Приложение В. Методика расчета компенсации температурных деформаций

Приложение В

Методика расчета компенсации температурных деформаций

В.1 Условные обозначения

- площадь поперечного сечения стенки трубы, ;

- площадь действия внутреннего давления , ;

- внутренний диаметр трубы, мм;

- наружный диаметр трубы, мм;

- наружный диаметр теплопровода по оболочке, мм;

- наружный диаметр СК по сильфону, мм;

s - номинальная толщина стенки трубы, мм;

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

- коэффициент трения полиэтиленовой оболочки по грунту;

- угол внутреннего трения грунта, град.;

- удельный вес пульпы, ;

- объем пульпы, вытесненной теплопроводом, ;

- вес 1 м теплопровода без воды, Н/м;

- вес 1 м теплопровода с водой, Н/м;

- вес слоя грунта над трубой, Н/м;

- удельный вес грунта, ;

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

- вертикальная стабилизирующая нагрузка на 1 м трубы, Н/м;

- сдвигающая сила, возникающая в результате действия давления грунта в состоянии покоя, Н/м;

- максимальная расчетная температура теплоносителя, °C;

- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления (средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92), °C;

- монтажная температура, °C;

- расчетное осевое напряжение в трубе, ;

- напряжение в трубе от силы жесткости сильфона компенсатора, ;

- напряжение от собственного веса теплопровода, ;

- растягивающее окружное напряжение от внутреннего давления, ;

- допускаемое осевое напряжение в трубе, ;

- дополнительное напряжение, возникающее в трубе при остывании от до , ;

- эффективная площадь поперечного сечения сильфонного компенсатора

;

- жесткость осевого хода, Н/см;

- амплитуда осевого хода, мм;

L - расстояние между неподвижными опорами или условно неподвижными сечениями трубы, м:

- расстояние между подвижными опорами, м;

- паспортная длина СК или СКУ, мм;

- распорная сила сильфонных компенсаторов, Н;

- сила жесткости сильфонных компенсаторов, Н;

- сила трения теплопровода о грунт на участках бесканальной прокладки, Н;

Р - внутреннее давление, МПа;

N - осевое (сжимающее, растягивающее) усилие в трубе, Н;

W - момент сопротивления поперечного сечения стенки трубы

;

- коэффициент линейного расширения стали, 0,012 мм/м°C;

I - момент инерции трубы

;

- минимальная температура в условиях эксплуатации (, или любая другая температура). Выбор выполняется проектировщиком по согласованию с заказчиком и эксплуатирующей организацией.

В.2 Методика расчета

Предельная длина компенсируемого прямого участка теплопровода между неподвижной опорой (или естественно неподвижным сечением трубы) и компенсирующим устройством не должна превышать предельной длины, рассчитанной по формуле

, (В.1)

где - площадь поперечного сечения стенки трубы,

, (B.2)

- наружный диаметр трубы, мм;

S - толщина стенки трубы, мм;

- удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м

. (B.3)

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

- коэффициент трения полиэтиленовой оболочки по грунту, при трении по песку допускается принимать ;

- вес 1м теплопровода с водой, Н/м;

- удельный вес грунта и воды, ;

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

- допускаемое осевое напряжение в трубе,

, (В.4)

- коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на давление (для электросварных труб), принимается по [5]. При полном проваре шва и контроле качества сварки по всей длине неразрушающими методами ; при выборочном контроле качества сварки не менее 10% длины шва , а менее 10% - ;

Р - избыточное внутреннее давление, МПа;

- коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на изгиб. При наличии изгиба , а при отсутствии изгиба .

Допустимо пользоваться приближенными формулами:

при :

; (В.5)

при: :

; (В.6)

- наружный диаметр теплопровода по полиэтиленовой оболочке, мм, для конструкций теплопроводов с величиной адгезии теплоизоляции к трубе и оболочки к теплоизоляции МПа, при меньших значениях расчеты ведутся по трубы;

- угол внутреннего трения грунта (для песка ).

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

- применения стальных труб с повышенной толщиной стенки;

- уменьшения коэффициента трения обертыванием теплопровода полиэтиленовой пленкой;

- уменьшения Z - глубины прокладки теплопровода, т.е. засыпки по отношению к оси трубы;

- повышения качества сварных швов и др.

