На главную Обратная связь Карта сайта

Статьи по теплоизоляции

Некие нюансы проектирования и строительства бесканальных термически напряженных предизолированных трубопроводов с применением стартовых компенсаторов
Максимов Ю.И., технический директор ООО «Полимерстрой» (г. Оренбург)
Представляемое
автором предприятие в протяжении уже 10 лет производит трубы и фитинги с
тепловой изоляцией из пенополиуретана в гидрозащитной оболочке. Практика
взаимодействия с заказчиками, обычно, включает ознакомление с проектной
документацией на каждый комплектуемый объект. Сиим занимается свой
проектный отдел компании. А именно, непременно проверяется принятая
проектом схема компенсации температурных расширений.
Опыт общения с
предприятиями-заказчиками, проектными и монтажными организациями, также опыт
собственных проектных и строительно-монтажных работ дают много инфы для
размышлений по всей проблематике строительства тепловых сетей. Тут нами
выбран для обсуждения способ компенсации температурных расширений, вызывающий у
проектировщиков и строителей, может быть, наибольшее число вопросцев.
С сожалением
приходится констатировать в целом низкое качество проектирования и
строительства термически напряженных бесканальных трубопроводов. Причина этого
заключается в фактически полном отсутствии информационно- и
нормативно-технической литературы, содержащей довольно подробное описание
физики процесса, также основ расчета и практической реализации способа.
Досадно, но имеющийся Свод правил по проектированию и строительству
бесканальных тепловых сетей из предизолированных труб и фасонных изделий [1] не
вносит подабающей ясности в это направление ввиду явной неполноты соответственного
раздела и наличия в нем фактических ошибок.
В атмосфере
недостаточной либо искаженной инфы у профессионалов появляются непонимание
и заблуждения, при этом некие из крайних обширно всераспространены. Так,
практически повсеместно существует убеждение, что снижение монтажных температур до
нулевых и тем паче отрицательных значений резко сузивает либо совсем исключает возможность
применения способа термического преднапряжения. Как ни удивительно, чрезвычайно нередко
допускается неурядица понятий монтажной температуры и малой температуры эксплуатации.
Большинство специалистов-проектировщиков испытывает затруднения при определении
оптимального количества стартовых компенсаторов на преднапрягаемом участке и расстояний
между ними, также при определении хорошей конфигурации теплопроводов,
примыкающих к краевым компенсаторам. Приведенный список далековато не полон, да и
в таком виде оставляет не достаточно надежд на подходящий конечный итог
строительства термически напряженных трубопроводов.
Разглядим
поподробнее процесс термического натяжения. Для начала вспомним, что этот способ
применяется по мере необходимости либо необходимости прокладки прямолинейных
участков большой протяженности, на которых, ежели ничего не решать,
образуются зоны защемления с осевыми напряжениями, существенно превосходящими допускаемые.
Отлично
известен метод подготовительного напряжения нагревом изолированных
трубопроводов в открытых траншеях, когда силами трения пренебрегают ввиду их
малости, нагревают теплопроводы до температуры, равноудаленной от наибольшей
и малой температур эксплуатации, после этого закапывают трубопроводы при
температуре преднапряжения, обеспечивая в предстоящем появление в их
эксплуатационных осевых напряжений сжатия и растяжения, не превосходящих по
модулю половины расчетных напряжений, которые появились бы на защемленном
участке при изменении температуры трубопроводов от малой до наибольшей
без их термического напряжения. Этот способ прост для осознания и расчета и
рекомендуется к применению при наличии мельчайшей способности в соответственных
конкретных обстоятельствах. В части его практической реализации имеются свои
тонкости, но тут мы на их не задерживаемся и перебегаем конкретно к
предмету истинной статьи, вынесенному в ее заголовок.
Метод
термического напряжения теплопроводов в закопанных траншеях с применением
сильфонных стартовых компенсаторов (дальше «стартовых компенсаторов», «компенсаторов»
или «ССК») возник как принужденная кандидатура вышеописанному для ситуаций, в
которых нет способности длительное время держать траншеи открытыми. В критериях
городской стройки такое положение можно считать за правило.
Указанные
компенсаторы имеют особое выполнение и созданы для однократного
срабатывания на сжатие на расчетную величину, после этого телескопические
разрезные части их корпусов привариваются друг к другу. Тем сильфоны выключаются
из работы, и в предстоящем бывшие компенсаторы работают как фрагменты трубы.
Только у компенсаторов требуется оставлять открытые приямки для воплощения
термического напряжения трубопроводов и следующего проведения изолировочных
работ. В этом заключается единственное, но, как ясно из вышеизложенного,
существенное преимущество способа над напряжением нагревом в открытых траншеях.
Так как
трубопроводы в момент преднапряжения находятся в грунте, на проектной глубине
заложения, силы трения постоянно добиваются значимых величин, и их непременно
нужно учесть в расчетах.
Перед наиболее
детальным рассмотрением процесса преднапряжения создадим несколько принципиальных, с
нашей точки зрения, замечаний о реперных температурах.
1. Все температуры относятся к металлической
части теплопроводов.
Конкретно они имеют значение и принимаются в расчетах.
2. Наибольшая температура эксплуатации (

