Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

- 39 -

последовательных приближений получаем такое [σ] ≥ 3.0 МПа (графа 5), при котором срок

службы

max



получается наибольшим. Соответствующие этому напряжению сроки службы t

и повреждаемости



приведены в графах 7 и 8. Суммарная повреждаемость в результате

суммирования данных графы 8 составила

η = 2.32·10

-6

Срок службы теплопровода

года249

2436510322

max











а допускаемое рабочее давление



960

147

0832













SDR



≈ 1.0 МПа.

В гибких стальных трубопроводах колебания температуры не вызывают изменения

механических свойств материала. Оценка статической прочности здесь производится также

только от действия внутреннего давления. При этом можно использовать приближенную ме-

тодику оценки прочности сильфонных компенсаторов, приведенную в СТО Ростехэксперти-

за 10.001-249 [2].

Подробное изложение методов расчета гибких трубопроводов тепловых сетей на

прочность (с примерами в приложениях) содержится в СТО Ростехэкспертиза 10.001-249 [2].

13. Использование номограмм

13.1. Номография – наука, оставшаяся в прошлом

Номография, как область вычислительной математики, сложилась во второй половине

XIX века, и предназначалась для проведения расчетов графическим способом. Суть ее со-

стояла в том, что для каждого вида расчетной формулы по определенным правилам строился

чертеж, с помощью которого искомая величина могла быть найдена путем простого геомет-

рического построения. Графические методы расчета, не обладая той степенью точности, ко-

тору

ю давало аналитическое решение, ускоряли сам расчет в десятки раз. В то же время

возможности графических методов достаточно быстро исчерпывались с увеличением числа

неизвестных.

В настоящее время персональные компьютеры стали общедоступными и необходи-

мость в графических способах вычислений отпала. Тем не менее, традиции оказались живу-

чими и, хот

я новых номограмм уже никто не создает, использование старых в отечественной

практике проектирования тепловых сетей достаточно распространено. По нашему мнению,

ориентироваться сегодня на применение номограмм бессмысленно и не только потому, что

соответствующие расчеты по программе

Старт – Экспресс выполняются практически мгно-

венно. Главное – это качество получаемых результатов.

- 40 -

13.2. Номограммы для «воздушных» тепловых сетей – аргументы против

Номограммы по расчетам П, Г, и Z –образных конфигураций воздушных трубопрово-

дов (в закрытых каналах и наземных) были разработаны в середине прошлого века институ-

том «Теплоэлектропроект» и опубликованы в справочнике под редакцией Д.А. Николаева в

1965 году [9]. Тогда это был единственный способ уменьшить трудоемкость расчетов на

компенсацию температурных расширений для наиболее распространенных в практике про-

ектирования тепловых сетей случаев. На основе этих номограмм ведущие проектные инсти-

туты разработали собственные методические материалы, большинство из которых, к сожа-

лению, используются до сих пор.

Отметим следующие основные недостатки этих номограмм.

1. Игнорируется повышенная гибкость крутоизогнутых и секторных сварных отво-

дов. Углы поворота с такими отводами считаются абсолютно жесткими, хотя на самом деле

они работают как упругие шарниры. При оценке компенсирующей способности это может

привести к завышению вылетов П- образных компенсаторов в разы.

2. В Г и Z –образных поворотах не учитывается влияние бокового трения в скользя-

щих опорах. В протяженных трубопроводах боковое трение в опорах существенно влияет на

компенсацию температурных расширений (подробнее см. подраздел 13.3).

3. Допускаемые компенсационные напряжения, на основе которых построены номо-

граммы, сильно занижены против значений, регламентируемых современными нормами.

Эволюция отечественных норм по оценке прочности трубопроводов пара и горячей воды (в

том числе и тепловых сетей) представлена на рисунке 22. Показано, что номограммы, при-

веденные в справочнике по тепловым сетям под редакцией А.А Николаева базир

уются на

нормах 1958 года, а программы

Старт и Старт – Экспресс – на нормативных документах,

которые действуют в настоящее время.

Перечисленные недостатки до рядового пользователя обычно не доводятся и когда ре-

зультаты компьтерных расчетов не совпадают с привычными решениями по номограммам,

это вызывает удивление и нелицеприятные комментарии в адрес разработчиков программы.

Изменить сложившиеся представления о работе типовых схем плоской прокладки и призван

настоящий материал, по

скольку самостоятельно докопаться до истины инженеру бывает дос-

таточно обременительно.