Пример

Определить предельную длину прямого участка теплопровода диаметром 159x4,5 мм, рабочая температура 130°C, рабочее давление 1,6 МПа, материал - сталь Вст3сп5. Грунт песчаный, угол внутреннего трения грунта , расстояние от поверхности земли до оси трубы Z = 1,0 м.

Номинальное допускаемое напряжение для заданного материала при температуре 130°C .

Площадь поперечного сечения стенки трубы:

.

Удельная сила трения на единицу длины трубы:

.

Допускаемое осевое напряжение:

.

Предельная длина прямого участка теплопровода:

.

При увеличении толщины стенки трубы, например, до 6 мм:

.

.

.

В.3 Выбор и расчет компенсирующих устройств

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

I группа (устройства)

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

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

II группа (системы)

а) системы с предварительным нагревом до засыпки грунтом;

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

Компенсирующие устройства группы la могут размещаться в любом месте теплопровода.

При этом протяженный теплопровод может иметь три вида зон:

- зоны изгиба - участки теплопровода, непосредственно примыкающие к компенсатору. Теплопровод при нагреве перемещается в осевом и боковых направлениях;

- зоны компенсации - участки теплопровода, примыкающие к компенсатору, перемещающиеся при температурных деформациях. Участки изгиба включаются в длину участков компенсации;

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

В общем случае деформация теплопровода рассчитывается по формуле

, (В.7)

где - температурная деформация;

- деформация под действием сил трения;

- деформация от внутреннего давления;

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

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

Размещение компенсирующих устройств группы la наиболее эффективно в середине компенсируемого участка.

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

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

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

, (В.8)

где - удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м;

- площадь кольцевого сечения трубы, ;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

Е - модуль упругости материала трубы, ;

- принимать равным , °C;

- минимальная температура в условиях эксплуатации (, и т.д.).

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

Максимальное удлинение зоны компенсации при нагреве теплопровода после засыпки траншеи грунтом можно определить по упрощенной формуле

, (В.9)

где - коэффициент линейного расширения стали, ;

- максимальная расчетная температура теплоносителя, °C;

- минимальная температура в условиях эксплуатации. Выбор выполняется проектировщиком по согласованию с заказчиком и эксплуатирующей организацией;

- длина зоны (участка) компенсации, м;

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

Е - модуль упругости материала трубы, ;

- площадь поперечного сечения стенки трубы, .

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

, - осевая составляющая растягивающего окружного напряжения от внутреннего давления. При расширении учитывается с положительным знаком;

, - влияние усилия от активной реакции грунта. При расширении учитывается с отрицательным знаком.

Демпфер - поролоновые подушки, тем более канальные участки, практически не препятствуют свободному расширению теплопровода и сводят к минимуму влияние . Второй член может быть заменен величиной упругой деформации компенсатора.

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

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

, (В.10)

где - амплитуда осевого хода, мм;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

- максимальная расчетная температура теплоносителя, °C;

- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления (средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью по СНиП 23-01, °C.

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

Пример

Определить максимальную длину участка, на котором устанавливается один компенсатор мм типа КСО:

.

Длина зоны компенсации при применении СК и СКУ рассчитывается по формуле

, (В.11)

где А - коэффициент, учитывающий активную площадь сильфона СК или СКУ:

; (В.12)

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

- площадь кольцевого сечения трубы, ;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

Е - модуль упругости материала трубы, ;

- принимать равным: , °C;

- наружный диаметр трубы, мм;

- диаметр, характеризующий эффективную площадь сильфона, мм:

,

- эффективная площадь сильфона.

Системы компенсации II группы не требуют установки постоянно действующих компенсирующих устройств.

Компенсация температурных деформаций происходит за счет изменения осевого напряжения в защемленной трубе. Поэтому область применения тепловых сетей без постоянно действующих компенсирующих устройств ограничена допустимым перепадом температур .

Системы II группы применяются, как правило, в случаях, когда трасса состоит из длинных прямолинейных участков с зонами защемления .

Максимально допустимый перепад температур c учетом предварительного нагрева, обычно принимаемого равным , не должен превышать:

, (В.13)

Отсюда максимальная температура теплоносителя :

, (В.14)

где - допускаемое осевое напряжение в трубе, ;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

E - модуль упругости материала трубы, ;

- следует принимать , °C.

