Компенсация удлинения труб. Компенсация температурных деформаций трубопроводов

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 .

190. Температурные деформации рекомендуется компенсировать за счет поворотов и изгибов трассы трубопроводов. При невозможности ограничиться самокомпенсацией (на совершенно прямых участках значительной протяженности и др.) на трубопроводах устанавливаются П-образные, линзовые, волнистые и другие компенсаторы.

В тех случаях, когда в проектной документации предусматривается продувка паром или горячей водой, рекомендуется рассчитывать на эти условия компенсирующую способность.

192. Рекомендуется применять П-образные компенсаторы для технологических трубопроводов всех категорий. Их рекомендуется изготавливать либо гнутыми из цельных труб, либо с использованием гнутых, крутоизогнутых или сварных отводов.

В случае предварительной растяжки (сжатия) компенсатора ее величину рекомендуется указывать в проектной документации.

193. Для П-образных компенсаторов гнутые отводы рекомендуется в целях безопасности изготавливать из бесшовных, а сварные - из бесшовных и сварных прямошовных труб.

194. Применять водогазопроводные трубы для изготовления П-образных компенсаторов не рекомендуется, а электросварные со спиральным швом - допускается для прямых участков компенсаторов.

195. В целях безопасности рекомендуется П-образные компенсаторы устанавливать горизонтально с соблюдением общего уклона. В обоснованных случаях (при ограниченной площади) их допускается размещать вертикально петлей вверх или вниз с соответствующим дренажным устройством в низшей точке и воздушниками.

196. П-образные компенсаторы перед монтажом рекомендуется устанавливать на трубопроводах вместе с распорными приспособлениями, которые удаляют после закрепления трубопроводов на неподвижных опорах.

197. Линзовые компенсаторы, осевые, а также линзовые компенсаторы шарнирные рекомендуется применять для технологических трубопроводов в соответствии с НТД.

198. При установке линзовых компенсаторов на горизонтальных газопроводах с конденсирующимися газами для каждой линзы рекомендуется в целях безопасности предусматривать дренаж конденсата. Патрубок для дренажной трубы рекомендуется в целях безопасности изготавливать из бесшовной трубы. При установке линзовых компенсаторов с внутренним стаканом на горизонтальных трубопроводах с каждой стороны компенсатора рекомендуется в целях безопасности устанавливать направляющие опоры на расстоянии не более 1,5 DN компенсатора.

199. При монтаже трубопроводов компенсирующие устройства рекомендуется в целях безопасности предварительно растягивать или сжимать. Величину предварительной растяжки (сжатия) компенсирующего устройства рекомендуется указывать в проектной документации и в паспорте на трубопровод. Величина растяжки может изменяться на величину поправки, учитывающей температуру при монтаже.

200. Качество компенсаторов, подлежащих установке на технологических трубопроводах, рекомендуется подтверждать паспортами или сертификатами.

201. При установке компенсатора в паспорт трубопровода рекомендуется вносить следующие данные:

Техническую характеристику, завод-изготовитель и год изготовления компенсатора;

Расстояние между неподвижными опорами, компенсацию, величину предварительного растяжения;

Температуру окружающего воздуха при монтаже компенсатора и дату установки.

202. Расчет П-образных, Г-образных и Z-образных компенсаторов рекомендуется производить в соответствии с требованиями НТД.

Тепловые удлинения трубопроводов при температуре теплоносителя от 50 °С и выше должны восприниматься специальными компенсирующими устройствами, предохраняющими трубопровод от возникновения недопустимых деформаций и напряжений. Выбор способа компенсации зависит от параметров теплоносителя, способа прокладки тепловых сетей и других местных условий.

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов за счет использования поворотов трассы (самокомпенсация) может применяться при всех способах прокладки тепловых сетей независимо от диаметров трубопроводов и параметров теплоносителя при величине угла до 120°. При величине угла более 120°, а также в том случае, когда по расчету на прочность поворот трубопроводов не может быть использован для самокомпенсации, трубопроводы в точке поворота крепят неподвижными опорами.

Для обеспечения правильной работы компенсаторов и самокомпенсаций трубопроводы делят неподвижными опорами на участки, не зависящие один от другого в отношении теплового удлинения. На каждом участке трубопровода, ограниченном двумя смежными неподвижными опорами, предусматривается установка компенсатора или самокомпенсация.

