СТБ EN 13941 - 2009 Проектирование и монтаж систем предварительно изолированных трубопроводов централизованного отопления

Подождите немного. Документ загружается.

СТБ EN 13941-2009

Ниже представлены данные для выполнения анализа усталостности, который является самым

полным. Подобная последовательность будет представлена и для других предельных состояний.

Таблица C.1 — Методология анализа усталостности.

Задачи Комментарии Раздел

Определение

местоположений,

которые будут

оцениваться

Повороты, тройники, редукторы, и т.д. C.4

Определение

воздействия

Давление и колебания температуры. C.5

Проведение

глобального анализа

Расчет нагрузок на поперечные сечения, моментов и

деформаций.

C.6

В каждом

местоположении,

определение

хронологии

напряжений и спектр

диапазонов

расчетных

напряжений

Напряжения определяются из главных структурных

напряжений, при расчете используется теория упругости,

предполагающая линейные условия упругости. Это

используется как для упругих, так и для упругопластичных

условий.

Напряжения в горячих точках рассчитываются при помощи

аналитических методов, по формуле или с помощью метода

конечных элементов.

Воздействия от усталости обычно преобразовываются в

полные циклы воздействия. В этом случае спектр разброса

напряжений определяется непосредственно.

Расчет амплитуды напряжения.

Базовые напряжения рассчитываются, используя формулы

фон Мизеса или Треска.

В противном случае, спектр разброса напряжений

вычисляется, используя, например, метод rain-flow (метод

дождевого потока).

C.7

Идентификация

данных по

усталостной

прочности

Выбирается SN-кривая, касающаяся конкретной строительной

детали.

C.8.1

Определение

расчетной

усталостности на

основании SN-кривых

и проведение оценки

C.8.2

Дальнейшее

воздействие, если

оценка не верна

Например, сделайте систему более гибкой, увеличьте толщину

стенок в тройниках, и т.д.

C.9

C.4 Местоположения, предполагаемые для оценки

C.4.1 Элементы, которые необходимо рассматривать

C.4.1.1 Основные принципы

Элементы, которые необходимо рассматривать при анализе:

a) прямые сечения,

b) сварные швы,

c) длинные изгибы (упругий изгиб или заводского изготовления),

d) малые угловые отклонения и одиночные изгибы, соединенные под углом 45 градусов,

e) изгибы,

f) ответвления (тройники),

g) редукторы,

188

СТБ EN 13941-2009

h) подземные компенсационные соединения. (компенсаторы однократного использования, а так

же постоянные компенсационные соединения),

i) клапаны и другие устройства,

j) заглушки и фланцевые соединения,

k) точки входа в другие системы.

Таблица C.2 — Предельные состояния (смотрите раздел 6.4.2)

Предельное состояние Элемент

A1: Одно серьезное воздействие Все

A2: Ступенчатая пластическая деформация 1 - 4

B1: Низко цикловая усталость 2 - 8

B2: Высоко цикловая усталость Все (при необходимости)

C1: Локальное вспучивание или образование

складок

1 - 4 и 7

C2: Упругое вспучивание (глобальная

неустойчивость)

1 - 3

C2: Потеря устойчивости Вся система и ее участки

D: Эксплуатационная надёжность Все

В принципе, должна быть проверена вся вышеуказанная комбинация. Однако, для нормальных

подземных систем следующие комбинации являются наиболее важными:

Таблица C.3 — Предельные состояния

Элемент Предельное состояние

Прямые трубы

Изогнутые трубы

Предельное состояние C1: Локальное

вспучивание или образование складок

Прямые и изогнутые трубы в зонах осадки и/или с

высоким давлением

Предельное состояние A2: Ступенчатая

пластическая деформация

Изгибы

Тройники

Малые угловые отклонения

Составные колена с однократным и многократным

изгибом

Сварные швы с рассогласованием

Предельное состояние B1: Пластическая

усталость

Для труб с ограниченным почвенным покрытием

Высокий уровень грунтовых вод

Параллельные земляные работы

Предельное состояние C2: Вспучивание

при изгибе

Нагрузки и моменты, действующие около клапанов, редукторов и компенсаторов должны

анализироваться. Полученные значения должны сравниваться с расчетными значениями,

представленными в соответствующем стандарте на изделие или в технических спецификациях

изготовителя.

Особое внимание следует обратить на неравномерность сварных швов, обусловленную

изменениями диаметра трубы, толщины стенок и слабым фитингом.

