Проблемы и пути решения компенсации температурных деформаций теплопроводов в пенополиуретановой теплоизоляции при бесканальной прокладке.

09.04.2011

Введение

В последние годы в России широко стала применяться бесканальная прокладка теплопроводов с использованием стальных предварительно изолированных труб, для компенсации температурных деформаций которых применяются стартовые сильфонные компенсаторы (СК) и предварительно изолированные сильфонные компенсационные устройства (СКУ).

Как уже описывалось ранее , применение при бесканальной прокладке стартовых компенсаторов целесообразно на тепловых сетях в тех системах теплоснабжения, где применяется количественное регулирование тепловых нагрузок. Кроме того, стартовые сильфонные компенсаторы можно использовать в регионах с мягкими климатическими условиями, когда перепады температур теплоносителя относительно средней температуры незначительны и стабильны. При качественном регулировании тепловых нагрузок в пиковые режимы отопления, а также при остывании теплоносителя и его сливе, что довольно часто происходит во многих регионах России, температурные напряжения на трубопровод и неподвижные опоры резко возрастают, что нередко приводит к авариям на стартовых компенсаторах.

Учитывая также сложности при «запуске» стартового компенсатора и ремонтах трубопровода , в большинстве регионов России применяют осевые СК. Иногда при бесканальной прокладке предизолированного теплопровода осевой сильфонный компенсатор помещают в камеру. Но в большинстве случаев применяют теплогидроизолированные СКУ, изготовленные на изоляционных заводах из осевых СК. Конструкции данных СКУ разнообразны (у каждого завода – своя конструкция), но все они имеют общие особенности:

• гидроизоляция подвижной части СКУ не обеспечивает долговечную защиту от грунтовых вод при многократном циклическом воздействии , что приводит к намоканию тепловой изоляции, усиленной электрохимической коррозии деталей компенсатора и трубопровода, хлоридной коррозии сильфона, чего допускать нельзя , а система оперативно-дистанционного контроля (ОДК) при этом не срабатывает, т.к. сигнальные проводники внутри компенсационного устройства были проложены в изолирующем кембрике по всей его длине (до 4,5 м);
• из-за недостаточной изгибной жесткости конструкции такого СКУ не обеспечивается защита сильфона от изгибающих моментов, поэтому возрастают требования по соосности трубопровода при монтаже.

О создании надежной конструкции теплогидроизолированного осевого СКУ

Проанализировав особенности существующих конструкций СКУ, ОАО «НПП «Компенсатор» совместно с ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром» с 2005 г. вплотную занялось разработкой собственной конструкции полностью теплогидроизолированного осевого СКУ для бесканальной прокладки теплопроводов, обеспечивающей надежную гидроизоляцию от грунтовых вод и защиту сильфона от возможного прогиба трубопровода на протяжении всего срока эксплуатации.

В процессе разработки были испытаны различные варианты узла гидроизоляции от грунтовых вод подвижной части СКУ на циклическую наработку: уплотнительные кольца, изготовленные из резины различных марок; уплотнительные манжеты различных конфигураций профиля; сальниковая набивка. Циклические испытания опытных образцов СКУ с различными конструкциями узла гидроизоляции проводились в ванной, заполненной водно-песчаной взвесью, имитируя наихудшие условия их эксплуатации. Испытания показали, что различные виды уплотнений, работающих в условиях трения, не обеспечивают надежной гидроизоляции по нескольким причинам: возможность попадания песчинок между уплотнением и полиэтиленовой оболочкой, что со временем приведет к нарушению гидроизоляции; а также невозможность обеспечить стабильность качества установки уплотнительных колец или манжет фиксированного размера из-за большого разброса (до 14 мм) допускаемых предельных отклонений диаметра полиэтиленовой оболочки и ее овальности. Лучше всего себя показал узел гидроизоляции с применением сальниковой набивки. Но проконтролировать качество гидроизоляции сальниковой набивкой при изготовлении СКУ не представляется возможным.

