Расчет деформаций установке сильфонных компенсаторов

Расчет деформаций.

3.4.3. В общем случае деформация теплопровода [ΔL] рассчитывается по формуле:

∆L = ∆l_t — ∆l_тр — ∆l_дм + ∆l_р;                                                   [1]

где:

∆l_t — температурная деформация

∆l_тр — деформация под действием сил трения

∆l_р — деформация от внутреннего давления

∆l_дм — реакция демпфера (грунта, поролоновых подушек, жесткости осевого компенсатора, упругости П-образных, Г-образных, Z-образных и др. компенсирующих устройств).

3.4.4. Длина зоны (участка) компенсации [L_к] при применении осевых СК, СКУ, ССК рассчитывается по формуле:

                                   [2]

3.4.5. Максимальное удлинение зоны компенсации (∆L_к) при нагреве теплопровода после засыпки траншеи грунтом можно определить по упрощенной формуле:

                          [3]

В формулах:

α — коэффициент линейного расширения стали, мм/м°С;

t₁ — максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

t_э — минимальная температура в условиях эксплуатации. Выбор t_э выполняется проектировщиком по согласованию с заказчиком и эксплуатирующей организацией (t_монт, t_о, t_упора и др.);

L_к — длина зоны (участка) компенсации, м;

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

Е — модуль упругости материала трубы, 2 × 10⁵ Н/мм²;

F_ст — площадь поперечного сечения стенки трубы, мм²;

А — коэффициент, учитывающий активную поверхность сильфонов осевых СК, СКУ:

A = 0,5 · [1 — (Dc/D_вн)²];                                                      [4]

D_c — средний диаметр сильфона, мм;

D_вн — внутренний диаметр трубы, мм;

σ_раст — растягивающее окружное напряжение от внутреннего давления, Н/мм² (см. формулу [13]).

Примечание:

В формулах [2 и 3] с целью упрощения проектных расчетов не учтено влияние усилия от активной реакции упругой деформации компенсатора: N_г/F_ст.

Расстановка направляющих опор.

3.4.6. Между двумя неподвижными опорами или естественно неподвижными сечениями трубы должен размещаться только один осевой СК, СКУ или ССК.

3.4.7. При применении осевых СК или СКУ на теплопроводах при подземной прокладке в каналах, туннелях, камерах, надземной прокладке и в помещениях установка направляющих опор обязательна.

3.4.8. Первые направляющие опоры устанавливаются с двух сторон компенсатора на расстоянии 2D_y ÷ 4D_y. Вторые предусматриваются с каждой стороны на расстоянии 14D_y ÷ 16D_y от компенсатора. Число и необходимость установки вторых и последующих направляющих опор определяются при проектировании по результатам расчета теплопровода на устойчивость.

3.4.9. При применении СКУ по техническим условиям ИЯНШ.300260.033ТУ на теплопроводах при подземной прокладке в каналах, туннелях и камерах, а также при надземной прокладке и в помещениях установки первой пары направляющих опор на расстоянии 2 ÷ 4 D_y не требуется, т.к. они предусмотрены конструкцией СКУ, но обязательна установка направляющих опор на расстоянии 14 ÷ 16 D_y от СКУ.

3.4.10. При размещении осевых СК-сильфонный компенсатор, СКУ-сильфонный узел или ССК-стартовый компенсатор  у неподвижной опоры расстояние до нее должно быть в пределах 2D_y — 4D_y. В этом случае направляющие опоры для СК и СКУ устанавливаются только с одной стороны. С другой стороны их функцию выполняет неподвижная опора.

3.4.11. В случае размещения осевых сильфонных компенсаторов СК или сильфонное компенсирующее устройство СКУ в камерах функции направляющих опор могут выполнять стенки камер со специальной конструкцией обвязки входного и выходного проемов камеры.

3.4.12. Направляющие опоры (см. рис. в Приложении 4) следует применять, как правило, охватывающего типа (хомутовые, трубообразные, рамочные), принудительно ограничивающие возможность поперечного или углового сдвига и не препятствующие осевому перемещению. Для уменьшения силы трения между трубой и опорой предпочтительна установка катков, фторопластовых скользящих прокладок и т.п. Длина направляющей опоры должна быть, как правило, не менее двух диаметров. Зазор между трубой и направляющей конструкцией следует принимать не более 1,6 мм при диаметрах труб D_y £ 100 мм, и не более 2,0 мм при трубах D_y ³ 125 мм.

3.4.13. При бесканальной прокладке теплопроводов с осевыми СК или СКУ следует провести проверку теплопроводов на устойчивость в следующих случаях:

— при малой глубине заложения теплопроводов (менее ~ 1 м от оси труб до поверхности земли);

— при вероятности затопления теплопровода грунтовыми, паводковыми или другими водами;

— при вероятности ведения земляных работ;

— при необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению живучести теплопровода (на основе технического задания заказчика).

При вероятности сезонного подъема уровня стояния грунтовых или поверхностных вод выше глубины заложения бесканально проложенных теплопроводов с осевыми СК или СКУ следует провести проверку на всплытие не заполненного водой теплопровода.

