: : Разделы сайта : :
Бри ван де камп рецепты ленивый голубец с пекинской капустой
: : Календарь : :
: : Архивы : :
: : Пустой блок : :

Обратная связьСвязь с администрацией

: : Опрос сайта : :
: : Облако тегов : :
: : Популярное : :
  • Рулет из слоёного теста с мясным фаршем
  • Рецепты к хлебопечке супра вмс 350
Пособия по расчетам самокомпенсации тепловых трасс

- 45-

Канд. техн. наук В.Я. Магалиф, ООО « НТП Трубопровод»,

Я. А Ковылянский

канд. техн. наук ОАО «ВНИПИЭнергопром»

Теоретические основы конструирования трубопроводов тепловых сетей

(справочно-методический материал)

Москва 2005-07-21

Оглавление

Введение. Область применения новых конструкций инженерных сетей с ППУ - изоляцией 3

1. Особенности работы трубопроводов, защемленных в грунте 4

2. Разрушение от нагрева, циклическая прочность 7

3. Допускаемые осевые напряжения от нагрева 11

4. Оценка прочности в программной системе «Старт» 12

5. Данные по коррозии тепловых сетей и прибавкам к толщине стенки. 15

6. Тройниковые соединения 17

7. Номограммы для тепловых сетей бесканальной прокладки 22

8. Влияние подушек 26

9. Расчетные нагрузки 27

10. Применение стартовых компенсаторов 29

11. Прочность ППУ - изоляции и допустимая глубина заложения 31

12. Номограммы для тепловых сетей традиционных конструкций 33

13. Расстояния между промежуточными опорами 36

14. Реальная конструкция и компьютерная модель 39

15. Литература 43

Введение. Область применения новых конструкций инженерных сетей с ППУ - изоляцией

Наиболее распространенными конструкциями инженерных сетей с промышленной ППУ – изоляцией на сегодня являются:

– стальные жесткие,

– полимерные гибкие.

Материалом для полимерных труб с ППУ – изоляцией служит, как правило, сшитый полиэтилен РЕХ. Для каждого типа существует своя область применения (см. таблицу).

Области применения трубопроводов с ППУ - изоляцией

Трубопроводы с ППУ - изоляцией

Ограничения по

диаметру, мм

давлению, МПа

температуре, ºС

Жесткие стальные

 1020

 10.0

 130

Гибкие из сшитого полиэтилена РЕХ

 160

 1.0

 95


Примечание. Ограничение для тонкостенных (электросварных) труб.

Для примера, в Москве ежегодно прокладывается порядка 300 -т километров инженерных сетей из стальных труб и 120 -ти километров - из полимерных.

Обладая высокой теплоизолирующей способностью, вспененный пенополиуретан склонен к старению (и соответственно - разрушению) при высоких температурах. Согласно зарубежным данным [7] при постоянной температуре 120 ºC срок службы ППУ составляет 30 лет, а при 150ºC – всего 1.5 года. Спасает то обстоятельство, что реально в тепловых сетях высокие температуры действуют весьма непродолжительное время. При графике 150-70ºC продолжительность действия температуры более 130ºC по данным ОАО «Мосэнерго» не превышает 10 суток в году, а 150 ºC – 30 часов в году, даже для магистральных теплопроводов большого диаметра. Как показывает накопленный опыт, кратковременные повышения температуры существенно не сказываются на старении ППУ и поэтому график 150-70 ºC для стальных труб с ППУ – изоляцией можно с определенной натяжкой считатьдопустимым.

Преимуществом полимерных труб является стойкость против коррозии и высокая компенсирующая способность при нагреве. Имея малый диаметр и гофрированный наружный кожух изоляции, они работают по принципу гибкого шланга. Устройство специальных поворотов и компенсаторов осевых перемещений здесь не требуется. Излишними являются и соответствующие расчеты на прочность. Такие трубы служат десятилетиями. Однако из-за жестких ограничений по рабочему давлению, напрямую зависящему от средней температуры всего срока эксплуатации, а также максимальному диаметру 160мм, их нельзя рассматривать как альтернативу стальным трубам, особенно в первичных сетях теплоснабжения. Область их применения на сегодня – низкотемпературные внутриквартальные сети с температурным графиком 95 -70 ºC (допускается кратковременное повышение температуры до 110 ºC).