) определяется определенным
графиком отпуска тепловой энергии. Мы полагаем, что металлической трубопровод
нагревается до наибольшей температуры теплоносителя в пределах этого графика.
3. Малая температура эксплуатации (

) – предсказуемая величина.
Выбор
ее обязана делать проектная организация по согласованию с эксплуатирующим предприятием,
исходя из конкретики проектируемого объекта и его местонахождения. Понятно,
что этот вопросец нередко является камнем преткновения. Споры по его поводу время от времени
заканчиваются отказом от строительства преднапряженных тепловых сетей.
Естественно,
хотелось бы иметь тут некий, наиболее либо наименее обоснованный и всепригодный,
ориентир. По нашему мнению, он существует. Для трубопроводов, функционирующих
только в отопительный период, предлагается отталкиваться от общего правила,
которое соблюдают теплоснабжающие компании страны: начало и конец отопительного
сезона инсталлируются органами местного самоуправления при снижении и, соответственно,
повышении среднесуточной температуры относительно +8
С в течение
пяти суток. Когда заканчивается отопительный сезон, температура трубопроводов
заведомо выше +8
С. Перед началом же сезона она равна температуре
грунта, и хотя с большой вероятностью она будет близка к +8
С, с
запасом можно принять минимальную температуру эксплуатации, равную 0
С.
При вероятных трагедиях во время отопительного сезона, даже при чрезвычайно низкой
температуре окружающего воздуха на поверхности земли, металлической трубопровод
будет долго сохранять положительную температуру, благодаря качественной
пенополиуретановой изоляции и грунтовому «одеялу». Но всем обязано быть
ясно, что с ремонтом таковых трубопроводов медлить не стуит.
В отношении
тепловых сетей, работающих ежегодно (используемых в межотопительный сезон
в системах горячего водоснабжения), у кого-либо может показаться соблазн принять
завышенную минимальную температуру, уменьшить тем расчетный температурный
перепад и применить наиболее дешевенькие марки стали. Наше мировоззрение состоит в том, что
этого делать не следует, а нужно принять минимальную температуру в эксплуатации
такую же, как выше: 0
С.
Возможны ли
случаи выпадения температуры объекта в область отрицательных значений? Да,
возможны, хотя и маловероятны. У верно спроектированных и построенных преднапряженных
трубопроводов постоянно есть настоящий значимый ресурс прочности, расположенный
за допускаемым расчетным пределом, потому не стоит переоценивать опасность
редких снижений их температур даже на 10-15
С ниже нуля.
4. Монтажная температура (
) – это
температура металлической части трубопровода конкретно перед началом процесса
его термического натяжения. Принципиальна температура конкретно в указанный момент, и принципиально
правильно ее найти. Фактически это нереально сделать впрямую,
приходится прибегать к косвенному способу определения искомого, делая упор на
текущие значения температуры окружающего воздуха и грунта на глубине заложения
трубопроводов, после этого интерполировать отысканные величины с учетом всей
доступной доборной инфы.
Монтажная
температура никак не связана с малой температурой эксплуатации, может
быть существенно выше либо ниже её. Она описывает собой исходную точку отсчета
в процессе натяжения и совместно с конечной точкой (о ней ниже) задает дистанцию
его проведения.
5. Температура подготовительного
термического напряжения либо температура подготовительного нагрева (
п.н.
) – температура
нагрева трубопроводов, при достижении которой процесс термического напряжения
считается законченным и делается заварка корпусных частей стартовых
компенсаторов. Значение температуры определяется расчетом. В процессе
преднапряжения она контролируется не впрямую, а косвенным образом через расчетные
линейные величины термического расширения трубопроводов, которые непременно
должны быть достигнуты, удостоверены и зафиксированы в прямом и переносном
смысле. Факт заслуги расчетных расширений и, соответственно, расчетного срабатывания
ССК является свидетельством заслуги расчетной температуры подготовительного
нагрева.
Для
дальнейшего продвижения вперед сформулируем задачку №1 : найти наивысшую длину участка бесканального
теплопровода, ограниченного с обеих сторон неподвижными опорами, подвергаемого
термическому напряжению при помощи 2-ух стартовых компенсаторов, также
предельно допустимое расстояние меж ними, температуру подготовительного
нагрева и величину срабатывания ССК. Задачку будем решать в общем виде и
параллельно на определенном примере, условия которого приведены ниже.
Пример.
, в ППУ-изоляции с
гидрозащитной полиэтиленовой трубной оболочкой поперечником D
. Материал
теплонесущей трубы – сталь 17Г1С, рабочее давление теплоносителя p = 1,6 МПа,
максимальная температура трубопровода
ах.э
С, малая температура

