Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

4. Схематизация внешних воздействий.

Подавляющее большинство воздействий – это силовые и деформационные -

распределенные по длине трубопровода: собственный вес труб, вес продукта, изоляции

(кгс/м), равномерный нагрев (мм/м),

- сосредоточенные: веса арматуры, отводов и тройников; распорные усилия от

давления (кг); нагрев присоединенного оборудования; растяжка (мм).

Допускается использовать другие размерности, например вместо кгс - тс, вместо

мм – см и т. п.

На схематизации деформационных воздействий, вызванных температурным

нагревом, остановимся подробнее. Все расчетные температуры, о которых далее пойдет

речь, принимаются равномерно распределенными как по длине трубопровода, так и

по его сечению (изгиб, вызванный перепадом температуры по сечению трубы, а также

увеличение диаметра трубы вследствие нагрева, как правило, не учитываются).

Начнем с расчетной температуры. За расчетную температуру обычно

принимается максимальная температура транспортируемого продукта, определенная

технологическим регламентом (техническими требованиями) на проектирование. Такой

подход на сегодня безнадежно устарел, т.к. он приводит к необоснованно завышенным

запасам прочности. Особенно в тех случаях, когда рабочие параметры транспортируемого

продукта не постоянны во времени. Покажем это на примере тепловых сетей. Согласно

техническим требованиям для тепловых сетей в г. Москве расчетная температура

составляет 150°С. Однако по данным многолетних наблюдений ОАО «Мосэнерго»

продолжительность действия температуры 150°С не превышает 1.5 суток, а 130°С – 10

суток за весь отопительный период даже на магистральных теплопроводах большого

диаметра.

Пусть продолжительность отопительного периода 210 дней, причем максимальные

суточные температуры в сети составляют (таблица 1). Используя понятие

средневзвешенного арифметического, получаем значение фактической расчетной

температуры в течение всего отопительного периода

Таблица 1

Температуры отопительного периода

Температура, °С Количество суток

150 1.5

140 5.5

130 10

120 30

110 40

100 33

90 30

80 30

70 30

СТ



























 103

303030334030105551

309030903090331004011030120101305514051150

По сравнению со 150°С разница составляет 30%! Так что более правильно за расчетную

температуру в данном случае брать 105ºC (с точностью до 5ºC), а 150°С отнести к

категории кратковременных воздействий наряду с такими, как ветер, снег и.т.д.

К сожалению, проектировщик не волен самостоятельно принимать подобные

решения, но тенденция к переходу на более обоснованные исходные данные сегодня уже

обозначилась. В ряде нормативных документов для учета кратковременных воздействий

предусмотрен отдельный расчет (режимы ПДК в РД 10-400-01 [1], ПДКОН в СА 03-003-

07 [2]), при этом критерии прочности берутся с более низкими коэффициентами запаса.

Расчетная температура используется для определения физико-механических

свойств материала трубопровода и допускаемых напряжений.

Температура монтажа - это температура наружного воздуха, при которой

трубопровод превращается в неразрезную конструкцию, т.е. температура при которой

осуществляется заварка последнего монтажного стыка. До этого момента напряжения в

трубопроводе, вызванные температурным нагревом отсутствуют (свободному

расширению вследствие изменения температуры ничего не препятствует). Температура

монтажа может назначаться по-разному в зависимости от конкретных условий, для

которых выполняется расчет трубопровода. Рассмотрим н

екоторые характерные случаи.

1. Время, когда будет монтироваться трубопровод, не определено. Трубопровод

воздушный, т.е. прокладывается на открытом воздухе. За расчетную температуру

монтажа в запас прочности лучше принять начальную температуру для холодного

времени года согласно п. 8.6 и 8.7 СНиП 2.02.07-85 Нагрузки и воздействия [3]. При этом

указанную температуру можно скорректировать в зависимости от ус

ловий проведения

сварочных работ. Так, если монтажные работы ведутся без предварительного подогрева

свариваемых стыков, то согласно пункту 5.10 СНиП 3.05.03-85 Тепловые сети [4], сварку

разрешается производить:

- при температуре наружного воздуха до минус 20°С для труб из углеродистой

стали с содержанием углерода не более 0.24% (независимо от толщины стенки труб), а

также труб из низколегированной стали с толщиной стенки не более 10 мм;

- при температуре наружного воздуха до минус 10°С для труб из углеродистой

стали с содержанием углерода свыше 0.24%, а также труб из низколегированной стали с

толщиной стенки свыше 10 мм.

2. Воздушный трубопровод остановлен на реконструкцию или плановый ремонт.

