ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕПЛОПРОВОДОВ И ИХ РАСЧЕТ

Трубы и араматура. Для строительства тепловых сетей ирюльзуют стальные трубы, соединяемые при помощи электрической или газо­вой сварки Стальные трубы подвергаются внутренней и наружной коррозии, что снижает срок службы и надежность тепловых сетей. В связи с этим для местных систем горячего водоснабжения, кото­рые подвержены усиленной коррозии, применяют трубы стальные оцинкованные. В ближайшем будущем намечается применение эма­лированных труб.

Из стальных труб для тепловых сетей в настоящее время исполь­зуют в основном электросварные с продольным прямым и спираль­ным швом и бесшовные горячедеформированные и холоднодеформи- рованные, изготовляемые из сталей марок Ст. 3, 4, 5, 10, 20 и низко­легированных. Выпускаются электросварные трубы до условного диаметра 1400 мм, бесшовные — 400 мм. Для сетей горячего водо­снабжения могут применяться также водогазопроводные стальные трубы.

В последние годы ведутся работы по использованию для тепло­снабжения неметалличёских труб (асбестоцементных, полимерных, стеклянных и др.). К их достоинствам относится высокая антикорро­зионная устойчивость, а у полимерных и стеклянных труб и более низкая шероховатость по сравнению со стальными трубами. Асбесто - цементные и стеклянные трубы, соединяют при помощи специальных конструкций, а полимерные трубы — на сварке, что значительно уп­рощает монтаж и повышает надежность и герметичность соединений. Основным недостатком указанных неметаллических труб являются невысокие допустимые значения температур и давлений теплоноси­теля — примерно 100°С и 0,6 МПа. В связи с э^им их можно исполь­зовать только в сетях, работающих с низкими параметрами воды, например в системах горячего водоснабжения, конденсатопрово - дах и др.

Арматура, применяемая в тепловых сетях, по назначению подраз­деляется на запорную, регулировочную, предохранительную (защит­ную), дросселирующую, конденсатоотводящую и контрольно-измери­тельную.

К основной арматуре общего назначения относят обычно запор­ную арматуру, так как она используется наиболее широко непосред­ственно на трассе тепловых сетей. Остальные виды арматуры уста­навливаются, как правило, в тепловых пунктах, насосных и дроссе­лирующих подстанциях и др. Они рассмотрены в гл. 3.

Основными типами запорной арматуры тепловых сетей являются задвижки и вентили. Задвижки применяются обычно в водяных се­тях, вентили — в паровых. Изготовляют их из стали и чугуна с флан - цевьщи и муфтовыми присоединительными концами, а также с концами под приварку труб на различные условные диаметры.

Запорная арматура в тепловых сетях устанавливается на всех трубопроводах, отходящих от источника тепла, в узлах ответвлений с 100 мм, в узлах ответвлений к отдельным зданиям при

DY ^ 50 мм и длине ответвления / ^ 30 м или к группе зданий с сум­марной нагрузкой до 600 кВт (0,5 Гкал/ч), а также на штуцерах для спуска воды, выпуска воздуха и пусковых дренажей. Кроме того, в водяных сетях устанавливаются секционирующие задвижки: при 100 мм через /секц^ЮОО м; при dy=350...500 мм через ^секц^1500 м при условии спуска воды из секции и ее заполнения водой не более чем за 4 ч, и при dY ^ 600 мм через /СЄкц ^ 3000 м при условии спуска воды из секции и ее заполнения водой не более чем за 5 і.

В местах установки секционирующих задвижек делаются перемыч­ки между подающими и обратными трубопроводами с диаметром, равным 0,3 диаметра основных трубопроводов, для создания цирку­ляции теплоносителя при авариях. На перемычке последовательно устанавливаются две задвижки и контрольный - вентиль между ними на dy = 25 мм для проверки плотности закрытия задвижек.

Для облегчения открытия задвижек с 350 мм на водяных

Сетях и с dy ^ 200 мм и 1,6 МПа на паровых сетях, требующих большого вращательного момента, делают обводные линии (разгру­зочные байпасы) с запорным вентилем. В этом случае затвор раз­гружается от сил давления при открытии задвижек и уплотнительные поверхности предохраняются от износа. В паровых сетях обводные линии используются также для пуска паропроводов. Задвижки с ■dy ^ 500 мм, требующие для своего открытия или закрытия враща­тельного момента более 500 Н-м, должны применяться с электро­приводом[23]. С электроприводом предусматривают также все задвижки при дистанционном управлении.

Трубы и арматуру выбирают из выпускаемого сортамента в за­висимости от условного давления, рабочих (расчетных) параметров теплоносителя и окружающей среды.