3.4.14. При выборе места размещения осевых СК или СКУ должна быть обеспечена возможность сдвижки кожуха компенсатора в любую сторону на его полную длину.

3.4.15. Осевые СК или СКУ с внутренними направляющими патрубками следует устанавливать на теплопроводах так, чтобы направление стрелки на корпусе компенсатора совпадало с направлением движения теплоносителя.

Расчет предельно допустимой длины участка теплопровода

3.4.16. Предельную длину прямого участка теплопровода при бесканальной прокладке между неподвижными опорами (н.о.) или условно неподвижными сечениями (у.н.с.) трубы, при которой не превышается максимально допустимое осевое напряжение в стальной трубе теплопровода, следует определять по формуле:

                                                       [5]

где:

σ_расч — расчетное осевое напряжение в трубе, Н/мм²

F_ст — площадь поперечного сечения стенки трубы, мм²:

F_ст = π(D_н — s) · s, мм²;                                                       [6]

где:

D_н — наружный диаметр трубы, мм;

s — толщина стенки трубы, мм;

f_тр — удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м.

Удельная сила трения (f_тр) при бесканальной прокладке подсчитывается по формуле:

f_тр = μ[(1 — 0,5 φ) · γ · Z · π · D_об · 10^-3 + q_трубы), Н/м;                            [7]

где:

φ — угол внутреннего трения грунта (для песка φ = 0,5).

С учетом этого [7] можно переписать в виде:

f_тр = μ(0,75 · γ · Z · π · D_об · 10^-3 + q_трубы), Н/м;

q_трубы — вес 1 м теплопровода с водой, Н/м;

μ — коэффициент трения:

при ППУ-изоляции — 0,40,

при ППБ-изоляции — 0,38,

при АПБ-изоляции — 0,60,

γ — удельный вес грунта, Н/м³,

Z — глубина засыпки по отношению к оси трубы, м,

D_об — наружный диаметр теплопровода (по оболочке), мм. (для конструкций теплопроводов с величиной адгезии теплоизоляции к трубе и оболочки к теплоизоляции

f_{адгезии} ³ 0,15 МПа.

При меньших значениях f_{адгезии} расчеты ведутся по D_н трубы.

Пример:

Определить предельную длину прямого участка теплопровода D_y 150 мм: Грунт песчаный, угол естественного откоса грунта φ = 35°.

1. Площадь поперечного сечения стенки трубы:

F_ст = π · (D_н — s) · s = 3,14 · (159 — 4,5) · 4,5 = 2183 мм²

2. Удельная сила трения на единицу длины трубы:

f_тр = μ(0,75 · γ · Z · π · D_об · 10^-3 + q_трубы) = 0,4(0,75 · 18000 · 1 · 3,14 · 250 · 10^-3 + 503) = 4440 Н/м.

3. Предельная длина прямого участка теплопровода:

 

σ_доп — допускаемое осевое напряжение в трубе, Н/мм²

                              [8]

[σ] — номинальное значение допускаемого напряжения материала

φ — коэффициент снижения прочности сварного шва при расчете на давление (для электросварных труб). При полном контроле шва и контроле качества сварки по всей длине неразрушающими методами φ = 1, при выборочном контроле шва φ = 0,8, а менее 10 % φ = 0,7.

Р — избыточное внутреннее давление, Мпа.

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

Допускается использовать приближенные формулы:

при φ_н = 1:

σ_доп = 1,25[σ], Н/мм²

при φ_н = 0,8:

σ_доп = 1,125[σ], Н/мм²

Примечание.

При необходимости предельная длина компенсируемого участка теплопровода может быть увеличена, например, за счет применения стальных труб с повышенной толщиной стенки. Так, при s = 6 мм:

F_ст = π · (D_н — s) · s = 3,14 · (159 — 6) · 6 = 2882 мм²

f_тр = μ(0,75 · γ · Z · π · D_об · 10^-3 + q_трубы) = 0,4(0,75 · 18000 · 1 · 3,14 · 250 · 10^-3 + 508) = 4445 Н/м.

 

3.4.17. Расчет предельной длины теплопровода между неподвижными опорами, прокладываемого под землей в каналах, туннелях или над землей, как правило, не производится.

Исключение составляют случаи совместной прокладки труб с опиранием на основную трубу («труба-на-трубе»), использования основной трубы в качестве несущей конструкции, прокладки теплопроводов в районах высокой сейсмики.

В этом случае расчет (f_тр) может быть выполнен по формуле:

f_тр = (q_трубы q_{пригруз} + η_вет + η_лед + η_снег) · μ, Н/м;                                   [9]

где:

q_трубы — вес 1 м теплопровода с водой, Н/м;

q_{пригруз} — вес пригруза (дополнительные трубы, строительные конструкции, пешеходные дорожки, ограждения, площадки обслуживания, мостики и т.п. с использованием основных теплопроводов в качестве несущей конструкции), Н/м;

μ — коэффициент трения:

при скользящих опорах — 0,3,

при шариковых опорах — 0,1,

при катковых опорах — 0,1 — 0,15,

при фторопластовых опорах — 0,05 — 0,1.