Заранее известно, что работы будут закончены в летнее время. За расчетную температуру

монтажа нужно принимать начальную температуру для теплого времени года согласно п.

8.6 и 8.7 СНиП 2.02.07-85 [3].

3. Для трубопроводов бесканальной прокладки с ППУ – изоляцией температуру

монтажа обычно принимают 0°С. Предполагается, что последний стык заваривается

тогда, когда вся траншея засыпана. Отрицательной температуры в стенках трубопровода

быть не может (на самом деле это не так важно, если учесть, что расчетная температура

130°С уже содержит запас по перепаду температур как минимум в 15°С). Если же в

конструкции трубопровода предусмотрены стартовые компенсаторы, то монтаж нужно

обязательно вести летом (иначе расчетное количество компенсаторов получается слишком

большим). При определении толщины тепловой изоляции теплопроводов,

прокладываемых на глубине более 0.7-ми метров расчетную температуру грунта обычно

принимают +4º С, а это вполне весомый аргумент в пользу принятия расчетной

температуры монтажа 0º С для трубопроводов бесканальной прокладки.

Рассмотрим конкретный пример. Район строительства Санкт-Петербург.

Трубопровод воздушный, материал сталь 20 (содержание углерода не превышает 0.24%),

сварочные работы на монтаже производятся без предварительного подогрева стыков.

Расчетная температура

раб

150

Начальная температура, соответствующая замыканию конструкции в холодное

время года согласно пункту 8.6 СНиП 2.02.07-85 равна

Cttt

IVIIc

5)10(8.0152.08.02.0 

где

VII

t - многолетние средние месячные температуры воздуха в январе и июле

согласно СНиП 2.02.07-85 для С.-Петербурга.

Температурный перепад с учетом коэффициента надежности согласно п. 8.7 СНиП

2.02.07-85 должен быть равен

CtTt

cраб

5.170))5(150(1.1)(1.1 

Отсюда получается, что температура монтажа должна быть равна

5.205.170150 

Согласно СНиП 3.05.03-85 сварку разрешается производить при температуре

наружного воздуха не ниже минус

. Поэтому окончательно температуру монтажа

принимаем равной минус

В некоторых нормативных документах (например, в Своде Правил по

проектированию и строительству тепловых сетей бесканальной прокладки [5])

содержатся указания по учету температуры наиболее холодной пятидневки или

абсолютной минимальной температуры для данного района согласно СНиП 2.02.07-85.

Нужно иметь в виду, что эти температуры используются обычно для выбора материалов

труб и изделий, когда важны такие характеристики металла, как ударная вязкость,

хладноломкость и т.п. Обычно монтажные работы при таких температурах не ведутся и к

расчетной температуре монтажа они не имеют прямого отношения.

Для трубопроводов, которые могут принимать температуру окружающего воздуха

при отсутствии в них давления эту температуру допускается принимать равной

- минус 40ºС для сталей марок 20, ВСт2сп2, ВСт3сп2-5;

- минус 50ºС для сталей марок 17ГС, 17Г1С, 17Г1С-У, 14ХГС;

- минус 60ºС для сталей марок 10Г2, 09Г2С.

Расчетная температура при проведении испытаний. Цель испытаний обычно

сводится к проверке герметичности стыковых соединений, т.е. к проверке качества

монтажных работ. Если испытания проводятся водой (гидроиспытания), то температура

наружного воздуха должна быть положительной, чтобы исключить замерзание воды. В

большинстве случаев расчетная температура при испытаниях принимается +20°С.

5. Примеры схематизации и характерные ошибки

В расчетной модели используется понятие «точка»: закрепление в точке, поворот в

точке и т.п. Конструктивно создать закрепление или наоборот свободу перемещения с

определенными свойствами в одной точке невозможно. Нередко для обеспечения

требуемых свойств конструкции приходиться ставить крепления на некотором расстоянии

друг от друга, вводить между компенсаторами отрезок прямой трубы и объединять их

общими стяжками и т.д.

Приступая к построению расчетной модели, инженеру – расчетчику сначала нужно

удостовериться, имеются ли на схеме трубопровода близко расположенные крепления или

компенсаторы (понятие близко расположенные - это расстояние между ними порядка 2-5

диаметров трубы) и если да, то для чего это сделано? Иногда расстояние может быть и

большим, но свойства оказываются линейно зависимыми. Например, два компенсатора,

объединенные длинными стяжками, нельзя рассматривать в качестве двух

самостоятельных компенсаторов, т.к. благодаря общим стяжкам перемещения

компенсаторов будут линейно зависимыми; несколько упругих подвесок на длинном

вертикальном стояке могут выполнять функции одной подвески, свойства которой

«размазаны» по длине стояка и т.п. Во всех подобных случаях необходимо выявить

функциональное назначение принятой конструкции и соответствующую модель ее работы

желательно свести в одну точку.

