Трубы и их соединения, арматура

Техника транспорта теплоты предъявляет следующие основные требования к трубам, применяемым для теплопроводов:

1) достаточная механическая прочность и герметичность при заданных давлениях и температурах теплоносителя;

2) эластичность и устойчивость против термических напряжений при переменном тепловом режиме;

3) постоянство механических свойств;

4) устойчивость против внешней и внутренней коррозии;

5) малая шероховатость внутренних поверхностей;

6) отсутствие эрозии внутренних поверхностей;

7) малый коэффициент температурных деформаций;

8) высокие теплоизолирующие свойства стенок трубы;

9) простота, надежность и герметичность соединений отдельных элементов;

10) простота хранения, транспортировки и монтажа.

Все известные до настоящего времени типы труб одновременно удовлетворяют не всем выше перечисленным требованиям. В частности, этим требованиям не вполне удовлетворяют стальные трубы, применяемые для транспорта пара и горячей воды. Однако высокие механические качества и эластичность стальных труб, а также простота, надежность и герметичность соединений (электрическая или газовая сварка) обеспечили этим трубам преимущественное применение в установках централизованного теплоснабжения.

Материалы, трубы и арматуру тепловых сетей, независимо от параметров теплоносителя, а также расчет трубопроводов на прочность следует принимать в соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды Госгортехнадзора РФ и требованиями СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети».

Для тепловых сетей преимущественно применяют стальные прямошовные или спиральношовные электросварные трубы, изготовленные из спокойных сталей. Бесшовные трубы допускается применять для трубопроводов с параметрами теплоносителей, для которых применение сварных труб не разрешается, а также при отсутствии электросварных труб необходимого качества, например в северных районах строительства.

В последнее время все более широкое применение в тепловых сетях находят полиэтиленовые трубы.

В тепловых сетях применяется преимущественно стальная арматура. Чугунную арматуру допускается применять для параметров и диаметров трубопроводов, предусмотренных Правилами Госгортехнадзора. При этом независимо от способов и места прокладки тепловых сетей (кроме тепловых пунктов и сетей ГВС), параметров воды и диаметров труб не допускается применять арматуру из серого чугуна в районах с расчетной температурой наружного воздуха -10°С, а из ковкого – ниже -30°С.

Задвижки и затворы Dу ≥ 500 мм следует применять с электроприводом. В подземных отдельно стоящих ЦТП на вводе трубопроводов тепловой сети рекомендуется устанавливать запорную арматуру с электроприводом независимо от диаметров трубопроводов.

Опоры

Опоры являются ответственными деталями теплопровода. Они воспринимают усилия от трубопроводов и передают их на несущие конструкции или грунт. При сооружении теплопроводов применяют опоры двух типов: свободные (скользящие, роликовые, катковые и подвесные) и неподвижные.

Свободные опоры воспринимают вес трубопровода и обеспечивают его свободное перемещение при температурных деформациях (расширениях). Неподвижные опоры фиксируют положение трубопровода в определенных точках и воспринимают усилия, возникающие в местах фиксации под воздействием температурных деформаций и внутреннего давления.

При бесканальной прокладке обычно отказываются от установки свободных опор под трубопроводами во избежание дополнительных изгибающих напряжений и неравномерных просадок. В этих теплопроводах трубы укладываются на нетронутый грунт или тщательно утрамбованный слой песка.

При расчете изгибающих напряжений и деформаций трубопровод, лежащий на свободных опорах, рассматривается как многопролетная балка. Горизонтальная реакция, возникающая на свободной опоре зависит от типа опоры (наименьшее значение имеют катковые опоры, в которых трение скольжения отсутствует).При выборе типа опор следует не только руководствоваться значениями расчетных усилий, но и учитывать работу опор в условиях эксплуатации. С увеличением диаметров трубопроводов резко возрастают силы трения на опорах, достигая многих десятков и даже сотен килоньютонов. Это в свою очередь требует усиления строительных конструкций, воспринимающих реакции опор. Для разгрузки несущих конструкций рекомендуется при диаметрах труб больше 400 – 500 мм применять катковые поры при всех типах надземных прокладок, а также в проходных каналах.

Неподвижные опоры делят трубопроводы на участки, рассчитываемые на компенсацию при помощи специальных устройств (компенсаторов) или за счет собственной гибкости (самокомпенсация) для снижения температурных усилий и напряжений в трубах. От рационального размещения неподвижных опор во многом зависят напряжения в трубах, которые не должны превышать допустимых. Делятся они на конструкции неразгруженного и разгруженного типа. К первым причисляются опоры трубопроводов с сальниковыми и волнистыми компенсаторами, на которые передаются осевые силы от внутреннего давления теплоносителя большой величины. К разгруженным относятся опоры трубопроводов с П-образными компенсаторами и самокомпенсирующиеся, для которых осевая сила равна нулю.