η_ветер + η_лед + η_снег — дополнительная перегрузка:

η_вет = 0,8 · ψ · h_выс, Н/м;

η_лед = 65 · h_шир, Н/м;

η_снег = 1,4 · q_снег · h_шир, H/м;

где:

ψ — скоростной напор ветра, Н/м² (по СНиП 23.01-99 «Строительная климатология»);

q_снег — нормативный вес снегового покрова Н/м² горизонтальной проекции на 1 м теплопровода (СНиП 2.01.07-85);

h_выс — высота вертикальной проекции конструкции (теплопровод + пригруз), м;

h_шир — суммарная ширина в горизонтальной плоскости всех теплопроводов и конструкций (теплопровод + пригруз), м.

Способы применения СК, СКУ, ССК при прокладке тепловых сетей

3.4.18. С СК, СКУ применимы три основных способа прокладки теплопроводов тепловых сетей

I способ

С использованием компенсирующей способности СК, СКУ в соответствии с пунктом 7.34 СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети» в диапазоне изменения температуры стенки трубопровода от максимальной (t₁), равной максимальной расчетной температуре теплоносителя, до расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления (to)

II способ

С использованием компенсирующей способности СК, СКУ в диапазоне изменения температуры стенки трубопровода от максимальной, равной расчетной температуре теплоносителя (t₁), до минимальной (t_.мин), равной наименьшей температуре наружного воздуха в данной местности. Значение (t_.мин) определяется по согласованию с заказчиком по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» или по заданной обеспеченности (например, t_мин(0,98)), °С.

III способ.

С использованием всей компенсирующей способности СК, СКУ в диапазоне изменения температуры стенки трубопровода от максимальной (t₁), принимаемой равной расчетной температуре теплоносителя, до (t_э = t_упора) — температуры стенки трубопровода в момент упора в ограничитель полностью растянутого сильфона.

Колебания температур в защемленных (неподвижных) трубах от (t_упора) до (t_o) компенсируются изменением осевого напряжения (σ_ос) в трубах.

IV способ.

Использование ССК, завариваемых после предварительного нагрева, для частичной разгрузки температурных деформаций теплопровода за счет предварительного нагрева теплопровода во время его монтажа до температуры, равной 50 % от максимальной.

3.4.19. Первый способ применения осевых СК или СКУ

допускается применять при всех видах прокладки теплопроводов. Максимальная длина участка, на котором устанавливается один осевой СК или СКУ, рассчитывается по формуле:

                                                [10]

где:

λ_-1 — амплитуда осевого хода, мм;

α — коэффициент линейного расширения стали, мм/м°С;

t₁ — максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

t_o — расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления (средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью t_о(0,92)) по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», °С.

Пример:

Определить максимальную длину участка, на котором устанавливается один осевой СК или СКУ D_y 150 мм:

 

3.4.20. Второй способ применяется при надземной прокладке. При втором способе применения осевых СК или СКУ максимальная длина участка, на котором устанавливается один осевой СК или СКУ, рассчитывается по формуле [10], но вместо температуры (t_о) подставляется t_мин — минимум температур наружного воздуха в данной местности. Определяется по согласованию с заказчиком по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» или по заданному коэффициенту обеспеченности (например, t_мин(0,98)), °C.

3.4.21. При применении для теплопроводов при надземной прокладке конструкций осевых СК или СКУ, в которых не предусмотрен ограничитель нерасчетного растяжения сильфона, установка их выполняется по второму способу.

3.4.22. Третий способ применим при всех видах прокладки, в том числе бесканальной. Длина компенсируемого участка рассчитывается по формуле:

                                                [11]

Примечание: по согласованию с ОАО «Компенсатор» коэффициент запаса (0,9) может не применяться.

В формуле (11):

t_э — минимальная температура в условиях эксплуатации (t_монт, t_упора, или любая другая температура). Выбор (расчет) t_э выполняется проектировщиком по согласованию с заказчиком и эксплуатирующей организацией.

Пример:

Температура t_э для случая, когда длина компенсируемого участка L_м^λ теплопровода D_y 150 мм выбрана равной L_пред, определяется по формуле:

 

При t_э = t_упора расчет ведется следующим образом:

Температура стенки трубопровода в момент упора растянутого сильфона в ограничитель (t_упора) при полном использовании принятого [σ_расч] определяется по формуле:

                              [12]

где:

φ₁ — коэффициент прочности поперечного сварного шва;

σ_расч — расчетное осевое напряжение в трубе, Н/мм². Определяется по [л. 1];

σ_вн — осевое напряжение от внутреннего давления, Н/мм²:

                                              [13]

σ_раст —

:

                                            [14]

Пример:

Определить температуру стенки трубопровода Dy 150 мм в момент упора растянутого сильфона в ограничитель (t_упора) при полном использовании [σ_расч].

1. Растягивающее окружное напряжение от внутреннего давления:

 

2. Осевое напряжение от внутреннего давления:

 

3. Температура стенки трубопровода Dy 150 мм в момент упора растянутого сильфона в ограничитель: