Приложение Е. Методика расчета компенсации температурных деформаций

Приложение Е

Методика расчета компенсации температурных деформаций

Е.1 Условные обозначения

- внутренний диаметр трубы, мм;

- наружный диаметр трубы, мм;

- наружный диаметр теплопровода по оболочке, мм;

- площадь поперечного сечения стенки трубы, мм;

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

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

P - внутреннее давление, МПа;

- вес 1 м теплопровода с водой, Н/м;

- эффективная площадь поперечного сечения СК, определяемая по формуле

, ;

s - номинальная толщина стенки трубы, мм;

- монтажная температура, °С;

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

- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления (средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по СП 131.13330), °С;

- максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

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

- коэффициент линейного расширения стали, ;

- удельный вес грунта, ;

- амплитуда осевого хода, мм;

- коэффициент трения полиэтиленовой оболочки по грунту;

- допускаемое осевое напряжение в трубе, ;

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

- растягивающее окружное напряжение от внутреннего давления, ;

- коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на давление;

- угол внутреннего трения грунта, град;

- коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на изгиб.

Е.2 Методика расчета

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

, (Е.1)

где - площадь поперечного сечения стенки трубы, , определяемая по формуле

, (Е.2)

здесь - наружный диаметр трубы, мм;

s - толщина стенки трубы, мм;

- удельная сила трения* на единицу длины трубы, Н/м, определяемая по формуле

, (Е.3)

здесь - коэффициент трения полиэтиленовой оболочки по грунту, при трении по песку допускается принимать = 0,40;

- вес 1 м теплопровода с водой, Н/м;

- удельный вес грунта и воды, ;

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

- допускаемое осевое напряжение в трубе, , определяемое по формуле

, (Е.4)

где - коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на давление (для электросварных труб), принимают по соответствующему стандарту. 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% - ;

P - избыточное внутреннее давление, МПа;

- коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на изгиб. При наличии изгиба = 0,9, а при отсутствии изгиба = 1.

Допускается пользоваться приближенными формулами:

- при :

; (В.5)

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "(Е.5)"

- при :

; (В.6)

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "(Е.6)"

- наружный диаметр теплопровода по полиэтиленовой оболочке, мм, для конструкций теплопроводов со значением адгезии теплоизоляции к трубе и оболочки к теплоизоляции МПа; при меньших значениях расчеты ведут 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 глубины прокладки теплопровода Z, т.е. засыпки по отношению к оси трубы;

- повышения качества сварных швов и др.

Пример

Необходимо определить предельную длину прямого участка теплопровода диаметром 159х4,5 мм, рабочей температурой 130°С, рабочим давлением 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°С .

Площадь поперечного сечения стенки трубы:

.

Удельная сила трения на единицу длины трубы:

Н/м.

Допускаемое осевое напряжение:

.

Предельная длина прямого участка теплопровода:

м.

При увеличении толщины стенки трубы, например до 6 мм:

;

Н/м.

м.

Е.3 Выбор и расчет компенсирующих устройств

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

Группа I (устройства):

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

б) с СК или СКУ.

Группа II (системы):

а) системы с предварительным нагревом до засыпки грунтом;

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

Компенсирующие устройства группы Iа 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 включают в длину участков компенсации;

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

В общем случае деформацию теплопровода рассчитывают по формуле

, (Е.7)

где - турная деформация;

- деформация под действием сил трения;

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

- деформация от внутреннего давления.

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

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

При П-образных компенсаторах рекомендуется длину наибольшего плеча принимать менее 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

, (Е.8)

где - площадь поперечного сечения трубы, ;

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

Е - модуль упругости материала трубы, ;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

- приращение температуры, °С, определяемое по формуле

,

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

Выбор проводят 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

, (Е.9)

где - коэффициент линейного расширения стали, ;

- максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

- 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 (Е.8) и (Е.9) в целях 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.

Выполняющие функцию демпфера поролоновые подушки, тем более канальные участки, практически не препятствуют температурному 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 СК и СКУ конкретных предприятий - производителей СК и СКУ, продукция которых отличается конструктивно и технологически.

