Компенсация температурных напряжений

Компенсация температурных деформаций стальных трубопроводовимеет исключительно важное значение в технике транспорта теплоты. Если в трубопроводе отсутствует компенсация температурных расширений, то при сильном нагревании в стенке трубы могут возникнуть большие разрушающие напряжения.

Напряжение сжатия, возникающее при нагреве прямолинейного защемленного (без компенсаторов) участка трубопровода

σ = α Е ∆t, (5.34)

где α - коэффициент линейного удлинения, 1/К (для углеродистой стали 12 ×10^-6); Е – модуль продольной упругости; ∆t – перепад температур трубы, К.

Для стали σ = 2,35∆t МПа = 24 ∆t кгс/см².

Как видно из (5.27), напряжение сжатия, возникающее в защемленным прямолинейном участке трубопровода, не зависит от диаметра, толщины стенки и длины трубопровода, а зависит только от материала (модуля упругости и коэффициента линейного удлинения) и перепада температур.

Способы компенсации температурных удлинений, применяемые в тепловых сетях, весьма разнообразны. По своему характеру все компенсаторы могут быть разбиты на две группы: осевые и радиальные. Осевые компенсаторы применяются для компенсации температурных удлинений прямолинейных участков трубопровода. Радиальная компенсация может быть использована при любой конфигурации трубопровода и широко применяется на теплопроводах, прокладываемых на территориях промышленных предприятий, а при небольших диаметрах теплопроводов (до 200 мм) – также и в городских теплосетях. На теплопроводах большого диаметра, прокладываемых под городскими проездами, устанавливаются главным образом осевые компенсаторы.

Самокомпенсация. Трубопроводы, самокомпенсирующиеся за счет собственной гибкости, находят самое широкое применение в проектировании и строительстве теплосетей. Участки трубопроводов с самокомпенсацией наиболее надежны в эксплуатации, не имеют утечек теплоносителя и не требуют регулярного наблюдения за работой.

Посредством неподвижного закрепления трубопроводов на опорах, устанавливаемых в ряде точек по длине трассы, можно так распределить температурное удлинение труб под влиянием нагрева между отдельными участками, что перемещения труб, усилия и напряжения в них не будут превышать допустимых заранее заданных величин.

Наибольшее применение имеют следующие самокомпенсирующиеся схемы трубопроводов: плоскостные Г-образные с прямым или тупым углом поворота, Z-образные с тремя расчетными участками, пространственные Z-образные схемы с тремя участками, расположенными в трех различных плоскостях (применяются только в пределах котельных тепловых пунктов, насосных перекачивающих станций).

Для расчета компенсационных напряжений и усилий используется известный метод упругого центра.

Наиболее широкое применение получила Г-образная схема.

Существенная экономия труб и сокращение трудовых затрат на строительно-монтажные работы для тепловых магистралей большого диаметра от загородных ТЭЦ и АСТ с прямыми участками большой длины, прокладываемых надземным способом, могут быть получены при использовании зигзагообразной самокомпенсирующейся схемы. Неподвижные закрепления труб расположены в точках пересечения осей трубопроводов (зигзагообразных) с осью трассы. Компенсация температурных удлинений осуществляется за счет свободного перемещения труб на углах поворота. Данный способ испытан и находит практическое применение в строительстве магистральных газопроводов, прокладываемых в районах Крайнего Севера.

Расчеты на самокомпенсацию пространственных схем трубопроводов значительно сложнее плоскостных, т.к. требуют определения большого количества неизвестных величин, сил, изгибающих и крутящих моментов.