С, монтажная температура t
С).
Трубопровод заглублен в грунт умеренно, глубина (до оси) h=1,6 м. Окружающий грунт – песок,
удельная насыпная масса
r , погонный вес трубопровода с
теплоносителем q = 2490 н/м. Паспортная компенсационная способность компенсатора
DN 400 на сжатие l = 140 мм
.
,
которые мы определим по последующей формуле [2]
= 1,25 ·φ
u
где: [s]
– номинальные допускаемые напряжения, для стали 17Г1С при t
– понижающий
коэффициент на крепкость сварных швов при наличии изгибающих нагрузок.
Принимаем φ
– понижающий
коэффициент на крепкость сварных швов при расчете на лишнее давление.
Принимаем φ
= 0,8 (для выборочного десяти-процентного
неразрушающего контроля свойства сварки монтажных швов).
=
1,25·1
 
@ 249,5 МПа                 

, н/м                          (2)
где: μ –
коэффициент трения полиэтиленовой трубной оболочки о грунт, при трении о песок μ =
0,4;
– угол внутреннего трения, для песочного грунта принимаем φ
, sin 30
= 0,5;
g – ускорение вольного
падения, g  = 9,8 м/с

Итак, исходя
из узнаваемых значений малой и наибольшей температур в эксплуатации, нам
нужно найти наилучшее значение температуры подготовительного нагрева,
после заслуги которой и срабатывания стартовых компенсаторов можно будет
ожидать наилучшее распределение реализуемых в трубопроводе напряжений сжатия
и растяжения, не превосходящих по модулю допускаемых (в примере равных 249,5
МПа). Таковым образом, в нашем распоряжении есть спектр допускаемых напряжений
равный
= 499,0 МПа
Часть
вышеуказанного спектра будет реализована на обеспечение напряжений,
возникающих в термически напряженном трубопроводе при изменении температуры от t

ах.э
и обратно. Они будут равны:
·Е, МПа                                           (4)
где: a - коэффициент линейного
расширения стали, a @ 1,2·10
Е – модуль упругости материала трубы, для стали Е @ 2·10
= 1,2·10
Оставшаяся
часть спектра придется на обеспечение напряжений от сил трения скольжения
трубопровода о грунт, возникающих в процессе термического натяжения и
продолжающих действовать некое время опосля его окончания в виде сил трения
покоя s
.
Для предельного варианта, когда весь размах допускаемых осевых напряжений применен
полностью с учетом наибольших напряжений от сил трения, будет справедливо
следующее равенство
тр.
,
МПа                                           (5)
тр.
,                                              (6)
тр.


Стартовый
компенсатор, примыкая к двум таковым участкам, обеспечивает компенсацию их обоих.
При этом общее расстояние, приходящееся на один компенсатор, эквивалентное
расстоянию меж ССК, будет равно
, м                                                (8)
тр.
. Эти напряжения
появляются в процессе термического натяжения и однозначно вызывают в железном
трубопроводе лишь отрицательные напряжения сжатия. Опосля окончания процесса
преднапряжения при достижении температуры подготовительного нагрева t
п.н
ах.э
в сейчас уже
полностью защемленном железном трубопроводе. Они складываются с имеющимися
напряжениями от трения и в сумме ограничиваются величиной допускаемых напряжений
на сжатие, то есть
тр.
, МПа
тр.
, МПа                                   (9)
тр.
,
= 249,5 – 139 =
110,5 МПа
ах.э
п.н
ах.э
п.н

п.н
ах.э

п.н

На рис. 1
изображена избранная нами ранее схема преднапрягаемого участка, эпюры
напряжений от сил трения и нагрева до t
ах.э
(ниже оси абсцисс), также эпюра
напряжений при охлаждении трубопровода до t

(над осью абсцисс). В скобках
указаны величины характеристик в нашем примере.

Рис. 1. Схема
преднапрягаемого участка и эпюры напряжений
Как видно из
рис. 1, нам удалось гармонично распределить возникающие напряжения в
разрешенном спектре, не допустив нигде перехода его границ. Знаменательно,
что это распределение реализовалось при  t
п.н
С,
далеко отстоящей от средней температуры меж t
ах.э



Разъяснение
этому отчетливо видно на представленных эпюрах: рассогласование по сопоставлению с
процессом преднапряжения в открытых траншеях вносят значительные силы трения. И
чем больше силы трения, тем больше, при иных равных критериях, будет это
рассогласование. К месту увидеть, что в предельных вариантах (один из которых мы
здесь рассматриваем) не быть может и речи о некоем допустимом спектре
температур преднапряжения. Лишь одна расчетная температура описывает собой
единственно верный путь, по которому необходимо непременно пройти, чтоб достичь
оптимума.
, которая, как это может неким показаться
удивительным, до этого времени нам не пригодилась. Это, естественно, не означает, что она
не нужна нам совсем. Тут полезно обернуться назад и отлично уяснить последующее:
независимо от определенных величин t
, процесс преднапряжения и его итог описывается
полученными нами  ранее эпюрами напряжений.
Это говорит о том, что величина монтажной температуры не оказывает никакого
влияния на силовую картину как самого процесса преднапряжения, так и
последующей эксплуатации преднапряженных трубопроводов. На что все-таки она влияет? В
тандеме с температурой подготовительного нагрева монтажная температура
определяет величину удлинения термически растягиваемых трубопроводов и,
соответственно, величину срабатывания стартовых компенсаторов.