Длину участка, на котором устанавливают один СК (одно СКУ), рассчитывают по формуле

, (E.10)

где - амплитуда осевого хода, мм;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

- максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, °С.

При наличии на участке канальной и бесканальной прокладок принимают коэффициент 0,9; при бесканальной прокладке - 1,15.

Пример

Необходимо определить максимальную длину участка, на котором устанавливается один осевой СК с условным проходом мм:

м < 84 м.

Длину зоны компенсации при применении СК и СКУ рассчитывают по формуле

, (Е.11)

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

; (Е.12)

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

- площадь поперечного сечения трубы, ;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

Е - модуль упругости материала трубы, ;

- приращение температуры, °С, определяемое по формуле

;

- наружный диаметр трубы, мм;

- диаметр, характеризующий эффективную площадь сильфона, мм, определяемый по формуле:

,

- эффективная площадь поперечного сечения СК.

Системы компенсации группы II 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 группы II применяют в случаях, когда трасса состоит из длинных прямолинейных участков с зонами защемления .

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

, (Е.13)

Вычисляют максимальную температуру теплоносителя по формуле

, (Е.14)

где - допускаемое осевое напряжение в трубе, ;

- коэффициент линейного расширения стали, ;

Е - модуль упругости материала трубы, ;

- приращение температуры, °С, определяемое по формуле

,

Пример

Необходимо определить максимальную температуру теплоносителя для прямого участка при и .

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

.

Таким образом, максимальная температура теплоносителя:

.

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

- монтируют и до засыпки грунтом нагревают до температуры предварительного нагрева :

; (Е.15)

- теплопроводы засыпают. Температуру нагрева следует поддерживать до полной засыпки их грунтом. Затем теплопроводы охлаждают до температуры монтажа. В защемленной зоне уровень напряжений, , будет приблизительно равен:

, (Е 16)

где , °С.

Затем теплопровод нагревают до рабочей температуры.

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

Систему полностью монтируют в траншее и засыпают грунтом (за исключением мест установки стартовых компенсаторов). Затем систему нагревают до температуры, при которой все стартовые сильфонные компенсаторы замыкаются, после чего осуществляется их заварка. Таким образом, стартовые сильфонные 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 сильфонными компенсаторами составляет

, (Е.17)

где - площадь поперечного сечения трубы, ;

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

- коэффициент линейного расширения стали, ;

Е - модуль упругости материала трубы, .

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

; (Е.18)

. (Е.19)

Формула (Е.18) определяет минимальную температуру предварительного нагрева, исходя из достижения допустимых осевых напряжений в холодном состоянии теплопровода после выполнения растяжки, а формула (В.19) - из достижения таких же напряжений в рабочем состоянии. В интервале от до любая будет удовлетворять условиям прочности;

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вместо "формула (В.19)" имеется в виду "формула (Е.19)"

- температура, при которой монтируются стартовые сильфонные 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 (Е.15).

С помощью нагрева до температуры и заварки стартового сильфонного компенсатора осуществляется растяжка теплопровода на значение , определяемое по формуле

, (Е.20)

где .

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

Пример

Необходимо определить предельно допустимое расстояние между стартовыми сильфонными компенсаторами, температуру предварительного нагрева и значение растяжки при следующих исходных данных: теплопровод 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°С, при монтаже компенсаторов - 10°С, вес теплопровода с изоляцией и водой с учетом коэффициентов перегрузки 2122 Н/м. Теплопровод имеет глубину заложения в грунте Z = 1,1 м, окружающий грунт - песок.

Определяют допускаемое осевое напряжение по формуле (Е.4):

МПа.

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

Н/м.

Предельно допустимое расстояние между стартовыми сильфонными компенсаторами определяют по формуле (Е.17):

м.

Температуру предварительного нагрева определяют по формулам (Е.18):

;

и (Е.19):

.

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

.

Определяют по формуле (Е.20):

мм,

где .

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

, (Е.21)

. (Е.22)

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

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

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

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

______________________________

* Применяют следующие коэффициенты перегрузки для удельной силы трения: 1,2 - к плотности грунта; 1,1 - к весу трубы; 1,2 - к весу изоляции.