Условное давление определяет максимально допустимое давление, которое длительно могут выдержать трубы и арматура определенно­го типа при нормальной температуре среды + 20°С. При повышении температуры среды допустимое давление снижается.

Рабочие давления и температуры теплоносителя для выбора труб, арматуры и оборудования тепловых сетей, а также для расчета трубопроводов на прочность и при определении нагрузок на строи­тельные конструкции должны приниматься равными, как правило, номинальным (максимальным) значениям в подающих трубопрово­дах или на нагнетании насосов с учетом рельефа местности. Значе­ния рабочих параметров для различных случаев, а также ограниче­ния при выборе материалов труб и арматуры в зависимости от ра­бочих параметров теплоносителя и окружающей среды указаны в СНиП П-36-73.

Необходимую толщину стенки труб, мм, определяют в зависимо­сти от внутреннего (рабочего) давления теплоносителя (другие на­грузки не учитываются), по уравнению*

Рраб £>н

S== 2-Ю4 [а] ф + Рраб +С'

Где рраб — рабочее давление теплоносителя, Па; DH — наружный диаметр трубы, мм; [а] —допустимое напряжение материала трубы при рабочей температуре теплоноси­теля, Па; <р — коэффициент прочности сварного шва; с — прибавка к расчетной тол­щине стенки трубы, мм.

В качестве допустимого напряжения [а] по правилам Госгортех - надзора следует принимать наименьшую из трех величин:

4 0 Д п

I'Klji 1«1<-1Т: [°1<тх '

Где ffg —временное сопротивление стали разрыву (предел текучести); —услов­ный (при остаточной деформации 0,2%) предел текучести стали при растяжении; (Гд п — условный предел длительной прочности стали при растяжении (напряжение, вызывающее разрушение через 100 тыс. ч).

Значения сг в, От и о>І. п определяются, согласно ГОСТу, по проч­ностным характеристикам сталей при рабочей температуре тепло­носителя. Коэффициент прочности сварного шва (р, характеризующий относительное снижение допустимого напряжения для шва по срав­нению с целой стенкой, принимается в зависимости от типа шва в пределах 0,7—1. Прибавка с берется равной наибольшему минусо­вому допуску по толщине стенки, предусмотренному ГОСТом на тру­бы или листы, но не менее 0,5 мм.

Теплоизоляционные материалы и конструкции. Тепловая ичоЛя - ция устраивается на трубопроводах, арматуре, фланцевых соедине­ниях, компенсаторах и опорах для следующих целей:

1) уменьшения потерь тепла при его транспортировании, что снижает установленную мощность источника тепла и расход топлива;

2) уменьшения падения температуры теплоносителя, подаваемого к потребителям, что снижает требуемый расход теплоносителя и по­вышает качество теплоснабжения;

3) понижения температуры на поверхности теплопровода и воз­духа в местах обслуживания (камерах, каналах), что устраняет опасность ожогов и облегчает обслуживание теплопроводов.

Кроме того, теплоизоляционные покрытия выполняют иногда роль антикоррозионной защиты наружной поверхности стальных труб и оборудования, что повышает их долговечность и надежность тепло­снабжения.

Для тепловой изоляции применяют материалы, имеющие низкую теплопроводность и низкий коэффициент коррозионной активности, малое водопоглощение, высокое электросопротивление и высокую механическую прочность. Не допускается использовать материалы, подверженные горению и гниению, а также содержащие вещества, способные выделять кислоты, крепкие щелочи, вредные газы и серу.

Наиболее тяжелые условия для работы теплопроводов возникают при подземной канальной и особенно бесканальной прокладке вслед­ствие увлажнения тепловой изоляции грунтовыми и поверхностными водами и наличия в грунте блуждающих токов. В связи с этим к важ­нейшим требованиям к теплоизоляционным материалам относятся малое водопоглощение, высокое электросопротивление, а при беска­нальной прокладке высокая механическая прочность.

В - качестве тепловой изоляции в тепловых сетях в настоящее вре­мя применяют в основном изделия из неорганических материалов (минеральной и стеклянной ваты), известково-кремнеземистые, совелитовые, вулканитовые, а также составы, изготовляемые из ас­беста, бетона, асфальта, битума, цемента, песка или других компо­нентов для бесканальной прокладки: битумоперлит, асфальтоизол, армопенобетон, асфальтокерамзитобетон и др.

В зависимости от вида используемых изделий тепловую изоляцию подразделяют на оберточную (маты, полосы, шнуры, жгуты), штуч­ную (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, полуцилиндры, сегменты, скорлупы), заливочную (монолитную и литую), мастичную и засып­ную.