Характерный пример приведен на рисунке 6. Балка, нагруженная равномерно

распределенной нагрузкой, имеет мертвую опору на левом конце и две рядом

расположенные подвижные опоры на правом. Расчетная модель может быть разной в

зависимости от конструкции подвижных опор. Рассмотрим три варианта.

а)

Рис.6. Варианты расчетной модели балки

1. Две одинаковых опоры с хомутами (рис. 6 б,в) поставлены рядом для того, чтобы

закрепить точку С от поворота и перемещений по вертикали. Упругая линия от действия

равномерно распределенной нагрузки q показана пунктиром (рис. 6б). С расчетной точки

б)

в)

г)

д)

е)

)

ж)

з)

и)

к)

зрения в закрепляемой точке С должна быть одна опора, эквивалентная двум жестким

двухсторонним связям: линейной вертикальной и угловой, запрещающий поворот в

плоскости чертежа. Именно такую схему работы правого конца балки обеспечивают

спаренные опоры с хомутами; реакции опоры в точке С расчетной модели показаны на

рисунке 6г.

2. Две разные опоры: одна (крайняя правая) с хомутом, вторая - скользящая,

препятствующая перемещению точки С только вниз (рис. 6е). Упругая линия будет такой

же, как и в первом варианте (рис. 6д), разница будет только в том, что угловая связь в

закрепляемой точке С будет односторонней, препятствующей повороту сечения против

часовой стрелки и не препятствующей в обратном направлении. Реакции опоры в точке С

расчетной модели показаны на рис. 6ж.

3. Две одинаковые скользящие опоры поставлены рядом по конструктивным

соображениям (рис. 6и). Сечение балки в точке С не закреплено от поворота. С расчетной

точки имеем одну опору, которая представляет собой одностороннюю вертикальную

связь, препятствующую перемещению трубопровода только вниз. В расчетной модели

одна из опор является лишней, поскольку при достаточно близком между ними

расстоянии упругая линия нагруженной балки будет практически одинаковой (рисунки 6з

и 6л). Реакция опоры в точке С расчетной модели показана на рисунке 6к.

Аналогично нужно поступать в тех случаях, когда в реальной конструкции

трубопровода имеют место два рядом расположенных компенсатора с линейно

зависимыми перемещениями. При наличии в трубопроводе подвижных сочленений,

выполненных в виде осевых, угловых или сдвиговых компенсаторов, нужно также

следить за тем, чтобы расчетная модель не превратилась в кинематическую цепь, не

способную сохранять геометрическую неизменяемость при действии заданных

нагружающих факторов. При выборе расчетной модели особое внимание необходимо

обратить на схематизацию закреплений (как внутренних, так и внешних). Принятые

схемы работы креплений и компенсаторов должны вобрать в себя все основные свойства

реальной конструкции.

Ниже приведены некоторые характерные примеры.

ПРИМЕР 1. Шарнирно – подвижные (скользящие) опоры не препятствуют

повороту и, следовательно, не могут предохранить арматуру от воздействия изгибающих

моментов. При наличии фланцевых соединений возникает опасность их разуплотнения в

результате изгиба трубопровода в горизонтальной плоскости. Для предотвращения этой

опасности необходимо не менее двух направляющих опор, устанавливаемых по обеим

сторонам арматуры (рис. 7а). По отношению к трубе арматура - бесконечно жесткий элемент

(рис. 7б), поэтому теоретически такая конструкция равнозначна закреплению одной точки С

на оси трубопровода от линейных смещений вниз, поперек оси и от поворота в

горизонтальной плоскости. На чертеже трубопровода будут изображены две опоры (рис. 7а),

поскольку чертеж - это условное изображение реальной конструкции трубопровода. В

расчетной же модели должна быть одна опора, препятствующая линейным и угловым

перемещениям (рис. 7в). Реакции такой опоры показаны на рис. 7г.

Аналогичный случай, когда рядом с арматурой ставятся две скользящие опоры из-

за того, что арматура тяжелая и одной опоры недостаточно для восприятия веса. С расчетной

точки зрения имеем одну опору в точке расположения арматуры.

)

а)

ПРИМЕР 2. Подпятник, жестко прикреплен к отводу с целью восприятия веса от

вертикального стояка (рис.8 а).