- 41 -

Рис. 22. Эволюция нормативных документов по расчетам на прочность и их

реализация в поектировании

13.3. Влияние бокового трения в промежуточных подвижных опорах

В типовых схемах плоской прокладки большую роль играет трение в промежуточных

подвижных опорах, которое препятствует боковым перемещениям трубопровода. Если тре-

ние отсутствует, то в компенсацию температурных расширений вовлекается вся длина тру-

бопровода, заключенная между неподвижными опорами (рисунки 23

а, в,д) и увеличивая эту

длину можно свести напряжения от температурного нагрева к нулю.

При наличии трения боковые перемещения трубопровода быстро «затухают» по мере

удаления от компенсационного узла и на достаточно коротком расстоянии о углов поворота

а они практически обращаются в ноль (рисунки 24 б, г, е). В трубопроводах с П-образными

компенсаторами расстояние

а – составляет обычно 40÷60 условных диаметров трубы. Имен-

но поэтому составители номограмм при

определении вылетов П- образных компенсаторов

ограничили зону компенсации «по минимуму» 40-ка условными диаметрами, учитывая при

этом полное температурное расширение трубопровода. Но при таком подходе боковые пе-

ремещения все равно определялись неправильно. На опорах расположенных в пределах рас-

стояния

а, эти перемещения направлены в сторону, противоположную тем, которые имеют

место при отсутствии бокового трения (сравните упругие линии на рисунках

а и б).

- 42 -

а)

Для трубопроводов с Z и Г – образными поворотами получить столь простую зависи-

мость для определения «активной» зоны компенсации не удалось, поскольку здесь велико

влияние соотношения вылета к длине прилегающих плеч. Понимая это, авторы номограмм

предпочли свести влияние бокового трения к минимуму уменьшением рекомендуемых рас-

стояний между неподвижными опорами. И действительно, при небольших размерах приле-

в)

Рис. 24. Компенсация температурных расширений в типовых схемах

а, в, д – при отсутствии трения в промежуточных подвижных опорах; б, г, е –

при наличии трения в промежуточных подвижных опорах.

б)

д)

г)

е)

- 43 -

гающих плеч влияние бокового трения становится незначительным. Но при этом действи-

тельная компенсирующая способность сильно занижается.

При более точном решении, которое обеспечивает программа

Старт – Экспресс, ста-

ло возможным существенно увеличить длину плеч. Для того, чтобы избежать потери устой-

чивости в результате осевого сжатия в местах, где боковые перемещения обращаются в ноль

рекомендуется ставить направляющие опоры, которые обеспечивают свободу перемещений

вдоль оси трубопровода. При таком решении соблюдаются условия безопасной компенсаци-

ии температурных раширений, а длина плеч зачастую ограничивется доп

устимой осевой на-

грузкой на неподвижные опоры.

13.4. Номограммы для тепловых сетей бесканальной прокладки. Невидимые ограничения

- источник возможных ошибок

В ряде отечественных пособий по проектированию теплопроводов с ППУ - изоляцией

приведены номограммы для определения габаритов Г, Z- образных поворотов и П - образных

компенсаторов. Их использование может привести к серьезным ошибкам при принятии про-

ектных решений. Дело в том, что эти номограммы некритически заимствованы из зарубеж-

ных источников [12] и при их построении изначально использовались следующие допуще-

ния

 типоразмеры соответствуют импортным стандартам на трубы и детали,

 глубина заложения от поверхности земли до оси теплопровода – один метр,

 допускаемые напряжения компенсации температурных расширений 150 МПа.

При соблюдении этих ограничений номограммы позволяют определить минимальный

вылет короткого плеча при известном температурном расширении длинного. «За кадром»

остается то обстоятельство, что если этот вылет увеличивать, компенсирующая способность

может ухудшаться благодаря влиянию бокового сопротивления грунта. Таким образом,

при-

вычные критерии, используемые в трубопроводах воздушной прокладки, не подходят для

трубопроводов, защемленных в грунте.

Использование номограмм, составленных для тонкостенных труб, может привести к

большим погрешностям при оценке компенсирующей способности теплопроводов из труб

отечественного сортамента. Как показывет расчетный анализ, трубопровод D

=219 мм, с

толщиной стенки 4.5 мм при глубине заложения до 2-х метров обладает лучшей компенси-

рующей способностью, чем такой же трубопровод с толщиной стенки 6.0 мм. Но при глуби-

не более 2-х метров картина обратная – трубопровод с толщиной стенки 6.0 мм работает

лучше, т.к. он легче преодолевает значительно возросшее трение по грунту в продольном

направлении. Таким образом использование номограмм не только искажает результаты, но

и исключает возможность экстраполировать эти результаты при заглублении более, чем на

1 метр.