Оберточные и штучные изделия • применяют для всех элементов тепловых сетей и могут быть как съемными — для оборудования, требующего обслуживания (сальниковые компенсаторы, фланцевые соединения), так и несъемными. Крепят их при помощи бандажей, проволоки, винтов и т. п., выполненных из оцинкованных, кадмиро - ванных или коррозионно-стойких материалов, и покровного слоя. Заливочную и засыпную изоляцию применяют обычно для элементов » тепловых сетей, не требующих обслуживания. Мастичную изоляцию допускается использовать для запорной и дренажной арматуры и сальниковых компенсаторов при условии выполнения съемных кон­струкций для патрубков сальниковых компенсаторов и сальников
уплотнении арматуры. Основные данные применяемых в настоящее время теплоизоляционных материалов и изделий приведены в табл 6.1.

°сновньш данные теплоизоляционных материалов

И изделии (усредненные)

Максимальная температура теп­лоносителя, °С

Теплопроводность, Вт/(м-°С),

При 20°С и влажности, % |

О I 20 1

Минеральная вата Изоляция:

Из минеральной ваты из непрерывного стек­ловолокна

Из штапельного стекло­волокна Изделия:

Совелитовые вулканитовые известково-кремнеземис - тые Монолитные:

Армопенобетон битумоперлит асфальтокерамзитобе - тон

Пенобетон

Фторопласт і

Самоспекающийся асфаль - тоизол

Плиты торфяные

Ствие этого исключается появление зазора между трубой и изоля­ционной оболочкой и возможность проникания через него влаги и воздуха к поверхности трубы, что значительно снижает вероятность наружной коррозии стальных труб. По этой причине в таких конст­рукциях отсутствует противокоррозионный слой.

В случае заводского изготовления теплоизоляционных конструк­ций на трубах элементы теплопровода длиной от 6 до 12 м достав­ляются на место строительства, где производятся их монтаж и свар­ка. Изоляция стыков выполняется обычно из оберточных или штуч­ных изделий с нанесением противокоррозионных покрытий и покрывного слоя. При этом следует применять те же материалы, что и в основной конструкции, для устранения возникновения электриче­ских потенциалов, ведущих к. коррозии труб.

При бесканальной прокладке теплопроводов с монолитной изоля­цией последняя совмещает функции изоляционной и несущей кон­струкций, поэтому она должна иметь высокую механическую проч­ность. Наиболее слабым местом является, как правило, изоляция стыков, которая выполняется также из оберточных и штучных изде­лий. Через эти места влага из грунта может поступать к поверхности труб и вызывать коррозию. »

Помимо монолитной при бесканальной прокладке находят приме­нение засыпные и литые конструкции изоляции. Выполняются они обычно при строительстве на смонтированных и опрессованных трубо­проводах путем засыпки порошкообразного или заливки жидкого состава в траншею либо опалубку, в которой уложены трубы. Для получения равномерной изоляционной конструкции трубы уклады­ваются на специальные подкладки (бетонные столбики, куски асбестоцементных труб и т. п.).

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

Удлинение труб в результате теплового расширения металла оп­ределяют їіо формуле

А / = а/ (i-tu), (6.1)

Где а — коэффициент линейного расширения, 1/°С; I — длина трубы, м; t — рабочая температура стенки, °С; tK — температура монтажа, °С.

Для трубопроводов Тепловой'сети значение t принимают равным рабочей (максимальной) температуре теплоносителя; tм — расчетной для отопления температуре наружного воздуха. При средней величи­не а=12-10_6 1/°С для углеродистой стали удлинение 1 м трубы на каждые 100°С изменения температур составит_ А/=1,2 мм/м, или при т? = 150°С и tp„=— 26°С (для Москвы) А/ = 2,1 мм/м.

Если не предусмотреть компенсации удлинения труб, то в прямо­линейном защемленном с обеих сторон участке трубопровода возник­нут напряжения сжатия, определяемые по закону Гука:

А I

О = Е —j - = а Е (t - tu),

Где Е — модуль продольной упругости, равный в среднем для стали 2-Ю5 МГЇа (2Х XI 0е кгс/см2); Al/l — относительное удлинение.

При температурах т? = 150°С и /н. от =—26°С и указанных зна­чениях а и Е напряжение составит о = 414,1 МПа (4224 кгс/см2), что значительно превышает допустимое напряжение jta] = 100... ...150 МПа (1000...1500 кгс/см2).

