12.8. П-образные компенсаторы должны быть установлены горизонтально с соблюдением необходимого общего уклона. В виде исключения (при ограниченной площади) их можно размещать вертикально петлей вверх или вниз с соответствующим дренажным устройством в низшей точке и воздушниками.

12.9. П-образные компенсаторы перед монтажом должны быть установлены на трубопроводах вместе с распорными приспособлениями, которые удаляют после закрепления трубопроводов на неподвижных опорах.

12.10. Линзовые компенсаторы, осевые, изготовляемые по ОСТ 34-42-309-76 - ОСТ 34-42-312-76 и ОСТ 34-42-325-77 - ОСТ 34-42-328-77, а также линзовые компенсаторы шарнирные, изготовляемые по ОСТ 34-42-313-76 - ОСТ 34-42-316-76 и ОСТ 34-42-329-77 - ОСТ 34-42-332-77 применяют для технологических трубопроводов, транспортирующих неагрессивные и малоагрессивные среды при давлении Р у до 1,6 МПа (16 кгс/см 2), температуре до 350 °С и гарантированном числе повторяющихся циклов не более 3000. Компенсирующая способность линзовых компенсаторов приведена в табл. 19 .

12.11. При установке линзовых компенсаторов на горизонтальных газопроводах с конденсирующимися газами для каждой линзы должен быть предусмотрен дренаж конденсата. Патрубок для дренажной трубы изготовляют из бесшовной трубы по ГОСТ 8732-78 или ГОСТ 8734-75 . При установке линзовых компенсаторов с внутренним стаканом на горизонтальных трубопроводах с каждой стороны компенсатора должны быть предусмотрены направляющие опоры.

12.12. Для увеличения компенсирующей способности компенсаторов допускается их предварительная растяжка (сжатие). Значение предварительной растяжки указывают в проекте, а при отсутствии данных ее можно принимать равной не более 50 %-ной компенсирующей способности компенсаторов.

12.13. Поскольку температура окружающего воздуха в период монтажа чаще всего превышает наименьшую температуру трубопровода, предварительную растяжку компенсаторов необходимо уменьшить на  попр , мм, которую определяют по формуле:

Где  - коэффициент линейного расширения трубопровода, принимаемый по табл. 18 ; L 0 - длина участка трубопровода, м; t монт - температура при монтаже, °С; t min - минимальная температура при эксплуатации трубопровода, °С.

12.14. Пределы применения линзовых компенсаторов по рабочему давлению в зависимости от температуры транспортируемой среды устанавливают по ГОСТ 356-80 ; пределы применения их по цикличности приведены ниже:


Общее число циклов работы компенсатора за период эксплуатации	Компенсирующая способность линзы при толщине стенки, мм
	2,5	3,0	4,0
300	5,0	4,0	3,0
500	4,0	3,5	2,5
1000	4,0	3,5	2,5
2000	2,8	2,5	2,0
3000	2,8	2,2	1,6


12.15. При установке шарнирных компенсаторов ось шарниров должна быть перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода.

При сварке узлов шарнирного компенсатора предельные отклонения от соосности не должны превышать для условного прохода: до 500 мм - 2 мм; от 500 до 1400 мм - 3 мм; от 1400 до 2200 мм - 4 мм.

Несимметричность осей шарниров относительно вертикальной плоскости симметрии (вдоль оси трубопровода) должна быть для условного прохода не более: до 500 мм - 2 мм; от 500 до 1400 мм - 3 мм; от 1400 до 2200 мм - 5 мм.

12.16. Качество линзовых компенсаторов, подлежащих установке на технологических трубопроводах, должно подтверждаться паспортами или сертификатами.

12.17. Сильфонные осевые компенсаторы КО, угловые КУ, сдвиговые КС и универсальные КМ в соответствии с ОСТ 26-02-2079-83 применяют для технологических трубопроводов с условным проходом D y от 150 до 400 мм при давлении от остаточного 0,00067 МПа (5 мм рт. ст.) до условного Р у 6,3 МПа (63 кгс/см 2), при рабочей температуре от - 70 до + 700 °С.

12.18. Выбор типа сильфонного компенсатора, схема его установки и условия его применения должны быть согласованы с автором проекта или с ВНИИнефтемашем.

Варианты материального исполнения сильфонных компенсаторов приведены в табл. 20 , а их техническая характеристика - в табл. 21 - 30 .

12.19. Сильфонные компенсаторы необходимо монтировать в соответствии с инструкцией по монтажу и эксплуатации, входящей в комплект поставки компенсаторов.

12.20. В соответствии с ОСТ 26-02-2079-83 средний срок службы сильфонных компенсаторов до списания - 10 лет, средний ресурс до списания - 1000 циклов для компенсаторов КО-2 и КС-2 и 2000 - для компенсаторов остальных типов.

Средний ресурс до списания компенсаторов КС-1 при вибрации с амплитудой колебаний 0,2 мм и частоте, не превышающей 50 Гц, - 10000 ч.

Примечание. Под циклом работы компенсатора понимают «пуск - остановку» трубопровода для ремонта, освидетельствования, реконструкции и т. п., а также каждое колебание температурного режима работы трубопровода, превышающее 30 °С.

12.21. При ремонтных работах на участках трубопроводов с компенсаторами необходимо исключить: нагрузки, приводящие к скручиванию компенсаторов, попадание искр и брызг на сильфоны компенсаторов при сварочных работах, механические повреждения сильфонов.

12.22. При наработке 500 циклов для компенсаторов КО-2 и КС-2 и 1000 циклов для сильфонных компенсаторов остальных типов необходимо:

при эксплуатации на пожаро-взрывоопасных и токсичных средах заменить их новыми;

при эксплуатации на других средах техническому надзору предприятия принять решение о возможности их дальнейшей эксплуатации.

12.23. При установке компенсатора в паспорт трубопровода вносят следующие данные:

техническую характеристику, завод-изготовитель и год изготовления компенсатора;

расстояние между неподвижными опорами, необходимую компенсацию, предварительное растяжение;

температуру окружающего воздуха при монтаже компенсатора и дату.

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.