, м                      (14)
В нашем
примере, для первой монтажной температуры, t

, м
@ 0,122 м
другими словами тут все в порядке. Расчетная
величина

             Dl
=  2  
1,2·10

   , м
Приобретенный
результат говорит о том, что нереально произвести преднапряжение
рассматриваемого в примере участка при помощи 2-ух стартовых компенсаторов из-за
недостаточного ресурса их компенсирующей возможности. Это единственная помеха,
которую можно устранить. Обычный подсчет указывает, что для того, чтоб
поглотить суммарное удлинение теплопроводов в нашем примере, при нагреве от -20
С, составляющее 2·210 мм = 420 мм
, мы должны расположить
на этом участке четыре ССК с общей компенсирующей способностью е
l
= 4·140 мм = 560 мм
(некий запас по лямбде никогда не помешает).
На рис. 2
изображен участок трубопровода из нашего примера с 4-мя стартовыми
компенсаторами, также соответствующие эпюры напряжений. Чтоб не перегружать статью
расчетами, мы не приводим тут выкладки, на основании которых получены изображенные
эпюры, а просто прокомментируем их.

Рис. 2.
Участок трубопровода с 4-мя стартовыми компенсаторами и соответствующие эпюры
напряжений
Можно
заметить, что размах термических напряжений в любом сечении трубопровода Ds
остался
прежним (360 МПа). Это естественно, так как прежними остались t


,
которые его определяют. При всем этом напряжения s
, появляющиеся при
нагреве от t
п.н

,
нам пришлось специально сделать по модулю бόльшими, чем в прошедшем варианте
(145,25 МПа против прежних 110,5 МПа). Целью этого послужило рвение в критериях
уменьшившихся в два раза напряжений от сил трения сохранить уравновешенными
относительно оси абсцисс краевые эпюры осевых напряжений для t


.
Фактически это значит понижение температуры подготовительного натяжения t
п.н
С
до 89,5
С (просто проверить расчетом по приведенным формулам). Таковым
образом удалось достигнуть равенства по модулю наибольших напряжений сжатия и
растяжения: 214,75 МПа. Изложенное открывает сущность оптимизации напряжений при
расчете процесса термического натяжения трубопроводов. Конкретно из данной
оптимизации мы выходим на определение принципиального параметра – температуры подготовительного
нагрева t
п.н
.
Сопоставление 2-ух
вариантов с различными монтажными температурами дозволяет сделать поучительный
вывод о том, что ежели заблаговременно нет надежных данных о календарном времени
строительства объекта и, основное, проведения его преднапряжения, то необходимо предугадывать
проектом заранее зимний вариант с достаточной суммарной компенсационной
способностью всех применяемых стартовых компенсаторов.
Из
представленного можно также получить доказательство уменьшения хорошей
температуры подготовительного нагрева с уменьшением наибольших сил трения, и
наоборот.
Как мы уже
отмечали ранее, в процессе нагрева трубопровода от t
п.н
  и его термического растяжения появляются силы
трения скольжения о грунт и надлежащие им напряжения в железном
трубопроводе, описываемые зубцеобразной эпюрой. Тут принципиально ясное осознание
того, что подготовительный нагрев с работающими (незаваренными) ССК до хоть какой
заданной температуры ничего не добавляет к этому напряженному состоянию, даже
если мы нагреем трубу до t