C.4.1.2 Небольшие угловые отклонения

При использовании методов холодной установки, нельзя использовать сочленения, выполненные

под углом 45 градусов и небольшие угловые изгибы.

В других случаях нужно избегать многократных поворотов под углом в 45 градусов. В зонах

расширений должны использоваться плавные повороты, заводского изготовления.

НА закрепленных участках трубопровода отклонения на малые углы (чтобы выдержать маршрут

189

СТБ EN 13941-2009

укладки) могут использоваться в следующих случаях:

Таблица C.4 — Малые угловые отклонения

Максимальная разница

температур

Максимальное угловое

отклонение. Замечание 1

90 K 2

100 K 1

110 K 0,5

>110 K 0

ЗАМЕЧАНИЕ Максимальное угловое отклонение, исключая допуск на установку, который должен

быть ограничен ± 0,25

C.4.2 Области требующие рассмотрения

Области, требующие специального рассмотрения:

a) области, в которых возможны будущие раскопки, выполняемые параллельно трубам

централизованного теплоснабжения,

b) области, для которых действуют специальные требования, обусловленные наличием

соседних фундаментов зданий в городских зонах,

c) области подверженные осадке, или оседанию породы.

В результате анализа должен быть получен соответствующий метод компенсации теплового

расширения.

Анализ должен включать как требуемые конструктивные меры предосторожности, выполняемые в

период монтажа, например, уменьшенный слой укрывающего грунта, так и технические

требования, исполняемые в период эксплуатации, например, требования по проведению

земляных работ или требования к плавучести.

В дальнейшем соответствующее внимание необходимо обратить на:

a) Границы с промышленными зонами, подстанциями или стройплощадками, в частности:

1) подземные перегибы на конце длинных, прямых участков трубопровода (тепловое

расширение и расширение под давлением),

2) точки перехода от траншеи к жесткой опорной конструкции, либо выше, либо ниже

основания грунта (например, насосные станции, точки крепления трубопровода,

соединения с домами, туннели для труб и т.д.); как подземные, так и наземные участки

должны быть включены в одну расчетную модель, используя соответствующие значения

для любых видов осадки,

3) точки соприкосновения с установками, обращая особое внимание на частые изменения

толщины стенок в этих случаях,

4) опоры трубопровода в зонах прогонов,

5) точки пересечения с другими связанными трубопроводами и оборудованием (например,

насосные станции и модули теплообменника, центры нагрева и места прохода через

стены).

b) Пересечения:

1) с дорогой, железной дорогой и пересечения с виадуком,

2) с другими сервисными трубами и кабелями,

3) с защитными дамбами и водными барьерами.

c) Изменение в методе установки:

1) Такие изменения при слабых почвах могут вызвать рост дифференциальной осадки и/или

оседание породы (например, при переходе от участка трубопровода, уложенного в

траншее к участку расположенному над уровнем земли или проходящему через

отверстие).

190

СТБ EN 13941-2009

2) Особое внимание следует обратить на различие в осадке между трубопроводной

системой и оболочками, если они используются (например, при пересечениях).

d) Резкие изменения грунтовых условий.

C.5 Воздействия

C.5.1 Основные принципы

Необходимо оценить число и размер температурных циклов и циклов изменения давления в

течение всего периода эксплуатации трубопроводной системы.

Безопасность против усталостного разрушения должна проверяться с учетом действия ударных

нагрузок, ожидаемых в период эксплуатации трубопроводной системы.

C.5.2 Циклы воздействия

Если можно сделать прогноз по температурным изменениям, то результаты такого прогноза

необходимо преобразовать в эквивалентные полные температурные циклы, N

, в помощью

формулы Палмгрена-Майнера, смотрите раздел 6.4.2.3.

При расчете N

должна использоваться та же самая SN-кривая, которая использовалась в

последовательном анализе усталости.

Для систем, в которых статическая система не изменяется вследствие колебаний температуры,

изменения напряжения будут пропорциональны колебаниям температуры, а число эквивалентных

полных температурных циклов может быть рассчитано с помощью выражения:

где

число циклов с интервалом температур ∆T

∆T

ref

базовая температура, при которой рассчитывается N

;

m константа на SN-кривой, смотрите раздел C.8.1.

Необходимо отметить, что N

зависит не только от изменений температуры, но также и от

коэффициента m .

При изменении в статической системе (например, при смещении нейтральной точки крепления),

соотношение не будет изменяться пропорционально. В этих случаях сначала необходимо

рассчитать поведение напряжения.