- 44 -

13.5. Выводы и рекомендации

Номограммы для Г, Z и П -образных конфигураций как способ получения надежных

результатов, на сегодня устарели. Их использование приводит искусственному занижению

компенсирующей способности трубопроводов тепловых сетей и, как следствие, к завыше-

нию габаритов поворотов и компенсаторов, повышенному расходу труб и материалов строи-

тельных конструкций, а в ряде случаев - и к качественно неправильным решениям.

Суммарная стоимость персонального компьютера и программы Старт – Экспресс на

сегодня сопоставима со средней стоимостью километра проектируемых сетей. Качество же

проектных решений при этом увеличивается многократно. Поэтому экономический эффект,

который можно получить в результате их использования вместо номограмм, с лихвой окупа-

ет все затраты.

14. Расстояния между промежуточными опорами

Основным видом прокладки тепловых сетей до сих пор является подземная в каналах

(84%). В качестве теплоизоляционных материалов в конструкциях таких сетей используются

маты из минеральной ваты. На сегодня установлено, что через 8 лет эксплуатации тепловые

потери теплопроводов с минеральной ватой в непроходных каналах в два раза превышают

расчетные. В ближайшем будущем на смену им должна придти ППУ – изоляция с наружным

кожухом из тонкостенных оцинкованных труб (в настоящее время выпущен стандарт на та-

кие изделия [20]).

Расстояния между промежуточными опорами, к которым привыкли проектировщики

тепловых сетей, основаны на нормах полувековой давности. Они не соответствуют дейст-

вующему СНиПу на тепловую изоляцию и нормам расчета на прочность СТО Ростехэкспер-

тиза 10.001-249 [2].

l l

ср

Рис.25. Расчетная схема для определения расстояний между опорами

Расстояния между промежуточными опорами для любого пролета, кроме примыкаю-

щего к неподвижной опоре или компенсатору, определяются из расчета трубопровода как

неразрезной многопролетной балки нагруженной равномерно-распределенной нагрузкой

(рис. 25). Эти расстояния

должны быть такими, чтобы одновременно выполнялись два

условия: прочности и допустимого прогиба.

1. Условие прочности – напряжения изгиба от веса в нагретом до рабочей температу-

ры трубопроводе не должно превышать допускаемых

- 45 -





В этой формуле



- допускаемое напряжение от веса трубопровода в рабочем состоянии









ssD

РD





1.1

;

является разностью между 1.1





(см. второй критерий прочности на странице 6) и продольны-

ми напряжениями от внутреннего избыточного давления

Р,



– коэффициент снижения прочности сварного соединения на изгиб,



- коэффициент снижения прочности сварного соединения на растяжение - сжатие,

W – момент сопротивления сечения трубы изгибу,

см





ssD







q – вес одного сантиметра длины трубопровода с изоляцией и продуктом, кг/см.

2. Условие допустимого прогиба - описываются системой двух уравнений



















0462

02.02

432

ixxlxl

Dixxxlxl

cpcp

Ncpcp

Первое – соблюдение допустимого прогиба в пролете, составляющего

согласно требова-

ниям СНиПа на тепловые сети [5]

D02.0

, второе – предотвращение образования обратного

уклона, который может привести к созданию "мешков" при остывании трубопровода (рис. 26).

В приведенных уравнениях

x – расстояние от левого конца пролета до места с максимальным прогибом,

ср

i 

– уклон трубопровода (минимальное значение для тепловых сетей 0.002),

ср

max

Рис.26. Схема деформированного трубопровода при

обратном уклоне

- 46 -

- условный диаметр, см.

Из двух значений

, полученных по условиям прочности и прогиба, выбирается наи-

меньшее

Результаты расчетов для типового ряда диаметров сведены в таблицу. В расчетах

принимались следующие данные: материал сталь ВСтЗсп5 (как наименее прочная), суммар-

ная прибавка - согласно данным, приведенным в разделе 5, уклон трубопровода 0,002, испы-

тания водой при температуре 20ºС.