Сила, которая действовала бы на защемляющие конструкции (ес­ли бы труба не изогнулась и не разрушилась), определяется по формуле

Р = a fст = Е - /сТ,

Где /ст — площадь поперечного сечения стенки трубы.

Для трубы диаметром dnfdBn = 326/310 мм площадь стенки fcт = = 80 см2 = 0,008 м2, а сила Р = 414,1 -0,008 л; 3,25 МН.

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

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

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

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

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

В каталогах указывается возможное перемещение стакана внутри корпуса А/ с учетом монтажного зазора, являющееся максимальной (предельной) компенсирующей способностью компенсатора. Реаль­ную компенсирующую способность А/р принимают обычно на 50 мм меньше максимальной, т. е. Д£р=Аі/— 50 мм.

Сальниковые компенсаторы изготовляют односторонними и дву* сторонними (см. рис. 6.10,а и б). Двусторонние применяют обыч­но для уменьшения числа камер, так как в середине их устанавли­вается неподвижная опора, разделяющая участки труб, удлинения которых компенсируются каждой из сторон компенсатора.

Осевая реакция сальникового компенсатора, Н, обусловливается силой трения в сальниковой набивке и определяется по формуле

R = 19,6 Рраб Я dB b fi, (6.2>

Где Рраб—рабочее давление теплоносителя, Па (принимается не менее 0,5 МПа);. dn — наружный диаметр стакана компенсатора, равный практически наружному диа­метру трубопровода, м, b—длина сальниковой набивки по оси компенсатора, м; ц— коэффициент трения набивки по стакану, в среднем равный 0,15

Основными достоинствами сальниковых компенсаторов являются малые габариты (компактность) и низкие гидравлические сопротив ления, вследствие чего они нашли широкое применение в тепловых сетях, особенно при подземной прокладке. В этом случае их уста­навливают при dy= 100 мм и более, при надземной прокладке — при £/у=300 мм и более.

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

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

Линзовые компенсаторы имеют Относительно небольшую компен­сирующую способность и большую осевую реакцию. В связи с этим для компенсации температурных деформаций трубопроводов тепло­вых сетей устанавливают большое число волн или производят пред­варительную их растяжку. Применяют их обычно до давлений при­мерно 0,5 МПа, так как при больших давлениях возможно вспучи­вание волн, а повышение жесткости волн путем увеличения толщины стенок приводит к снижению их компенсирующей способности и воз­растанию осевой реакции.

Осевая реакция (сила распора) линзовых компенсаторов склады­вается из двух слагаемых:

R — /?т - f - Ra,

Где Rт — осевая реакция, вызываемая деформацией волн в результате температурного удлинения труб, Ra — осевая реакция, вызываемая внутренним давлением

Осевая реакция при температурном удлинении труб определяется по формуле

Где Af — температурное удлинение участка трубы, м; п—число волн (линз), е —же­сткость волны, Н/м, которая зависит от вида материала, геометрических размеров и толщины волны; определяется экспериментальным или расчетным путем, а также ука­зывается в нормалях заводов-изготовителей

Осевая реакция от внутреннего давления может быть определена по формуле
где <р — коэффициент, зависящий от геометриче­ских размеров и толщины стенки волны, равный в среднем 0,5—0,6; Dad — наружный и внутрен­ний диаметры волны, м; ризб —избыточное (сверх атмосферного) давление теплоносителя, Па.

Осевые компенсаторы выбирают по каталогам в зависимости от условного диаметра расчетного прямолинейного участка трубопровода, защемленного по краям неподвижными опорами. Для выбранного типа компенсатора Рис. 612. Линзовый трехволновый определяется длина отрезка трубопро - компенсатор вода, удлинение которого может воспри­

Ниматься одним компенсатором: А /р " А /р А I — 50 мм

1= А 7 = A (t — tu) ^ 0,012 (тР-^ от) ' (6'3)

Где Alp — реальная (расчетная) компенсирующая способность компенсатора, мм; л7— удлинение 1 м трубы при расчетных температурах, мм/м.

Необходимое число компенсаторов для расчетного прямолинейного участка трубопровода составляет

П = Ly4/l,

Где LV4 — длина расчетного прямолинейного участка трубопровода, м.

Расчетный участок разбивается на п отрезков длиной і/, разде­ляемых неподвижными опорами. Внутри каждого участка устанавли­вают компенсатор выб]ранного типа.