либо выше ее (жесткостью сильфонов пренебрегаем).
Опосля
окончания термического напряжения трение скольжения перебегает в трение покоя с
теми же чертами, потому напряжения от сил трения в трубопроводе
сохраняются, что видно по краевым эпюрам в нашем примере. В процессе
эксплуатации трубопроводы, находясь в грунте, повсевременно испытывают силовые
макро- и микровоздействия как от внутренних конфигураций температуры и давления
теплоносителя, так и от различного рода наружных сотрясений. Как и хоть какой иной
объект, расположенный в зоне городской стройки, они находятся в состоянии
своеобразного тремора. К нему прибавляется действие от дождевой либо другой
влаги, просачивающейся во фрикционный слой. Все это совместно безизбежно вызывает
микропроскальзывания полиэтиленовой гидрозащитной оболочки относительно грунта,
уменьшение сил трения покоя и соответственных напряжений в железных трубах.
Можно представить, что верхушки пиков напряжений должны сгладиться быстро. В
дальнейшем конфигурации будут замедляться, но в пределе эпюры напряжений будут
стремиться к виду и величинам, представленным на рис. 1 и рис. 2 штриховыми
линиями.
Описанная
частичная релаксация напряженного состояния трубопроводов, при условии
экспериментального доказательства ее довольно высочайшей скорости, может отдать доп
ресурс в проектировании и практике строительства преднапряженных трубопроводов,
заключающийся в увеличении разрешенного допустимого размаха напряжений с Ds
тр.
, с расчетом на то,
что 2-ое слагаемое опосля релаксации исчезнет. Единственным условием для
практического внедрения ресурса будет высочайшее качество сварных стыковых
трубных швов.
Следуем дальше.
При формулировании задачки №1 нами были предусмотрены две краевые неподвижные
опоры. Изготовлено это было с единственной целью: упростить следующие рассуждения.
В настоящей жизни, при бесканальной прокладке теплопроводов, постоянно стараются
минимизировать количество этих дорогостоящих строй частей, и
устанавливать их лишь там, где без их нельзя обойтись.
В случае
ограничения преднапрягаемого участка при помощи неподвижных опор дело
усугубляется тем, что с остальных сторон к ним примыкают обыденные компенсируемые участки,
как правило, с еще наименьшим уровнем осевых напряжений. В итоге результирующие
силовые перегрузки на элементы защемления могут достигать чрезвычайно огромных величин,
создавая доп технические трудности.
В свете
изложенного и исходя из догадки, что без неподвижных опор в нашем случае
можно обойтись, формулируем
задачку №2 :
определить наивысшую длину участка бесканального теплопровода, ограниченного
с обеих сторон Г, Z либо
П-образными компенсаторами, подвергаемого термическому натяжению при помощи 2-ух
стартовых компенсаторов, также максимально допустимое расстояние меж ними,
температуру подготовительного нагрева и величину срабатывания ССК. Как и ранее,
задачу решаем в общем виде и параллельно на прежнем примере (вариант 1).
Тут использован
графический способ решения, дополненный необходимыми расчетами (см. рис. 3 и
далее комменты).

Рис.
3. Участок трубопровода, ограниченного с обеих сторон Г, Z либо П-образными компенсаторами и эпюры
напряжений
Оказывается,
расчет характеристик термического натяжения, произведенный для участка
трубопровода, ограниченного краевыми неподвижными опорами, за малым исключением
верен для задачки №2. Корректировке подлежат лишь расчеты наибольшей длины
зоны обслуживания стартовых компенсаторов и величины поглощаемого ими удлинения
теплопроводов (забегая вперед, заметим, что корректировке подлежат лишь
данные по первому и крайнему ССК не подлежат данные по всем вероятным
промежуточным ССК). На основании этих расчетов компенсаторы ССК1 и ССК2
располагаются относительно друг дружку на таком же расстоянии. Все эпюры на
участке меж ними на сто процентов схожи подходящим эпюрам в задачке №1 (и примере
по варианту 1). Построив эти эпюры, мы имеем право экстраполировать их вовне
этого участка на расстояния l
). Эпюра s
при всем этом выйдет на
точки А и В с ординатой, соответственной допускаемым напряжениям на сжатие
(-249,5 МПа). Приобретенные точки являются главными в нашем графическом
построении. Из их мы проводим полосы под таковым же углом, как примыкающие
участки эпюры до пересечения с осью абсцисс. Эти точки пересечения определяют
начало («О» – принято за начало координат) и конец искомого в задачке участка
(точка «К»). Расстояние от нулевой точки до А
. На чем
основано такое утверждение? Ежели мы проведем линию над линией ОА, то уменьшим
общую длину участка, что противоречит цели поиска предельного варианта. Ежели же
мы проведем линию ниже полосы ОА то новое положение точки перелома эпюры («А»)
выпадет за границы допускаемых напряжений.
участков,
примыкающих к УП1 и УП2, – это длины участков скольжения при нагреве
трубопровода от t
п.н

.
Их несложно отыскать и аналитически

 , м                                       (15)

Из рис. 3 ясно
видно, что переход от участка с неподвижными опорами к участку с краевыми,
например Г-образными компенсирующими элементами, реализуется прибавлением к
прежней длине 2-ух длин L
,
то есть новенькая длина равна
,  м            
                                                            
В
рассматриваемом случае каждый стартовый компенсатор поглощает термические
удлинения с различных по величине примыкающих участков трубопровода. Со стороны
ЕФТ2 – это прежние участки длиной l
).
Длину со стороны ЕФТ1, равную длине со стороны ЕФТ3, определим из последующего
выражения

, м                                         (16)