Обычно изменения температуры будут иметь преобладающее влияние. В системе

централизованного теплоснабжения при нормальных рабочих условиях, изменения будут состоять

из нескольких полных циклов воздействия (циклов запуска и остановки) и большого числа более

мелких циклов, обусловленных ежедневными колебаниям температуры.

Особые условия, подобные производству энергии на предприятиях теплоснабжения, охлаждаемые

участки, ночное снижение потребления и т.д., могут вызвать частые и/или большие колебания

температуры.

Обычно наибольшее число полных эквивалентных температурных циклов будет происходить в

магистральном трубопроводе, снабжающем основные трубопроводы, и в сливном трубопроводе

обслуживания.

В системах централизованного теплоснабжения с нормальным режимом эксплуатации и

устойчивой температурой, можно предположить следующее число полных циклов воздействия,

соответствующее периоду в 30 лет, при m = 4 и ΔT

ref

= 110 ºC, смотрите раздел 7.4.2.3, предельное

состояние B:

— Магистральные трубопроводы 100-250 циклов;

— Основные трубопроводы 250-500 циклов;

— Сервисные трубопроводы 1000-2500 циклов.

Для магистрального трубопровода может быть достигнуто максимальное значение, например,

недалеко от предприятия теплоснабжения. Для внутренних сервисных трубопроводов предельные

191

СТБ EN 13941-2009

значения обычно достигаются в случае, например, ограниченного ночного потребления.

Число полных циклов воздействия не должен выбираться ниже наименьших значений,

представленных в разделе 6.4.2.3, таблица 4.

C.6 Глобальный анализ

C.6.1 Основные принципы

Можно использовать следующую процедуру:

a) Вычисление изгибающих моментов, сил и деформаций стальной трубы как несущей

конструкции, подверженной воздействию.

b) Расчет ударной нагрузки, действующей на полиуретановую пену и трубу с полиэтиленовой

оболочкой, которая, по предположению, следуют за деформацией стальной трубы.

Используемая модель расчетов должна использовать соответствующие взаимодействия между

трубой и почвой, обычно вызванные тепловым расширением трубы или осадкой почвы.

Взаимодействие трубопровода и почвы может быть описано при помощи пружинной модели

почвы. В такой модели нелинейная зависимость воздействия от смещения почвы в осевом и

горизонтальном направлениях может быть описана с помощью серии (дискретных)

мультилинейных грунтовых пружин, смотрите Приложение B.

Эти пружины формируют серию воздействий или сжатий, действующих на трубопроводную

систему при заданном смещении. Необходимо учитывать изменения свойств почвы, рассматривая

соответствующий диапазон их изменения при анализе.

Расчет взаимодействия почвы с трубопроводом может проводиться с помощью теории балки,

расположенной на упругом фундаменте, в соответствии с программами "элементарной балки" или

с помощью методов конечных элементов (FEM).

Осевая реакция (трение почвы) может использоваться как равномерное осевое воздействие в

зависимости от расширения трубы. Горизонтальная реакция почвы обычно характеризуется как

упругая или упругопластичная грунтовая пружина.

При использовании программы "элементарной балки" трубопровод рассматривается как система

элементарных балок и элементарных пружин в качестве опор. В случае подземных

трубопроводов, окружающая почва также рассматривается как система пружин.

Около областей, где используются пенные компенсаторы или существуют большие деформации

почвы, использование линейных характеристик пружин может дать ненадежные результаты, и

необходимо использовать упругопластичные грунтовые пружины, смотрите Приложение B.

C.6.2 Упругость

C.6.2.1 Основные принципы

Свойства элементов в отношении их жесткости и концентрации напряжений оцениваются на

основе свойств эквивалентной прямой трубы. Жесткость отдельного элемента определяется

путем деления жесткости эквивалентной прямой трубы (выраженной с помощью EI) на

коэффициент упругости элемента k

Из соображений безопасности, модули упругости материалов должны иметь значения

соответствующие самой низкой температуре, существующей в системе.

Отметим, что номинальная толщина стенки обычно может использоваться для расчетов упругости,

но для элементов специального значения, для жесткости трубопроводной системы, например, для

поворотов трубы, может понадобиться рассмотрение изменений коэффициента k

обусловленных завышенными измерениями толщины.

C.6.2.2 Изгибы

Для небольших радиусов изгиба на 90

(R = 1,5 d

) коэффициент

упругости

может использоваться для изгибов в одной плоскости и более сложных изгибов. В этом

коэффициенте учтено увеличение жесткости соседних прямых труб. При углах изгиба попадающих

в интервал 90

и 0

коэффициент упругости можно линейно уменьшить.