Ниже будем рассматривать только стальные трубопроводы cППУ - изоляцией (группа «а» согласно классификации СНиП на тепловые сети [4] ).

1. Особенности работы трубопроводов, защемленныхв грунте

Бесканальная прокладка тепловых сетей имеет определенную специфику. Трубопроводные трассы имеют зоны скольжения, в которых осуществляется компенсация температурных расширений за счет угловых и линейных деформаций, и зоны неподвижности, в которых температурные расширения компенсируются осевыми напряжения растяжения – сжатия. Зоны скольжения обычно имеют место вблизи углов поворота трассы, а неподвижные зоны – на длинных прямых участках. При отсутствии зон неподвижности между смежными зонами скольжения образуются естественные неподвижные точки – так называемые мнимые неподвижные опоры. Примеры трасс даны на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Трасса без зон неподвижности с мнимыми неподвижными опорами

1 – компенсирующая подушка, 2 – мнимая неподвижная опора

Благодаря сопротивлению грунта продольным и боковым перемещениям на порядок возрастают осевые усилия, вследствие чего такие трубопроводы имеют более низкую компенсирующую способность и в то же время значительно более высокие нагрузки на концевые неподвижные опоры в зонах скольжения. Под компенсирующей способностью понимается восприятие температурных расширений за счет гибкости трубопроводной трассы.

Рис.2. Трасса с зонами скольжения и неподвижности

1 – компенсирующая подушка

Проиллюстрируем это положение на примере типовых схем самокомпенсации: Г и Z – образных поворотов и П – образных компенсаторов. Будем сравнивать плоские горизонтальные схемы воздушной прокладки (на опорах)cтакими же схемами бесканальной прокладки в грунте.

Сравнение проводится на примере трубопровода 219х6, материал сталь 20, температурный перепад 130 ºC, внутреннее давление 1.6МПа.

Задача решается в следующей постановке:

- вылеты одинаковы во всех схемах,

- компенсируемая длина Lопределяется в каждом конкретном случае из условия, что максимальные расчетные напряжения не превышают (на пределе) уровня допускаемых. Эта длина и является критерием компенсирующей способности.

В расчетах принято

- для воздушной прокладки: коэффициент трения в промежуточных скользящих опорах 0.3, изоляция – минеральная вата в оцинкованном кожухе,

- для бесканальной прокладки: глубина заложения от поверхности земли до оси трубы 1.5 метра, изоляция ППУ, окружающий трубу грунт – песок.

- в Z и П – образных схемах плечи одинаковы и равны L.Так что общая компенсируемая длина равна 2L.

Результаты расчетов по программе Старт-Экспресссведены в таблицу (компенсируемая длинаLв числителе и нагрузка на неподвижную опоруNв знаменателе). Из анализа результатов следует

  • компенсируемые длины Lотличаются в 2 – 14 раз, а нагрузки на неподвижные опоры (расположенные в зоне скольжения подземного трубопровода)Nв 2.5 - 12 раз;

  • компенсирующая способность трубопроводов бесканальнй прокладки существенно ниже, а нагрузки на опоры – выше;

  • при увеличении вылета Вс шести до десяти метров (в 1.7 раза) компенсирующая способность при воздушной прокладке резко возрастает, а в трубопроводах, защемленных в грунте, она наоборот падает.

Компенсирующая способность типовых схем и нагрузки на опоры

С хема компенсации

Прокладка

воздуш- ная (на опорах)

бесканальная в грунте

воздуш- ная (на опорах)

беска-нальная в грунте

Вылет В = 6 м

Вылет В = 10 м

L

L

L

L


Специфика поведения трубопроводов, защемленных в грунте, во многом обесценила тот многолетний опыт, который накапливался и передавался от одного поколения проектировщиков тепловых сетей другому. Теперь проектировать тепловые сети без проведения серьезных расчетов стало намного сложнее. Именно поэтому Госгортехнадзором РФ в 2001 году введены в действие Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей РД-10-400-01 [1], а нами создана линейка программных продуктовСтарт, Старт - ЛайтиСтарт - Экспресс для расчетов трубопроводов на прочность, в которых эти нормы реализованы. Указанные программные продукты получили широкое распространение в практике проектирования тепловых сетей. Результаты расчетов, приводимые в этом материале, получены с помощью ПССтарт - Экспресс.