При расчете труб на компенсацию тепловых удлинений приняты следующие допущения:

неподвижные опоры считаются абсолютно жесткими;

сопротивление сил трения подвижных опор при тепловом удлинении трубопровода не учитывается.

Естественная компенсация, или самокомпенсация, наиболее надежна в эксплуатации, поэтому находит широкое применение на практике. Естественная компенсация температурных удлинений достигается на поворотах и изгибах трассы за счет гибкости самих труб. Преимуществами ее над другими видами компенсации являются: простота устройства, надежность, отсутствие необхо димости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Для устройства естественной компенсации не требуется дополнительного расхода труб и специальных строительных конструкций. Недостатком естественной компенсации является поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода.

Определим полные тепловые удлинения участка трубопровода

Для безаварийной работы тепловых сетей необходимо, чтобы компенсирующие устройства были рассчитаны на максимальные удлинения трубопроводов. Поэтому при расчете удлинений температуру теплоносителя принимают максимальной, а температуру окружающей среды - минимальной. Полное тепловое удлинение участка трубопровода

l = αLt, мм, Стр.28 (34)

где α – коэффициент линейного расширения стали, мм/(м-град);

L – расстояние между неподвижными опорами, м;

t – расчетный перепад температур, принимаемый как разность между рабочей температурой теплоносителя и расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления.

l = 1,23*10 -2 *20*149 = 36,65 мм.

l = 1,23* 10 -2 * 16* 149 = 29,32 мм.

l = 1,23*10 -2 *25*149 = 45,81 мм.

Аналогично находим l для других участков.

Силы упругой деформации, возникающие в трубопроводе при компенсации теплового удлинения, определяются по формулам:

Кгс; , Н; Стр.28 (35)

где Е – модуль упругости трубной стали, кгс/см 2 ;

I - момент инерции поперечного сечения стенки трубы, см;

l – длина меньшего и большего участка трубопровода, м;

t – расчетная разность температур, °С;

А, В - вспомогательные безразмерные коэффициенты.

Для упрощения определения силы упругой деформации (Р х, P v) в таблице 8 дана вспомогательная величина для различных диаметров трубопроводов.

Таблица 11

Наружный диаметр трубы d H , мм

Толщина стенки трубы s, мм

В процессе работы тепловой сети появляются напряжения в трубопроводе, которые создают для предприятия неудобства. Для уменьшения напряжений, возникающих при нагреве трубопровода, применяются осевые и радиальные стальные компенсаторы (сальниковые, П- и S-образные и другие). Широкое применение нашли П-образные компенсаторы. Для увеличения компенсирующей способности П-образных компенсаторов и уменьшения изгибающего компенсационного напряжения в рабочем состоянии трубопровода для участков трубопроводов с гибкими компенсаторами производят предварительную растяжку трубопровода в холодном состоянии при монтаже.

Предварительную растяжку производят:

при температуре теплоносителя до 400 °С включительно на 50 % от полного теплового удлинения компенсируемого участка трубопровода;

при температуре теплоносителя выше 400 °С на 100 % полного теплового удлинения компенсируемого участка трубопровода.

Расчетное тепловое удлинение трубопровода

Мм Стр.37 (36)

где ε – коэффициент, учитывающий величину предварительной растяжки компенсаторов, возможную неточность расчета и релаксацию компенсационных напряжений;

l – полное тепловое удлинение участка трубопровода, мм.

1 участок х = 119 мм

По приложению при х = 119 мм выбираем вылет компенсатора Н = 3,8 м, тогда плечо компенсатора В = 6 м.

Для нахождения силы упругой деформации проводим горизонталь Н = 3,8 м, ее пересечение с В = 5 (Р к) даст точку, опустив перпендикуляр из которой до цифровых значений Р к, получим результат Р к - 0,98 тс = 98 кгс = 9800 Н.



Рисунок 3 – П-образный компенсатор

7 участок х = 0,5*270 = 135 мм,

Н = 2,5, В = 9,7, Р к – 0,57 тс = 57 кгс = 5700 Н.

Остальные участки просчитываем аналогично.

В процессе эксплуатации трубопроводы изменяют свою температуру в связи с изменением температуры окружающей среды и перекачиваемых жидкостей. Колебание температуры стенки трубопровода приводит к изменению его длины.