Тогда было принято решение применить в качестве узла гидроизоляции дополнительный защитный сильфон в комбинации с сальниковой набивкой (подробное описание конструкции см. в работе ). Опытные образцы СКУ успешно выдержали циклические испытания, и с 2007 г. началось их серийное производство. Основным потребителем данной конструкции СКУ являются предприятия тепловых сетей Республики Беларусь, где требования к качеству и надежности строительства тепловых сетей несколько выше, чем в России. В тепловых сетях России установлено всего несколько десятков таких СКУ из-за относительно высокой их стоимости по сравнению со стоимостью компенсационных устройств, применявшихся ранее.

Тогда же начались серийные поставки упрощенной конструкции теплогидроизолированных СКУ без дополнительного защитного сильфона, но с применением антикоррозионного покрытия рабочего сильфона. Данная конструкция обеспечивает все требования , узел гидроизоляции выполнен с применением сальниковой набивки. За последние 3,5 года такие теплогидроизолированные СКУ нашли широкое применение во многих регионах РФ.

Учитывая пожелания монтажных и эксплуатирующих организаций, а также принимая во внимание высокую стоимость теплогидроизолированных СКУ с дополнительным защитным сильфоном, перед коллективом ОАО «НПП «Компенсатор» была поставлена задача создать менее трудоемкую конструкцию теплогидроизолированного СКУ, обеспечивающего надежную гидроизоляцию от грунтовых вод и «равнодушную» к возможной несоосности трубопровода.

От дополнительного защитного сильфона, значительно увеличивавшего стоимость СКУ, надо было отказываться, и тогда вновь вставал вопрос обеспечения надежной гидроизоляции. Снова рассматривались различные конструктивные решения узла гидроизоляции. От уплотнения, работающего в условиях трения, отказались сразу. Стабильность качества гидроизоляции сальниковой набивкой зависит от «человеческого фактора». Заманчиво было применить резиновую муфту, как это делают на некоторых изоляционных заводах, но проведенные испытания резиновой муфты на осевые перемещения показали, что при сжатии муфта не принимает форму гофра, а в месте стыка происходит ее излом, в котором со временем образуется разрыв муфты. Да и подобрать листовой резиновый материал и клей для него, сохраняющие свои физикомеханические свойства в течение 30 лет, весьма затруднительно, поскольку серийно выпускаемые нашей промышленностью резиновые листы не соответствуют данным требованиям.

В начале 2009 г. была разработана новая конструкция теплогидроизолированного СКУ, в которой учтены все пожелания монтажных и эксплуатирующих организаций: менее трудоемкая при изготовлении и в которой применен принципиально новый узел гидроизоляции. За основу конструкции принята отработанная конструкция СКУ для наземной и канальной прокладок теплопроводов , которые успешно эксплуатируются с 1998 г. Здесь также предусмотрены цилиндрические направляющие опоры, установленные с обеих сторон от сильфона, которые телескопически перемещаются вместе с патрубками компенсационного устройства по внутренней поверхности толстостенного кожуха и защищают сильфон от потери устойчивости при несоосности трубопровода.

Гидроизоляция подвижной части СКУ выполняется с помощью эластичной цельно-отлитой мембраны. Мембрана герметично зафиксирована на конструкции компенсационного устройства. Это позволяет гарантировать полную защиту сильфона и теплоизоляции от проникновения грунтовых вод в течение всего срока службы СКУ. Сама мембрана защищена от грунта и песка плотно набитой сальниковой набивкой. Тем самым, в новой гидроизолированной конструкции компенсационного устройства предусмотрена двухуровневая защита наружной поверхности сильфона и конструкции СКУ в целом.

Сигнальные проводники системы ОДК внутри компенсационного устройства проложены в электроизолирующем термостойком кембрике, перфорированном для возможности срабатывания системы ОДК в случае нарушения герметичности сильфона или гидроизолирующей мембраны, что маловероятно, поскольку нарушение герметичности в данной конструкции сведено к минимуму.

Вся наружная поверхность кожуха СКУ защищена от воздействия внешней среды специально разработанной термоусаживающейся полиэтиленовой манжетой. Также в новой конструкции предусмотрена теплоизоляция сильфона, позволяющая исключить возможность образования конденсата внутри СКУ.

Итак, в новой конструкции СКУ в качестве узла гидроизоляции применено принципиально новое решение – гидрозащитная эластичная мембрана. Что же это такое?