2. Разрушение от нагрева, циклическая прочность

Н


а)

б)

ормы подразделяют нагрузки, действующие на трубопровод, на силовые и деформационные. Опасность силового и деформационного нагружения различна.

Рис. 3. Варианты нагружения стального образца

Н

а)

б)

а рисунке 3 показано два варианта нагружения стального образца одинаковой длиныL. На рисунке 3а растяжение осуществляется с помощью подвешенного груза, а на рисунке 3б - путем нагрева массивного цилиндра (сечение заштриховано). В первом случае параметром внешнего воздействия выступает силаР(силовое воздействие), а во втором – температурный перепад Δt (деформационное воздействие).

Пусть материал стержня саль 20. При температуре 130°C имеем следующие расчетные характеристики: предел текучести - 220 МПа, временное сопротивление (предел прочности) - 400 МПа, модуль упругости Е - 2·105 МПа. Начало образования пластических деформаций характеризуется относительной деформацией , и опасность разрушения будет определяться соотношениями

– при силовомвоздействии

– при деформационном ;

где – удлинение при разрыве.

Для того чтобы разрушить образец после появления пластических деформаций, достаточно увеличить силовое воздействие в 1,8 раза, в то время как деформационное (в нашем случае температурный перепад) – почти в тысячу раз. Поэтому, трудно представить себе разрушение, вызванное температурным нагревом.

Пластические деформации вследствие нагрева могут иметь место только в трубопроводах, неподвижно закрепленных на концах. При постоянном температурном перепаде эти деформации в диапазоне интересующих нас температур не могут привести к разрушению, а потому не опасны. По изложенным соображениям нормы расчета на прочность [1] жестко ограничивают уровень допускаемых напряжений от силовых воздействий и значительно увеличивают этот уровень при сочетании силовых воздействий с температурным нагревом.

Для трубопроводовтепловых сетей условия статической прочности выглядят следующим образом

- от внутреннего (избыточного) давления

σ ≤

где [σ] – номинальное допускаемое напряжение, нормативные значения [σ]приведены в разделе 3,

- от веса и давления в рабочем (т. е. нагретом до рабочей температуры) или холодном состоянии трубопровода

σ ≤ 1.1,

допускаемые напряжения увеличиваются на 10%,

- от всех воздействий в рабочем состоянии трубопровода (кроме веса и давления действует температурный нагрев)

σ ≤ 1.5,

допускаемые напряжения увеличиваются на 50% и нередко достигают предела текучести .

Первые два условия являются обязательными. Последнее может не выполняться, если соблюдается требование циклической прочности, а именно - повреждаемость от действия знакопеременных нагрузок, обусловленных колебаниями температуры, оказывается в допустимых пределах. Колебания температуры характерны для трубопроводов тепловых сетей и именно ими во многом определяется прочность таких теплонапряженных элементов как криволинейные элементы (отводы) и Т- образные соединения (сварные и штампованные).

Разрушение в результате знакопеременных воздействий характеризуется пределом выносливости (усталости) . Для углеродистых сталей≈ 0.4, коэффициент запаса прочности обычно составляет kk=26. При среднем значении kk=4 для стали 20 будем иметь следующие допускаемые напряжения

.

Обеспечить напряжения на уровне можно только путем больших запасов компенсирующей способности, т.е. очень неэкономичных решений. Поэтому общепринятым подходом является допущение образования пластических деформаций в циклах нагрев - охлаждение, но при этом допустимое количество циклов должно быть таким, чтобы накопленная пластическая деформация не могла привести к разрушению трубопровода в течение заданного срока его службы (например, 25 лет).

Формула накопления повреждений при действии циклической нагрузки имеет вид (k- количество циклов знакопеременного нагружения)

i=1,2, …, k.

В числителе здесь число расчетных циклов нагрев - охлаждение, а в знаменателе - допустимое количество этих циклов. Суммарная повреждаемость должна быть не более единицы.

Расчетное количество циклов принимается на основании статистической обработки реальных данных приведенных к так называемой «температурной истории», а допускаемое – определяется по кривым усталости для заданного материала и рабочих характеристик каждого расчетного цикла. Ниже приведена типовая (в терминологии программной системы Старт) температурная история. Она получена на основании обработки журналов диспетчерской службы тепловых сетей ОАО «Мосэнерго» за три года с наиболее суровыми зимами. Подчеркнем еще раз: это – не действительная картина циклических воздействий, а эквивалентная ей по степени повреждаемости.