Закон изменения длины трубопровода выражается уравнением

Δ=α · l (t y - t o ),

где Δ - удлинение или укорочение трубопровода; а - коэффициент линейного расширения металла труб (для стальных труб α = 0,000012 1/°С); l - длина трубопровода; t y - температура укладки трубопровода; t 0 - температура окружающей среды.

Если концы трубопровода жестко закреплены, то от температурных воздействий в нем возникают термические напряжения растяжения или сжатия, величина которых определяется по закону Гука

где Е - модуль упругости материала трубы (для стали) E = 2,1·10 6 кг/см 2 =2,1·10 5 МПа).

Эти напряжения вызывают в точках закрепления трубопровода усилия, направленные вдоль оси трубопровода, не зависящие от длины, и равные

где σ - напряжение сжатия и растяжения, возникшее в трубе от изменения температуры; F - площадь живого сечения материа­ла трубы.

Величина N может быть очень большой и привести к раз­рушению трубопровода, арматуры, опор, а также нанести повре­ждения оборудованию (насосам, фильтрам и т.п.) и резервуарам.

Изменения длины подземных трубопроводов зависят не только от колебаний температуры, но и от силы трения трубы о грунт, которая препятствует изменениям длины.

Если усилия от термических напряжений не зависят от длины трубопровода, то сила трения трубы о грунт прямо про­порциональна длине трубопровода. Существует такая длина, на которой силы трения могут уравновеситься с термической силой, и трубопровод не будет иметь изменения длины. На участках меньшей длины трубопровод будет передвигаться в грунте.

Предельная длина такого участка 1 max , на котором возмож­но перемещение трубопровода в грунте, определяется по уравне­нию



где δ - толщина стенки трубы, см; k - давление грунта на по­верхность трубы, кг/см 2 ; μ - коэффициент трения трубы о грунт.

5.2. Компенсаторы

Разгрузка трубопроводов от термических напряжений осу­ществляется установкой компенсаторов. Компенсаторы - уст­ройства, позволяющие трубопроводам свободно удлиняться или сокращаться при изменении температуры без повреждения со­единений. Применяются линзовые, сальниковые, гнутые компен­саторы.

При выборе трассы трубопроводов необходимо стремиться к тому, чтобы температурные удлинения одних участков могли бы восприниматься деформациями других, т.е. стремиться к са­мокомпенсации трубопровода, используя для этого все его повороты и изгибы.

Линзовые компенсаторы (рис. 5.5) применяются для ком­пенсации удлинений трубопроводов с рабочим давлением до 0,6 МПа при диаметре от 150 до 1 200 мм.



Рис. 5.5. Компенсаторы линзовые с двумя фланцами

Компенсаторы изготавливают из конических тарелок (штампованных), каждая пара сваренных между собой тарелок образует волну. Количество волн в компенсаторе делают не более 12 во избежание продольного изгиба. Компенсирующая способ­ность линзовых компенсаторов составляет до 350 мм.

Линзовые компенсаторы характеризуются герметичностью,малыми габаритами, простотой изготовления и эксплуатации, но применение их ограничено непри­годностью для больших давлений. Сальниковые компенсато­ры (рис. 5.6) являются осевыми компенсаторами и применяются для давлений до 1,6 МПа. Компен­саторы состоят из чугунного или стального корпуса и входящего в него стакана. Уплотнение между стаканом и корпусом создается сальником. Компенсирующая спо­собность сальниковых компенсации ров составляет от 150 до 500 мм.

Сальниковые компенсатора устанавливаются на трубопроводе с точной укладкой, так как возможные перекосы могут привести к заеданию стакана и разрушения компенсатора. Сальниковые компенсаторы ненадежны в отношение герметичности, требуют постоянного надзора за уплотнением сальников и в связи с этим имеют ограниченное применение. Эти компенсаторы устанавливаются на трубопроводах диаметром от 100 мм и выше для негорючих жидкостей и на паропроводах.

Гнутые компенсаторы имеют П-образную (рис. 5.7), лирообразную, S-образную и другие формы и изго­тавливаются на месте монтажа из тех труб, из которых собирается тру­бопровод. Эти компенсаторы пригод­ны для любых давлений, уравновеше­ны и герметичны. Недостатками их являются значительные габариты.

Теплопроводы системы отопления монтируют в «коробке» строящегося здания при различной температуре наружного воздуха. В весенне-осенний период эта температура близка к +5°С. В зимний период для удобства выполнения отделочных и монтажных работ в строящемся здании стремятся также поддерживать временными средствами положительную температуру.