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

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

К радиальным компенсаторам, применяемым в тепловых сетях, относятся гибкие и волнистые шарнирного типа. В гибких компенса­торах температурные деформации трубопроводов устраняются при помощи изгибов и кручения специально согнутых или сваренных уча­стков fpy6 различной конфигурации: П - и S-образных, лирообраз­ных, омегообразных и др. Наибольшее распространение на практике вследствие простоты изготовления получили П-образные компенсато­ры (рис. 6.14,а). Их компенсирующая способность определяется суммой деформаций по оси каждого из участков трубопроводов Л>/ = = Al/2-j-Al/2. При этом максимальные изгибающие напряжения воз­никают в наиболее удаленном от оси трубопровода отрезке — спинке компенсатора. Последняя, изгибаясь, смещается на величину у, на которую необходимо увеличивать и габариты компенсаторной ниши.

Для увеличения компенсирующей способности компенсатора или уменьшения величины смещения его устанавливают с предваритель­ной (монтажной) растяжкой (рис. 6.14,6). При этом спинка компен­сатора в нерабочем состоянии изогнута внутрь и испытывает из­гибающие напряжения. При удлинении труб компенсатор прихо­
дит сначала в ненапряженное со­стояние, а затем уже спинка из­гибается наружу и в ней возника­ют изгибающие напряжения об­ратного знака. Если в крайних положениях, т. е. при предвари­тельной растяжке и в рабочем со­стоянии достигаются предельно допустимые напряжения, то ком­пенсирующая способность ком­пенсатора увеличивается вдвое по сравнению с компенсатором без предварительной растяжки. В случае же компенсации одинако­вых температурных деформации в компенсаторе с предваритель­ной растяжкой не будет происхо­дить смещение спинки наружу и, следовательно, уменьшатся габа­риты компенсаторной ниши Ра­бота гибких компенсаторов дру­гих конфигураций происходит примерно таким же образом

Расчет естественной компен­сации и гибких компенсаторов за­ключается в определении усилий и максимальных напряжений, возни­кающих в опасных сечениях, в выборе длин участков трубопроводов, закрепленных в неподвижных опорах, и геометрических размеров компенсаторов, а также в нахождении величины смещений при ком­пенсации температурных деформаций. Методика расчета основывает­ся на законах теории упругости, связывающих деформации с напря­жениями и геометрическими размерами труб, углов изгиба и компен­саторов[24]. При этом напряжения в опасном сечении определяются с учетом суммарного действия усилий от температурных деформаций трубопроводов, внутреннего давления теплоносителя, весовой нагруз­ки и др Суммарные напряжения не должны превышать допустимой величины

Для средних условий при Рраб — 1,6 МПа и т? =150°С допустимые компенсационные напряжения при расчете участков естественной компенсации можно принимать равными 80 МПа (8 кгс/мм2), для гибких компенсаторов— 110 МПа (11 кгс/мм2)

Расчетные формулы выводятся для конкретных схем и типов ком­пенсаторов с определенными, как правило, допущениями Они имеют сложный вид и требуют трудоемких расчетов Так, проверка макси­мальных изгибающих напряжений в спинке П-образного компенсато­ра при известных (принятых) геометрических размерах (см. рис. 6.14) может быть произведена по формуле

A IEdHтго

------- і------- ' (6 4)

А =

Где Й? —диаметр трубы; m — поправочный коэффициент напряжения для колен; ф'— коэффициент, учитывающий предварительную растяжку компенсатора без ра­стяжки ф=1, при^растяжке на половину теплового удлинения участка іф = 0,5, А =

— (3,14ЯІІ2—2,28R2H--1,4і?3) +0,67Я3+ЯЯ2—l,33tf3 j

При установке жестких сварных (негнутых) колен k= и т= 1, при гнутых коленах, в которых происходит сплющивание сечения, k< и m> 1 (определяются по формулам Кларка и Рейснера или Кармана). Ориентировочно для средних условий можно принимать &=ь=0,3...0,4 и т= 1,4...1,2.

Максимальные напряжения при естественной компенсации на по­воротах трассы на 90° у основания короткого плеча могут быть оп­ределены по формуле

Где ДI и I — удлинение и длина короткого плеча; n=it// — отношение длины длинно­го плеча к короткому.

Если угол поворота трассы а больше 90°, т. е. а=90+р, то рас­четная формула имеет вид

(6.6)

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

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

Номограммы строятся для различных стандартных диаметров трубопроводов dy, способа изготовления и радиусов углов изгиба. При этом указываются также принятые значения допустимых изги­бающих напряжений а, коэффициента линейного расширения а и установочные условия. Так, номограмма на рис. 6.15 построена для с? у = 70 мм, гладких согнутых труб с JR = dy при ісг = 110 МПа (И кгс/мм2), а—12-10-61/°С, установке компенсатора без предвари­тельной растяжки и отношении длины участка к диаметру l/d7=40.