Пример

Определить максимальную температуру теплоносителя для прямого участка при и .

Согласно формуле (В.5) допускаемые осевые напряжения составляют .

.

Отсюда максимальная температура теплоносителя:

.

Системы, относящиеся ко IIа группе, - предварительный нагрев до засыпки грунтом:

- монтируются и до засыпки грунтом нагреваются до температуры предварительного нагрева :

; (В.15)

- теплопроводы засыпаются. Температура нагрева должна поддерживаться до полной засыпки их грунтом. Затем трубопроводы охлаждаются до температуры монтажа. В защемленной зоне уровень напряжений, , будет приблизительно равен:

, (В.16)

где , °C.

Затем теплопровод нагревается до рабочей температуры.

В системах, относящихся к группе IIб, предусматривают применение стартовых компенсаторов.

Система полностью монтируется в траншее и засыпается грунтом (за исключением мест установки стартовых компенсаторов). Затем система нагревается до температуры, при которой все стартовые компенсаторы замыкаются. После чего осуществляется их заварка. Таким образом, стартовые компенсаторы срабатывают один раз, после чего система превращается в неразрезную и компенсация температурных расширений в дальнейшем осуществляется за счет знакопеременных осевых напряжений сжатия-растяжения.

Максимально допустимое расстояние, м, между стартовыми компенсаторами составляет

, (В.17)

где - удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м.

Применение коэффициента перегрузки - по 4.3.2;

- площадь кольцевого сечения трубы, ;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

Е - модуль упругости материала трубы, ;

Диапазон температур предварительного нагрева, при которых может быть осуществлена заварка:

; (В.18)

. (В.19)

Формула (В.18) исходит из достижения допустимых осевых напряжений в холодном состоянии трубопровода после выполнения растяжки, а формула (В.19) - из достижения таких же напряжений в рабочем состоянии. В интервале от до любая будет удовлетворять условиям прочности.

- температура, при которой монтируются стартовые компенсаторы.

При проектировании следует учитывать, что может изменяться в пределах от нуля (при длительной остановке нагрева сетевой воды) до расчетной температуры наружного воздуха, принимаемой для расчета отопления (при глубине прокладки менее 0,7 м). Поэтому рекомендуется принимать близко к средней, определенной по формуле (В.15).

С помощью нагрева до температуры и заварки стартового компенсатора осуществляется растяжка трубопровода на величину

, (В.20)

где .

Если по конструктивным соображениям расстояние между стартовыми компенсаторами требуется уменьшить, в формулу (В.20) вместо максимально допустимого значения подставляется реальное.

Пример

Определить предельно допустимое расстояние между стартовыми компенсаторами, температуру предварительного нагрева и величину растяжки при следующих исходных данных. Трубопровод диаметром 426 мм с толщиной стенки 7 мм с изоляцией, наружный диаметр кожуха изоляции 560 мм, площадь поперечного сечения трубы 92 , материал - сталь марки 20, давление в рабочем состоянии 1,6 МПа, наибольшая температура теплоносителя 130°C, при монтаже компенсаторов - 10°C, вес трубопровода с изоляцией и водой с учетом коэффициентов перегрузки 2122 Н/м. Трубопровод имеет глубину заложения в грунте Z = 1,1 м, окружающий грунт - песок.

Определяем допускаемое осевое напряжение по формуле (В.4):

.

Удельная сила трения по формуле (В.3) составляет:

.

Предельно допустимое расстояние между стартовыми компенсаторами - по формуле (В.17)

.

Температура предварительного нагрева - по формуле (В.18)

;

по формуле (В.19)

.

Примем среднее значение , тогда осевые напряжения в рабочем состоянии составят:

.

Определяем по формуле (В.20)

,

где .

В практике проектных и монтажных работ допускается использовать приближенные формулы для определения расчетного сжатия стартового компенсатора , мм:

; (В.21)

. (В.22)

В местах установки стартовых компенсаторов теплопроводы должны иметь прямолинейные участки длиной не менее 12 м.

Для уменьшения величины трения теплопровода о грунт допускается его обернуть полиэтиленовой пленкой.

Траншею в местах установки стартовых компенсаторов следует засыпать только после выполнения предварительного нагрева теплопровода, завершения сварочных работ и монтажа стыкового соединения.

Расстояние от стартового компенсатора до места установки ответвления должно быть не менее .