Гидрозащитная эластичная мембрана изготавливается литьем в пресс-формах из смеси на основе специально разработанного каучука и рассчитана на срок службы СКУ до 50 лет при бесканальной прокладке.

Мембрана, применяемая для гидроизоляции в конструкции СКУ, позволяет уйти от использования узла трения, как основного герметизирующего элемента. Специально спроектированная форма мембраны позволяет обеспечить ее беспрепятственное перемещение при температурных деформациях теплопровода относительно неподвижного кожуха СКУ.

Температурные испытания мембраны, проведенные ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром», показали, что при температуре 150 ОC мембрана не теряет своих физико-механических свойств и находится в работоспособном состоянии в течение всего срока службы СКУ.

Квалификационные испытания новой конструкции теплогидроизолированного осевого СКУ с мембраной проводились летом 2009 г. совместно с представителями ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром» и НП РТ .

При испытаниях СКУ на подтверждение вероятности безотказной работы по циклической наработке были сымитированы наихудшие условия эксплуатации: опытный образец компенсационного устройства был помещен в бочку с водой и подвергнут циклическим испытаниям осевым ходом на сжатие-растяжение. Через каждую 1000 циклов проводились контрольные замеры электрического сопротивления между патрубками СКУ и сигнальными проводниками системы ОДК при испытательном напряжении 500 В.

После отработки назначенной наработки с учетом вероятности безотказной работы (суммарно около 30000 циклов) циклические испытания были прекращены. Опытный образец СКУ был проверен на прочность и герметичность, после чего с него был удален кожух. Разрушений сильфона, мембраны, а также следов проникновения воды во внутрь СКУ не обнаружено.

Межведомственная комиссия по испытаниям «дала добро» на серийное производство теплогидроизолированных СКУ новой конструкции на ОАО «НПП «Компенсатор», которое началось в 2010 г.

По итогам поставок первых партий СКУ новой конструкции на предприятия тепловых сетей были собраны пожелания и предложения проектных и монтажных организаций, на основе анализа которых в конструкцию теплогидроизолированного СКУ были внесены изменения, касающиеся удобства монтажа и теплоизоляции стыка СКУ с трубопроводом, оптимизации массогабаритных характеристик, унификации деталей СКУ. Также был улучшен узел гидроизоляции СКУ с точки зрения повышения его надежности и защиты от механических повреждений.

«ВНИПИэнергопром» ведет постоянный мониторинг, производственные и лабораторные испытания теплогидроизолированных СКУ и иной продукции ОАО «НПП «Компенсатор» для подтверждения их технических характеристик.

Литература

1. Логунов В.В., Поляков В.Л., Слепченок В.С. Опыт применения осевых сильфонных компенсаторов в тепловых сетях// Новости теплоснабжения. 2007. № 7. С. 47-52.
2. Максимов Ю.И. Некоторые аспекты проектирования и строительства бесканальных термически напряженных предизолированных трубопроводов с применением стартовых компенсаторов // Новости теплоснабжения. 2008. № 1. С. 24-34.
3. Игнатов А.А., Ширинян В.Т., Бурганов А.Д. Модернизированное сильфонное компенсационное устройство в ППУ изоляции для тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2008. № 3. С. 52-53.
4. ГОСТ 30732-2006 Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой. Технические условия.
5. События и планы НП «Российское теплоснабжение» // Новости теплоснабжения. 2009. № 9. С. 10. Новости теплоснабжения № 4 (апрель), 2011 г.

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

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.

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 .

Компенсационные устройства в тепловых сетях служат для устранения (или значительного уменьшения) усилий, возникающих при тепловых удлинениях труб. В результате снижаются напряжения в стенках труб и силы, действующие на оборудование и опорные конструкции.

Удлинение труб в результате теплового расширения металла оп ределяют по формуле,.

где — коэффициент линейного расширения, 1/°С; l — длина трубы, м; t — рабочая температура стенки, 0 С; t м — температура монтажа, 0 С.