При изменении свойств материала и установочных условий полу­ченные значения могут быть пересчитаны. При предварительной растяжке компенсатора на 50% в качестве расчетного теплового уд­линения принимается А/Р=0,5 А/, при изменении ljdY значение А/р = =А1пх и Р$ = Рп2, где значения пх и п2 при l/dy= 10 принимают соот­ветственно равными 0,9 и 1,3, при l/dy = 0 равными 0,8 и 1,7 и в промежутках по интерполяции (здесь Р — сила упругой деформации — см. рис. 6.15).

Для других расчетных значений igp и ар величина теплового уд­линения определяется как AIv = AIgv/o и A/p=lA/ap/a. В зависимости от величины теплового удлинения участков и диаметра труб опреде­ляется длина канальных участков.

Волнистые компенсаторы шарнирного типа (рис. 6. 16) представ­ляют собой линзовые компенсаторы, стянутые стяжками с шарнирным устройством 1 с помощью опорных колец 2, наваренных на трубы. При установке их на трассе, имеющей ломаную линию, они обеспечи­вают компенсацию значительных тепловых удлинений, работая на из­гиб вокруг своих шарниров. Изготовляются такие компенсаторы для труб с dY= 150...400 мм на давление Ру 1,6 и 2,5 МПа и темпера­туру до 450° С. Компенсирующая способность шарнирных компенсато­ров зависит от максимально допустимого угла поворота компенсато-

Л

Рис 6 15. Номограмма для расчета П-образного компенсатора трубо­провода dy = 70 см

Ров и схемы их установки на трассе. Максимальный допустимый угол поворота шарнирного компенсатора определяется по формуле

А ^доп А 1СС

Фшах —2 ----------- yz------- R-------- п>

'-'л ^тр

Где А/доп — допустимая величина раСтяжки (стяжки) одной линзы (волны), мм; А^ос — осевая деформация одной линзы, мм; £>л и £>тр — наружный диаметр линзы и трубы, мм; п — число линз.

Величина фтах Для одной волны выпускаемых шарнирных компен­саторов составляет примерно 2°, что обеспечивает в Z-образной схе­ме (рис. б. 17) компенсацию температурных удлинений труб около 65 мм при расстоянии между компенсаторами 1 м.

Опоры в тепловых сетях устанавливают для восприятия усилий, возникающих в теплопроводах, и передачи их на несущие конструк­ции или грунт. В зависимости от назначения их подразделяют на подвижные (свободные) и неподвижные (мертвые).

Подвижные опоры предназначены для восприятия весовых нагрузок теплопровода и обеспечения свободного его перемещения при температурных деформациях. Устанавливают их при всех видах прокладки, кроме бесканальной, когда теплопроводы укладывают на утрамбованный слой песка, что обеспечивает более равномерную пе­редачу весовых нагрузок на грунт.

Теплопровод, лежащий на подвижных опорах, под действием ве­совых нагрузок (веса трубопровода с теплоносителем, изоляционной конструкцией и оборудованием и иногда ветровой нагрузки) прогиба­ется и в нем возникают изгибающие напряжения, значения которых зависят от расстояния (пролета) между опорами. В связи с этим ос­новной задачей расчета является определение максимально возможно-

Рис. 6 17. Схема работы Z-образного участка с двумя шарнирными компенса­торами

1 — компенсатор шарнирный; 2 — направляю­щая опора; 3 — неподвижная опора

Го пролета между опорами, при котором изгибающие напряжения не превышают допустимых значений, а также величины прогиба тепло­провода между опорами.

Расчет проводится как для многопролетной неразрезной балки с жестко закрепленными концами, эпюра изгибающих моментов которой представлена на рис. 6. 18.

При равных пролетах и упругом изгибе максимальный изгибаю­щий момент, Н-м, возникающий на опоре, определяется по выра­жению

О/2

М= —-- =- Сиз w,

12 113

Откуда максимальные изгибающие напряжения на опоре, Па,

_ ql* 12 W

И максимальный пролет между подвижными опорами, м,

(6.7,

Где q — удельная нагрузка, определяемая в общем случае по формуле

Здесь qB — вертикальная удельная нагрузка от веса теплопровода, Н/м; qr — горизон­тальная удельная нагрузка от ветрового усилия, Н/м, возникающая только при над­земной прокладке:

Чг= k Р °н'

Где k — аэродинамический коэффициент, в среднем равный 1,5; и— скорость ветра, м/с; р — плотность воздуха, кг/м3; Dn — наружный диаметр изоляционной конструкции теплопровода, м.

Момент сопротивления трубы

4-4

Г-0,1 - ї—— ,

«н

Где dn и d-в — наружный и внутренний диаметр трубопровода, м.