Компенсаторы

Осевая компенсация. В практике находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и упругие. Сальниковый компенсатор непосредственно вваривается в трубопровод, поэтому установка его на линии не приводит к увеличению количества фланцевых соединений. Слабым звеном его является сальниковая набивка (сальник), состоящая из асбестовых прографиченных колец квадратного сечения, требующая систематического и тщательного ухода в эксплуатации, поскольку изнашивается, теряет со временем упругость и начинает пропускать теплоноситель. От этого недостатка свободны все типы упругих компенсаторов – линзовые компенсаторы одно- и многоволновой конструкции. Линзовые компенсаторы сварного типа находят применение на трубопроводах низкого давления (до 0,4 – 0,5 МПа), При более высоком давлении возможно выпучивание волн и для повышения устойчивости приходится делать линзы из стали большой толщины, что ведет к понижению их компенсирующей способности.

Радиальная компенсация. При радиальной компенсации термическая деформация трубопровода воспринимается за счет изгиба специальных эластичных вставок или отдельных участков самого трубопровода. Последний метод компенсации , широко используемый в практике, называется естественной компенсацией.

Преимуществами этого вида компенсации над другими видами являются: простота устройства, надежность, отсутствие необходимости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления.

Недостатком естественной компенсации является поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода, требующее увеличение ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций и бесканальных конструкций.

Расчет естественной компенсации заключается в нахождении усилий и напряжений, возникающих в трубопроводе под воздействием упругой деформации, выборе длин взаимодействующих плеч трубопровода при компенсации, Методика расчета базируется на основных законах теории упругости, связывающих деформации с действующими усилиями.

Участки трубопровода, воспринимающие температурные деформации при естественной компенсации, состоят из колен и прямых участков. Гнутые колена повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность, особенно влияние их заметно в трубопроводах большого диаметра. Изгиб кривых участков труб сопровождается сплющиванием поперечного сечения, которое превращается из круглого в эллиптическое.

П-образные компенсаторынаходят применение в тепловых сетях: подземных и надземных. К их преимуществам относятся: небольшие усилия, передаваемые на неподвижные опоры; отсутствие необходимости обслуживания; большая компенсирующая способность. Недостатки: большие габариты; увеличение гидравлических сопротивлений теплопроводов; удорожание стоимости теплопроводов и увеличение на них металлозатрат на 7 – 8%.

В расчетах, по которым определяются компенсирующая способность и размеры П-образных компенсаторов, наибольшим распространением пользуется метод, известный под названием метода «упругого центра», который позволяет с большой точностью определить силы упругого отпора компенсаторов, изгибающие моменты и напряжения изгиба. При расчете обе неподвижные опоры, установленные по концам рассчитываемого участка трубопровода, рассматриваются как жесткозаделанные, в которых невозможен свободный поворот сечений трубопровода.

Компенсаторы изготовляются с гнутыми отводами с радиусом изгиба равным (3 – 4)Dн, а также со сварными отводами (из сегментов) с радиусом изгиба равным Dн, 1,5Dн, 2Dн и с крутоизогнутыми штампованными отводами.

Максимальное изгибающее напряжение в П-образном компенсаторе, возникающее в так называемой спинке компенсатора

σ = ∆Еdlm/A, МПа или кгс/см²м, (5.35)

где ∆ - компенсирующая способность, м; Е – модуль продольной упругости; d– диаметр трубы, м; l – вылет компенсатора, м; m – поправочный коэффициент напряжения для гнутых гладких труб; A – эмпирический коэффициент, зависящий от коэффициента жесткости k, радиуса изгиба оси трубы, размеров компенсатора. При установке на компенсаторе жестких сварных (негнутых) колен, в которых сплющивание сечения при изгибе не имеет места, k = 1 и m = 1.

Вопросы для самопроверки

1. Какими принципами следует руководствоваться при выборе схем водяных и паровых тепловых сетей?

2. Приведите классификацию тепловых сетей по трассе от источника теплоты до потребителя.

3. Назначение секционирующих камер в водяных тепловых сетях.

4. Чем следует руководствоваться при выборе трассы тепловой сети.

5. Как происходит проектирование трассы и построение профиля тепловой сети?

6. Назовите основные элементы конструкции теплопровода.

7. Перечислите требования, предъявляемые к теплопроводам.

8. На какие типы подразделяются подземные теплопроводы?

9. Канальная и бесканальная прокладки теплопроводов. Способы, области применения.

10. Приведите основные достоинства и недостатки пенополиуретановой изоляции.

11. Трубы и арматура, применяемые в тепловых сетях. Основные требования к ним и области применения.

12. Перечислите типы опор трубопроводов тепловых сетей.

13. Приведите расчет усилий на неподвижную опору.

14. Назовите преимущества и недостатки осевой и радиальной компенсаций трубопроводов тепловых сетей.

15. Определите область применения и расчет изгибающих напряжений П-образных компенсаторов.