Другими словами новенькая
длина участка, обслуживаемого компенсатором, будет равна
, м                                      (17)
=
128,5 + 92 = 220,5 м
Необходимо
проверить, хватит ли компенсирующей возможности ССК, чтоб воспринять удлинение
от обеих частей L
.
Ранее, в задачке №1, мы отыскали, что на длине 92 метра
.
На длине 128,5 метра
∆l = 1,2 · 10
(104 - 20) · 128,5 -

 = 0,067 м
Общее,
поглощаемое одним компенсатором, удлинение составит
= 220,5 м
.
Это повлечет суровую ошибку из-за второго члена выражения (сумма квадратов не
равна квадрату суммы!).
Из сопоставления
результатов решения задач №1 и №2 можно сделать вывод о преимуществе
строительства преднапрягаемых участков 
трубопроводов с краевыми, повсевременно действующими компенсаторами заместо
неподвижных опор. Во-1-х, мы с облегчением избавляемся от крайних.
Во-вторых, при помощи тех же 2-ух стартовых компенсаторов удается охватить
гораздо бульший по длине прямой участок тепловой сети. Единственное, что
здесь требуется, – это обеспечить достаточную компенсирующую способность краевых
компенсаторов для восприятия значимых температурных расширений. В неких
случаях экономичнее располагать эти компенсаторы в просторных канальных участках,
вместо того чтоб создавать обкладку очень огромным количеством упругих
компенсационных матов. В общем, все это решаемое.
Точно так же,
как и в прошлых разобранных вариантах, в процессе эксплуатации тут будут
происходить релаксация напряжений от трения покоя и постепенное сглаживание
зубцов краевых эпюр напряжений. В пределе крайние должны принять вид, симметричных
относительно оси абсцисс, ломаных линий ОА
К и ОСДК
(см. рис. 3). Наибольшие напряжения, надлежащие их горизонтальным
участкам, снизятся при всем этом снова до величины ±180 МПа. Случаем ли это? Нет,
не случаем. Эти предельные эпюры получают вид, совсем схожий
краевым эпюрам преднапряженных в открытых траншеях трубопроводов без трения,
при том же данном размахе термических напряжений ∆s
= 360 МПа. Ежели в
случае отсутствия трения, мы получили бы таковой итог при температуре
преднапряжения, равной средней температуре меж t


С), не принудили бы трубопровод
испытывать осевые напряжения наиболее 180 МПа, то в настоящих критериях закопанных
траншей, мы, как понятно, получили t
п.н
= 249,5 МПа. По
сути, нам приходится преодолевать суровый барьер, который через некое
время после чего исчезает. Таковая ситуация несколько разочаровывает.
Тут мы решали
задачи с 2-мя компенсаторами, это было комфортно для рассуждений. При
необходимости в всякую из приведенных схем можно просто встроить требуемое количество
стартовых компенсаторов с надлежащими каждому участками трубопровода, чтоб
можно было покрыть всякую, наперед заданную, длину прямолинейного теплопровода.
Также несложно
перейти с формулирования задач искусственного нрава (в целях статьи) на
проектный. Все приведенные тут расчетные формулы остаются действительными для
проектных расчетов и допускают введение поправочных коэффициентов и коэффициентов
перегрузки там, где это целенаправлено.
Выше нами
рассматривались трубопроводы из низколегированной стали. Все желающие сумеют
убедиться, проделав нужные расчеты, что для преднапряженных трубопроводов
с глубиной заложения 0,8-1,3 м
С полностью подходящи трубы
из сталей 10 и 20.
Крайнее
замечание в контексте предшествующего касается естественных фиксированных точек (сечений)
трубопроводов, изображенных на всех схемах. ЕФТ реально есть до окончания
процесса срабатывания стартовых компенсаторов, комфортны в расчетах и построении
эпюр. Для процесса следующей эксплуатации преднапряженных трубопроводов они
теряют смысл.
Сейчас
обратимся к практической стороне термического напряжения. Ниже приведен ряд
технологических моментов, требующих внимания.
1.
О методе встраивания стартовых
компенсаторов в трубопровод. Что выбрать: встраивание в состоянии поставки либо
с подготовительным сжатием на определенную величину?
Мысль второго
способа пришла к нам из-за границы и рекомендуется некими русскими
предприятиями. Она заключается в том, чтоб дозированно сжать ССК, убрав из его
компенсационной возможности l избыточное и оставив часть, равную расчетной величине
срабатывания ∆l
.
В этом сжатом состоянии разрезные части корпуса фиксируют относительно друг
друга сварочными прихватками и встраивают в монтируемый трубопровод. В
результате опосля срабатывания стартового компенсатора на расчетную величину он
останавливается, так как либо упираются друг в друга внутренние теплонесущие
патрубки (у европейских ССК), либо упирается торец внутренней части разрезного
корпуса во фланец его внешной части (у российских ССК). Таковым образом, в
процессе преднапряжения нереально пропустить принципиальный момент расчетного
срабатывания компенсатора и допустить «перебор».
И все бы
хорошо, одно непонятно: как нам заблаговременно найти расчетную величину
срабатывания ССК, которая, в числе остального, зависит от температуры трубопровода
на момент проведения термического натяжения? Можно для себя представить, что в малеханькой
Дании, где всё по нашим понятиям рядом, где стройку теплопроводов ведут
планово и быстро, таковой способ имеет право на существование (и то с натяжкой,
так как погода в Дании – вещь тоже переменная). В русских же критериях, с
нашими расстояниями, климатическими зонами и непредсказуемыми сроками
строительства таковой способ следует признать совсем негодным.
С иной
стороны, 1-ый способ встраивания стартовых компенсаторов поддается обычный, но
действенной модернизации. Конкретно перед проведением преднапряжения
нужно, на базе данных о текущей температуре трубопровода, уточнить величину
срабатывания компенсатора ∆l
, отмерить ее от обреза наружной корпусной части и
отметить на внутренней части корпуса. Потом следует приварить упоры,
выполненные из фрагментов трубы, в количестве более 3-х, расположив их так,
как показано на рис. 4. Части упорных фрагментов правее полосы а-а по
рисунку нужно оставлять консольными (вольными от сварки).