При определении максимально возможного пролета между опора­ми по максимальным напряжениям, равным предельным сгиз — ф [сг] (где ф — коэффициент прочности сварного шва, равный 0,7—1), обес­печивается коэффициент запаса прочности, равный примерно 2. Одна­ко на практике это может оказаться недостаточным, так как при просадке одной из опор расстояние между опорами увеличивается вдвое, а напряжения в 4 раза. В связи с этим в качестве расчетных максимальных напряжений обычно принимают аиэ = (0,4-0,5)ф [с].

Величина прогиба трубопровода в середине пролета определяет­ся по формуле

Q Iі

TOC o "1-3" h z У=—------ , - (6.8)

384 ЕI V '

Где Е — модуль упругости материала труб; / — центральный момент инерции трубы:

/ = 0,05 (4—d^ ,

В настоящее время находят применение подвижные опоры следую­щих основных типов: скользящие, катковые (шариковые) (рис. 6. 19) и подвесные с жесткими и пружинными подвесками.

В скользящих опорах происходит скольжение башмака (корпуса опоры), приваренного к трубопроводу, по металлической подкладке, заделанной в опорную бетонную или железобетонную подушку. В

Катковых (и шариковых) опорах башмак вращает и перемещает ка­ток (или шарики) по опорному листу, на котором предусматриваются направляющие планки и выточки для предотвращения перекосов, зае­даний и выхода катка. При вращении катка (шариков) скольжение поверхностей отсутствует, вследствие чего уменьшается значение го­ризонтальной реакции. Места приварки башмака к трубопроводу яв­ляются опасными в коррозионном отношении, поэтому более пер­спективными следует считать конструкции свободных опор с хомуто - выми и приклеенными башмаками, которые устанавливают без нару­шения тепловой изоляции. На рис. 6.19, в показана разработанная НИИМосстроем конструкция скользящей опоры с приклеенным опор­ным башмаком (полуцилиндром). Скользящие опоры являются наи­более простыми и находят широкое применение.

Подвесные опоры с жесткими подвесками применяют при надзем­ной прокладке теплопроводов на участках, не чувствительных к пере­косам: при естественной компенсации, П-образных компенсаторах. Пружинные опоры компенсируют перекосы, вследствие чего их при­меняют на участках, где перекосы недопустимы, например, при саль­никовых компенсаторах.

Горизонтальные реакции подвижных опор при перемещениях трубо­провода в осевом и боковом направлениях обусловливаются силами трения скольжения и качения в опорах и определяются по формулам:

Noc — QBVOC', ' (6.9)

^б = (?вЦб, , (6.10)

Где Qb — вертикальная нагрузка на опору; fx00 и }лб — коэффициенты трения скольже­ния или качения в опорах при перемещении соответственно вдоль оси трубопровода и под углом к ней, составляющие в среднем при скольжении 0,3, при качении и под­веске 0,1.

Значения боковых горизонтальных реакций и их направление учитываются при расчете опор, расположенных под гибкими ком­пенсаторами и участками естественной компенсации.

При бесканальной прокладке теплопровод находится в непос­редственном контакте с окружающим грунтом и под его давлением. Вследствие этого при температурных деформациях возникают значи­
тельно большие силы трения и, следовательно, горизонтальная реак­ция. Значения ее в осевом направлении могут быть определены по формуле

JV0C = Я dTp q І [і, (6.11)

Где dTp — диаметр поверхности трения, м; q — нормальное удельное давление на по­верхность трения, Па; I—длина бесканального участка, м, jx — коэффициент трения

Трение происходит по наружной поверхности теплоизоляционной конструкции, если труба перемещается совместно с ней (теплопроводы с монолитными армопенобетонными оболочками), или по поверхности трубопровода, если он перемещается внутри изоляции (теплопроводы с оболочками из битумперлита). От вида трущихся поверхностей за­висит коэффициент трения (jx = 0,3...0,5).

Неподвижные опоры предназначены для закрепления трубо­провода в отдельных точках, разделения его на независимые по тем­пературным деформациям участки и для восприятия усилий, возни­кающих на этих участках, что устраняет возможность последователь­ного нарастания усилий и передачу их на оборудование и арматуру. Изготовляют эти опоры, как правило, из стали или железобетона.

Стальные неподвижные опоры (рис. 6.20, а и б) представляют со­бой обычно стальную несущую конструкцию (балку или швеллер), располагаемую между упорами, приваренными к трубе. Несущая кон­струкция защемляется в строительные конструкции камер, приварива­ется к мачтам, эстакадам и др.