Для трубопроводов тепловой сети значение t принимают равным рабочей (максимальной) температуре теплоносителя; t м — расчетной для отопления температуре наружного воздуха. При средней величине = 12 · 10 -6 1/°С для углеродистой стали удлинение 1 м трубы на. каждые 100°С изменения температур составит l = 1,2 мм/м.

Для компенсации удлинения труб применяют специальные устройства — компенсаторы, а также используют гибкость труб на поворотах трассы тепловых сетей (естественную компенсацию).

По принципу работы компенсаторы подразделяют на осевые и радиальные. Осевые компенсаторы устанавливают на прямолинейных участках теплопровода, так как они предназначены для компенсации усилий, возникающих только в результате осевых удлинений. Радиальные компенсаторы устанавливают на теплосети любой конфигурации, так как они компенсируют как осевые, так и радиальные усилия. Естественная компенсация не требует установки специальных устройств, поэтому ее необходимо использовать в первую очередь.

В тепловых сетях находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и линзовые. В сальниковых компенсаторах (рис. 6.11) температурные деформации труб приводят к перемещению стакана 1 внутри корпуса 5, между которыми для герметизации помещается сальниковая набивка 3. Зажимается набивка между упорным кольцом 4 и грундбуксой 2 при помощи болтов 6.

Рис. 6.11. Сальниковые компенсаторы

а — односторонний; б — двусторонний: 1 — стакан; 2 — грундбукса; 3 — сальниковая набивка; 4 — упорное кольцо; 5 — корпус; 6 — затяжные болты

В качестве сальниковой набивки применяют асбестовый прографиченный шнур или термостойкую резину. В процессе работы набивка изнашивается и теряет упругость, поэтому требуются периодическая ее подтяжка (зажатие) и замена. Для возможности проведения указанных ремонтов сальниковые компенсаторы размещают в камерах.

Соединение компенсаторов с трубопроводами осуществляется сваркой. При монтаже необходимо оставлять зазор между буртом стакана и упорным кольцом корпуса, исключающий возможность возникновения растягивающих усилий в трубопроводах в случае понижения температуры ниже температуры монтажа, а также тщательно выверять осевую линию во избежание перекосов и заедания стакана в корпусе.






Основными достоинствами сальниковых компенсаторов являются малые габариты (компактность) и низкие гидравлические сопротивления, вследствие чего они нашли широкое применение в тепловых сетях, Особенно при подземной прокладке. В этом случае их устанавливают при d y = 100 мм и более, при надземной прокладке — при d y = 300 мм и более.



В линзовых компенсаторах (рис. 6.12). при температурных удлинениях труб происходит сжатие специальных упругих линз (волн). При этом обеспечивается полная герметичность в системе и не требуется обслуживания компенсаторов.

Изготовляют линзы из листовой стали или штампованных полулинз с толщиной стенки от 2,5 до 4 мм газовой сваркой. Для уменьшения гидравлических сопротивлений внутри компенсатора вдоль волн вставляется гладкая труба (рубашка).

Линзовые компенсаторы имеют относительно небольшую компен сирующую способность и большую осевую реакцию. В связи с этим для компенсации температурных деформаций трубопроводов тепло вых сетей устанавливают большое число волн или производят пред варительную их растяжку. Применяют их обычно до давлений при мерно 0,5 МПа, так как при больших давлениях возможно вспучи вание волн, а повышение жесткости волн путем увеличения толщины стенок приводит к снижению их компенсирующей способности и возрастанию осевой реакции.

Естественная компенсация температурных деформаций происходит в результате изгиба трубопроводов. Гнутые участки (повороты) повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность.

При естественной компенсации на поворотах трассы температурные деформации трубопроводов приводят к поперечным смещениям участков (рис. 6.13). Величина смещения зависит от расположения неподвижных опор: чем больше длина участка, тем больше его удлинение. Это требует увеличения ширины каналов и затрудняет работу подвижных опор, а также не дает возможности применять современную бесканальную прокладку на поворотах трассы. Максимальные напряжения изгиба возникают у неподвижной опоры короткого участка, так как он смещается на большую величину.