Рис.
4. Модернизация первого способа встраивания ССК
Указанное
мероприятие дозволяет не пропустить момент расчетного срабатывания стартового
компенсатора. Опосля частичной заварки корпусных частей консольные части
упоров подрезают отрезным кругом и освобождают весь контур прилегания для выполнения
качественного кольцевого сварного шва. На самом деле, таковым образом достигается тот
же итог, что и в случае подготовительного сжатия ССК, но в отличие от него
делается это с открытыми очами, прицельно.
2.
Нужно беречь сильфоны стартовых
компенсаторов во время проведения опрессовки трубопроводов от
несанкционированного и, может быть, разрушительного растяжения. Для этого
требуется временно зафиксировать разрезные корпусные элементы каждого
стартового компенсатора относительно друг дружку. Идеальнее всего это делать при помощи
специальных плоских накладок, числом более 3-х, прихватываемых сваркой к
обеим скрепляемым частям. Такового рода защита нужна при опрессовке участков
трубопровода с незакрепленными элементами неподвижных опор и, в неотклонимом порядке,
для участков с краевыми углами поворота.
3.
Перед действием преднапряжения
следует убедиться в том, что нет никаких помех его проведению. А именно, это
касается ответвлений, оказавшихся на подвижных участках трубопровода (что,
вообще говоря, не нужно). Такие ответвления на основании подготовительных
расчетов обкладываются достаточным количеством упругих компенсационных матов
или до проведения термического напряжения оставляются незакопанными. 
4.
По нашему мнению, единственным, по-настоящему
важным качеством теплоносителя в плане проведения процесса преднапряжения
является его температура, превосходящая расчетную температуру подготовительного нагрева
t
п.н
С). Без всего остального возможно обойтись.
5.
В этом случае, когда лучше
уменьшить уровень сил трения, к примеру по мере необходимости значимого
заглубления теплопроводов, используют спиральное обертывание их внешной
поверхности рулонной полиэтиленовой пленкой, шириной 0,1-0,2 мм
. Коэффициент трения
скольжения целофана о целофан составляет 0,2, что в два раза меньше
коэффициента трения целофана о песок – 0,4. Потому силы трения и, соответственно,
напряжения в трубопроводе от сил трения уменьшаются ровно в два раза. При помощи данной
же операции можно в два раза уменьшить число применяемых стартовых компенсаторов. Необходимо
только непременно проверить достаточность общей компенсирующей возможности
оставшихся ССК для предполагаемых критерий проведения термического натяжения.
6.
Обратные трубопроводы подвергают
термическому натяжению точно так же и по этим же расчетным характеристикам, что и
подающие, так как в аварийных ситуациях возможна временная закольцовка
трубопроводов с отсечением больших потребителей тепловой энергии, когда
теплоноситель впрямую попадает из подающего трубопровода в обратный. Конкретно
таким образом создают и преднапряжение обратного трубопровода.   
Крайнее, на
чем мы желали бы тормознуть, – это неувязка ликвидации аварий на
преднапряженных трубопроводах. Сходу уточним, что идет речь о трагедиях, сопровождаемых
разрывом трубопровода либо необходимостью нарезки и подмены его участка. Вопросец
важный и в то же время практически замалчиваемый как в иностранной, так и в отечественной
литературе. Единственная популярная рекомендация, которая носит нрав устного
предания, – это рекомендация установки на аварийном участке доп
стартового компенсатора без какой-нибудь детализации. Такое состояние вопросца
конечно не добавляет популярности способу преднапряжения трубопроводов.
Попробуем,
хотя бы в общих чертах, разобраться в данной дилемме. Для обеспечения полезной в
рассуждениях конкретики разглядим участок трубопровода из нашего примера по
варианту 2, как более приближенному к реальному (см. рис. 2).
Представим,
что в 1-ый же отопительный сезон (чтоб исключить эффект релаксации
напряжений от сил трения) произошел разрыв трубопровода, к примеру, по сварному
трубному стыку, а ремонтники замешкались, выполняя предварительные аварийные
работы, и допустили расхождение частей лопнувшего трубопровода на S = 40 мм
. Наша задачка
определить, что произойдет, ежели мы не станем встраивать на месте трагедии новейший
ССК, а просто вварим в трубопровод фрагмент новейшей трубы длиной на S = 40 мм
больше, чем удаленный,
увеличив тем на эту длину весь преднапряженный участок.
Последущее
решение основано на гипотезе, заключающейся в том, что удлинение трубопровода
на определенную величину равносильно по своим последствиям соответственной
суммарной недоработке всех стартовых компенсаторов на шаге преднапряжения, то
есть непоглощению каждым из их величины удлинения трубопроводов, равной s/n (где n – число компенсаторов) против
расчетной. В рассматриваемом случае n= 4 и s/n=10 мм. Гипотеза полностью согласуется
со здравым смыслом, который также дает подсказку нам, что вышеизложенное
равносильно, в свою очередь, недогреву трубопровода до расчетной температуры
предварительного нагрева t
п.н
и, как следствие, неизбежному проседанию краевых результирующих эпюр напряжений
вниз по оси ординат. Весь вопросец в том, как?
1.
п.н