Типовая температурная история

Номер

цикла,

i

Период времени

Перепад температур ΔTi, °С

Количество циклов в течение

периода времени

(графа 1)

года

25 -ти лет

1

каждый год

130

1

1

25

2

каждый месяц

65

2

24

600

3

каждую неделю

32,5

4

208

5200

4

каждый день

16,25

8

2920

73000

В зарубежных нормативных материалах формула накопления поврежденийпри циклических воздействиях выглядит иначе


где γfat - коэффициент запаса по выносливости (усталости), который зависит от класса теплопровода. Классификация, принятая за рубежом в Европейских странах, представлена на рисунке 4, заимствованном из [13]. По оси ординат отложены изменения напряжений при переходе теплопровода из холодного состояния в рабочее

, МПа,

а по оси абсцисс – характеристика сечения трубопровода, выраженная через отношение , где ,-наружный диаметр, s - толщина стенки. Верхняя граница для трубопроводов малого и среднего диаметра соответствует типоразмеру 324х5.6мм. Пределу текучести при рабочей температурена рисунке 4 соответствует 210 МПа.

0

Рис. 4. Классификация теплопроводов

Характеристики классов следующие

  • проект класса А - теплопроводы малого и среднего диаметра (DN ≤ 300) с напряжениями от нагрева не превышающими предел текучести материала (Δσσp , МПа) γfat = 5,0 (η = 0.2),

  • проект класса В - теплопроводы малого и среднего диаметра с напряжениями от нагрева, превышающими предел текучести материала (Δσ > σp, МПа) γfat = 6,67 (η = 0.15),

  • проект класса С - теплопроводы большого диаметра (DN> 300 мм) γfat = 10.0 (η = 0.1).

На теплопроводах класса В остановимся подробнее. На рисунке наибольшие напряжения от нагрева для этого класса составляют 300 МПа, что превышает предел текучести σp=210МПа приблизительно в 1.4 раза. Таким образом, можно определить допустимый уровень пластических деформаций в результате нагрева

.

Это в полтора раза больше значения 0.1%, соответствующего 210 МПа, но в 670 раз меньше удлинения при разрывеδ=100%. Напомним, что условный предел текучести для сталей, у которых площадка текучести отсутствует, соответствует относительной деформации 0.2% - величине, которая превышает 0.15% в 1.3 раза. Несмотря на то, что столь малые пластические деформации от нагрева не опасны, в отечественной практике теплопроводы, аналогичные классу В, не применяются.

В меню программной системы Старт-Экспресс предусмотрено задание коэффициента η для того, чтобы пользователь мог сравнивать результаты оценки циклической прочности с требованиями зарубежных стандартов.

3. Допускаемые осевые напряжения от нагрева

Эти напряжения служат только для оценки способности трубопровода безопасно воспринимать собственные температурные расширения (так называемые компенсационные напряжения). В них температурная составляющая отделена от остальных воздействий – веса трубопровода, грунта и внутреннего давления.Допускаемые осевые напряжения по условиям

компенсации температурных расширений для трубопроводов расположенных в горизонтальной плоскости определяются по формуле [1]

Для трубопроводов, у которых DN ≤ 400мми Р ≤ 1.6МПа с погрешностью в 15% эту формулу можно заменить приближенной

,.

При наличии изгиба φи= 0,9

= 1,125, ,

при отсутствии изгиба φи= 1.0

= 1,25,.

Номинальные допускаемые напряжения, МПадлястальных труб и деталей [3]

Температура, °С

Марка стали

ВСтЗспЗ

10

20

17ГС,17ПС, 17Г1СУ

09Г2С

20

150

150

150

208

208

100

142

150

150

208

208

150

134

144

146

201

195

200

125

138

143

194

183

250

115

125

135

183

177

При необходимости использовать стали, не приведенные в таблице, номинальные допускаемые напряжения нужно рассчитывать

.

Здесь

-временное сопротивление разрыву (предел прочности) при температуре 20ºC,

-предел текучести при температуре 20ºC,

АТ- коэффициент, который служит для приведения к рабочей температуре.