К радиальным компенсаторам, применяемым в тепловых сетях, относятся гибкие и волнистые шарнирного типа. В гибких компенсаторах температурные деформации трубопроводов устраняются при помош.и изгибов и кручения специально согнутых или сваренных участков труб различной конфигурации: П- и S-образных, лирообразных, омегообразных и др. Наибольшее распространение на практике вследствие простоты изготовления получили П-образные компенсаторы (рис. 6.14,а).

Их компенсирующая способность определяется суммой деформаций -по оси каждого из участков трубопроводов . При этом максимальные изгибающие напряжения возникают в наиболее удаленном от оси трубопровода отрезке — спинке компенсатора. Последняя, изгибаясь, смещается на величину у, на которую необходимо увеличивать и габариты компенсаторной ниши.

Для увеличения компенсирующей способности компенсатора или уменьшения величины смещения его устанавливают с предварительной (монтажной) растяжкой (рис. 6.14,б). При этом спинка компенсатора в нерабочем состоянии изогнута внутрь и испытывает изгибающие напряжения. При удлинении труб компенсатор приходит сначала в ненапряженное состояние, а затем уже спинка изгибается наружу и в ней возникают изгибающие напряжения обратного знака.

Если в крайних положениях,т. е. при предварительной растяжке и в рабочем состоянии достигаются предельно допустимые напряжения, то компенсирующая способность компенсатора увеличивается вдвое по сравнению с компенсатором без предварительной растяжки. В случае же компенсации одинаковых температурных деформаций в компенсаторе с предварительной растяжкой не будет происходить смещение спинки наружу и, следовательно, уменьшатся габариты компенсаторной ниши. Работа гибких компенсаторов других конфигураций - происходит примерно таким же образом.

Расчет естественной компенсации и гибких компенсаторов заключается в определении усилии и максимальных напряжений, возникающих в опасных сечениях, в выборе длин участков трубопроводов, закрепленных в неподвижных опорах, и геометрических размеров компенсаторов, а также в нахождении величины смещений при компенсации температурных деформаций.

Методика расчета основывается на законах теории упругости, связывающих деформации с напряжениями и геометрическими размерами труб, углов изгиба и компенсаторов. При этом напряжения в опасном сечении определяются с учетом суммарного действия усилий от температурных деформаций трубопроводов, внутреннего давления теплоносителя, весовой нагрузки и др. Суммарные напряжения не должны превышать допустимой величины.

На практике расчет максимальных изгибающих напряжений в гнутых компенсаторах и участках естественной компенсации производят по специальным номограммам и графикам. В качестве примера на рис. 6.15 приведена номограмма для расчета П-образного компенсатора.

Расчет П-образного компенсатора по номограмме производят в зависимости от величины температурного удлинения трубопровода t и принятого соотношения между длиной спинки компенсатора В и его вылетом Н (показано стрелками).

Номограммы строятся для различных стандартных диаметров трубопроводов d y , способа изготовления и радиусов углов изгиба. При этом указываются также принятые значения допустимых изгибающих напряжений , коэффициента линейного расширения и установочные условия.

Волнистые компенсаторы шарнирного типа (рис. 6.16) представляют собой линзовые компенсаторы, стянутые стяжками с шарнирным устройством 1 с помощью опорных колец 2, надаренных на трубы. При установке их на трассе, имеющей ломаную линию, они обеспечивают компенсацию значительных тепловых удлинений, работая на изгиб вокруг своих шарниров. Изготовляются такие компенсаторы для труб с d y = 150-400 мм на давление Р у 1,6 и 2,5 МПа и температуру до 450 °С. Компенсирующая способность шарнирных компенсаторов зависит от максимально допустимого угла поворота компенсаторов и схемы их установки на трассе.



Рис. 6.16. Простейшая конструкция компенсатора шарнирного типа; 1 - шарниры; 2 — опорное кольцо

Рис. 6.15. Номограмма для расчета П-образного компенсатора трубопровода flfy = 70 см.

12.1. Одно из условий сохранения прочности и надежной работы трубопроводов - полная компенсация температурных деформаций.

Температурные деформации компенсируют за счет поворотов и изгибов трассы трубопроводов. При невозможности ограничиться самокомпенсацией (например, на совершенно прямых участках значительной протяженности) на трубопроводах устанавливают П-образные, линзовые или волнистые компенсаторы.