Расстояния между подвижными опорами согласно требованиям СТО Ростехэкспертиза

10.001-249

Способ прокладки

Надземная и подземная

в тоннелях

Подземная в непроход-

ных каналах

Размеры

труб

x s,

мм

Предельно

допустимое

расстояние,

принимае-

мое рас-

стояние,

понижаю-

щий коэф-

фициент

принимае-

мое расстоя-

ние,

пони-

жающий

коэффи-

циент

57x3,5 4,6 3,5 3,5

1,3

76x3

5 5

7 4

4 3

89x4,0 6,7 5,0 4,0

108x4 7,7 6,0 4,5

133x4 8,7 6,5 5,0

6,0

1.7

159x4,5 10,0 7,5

219x6 12,8 10.0 6,5

273х7 15.2 11.5 7.5

325x7 16,9 13,0 8,5

426x7 19,8 15.0 10.0

530x7 22,3 17.0 11.0

630x8 25,2 19.0 12.5

720х8 27,1 21.0 13,5

820х9 29,4 22,5 14.5

920х9 29,4 22,5 14,5

1020х10 31.3 24,0

1.3

15,5

2.0

Приведены предельно допустимые (расчетные) и рекомендуемые расстояния между

опорами. Рекомендуемые значения получаются из предельно допустимых путем деления на

понижающие коэффициенты, зависящие от способа прокладки и диаметра трубопровода

(приведены в таблице). Коэффициенты получены опытным путем и, по-видимому, предна-

значены

- для увязки принимаемых пролетов с модульной координацией размеров в строитель-

стве,

- для снижения расчетных нагрузок на типовые конструкции промежуточных опор.

Разница по сравнению с расстояниями, приведенными в справочнике под редакцией А.Д.

Николаева [11], составляет минимум 6% и максимум 28% (в зависимости от диаметра).

- 47 -

Нужно иметь в виду, что для трубопроводов большого диаметра (с условным диамет-

ро

= 400 и выше) величина пролета обычно определяется из условия допустимого про-

гиба, который, как это следует из приведенных формул, не зависит от характеристик проч-

ности материала (допускаемое напряжение σ в уравнениях прогиба отсутствует). Поэтому

увеличить пролет за счет применения более прочной марки стали не удастся.

В тех случаях, когда используются предельно допустимые значения пролетов (пере-

ходы через дороги, овраги и т.п.), строительные конструкции для промежуточных опор

должны проектироваться индивидуально.

15. Литер

атура

1. В.Я. Магалиф, Я.А. Ковылянский, Теоретические основы конструирования трубо-

проводов тепловых сетей, Справочно-методический материал в двух частях

<http://www.rosteplo.ru>, 2005,

2 Тепловые сети. Нормы и методы расчета на прочность СТО Ростехэкспертиза

10.001-2009, М., 2009

3. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей РД 10-400-01, ГУП

«НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», М., 2001,

4. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей

воды РД 10-249-98, ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора Рос-

сии», М., 2001,

5. Проектирование и строительство тепловых сетей бесканальной прокладки из сталь-

ных труб с индустриальной теплоизоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке,

СП 41-105-2002, Госстрой России, М., 2003,

6. Тепловые сети, СНиП 41-02-2003, Госстрой России, М., 2004

7. А.Б. Айнбиндер, А.Г. Камерштейн, Расчет магистральных трубопроводов на проч-

ность и устойчивость, «Недра», М., 1982,

8. Методические указания по оценке интенсивности процессов внутренней коррозии в

тепловых сетях, РД 153-34.1-17.465-00, ПМБ ВТИ, М., 2001,

9. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ-95, изда-

ние 15-е), СПО ОРГРЭС, М., 1995,

10. П. Рандлов, Справочник по централизованному теплоснабжению, ЕиНР, Копенга-

ген, 1997,

11. ВГПИ Теплоэлектропроект. Справочник проектировщика. Проектирование тепло-

вых сетей, под ред. Д.А. Николаева, Изд-во литературы по строительству, М.,1965,

12. Водяные тепловые сети. Справочное пособие по проектированию, под ред. Н.К.

Громова, Е.П. Шубина, Энергоатомиздат, М., 1988,

13. Бесканальные трубопроводы. Расчет и проектирование. Справочник, под ред. P.M.

- 48 -

Сазонова, B.C. Еременко, Киев, «Будiвельник», 1985,

14. Arbeitsblatt FW 401: Verlegung und static von KMR für Fernwärmenetze Arbeitsge-

meinschaft Fernwärme- AGFW-e, V.- bei der Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke, 1992,

15. Code of practice for distribution networks for district heating, Dansk Standard, DS 448,

1994,

16. H. Steffensen, Recent Development, Danish Board of District Heating (DBDH), 2/2001,

17. ANSI/ASME B. 31.1. Code for pressures piping, B. 31. Power piping, 1998,

18. Logstor Ror A/S, Absorption of expansion, p.p. 4.1.37-4.1.39, 1992,

19. Датский стандарт DS/EN 253 ru, второе издание, Copyright Dansk Standard, DS tryk,

1994,

20. ГОСТ 30732-2006, Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из

пенополиуретана с защитной оболочкой, Технические условия, МГС, Стандартинформ, 2007.