Для изгибов больших радиусов, эффект увеличения жесткости уменьшается. В этом случае k

192

СТБ EN 13941-2009

может быть рассчитан с помощью выражения:

Промежуточные значения могут быть получены с помощью интерполяции.

Коэффициент упругости для нормальных нагрузок, поперечных сил и вращающего момента равен

1. На изгибах трубы внутреннее давление будет противодействовать формированию овальности.

Это учитываться путем деления k

на величину:

Вышеуказанное условие обычно имеет значение только при определении размеров трубчатых

направляющих и т.д., в соединении с трубами в канальных конструкциях, зданиях, и т.д.

When the more exact calculation for stresses in bends is used with Если требуется более точный

расчет напряжений в изгибах при p > 0, смотрите раздел C.7.5, при расчете коэффициента

упругости необходимо учитывать влияние превышения давления.

C.6.2.3 Тройники

Коэффициент упругости для тройников равен 1.

При d

≤ 0,8 упругость соединения между ответвлением и проходной трубой может быть учтена

путем применения коэффициента упругости к ответвлениям в точке, где ось отвода пересекает

внешнюю поверхность проходной трубы:

При плоском изгибе, M

, смотрите рисунок C.8.

Для более сложного изгиба, M

, смотрите рисунок C 8.

где

момент инерции поперечного сечение отвода;

наружный диаметр проходной трубы;

наружный диаметр отвода;

толщина стены проходной трубы;

толщина стенки отвода.

Коэффициент упругости для отвода можно сравнить с коэффициентом упругости для углового

компенсатора.

193

СТБ EN 13941-2009

C.6.2.4 Другие элементы

Для всех других элементов k

= 1.

C.6.3 Граничные условия

Воздействия, смещения и сжатия должны рассматриваться как единое целое для всей

трубопроводной системы, при изучении ее статических и динамических аспектов.

Это означает, что даже в случаях, когда при анализе рассматриваются участки трубопровода,

требования по устойчивости, включая корректировку воздействий, обусловленных соседними

конструкциями, должны быть удовлетворены во всей трубопроводной системе.

Рассматриваемые участки трубопровода также должны быть ограничены точками, относительно

которых следующие пункты должны определяться с достаточной степенью точности:

a) смещения (сдвиг и поворот), либо

b) нагрузки и моменты, либо

c) зависимость между смещениями с одной стороны и нагрузками и моментами с другой

стороны.

В связанных системах трение между защитной оболочкой и почвой полностью или частично

фиксирует положение трубы.

На участках, где трубы частично зафиксированы, смотрите рисунок А.3.2, необходимо

гарантировать, что результирующее смещение свободных концов трубы, изгибов и отводов

допустимы по отношению к деформации напряжению.

В частично ограниченном участке трубопровода длина линии трения L представляет собой длину,

которая требуется для обеспечения достаточной силы трения между трубами и почвой, чтобы

зафиксировать их перемещение. Обычно длина линии трения - это расстояние от расширения

(компенсатор или компенсирующий контур) до естественной точки крепления (natural fixpoint

(NFP)).

1 Длина линии трения, L

2 Частично ограниченный

3 Полностью ограниченный

4 Зоны расширения

Рисунок C.2 — Частично и полностью ограниченные участки трубопровода

С другой стороны естественной точки крепления (NFP) труба полностью ограничена и не

двигается. Однако, NFP может изменить положение, в соответствии с изменением напряжения

трубы, и в результате изменений в почве.

Силы и деформации могут быть рассчитаны с помощью формул, указанных ниже, если выполнены

следующие условия:

— однородное почвенное покрытие,

— равномерное трение трубы и грунта,

— общая длина между двумя зонами расширения превышает двойную длину линии трения, L.

194

СТБ EN 13941-2009

При положительном ΔТ (нагревание) деформации и нагрузки будут равны:

В точке NFP:

В зоне расширения:

Длина линии трения вычисляется как численное значение следующего выражения:

а расширение равно

где

ΔT разница температур, связанная с температурой предварительного напряжения или

установки; ΔT отрицательная величина при охлаждении;

F сила трения на метр трубы, смотрите Приложение B;

A площадь поперечного сечения стальной трубы;

растягивающее напряжение, обусловленное превышением давления (положительное при

превышении давления);

осевое напряжение (положительное для растяжения);

продольная нагрузка (положительная при растяжении);

продольная нагрузка, обусловленная давлением при расширении;

продольная нагрузка, обусловленная боковой реакцией почвы при расширении (N

обычно отрицательная величина).