Так как эксплуатация различных отопительных труб проводится при температуре теплоносителя от 30 до 150°C, стальные трубы удлиняются по сравнению с монтажной их длиной в большей или меньшей степени.

Температурное удлинение нагреваемой трубы - приращение ее длины Δl - определяется по формуле:

Δl=α*{t т -t н)l,

где α - коэффициент линейного расширения материала трубы (для мягкой стали в рассматриваемом интервале температуры близок к 1,2 10 -5);

t т - температура теплопровода, близкая к температуре теплоносителя, °C (при расчетах учитывается наивысшая температура);

tн - температура окружающего воздуха в период производства монтажных работ, °C;

l - длина отопительной трубы, м.

Δl=1,2*10 -2 *(t т -5)l, мм,

удобном для ориентировочных расчетов.

Можно установить, что при низкотемпературной воде 1 м подающей стальной трубы предельно удлиняется приблизительно на 1 мм, обратной трубы - на 0,8 мм, а при высокотемпературной воде и паре удлинение каждого метра трубы достигает 1,75 мм.

Очевидно, что это необходимо учитывать при конструировании системы отопления, особенно при высокотемпературном теплоносителе, и принимать меры для уменьшения усилий, возникающих при температурном удлинении подводок, стояков и магистралей.

Компенсация удлинения подводок к отопительным приборам предусматривается в горизонтальных однотрубных системах путем изгибов подводок (добавления уток) для того, чтобы напряжение на изгиб в отводах труб не превышало 78,5 МПа (800 кгс/см 2); между каждыми пятью-шестью приборами вставляют П-образные компенсаторы, которые рационально размещать в местах пересечения разводящей трубой внутренних стен и перегородок помещений.

В системах отопления с вертикальными стояками подводки к приборам в большинстве случаев выполняются без изгибов, однако в высоких зданиях возможен специальный изгиб подводок к одному или нескольким приборам для обеспечения беспрепятственного перемещения труб стояка при температурном удлинении.

При длинных гладкотрубных приборах, а также при установке нескольких приборов другого типа «на сцепке» необходимы такие же специальные изгибы подводок к ним для компенсации их температурного удлинения.
Игнорирование этого явления приводит при эксплуатации системы если не к излому труб и арматуры, то к возникновению течи в резьбовых соединениях.

Компенсация удлинения вертикальных стояков систем отопления малоэтажных зданий обеспечивается путем их изгиба в местах присоединения к подающим магистралям. В более высоких (4-7-этажных) зданиях вертикальные однотрубные стояки изгибают в местах присоединения не только к подающей, но и к обратной магистрали.



Изгибы труб для компенсации удлинения вертикальных стояков систем отопления зданий

а – одно - трехэтажных; б – четырех - семиэтажных; в - восьмиэтажных и более высоких.

В зданиях, имеющих более семи этажей, таких изгибов стояков недостаточно и для компенсации удлинения средней части вертикальных стояков применяют либо специальные П-образные компенсаторы, либо дополнительные изгибы труб, удаляя отопительные приборы от оси стояка. В этом случае трубы стояков между компенсаторами в отдельных точках закрепляют, устанавливая неподвижные опоры (так называемые «мертвые») для обеспечения перемещения труб в заданном направлении при изменении их температуры.

В местах пересечения междуэтажных перекрытий трубы заключают в гильзы для облегчения их перемещения при удлинении или при ремонте. При замоноличивании в панели стен трубы соединяют в разрывах между панелями с изгибами для компенсации усилий, возникающих при осадке зданий.

В вертикальной однотрубной системе для компенсации удлинения используют изгибы труб каждого этаже-стояка.

Для компенсации удлинения вертикальных главных стояков систем отопления многоэтажных зданий применяют П-образные компенсаторы, ширина и вылет которых определяются расчетом. Следует иметь в виду, что неподвижные опоры между компенсаторами в этом случае воспринимают не только силу упругости компенсатора, но и действие массы трубы с водой и изоляцией.

Компенсация удлинения магистралей выполняется прежде всего естественными их изгибами, обусловленными планировкой конкретного здания, и только прямые магистрали значительной длины, особенно при высокотемпературном теплоносителе, снабжаются П-образными компенсаторами.