Характеристики прочностии обычно приводятся в сертификатах на стальные изделия, значения АТ для разных сталей даны ниже в таблице.

Значения коэффициентов АT в зависимости от температуры

Температура, °С

Сталь

Углеродистая обыкновенного качества

Углеродистая качественная с содержанием углерода, %

Углеродистая низколегированная или легированная с содержанием углерода, %

0.07- 0.14

0.17- 0.24

0.07- 0.12

0.14 - 0.20

20

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

100

0,947

1,00

1,00

1,00

1,00

150

0,893

0,960

0,973

0,938

0,966

200

0,833

0,920

0,953

0,880

0,933

250

0,767

0,833

0,900

0,851

0,880

4. Оценка прочностив программной системе«Старт»

В расчетах трубопроводов тепловых сетей на действие постоянных нагрузок (режим ПДН согласно пункту 2.1.2 РД 10-400-01) обязательным является соблюдение условий прочности от веса и давления в рабочем состоянии. При отсутствии растяжки это условие будет выполняться в холодном состоянии автоматически. Соблюдение условий прочности от всех воздействий в рабочем и холодном (при наличии растяжки) состояниях обязательно только для труб (см. примечание) и не обязательно для отводов и тройников (врезок).Условия циклической прочности должны выполняться для всех элементов теплопровода.

Реализация этих требований в программной системе Старт схематично представлена в таблице. Знак «+» означает, что соблюдение условий прочности обязательно, знак «–» – не обязательно.

Оценка прочности для режима ПДН в ПССтарт

элемент теплопровода

постоянные нагрузки

переменные нагрузки

(циклы нагрев – охлаждение)

рабочее состояние трубопровода

холодное состояние трубопровода

вес, давление

вес, давление, температурный перепад, растяжка

вес, растяжка

труба

+

+

+

+

отвод

+

+

тройник (врезка)

+

+

Примечание.Удовлетворение условий статической прочности от всех воздействий в рабочем и холодном состояниях для труб не обязательно, если строго соответствовать нормам [1], но оно введено с целью обеспечения дополнительных запасов прочности.

Отсюда следует, что в таблице напряжений, выдаваемой программной системой Старт (см. ниже), наличие красного цвета недопустимо в графах 3÷4 и 9. В графах 5÷6 и 7÷8 оно допустимо только для тройников (врезок) и отводов.

Напряжения по РД 10-400-01 (режим ПДН)

Элемент

Узел

начальный

Напряжения от весовой нагрузки в рабочем состоянии, (кГс/кв.см)

Напряжения от всех воздействий в рабочем состоянии, (кГс/кв.см)

Напряжения от всех воздействий в холодном состоянии

Повреждаемость

Примечание

конечный

расч.

доп.

расч.

доп.

расч.

доп.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Участок

42

321.46

1623.60

1489.88

2214.00

1921.01

2250.00

38

321.46

1623.60

2924.76

2214.00

996.76

2250.00

0.124

2

Участок

38

321.46

1623.60

2941.87

2214.00

995.65

2250.00

0.125

2

37

321.46

1623.60

321.46

2214.00

207.07

2250.00

Тройник сварной

25

418.00

1623.60

3655.94

2214.00

6747.27

2250.00

0.808

Участок

25

1034.35

1623.60

2360.54

2214.00

1145.14

2250.00

0.105

2

41

1034.35

1623.60

1964.22

2214.00

1024.76

2250.00

Участок

41

1034.35

1623.60

1964.22

2214.00

1024.76

2250.00

43

1034.35

1623.60

2020.38

2214.00

1108.08

2250.00

Отвод изогнутый

43

332.80

1623.60

1177.13

2214.00

886.02

2250.00

1.023

4

Участок

43

625.28

1623.60

644.27

2214.00

456.72

2250.00

27

625.28

1623.60

625.28

2214.00

414.25

2250.00

Участок

28

625.28

1623.60

1978.73

2214.00

1027.83

2250.00

29

625.28

1623.60

641.62

2214.00

361.85

2250.00

Источник: http://www.studfiles.ru/preview/1194375/

  • Раздел: Выпечка |
  • Автор: Азимуддин
  • Комментариев: 13
  • Просмотров: 449 |