Рис. 8. Схема с подпятником

Рис. 6. Закрепление арматуры от поворота в

горизо

тальной пл

оскости

в)

г)

а)

б)

Обычно вертикальная ось подпятника и ось стояка должны совпадать, поскольку

наличие эксцентриситета ухудшает условия опирания, (рабочая поверхность опорной

плиты будет испытывать изгиб). Если же оси совпадают, то подпятник с расчетной точки

зрения – это обычная скользящая опора, которая служит для закрепления точки С от

перемещений вниз. Соответствующая расчетная модель приведена на рисунке 8б.

ПРИМЕР 3. Обвязка колонны, у которой все опоры, за исключением нижней,

крепятся к аппарату. Отметки опирания проставлены условно (рис.9а).

+28.0

+26.0

Рис. 9. Обвязка колонного аппарата

Необходимо учесть, что опоры на отметках 9, 15 и 21 метр крепятся кронштейнами

к аппарату, опора на отметке 26 метров находится на обслуживающей площадке верха

колонны. Опоры на вертикальном участке обычно делаются упругими, чтобы снять вес и

обеспечить необходимую свободу температурным расширениям стояка. Специфика

расчетной модели состоит в том, что обычно колонна и трубопровод нагреваются по-

разному, чт

о необходимо учитывать, задавая принудительные смещения опор. Расчетная

модель нагретого до рабочей температуры трубопровода показана на рисунке 9б.

Крепление шлемовой трубы к верхнему штуцеру аппарата моделируется (в запас

прочности по отношению к трубопроводу) мертвой опорой с линейным смещением вверх

, равной перемещению верхней точки штуцера от нагрева аппарата.

Если допустить, что температура в аппарате постоянна, это перемещение равно

= α (T

раб

– Т

монт

) L.

Здесь

+3.0

+9.0

+21.0

+15.0

б) в) а)

α – коэффициент линейного расширения материала корпуса аппарата,

раб

– рабочая температура в аппарате,

монт

– температура завершения монтажа системы аппарат – трубопровод,

L - расчетная длина, равная, разности верхней отметки и отметки

неподвижного крепления, аппарата L = 28.0 – 3.0.

Остальные смещения опор вычисляются аналогично. Меняться будет только

отметка крепления опоры к аппарату. Так при вычислении δ

L = 15.0 – 3.0, δ

- L = 21.0

– 3.0 и т.д.

На рис. 9в дана модель для расчета режима испытаний. Упругие опоры заклинены

и работают как односторонние линейные связи, препятствующие перемещениям

трубопровода вниз. Смещения опор рассчитываются аналогично с заменой T

раб

на

температуру проведения испытаний T

исп

ПРИМЕР 4.

Неправильное задание условий закрепления на концах расчетной

модели трубопровода – ошибка, повторяемая достаточно часто по разным причинам.

Ниже приведем два характерных примера.

Рис. 10. Расчетная модель трубопровода со свободными концами

На рисунке 10 показан трубопровод с двумя свободными концами в точках А и Б

(промежуточные подвижные опоры условно не показаны). Такое решение часто

принимается тогда, когда неизвестно продолжение трассы или обозначена граница, у

которой заканчивается ответственность расчетчика (по принципу – «далее не мое дело»).

Поскольку задача расчета – гарантировать соблюдение условий прочности с

некоторым запасом, нужно в таких случаях на конце ставить как минимум неподвижную

опору без защемления (не препятствующую повороту закрепляемой точки). Конечно при

таком подходе нагрузки на неподвижные опоры в точках А и Б могут получиться

достаточно большими, но поскольку это не реальные опоры, а мнимые, на это можно не

обращать внимания, если условия прочности для трубопровода соблюдены.

Вопрос, который нужно задавать себе в подобных случаях - может ли конец

трубопровода иметь свободные перемещения вдоль своей оси при нагреве? Если нет – то

незакрепленный конец в расчетной модели оставлять нельзя, поскольку по отношению к

рассчитываемому трубопроводу искусственным образом создается «легкая жизнь».

На рисунке 11 приведен характерный пример показывающий, к чему может

привести отступление от этого правила. Трубопровод острого пара с рабочим давлением

=140 кгс/см

и расчетной температурой Т =560ºС. Схема составлена на основе

фактических замеров с привязкой опор, подвесок, арматуры и точек контроля

температурных перемещений. Характеристики пружин упругих опор соответствуют

МВН 049-63.

Рис. 11. Некорректная расчетная модель трубопровода острого пара

Вопрос, адресованный в службу поддержки программы Старт: «При просмотре

результатов расчета трубопровода по программе Старт перемещения в местах установки

пружинных опор многократно превышают разумные пределы. Рабочие деформации

пружин не могут позволить такие перемещения трубопроводу. Помогите разобраться,

почему так получилось!».