12.2. Не допускается применять сальниковые компенсаторы на технологических трубопроводах, транспортирующих среды групп А и Б.

12.3. При расчете самокомпенсации трубопроводов и конструктивных размеров специальных компенсирующих устройств можно рекомендовать следующую литературу:

Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1965. 396 с.

Справочник по проектированию электрических станций и сетей. Раздел IX. Механические расчеты трубопроводов. М.: Теплоэлектропроект, 1972. 56 с.

Компенсаторы волнистые, их расчет и применение. М.: ВНИИОЭНГ, 1965. 32 с.

Руководящие указания по проектированию стационарных трубопроводов. Вып. II. Расчеты трубопроводов на прочность с учетом напряжений компенсации, № 27477-Т. Всесоюзный государственный проектный институт «Теплопроект», Ленинградское отделение, 1965. 116 с.

12.4. Тепловое удлинение участка трубопровода определяют по формуле:

где l - тепловое удлинение участка трубопровода, мм;  - средний коэффициент линейного расширения, принимаемый по табл. 18 в зависимости от температуры; l - длина участка трубопровода, м; t м - максимальная температура среды, °С; t н - расчетная температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки, °С; (для трубопроводов с отрицательной температурой среды t н - максимальная температура окружающего воздуха, °С; t м - минимальная температура среды, °С).

12.5. П-образные компенсаторы можно применять для технологических трубопроводов всех категорий. Их изготовляют либо гнутыми из цельных труб, либо с использованием гнутых, крутоизогнутых или сварных отводов; наружный диаметр, марку стали труб и отводов принимают такими же, как и для прямых участков трубопровода.

12.6. Для П-образных компенсаторов гнутые отводы следует применять только из бесшовных, а сварные - из бесшовных и сварных труб. Сварные отводы для изготовления П-образных компенсаторов допускаются в соответствии с указаниями п. 10.12 .

12.7. Применять водогазопроводные трубы по ГОСТ 3262- 75 для изготовления П-образных компенсаторов не разрешается, а электросварные со спиральным швом, указанные в табл. 5 , рекомендуются только для прямых участков компенсаторов.

12.8. П-образные компенсаторы должны быть установлены горизонтально с соблюдением необходимого общего уклона. В виде исключения (при ограниченной площади) их можно размещать вертикально петлей вверх или вниз с соответствующим дренажным устройством в низшей точке и воздушниками.

12.9. П-образные компенсаторы перед монтажом должны быть установлены на трубопроводах вместе с распорными приспособлениями, которые удаляют после закрепления трубопроводов на неподвижных опорах.

12.10. Линзовые компенсаторы, осевые, изготовляемые по ОСТ 34-42-309-76 - ОСТ 34-42-312-76 и ОСТ 34-42-325-77 - ОСТ 34-42-328-77, а также линзовые компенсаторы шарнирные, изготовляемые по ОСТ 34-42-313-76 - ОСТ 34-42-316-76 и ОСТ 34-42-329-77 - ОСТ 34-42-332-77 применяют для технологических трубопроводов, транспортирующих неагрессивные и малоагрессивные среды при давлении Р у до 1,6 МПа (16 кгс/см 2), температуре до 350 °С и гарантированном числе повторяющихся циклов не более 3000. Компенсирующая способность линзовых компенсаторов приведена в табл. 19 .

12.11. При установке линзовых компенсаторов на горизонтальных газопроводах с конденсирующимися газами для каждой линзы должен быть предусмотрен дренаж конденсата. Патрубок для дренажной трубы изготовляют из бесшовной трубы по ГОСТ 8732-78 или ГОСТ 8734-75 . При установке линзовых компенсаторов с внутренним стаканом на горизонтальных трубопроводах с каждой стороны компенсатора должны быть предусмотрены направляющие опоры.

12.12. Для увеличения компенсирующей способности компенсаторов допускается их предварительная растяжка (сжатие). Значение предварительной растяжки указывают в проекте, а при отсутствии данных ее можно принимать равной не более 50 %-ной компенсирующей способности компенсаторов.