п.н

 @ 89,5
2.
Плановую величину срабатывания
каждого ССК, ∆l


  , м
= 2 (0,060-0,008) = 2 ·
0,052 = 0,104 м
3.
Гипотетическую температуру
предварительного нагрева, t
п.н
, при которой ∆l
на S=10мм (0,010м), определим из последующего
выражения

 ,  м
где N = 0,008 м
(см. выше).
п.н
м +  ,
п.н

@
79,6
С,
4.
п.н

п.н

)
· Е, МПа
= 1,2 · 10
(79,6 - 150)· 2,0 · 10
@ -169,0 МПа
5.
max. сж
тр.
, МПа
max. сж
= -(69,5 + 169,0) = -238,5
МПа
6.
max. раст.
, МПа
max. раст.
= -169,0 + 360 = 191,0
МПа
Результаты
расчетов приведены на рис. 5.

Рис.
5. Эпюры напряжений опосля устранения аварии
Как видно из
рисунка, эпюры напряжений вправду просели вниз вдоль оси ординат,
гармония их распределения относительно оси абсцисс исчезла, но выпадения
максимальных по модулю напряжений за границы допускаемых не вышло. Таковым образом,
мы проявили, что не постоянно непременно встраивать новейшие стартовые компенсаторы
при схожих трагедиях. Ясно, что существует предел ремонтного роста длины
преднапряженного участка трубопровода и эксплуатирующим организациям необходимо его
знать (для каждого преднапряженного трубопровода). Напрашивается вывод, что
такого рода расчеты следует делать заблаговременно и помещать в проектных
материалах.
На теоретическом уровне
ресурса ремонтного удлинения преднапряженного трубопровода может хватить на
несколько таковых аварий (естественно, не дай бог никому такового невезения). Ежели же
ресурс исчерпан, то остается, вправду, лишь встраивать новейший стартовый
компенсатор, который необходимо вынудить сработать конкретно на величину настоящего
удлинения участка. В данном случае мы сделаем условия для его (участка) прежней
работы в хороших критериях, как до трагедии.
Сначала
рассмотрения аварийной ситуации мы сделали оговорку, что трагедия произошла на
вновь построенном трубопроводе. Потому напряжения от сил трения учитывались
нами в полном объеме. Ежели же трагедия произойдет через 5-10 лет опосля строительства
объекта либо наиболее того, то это произойдет при иной картине напряжений. Как мы
знаем, эпюры будут представлять собой полосы, параллельные оси абсцисс, при этом
со сниженным уровнем напряжений ввиду релаксации их части от сил трения покоя.
Предлагаем желающим без помощи других сделать расчет по изменению краевых напряжений
при разрыве трубопровода в таковой ситуации.
Заканчивая статью,
мы решили не подводить её итоги, предоставив это нашим читателям. Надеемся, что
время на знакомство с изложенными материалами не покажется им потраченным
впустую.
Литература 1.
СП41-105-2002. Проектирование и стройку тепловых сетей бесканальной
прокладки из железных труб с индустриальной тепловой изоляцией из пенополиуретана
в полиэтиленовой оболочке, Госстрой Рф, ГУП ЦПП. - М.: 2003.
2.
РД10-400-001. Нормы расчета на крепкость трубопроводов тепловых сетей, ГУП «НТЦ
по сохранности в индустрии Госгортехнадзора России». М.: 2001.ъ
Рекомендуем еще поглядеть по теме .