Железобетонные неподвижные опоры обычно выполняют в виде щита (рис. 6.20,в), устанавливаемого при бесканальной прокладке на фундамент (бетонный камень) или защемляемого в основании и пе­рекрытии каналов и камер. С обеих сторон щитовой опоры к трубо­проводу приваривают опорные кольца (фланцы с косынками), через которые и передаются усилия. При этом щитовые опоры не требуют мощных фундаментов, так как усилия на них передаются центрально. При выполнении щитовых опор в каналах в них делают отверстия для пропуска воды и воздуха.

При разработке монтажной схемы тепловых сетей неподвижные опоры устанавливают на выходе из источника тепла, на входе и вы­ходе ЦТП, насосных подстанций и т п. для снятия усилий на обору­дование и арматуру; в местах ответвлений для устранения взаимного влияния участков, идущих в перпендикулярных направлениях; на пово-

Fcfc

V, ')

Рис 6 20 Неподвижные опоры

A — со стальной несущей конструк* цией б— хомутовые - в —щитовая

Ротах трассы для устранения влияния изгибающих и крутящих момен­тов, возникающих при естественной компенсации. В результате указан­ной расстановки неподвижных опор трасса тепловых сетей разбивается на прямолинейные участки, имеющие различные длины и диаметры тру­бопроводов. Для каждого из этих участков выбирают тип и требуемое число компенсаторов, в зависимости от которого определяется и число промежуточных неподвижных опор (на одно меньше, чем компенса­торов) .

(Максимальное расстояние между неподвижными опорами при осевых компенсаторах зависит от их компенсирующей способности. При гнутых компенсаторах, которые могут изготовляться для ком­пенсации любых деформаций, исходят из условия сохранения прямо­линейности участков и допустимых изгибающих напряжений в опас­ных сечениях компенсатора. В зависимости от принятой длины уча­стка, на концах которого устанавливают неподвижные опоры, опре­деляют его удлинение, а затем расчетом[25] или по номограммам — габаритные размеры гнутых компенсаторов и горизонтальную реак­цию.

На неподвижные опоры в общем случае действуют вертикальные и горизонтальные усилия. Вертикальные усилия определяют так же, как и для подвижных опор.

Горизонтальные усилия на неподвижные опоры обусловливаются реакцией компенсаторов и участков естественной компенсации, реак­цией от сил трения в подвижных опорах или в грунте при беска­нальной прокладке и неуравновешенными силами внутреннего давле­ния. Эти усилия могут суммироваться и вычитаться или уравнове­шиваться (частично или полностью) вследствие взаимной компен­сации.

Результирующее горизонтальное усилие на концевую неподвиж­ную опору (рис.6.21, а) определяется как сумма сил, действующих с одной стороны:

R-j-N + B, (6.12)

Где R — реакция компенсатора; N — реакция от сил трения в подвижных опорах или в грунте; В — неуравновешенная сила внутреннего давления

Результирующие горизонтальные усилия на промежуточные не­подвижные опоры (рис. 6.21,6) находятся как разница суммарных сил по обе стороны опоры. При этом для повышения запаса прочно­сти (например, при неравномерном прогреве в период пуска) мень­шую сумму сил принимают с коэффициентом 0,7, т. е. AS = Sg— 0,7S^, а при равенстве сумм сил с обеих сторон в качестве расчетной при­нимается одна из сумм с коэффициентом 0,3, т. е. A5=i0,3 5i = 0,352.

В неподвижных опорах, устанавливаемых на поворотах и ответв лениях (рис. 6.21, в), учитывают и боковую сумму сил S3, а резуль­тирующее усилие находят геометрическим сложением векторов дей­ствующих сил.

Определение реакций компенсаторов и реакций от сил трения производят по приведенным выше формулам.

Неуравновешенные силы внутреннего давления возникают вслед­ствие разности давлений или площадей сечений. В симметричных по обе стороны неподвижной опоры участках они взаимно уравновеши­ваются (компенсируются). При этом неподвижные опоры, на которые не действуют силы внутреннего давления, принято называть разгру­женными, а при наличии их — неразгруженными. На рис. 6.21 такие опоры обозначены соответственно цифрами 1 и 2.

ІМаксимальньїе зйачения неуравновешенных сил внутреннего дав­ления на опорах 2 определяются по формулам:

При возникновении разности давлений (схемы а, в, г)

В = A pF

При наличии разности площадей сечений (схемы д и ё)

В = рраб A F,

Где рРаб и F—-рабочее давление теплоносителя, Па, и площадь сечения трубопрово­да, м2; Ар и AF — разности давлений и площадей сечений