12.13. Поскольку температура окружающего воздуха в период монтажа чаще всего превышает наименьшую температуру трубопровода, предварительную растяжку компенсаторов необходимо уменьшить на  попр , мм, которую определяют по формуле:

Где  - коэффициент линейного расширения трубопровода, принимаемый по табл. 18 ; L 0 - длина участка трубопровода, м; t монт - температура при монтаже, °С; t min - минимальная температура при эксплуатации трубопровода, °С.

12.14. Пределы применения линзовых компенсаторов по рабочему давлению в зависимости от температуры транспортируемой среды устанавливают по ГОСТ 356-80 ; пределы применения их по цикличности приведены ниже:


Общее число циклов работы компенсатора за период эксплуатации	Компенсирующая способность линзы при толщине стенки, мм
	2,5	3,0	4,0
300	5,0	4,0	3,0
500	4,0	3,5	2,5
1000	4,0	3,5	2,5
2000	2,8	2,5	2,0
3000	2,8	2,2	1,6


12.15. При установке шарнирных компенсаторов ось шарниров должна быть перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода.

При сварке узлов шарнирного компенсатора предельные отклонения от соосности не должны превышать для условного прохода: до 500 мм - 2 мм; от 500 до 1400 мм - 3 мм; от 1400 до 2200 мм - 4 мм.

Несимметричность осей шарниров относительно вертикальной плоскости симметрии (вдоль оси трубопровода) должна быть для условного прохода не более: до 500 мм - 2 мм; от 500 до 1400 мм - 3 мм; от 1400 до 2200 мм - 5 мм.

12.16. Качество линзовых компенсаторов, подлежащих установке на технологических трубопроводах, должно подтверждаться паспортами или сертификатами.

12.17. Сильфонные осевые компенсаторы КО, угловые КУ, сдвиговые КС и универсальные КМ в соответствии с ОСТ 26-02-2079-83 применяют для технологических трубопроводов с условным проходом D y от 150 до 400 мм при давлении от остаточного 0,00067 МПа (5 мм рт. ст.) до условного Р у 6,3 МПа (63 кгс/см 2), при рабочей температуре от - 70 до + 700 °С.

12.18. Выбор типа сильфонного компенсатора, схема его установки и условия его применения должны быть согласованы с автором проекта или с ВНИИнефтемашем.

Варианты материального исполнения сильфонных компенсаторов приведены в табл. 20 , а их техническая характеристика - в табл. 21 - 30 .

12.19. Сильфонные компенсаторы необходимо монтировать в соответствии с инструкцией по монтажу и эксплуатации, входящей в комплект поставки компенсаторов.

12.20. В соответствии с ОСТ 26-02-2079-83 средний срок службы сильфонных компенсаторов до списания - 10 лет, средний ресурс до списания - 1000 циклов для компенсаторов КО-2 и КС-2 и 2000 - для компенсаторов остальных типов.

Средний ресурс до списания компенсаторов КС-1 при вибрации с амплитудой колебаний 0,2 мм и частоте, не превышающей 50 Гц, - 10000 ч.

Примечание. Под циклом работы компенсатора понимают «пуск - остановку» трубопровода для ремонта, освидетельствования, реконструкции и т. п., а также каждое колебание температурного режима работы трубопровода, превышающее 30 °С.

12.21. При ремонтных работах на участках трубопроводов с компенсаторами необходимо исключить: нагрузки, приводящие к скручиванию компенсаторов, попадание искр и брызг на сильфоны компенсаторов при сварочных работах, механические повреждения сильфонов.

12.22. При наработке 500 циклов для компенсаторов КО-2 и КС-2 и 1000 циклов для сильфонных компенсаторов остальных типов необходимо:

при эксплуатации на пожаро-взрывоопасных и токсичных средах заменить их новыми;

при эксплуатации на других средах техническому надзору предприятия принять решение о возможности их дальнейшей эксплуатации.

12.23. При установке компенсатора в паспорт трубопровода вносят следующие данные:

техническую характеристику, завод-изготовитель и год изготовления компенсатора;

расстояние между неподвижными опорами, необходимую компенсацию, предварительное растяжение;

температуру окружающего воздуха при монтаже компенсатора и дату.