Для систем с осевыми компенсаторами в последнем члене выражений для L и δ, (½-v), (возможно

имеется в виду (0,5 –ν) пер.) следует удалить ½. Для осевых компенсаторов, где активная область

больше области проходной трубы, ½ может быть заменена на:

где

средний диаметр гофрированной трубы;

внутренний диаметр стальной трубы.

L может быть рассчитана с помощью итераций, при первым вычислении верхнего предела для L

задайте N

= 0. Первая оценка N

может затем вычисляться с соответствующим значением δ.

Необходимо учесть, что N

обычно дает значительное уменьшение L и δ (на 75 % - 80 %).

Для систем, подобных показанным на рисунке C.3, где точки крепления или другие методы

гарантируют, что расстояние l от фиксированной точки до места расширения, меньше или равно

длине линии трения L, или если расстояние между двумя зонами расширения меньше 2L, осевые

напряжения в стальной трубе могут быть рассчитаны с помощью выражения:

Расширение на свободном конце частично ограниченной трубы (смотрите рисунок C.2)

рассчитывается как:

195

СТБ EN 13941-2009

где

1-й член определяет смещение, обусловленное изменением температуры ΔT;

2-й член "фиксация", обусловленная трением;

3-й член смещение, обусловленное превышением внутреннего давления;

4-й член смещение, обусловленное реакцией на боковое давление почвы.

Для систем с осевыми компенсаторами ½ в члене (½-v), в выражении для определения σ

, и δ

опускаются .

1 Компенсатор

2 Точка крепления

3 Компенсатор

Рисунок C.3 — Уменьшенная длина линии трения, /

Если осевые компенсаторы по проекту не имеют концевых ограничителей, способных

противостоять большим продольным нагрузкам, необходимо обеспечить хорошую возможность

расширения, например, при монтаже точек крепления, чтобы избежать перегрузки компенсаторов.

Если расширение на участке, частично ограниченное силой трения, будет поглощаться на

перегибах, имеющих форму L, Z, или U, расширение обеспечивается посредством пены или

песчаной подушки. В этом случае, при расчете компенсатора необходимо учитывать нагрузочную

способность пены или песчаной подушки.

Компенсаторы и перегибы в форме L, Z и U не должны устанавливаться вместе на промежутке

между двумя точками крепления.

Необходимо учитывать старение пенных компенсаторов в период эксплуатации трубопровода.

Для получения информации о поперечном горизонтальном перемещении подземного

трубопровода, смотрите Приложение B.

C.6.4 Пограничные условия для трубопроводных систем с компенсаторами однократного

использования (single use compensators SUC)

Последствий нагрева в открытой траншее можно избежать, используя компенсаторы однократного

действия.

Допустимая длина L

all

между компенсаторами однократного действия должна рассчитываться для

реальных условий, используя при расчете σ

all

С помощью фактического значения L (может быть меньше чем L

all

) и температуры T

, можно

рассчитать смещение U(T

) в компенсаторе однократного использования. T

- температура перед

сваркой системы и должна определяться для каждого компенсатора. После достижения U(T

компенсатор можно приваривать.

196

СТБ EN 13941-2009

1 σ

t,all

Допустимое растягивающее напряжение

2 σ

c,,all

Допустимое сжимающее напряжение

3 Зазор в компенсаторе однократного использования (SUC) в холодном состоянии

4 NFP Естественная точка крепления

5 эпюра осевых напряжений при температуре в момент монтажа (холодное состояние)

6 эпюра осевых напряжений при расчетной температуре T

7 Диапазон изменения напряжений при увеличении температуры (T

.- T

)

8 Осевые напряжения в точке NFP, при температуре предварительного напряжения (перед

сваркой) T

9 Осевые напряжения в компенсаторе однократного использования, возникающие при

увеличении температуры (T

.- T

)

10 Допустимое расстояние между двумя компенсаторами SUC

11 Допустимое расстояние между точкой NFP и компенсатором SUC

12 u Смещение одного конца трубы в компенсаторе SUC

Рисунок C.4 — Допустимое расстояние между

компенсаторами однократного использования (SUC)

Диапазон изменения напряжений равен:

Δδ = α

·ΔТ·Е

Резервное напряжение, обусловленное силами трения в первый момент нагрева трубы, равно:

2

all

−Δσ

Напряжение, вызванное ограничением расширения:

=Δσ−σ

all

Допустимая длина l

all

зависит от резервного напряжения σ

Температура, при которой выполняется сварка компенсатора SUC (температура закрытия

трубопровода) T

, может быть рассчитана на основе:

197