Настоящий Руководящий документ (РД) распространяется на стальные трубопроводы водяных тепловых сетей с рабочим давлением до 2,5 МПа и рабочей температурой до 200 °С и паропроводов с рабочим давлением до 6,3 МПа и рабочей температурой до 350 °С, прокладываемых на опорах (надземно и в закрытых каналах), а также бесканально в грунте. РД предусматривает определение толщины стенки отводов, тройников и врезок из условия обеспечения их несущей способности от действия внутреннего давления, а также оценку статической и циклической прочности трубопровода.

Снип -85

При расчете опор следует учитывать глубину промерзания или оттаивания грунта, деформации грунта (пучение и просадка), а также возможные изменения свойств грунта (в пределах восприятия нагрузок) в зависимости от времени года, температурного режима, осушения или обводнения участков, прилегающих к трассе, и других условий. 8.43. Нагрузки на опоры, возникающие от воздействия ветра и от изменений длины трубопроводов под влиянием внутреннего давления и изменения температуры стенок труб, должны определяться в зависимости от принятой системы прокладки и компенсации продольных деформаций трубопроводов с учетом сопротивлений перемещениям трубопровода на опорах.

Расчет П-образных компенсаторов

Для компенсации тепловых расширений наибольшее распространение в тепловых сетях и на электростанциях находят П-образные компенсаторы.

Несмотря на свои многочисленные недостатки, среди которых можно выделить: сравнительно большие габариты (необходимость устройства компенсаторных ниш в теплосетях с канальной прокладкой), значительные гидравлические потери (по сравнению с сальниковыми и сильфонными); П-образные компенсаторы имеют и ряд достоинств.

Из достоинств можно прежде всего выделить простоту и надежность.

Расчет П-образного компенсатора

диаметр трубы с гнутыми отводами радиусом R = 1 м.

вылетом l = 5 м; температура теплоносителя t = 150°С, а температура внутри камеры t вк. = 19,6°С; допускаемое компенсационное напряжение в трубопроводе s доп = 110 МПа. Системы теплофикации и централизованного теплоснабжения являются важным звеном энергетического хозяйства и инженерного оборудования городов и промышленных районов.

Трубы — лучший выбор

Проектирование трубопроводов из полипропилена для систем холодного и горячего водоснабжения осуществляется в соответствии с регламентами строительных норм и правил (СНиП) 2.04.01 85 «Внутренний водопровод и канализация зданий» с учетом специфики полипропиленовых труб.

Выбор типа трубы производится с учетом условий работы трубопровода: давления, температуры, необходимого срока службы и агрессивности транспортируемой жидкости. При транспортировке агрессивных жидкостей следует применять коэффициенты условия работы трубопровода согласно табл.

2 из СН 550 82.

Гидравлический расчет трубопроводов из PP R 80 заключается в определении потерь давления (или напора) на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих в трубе, в соединительных деталях, в местах резких поворотов и изменений диаметра трубопровода.

Гидравлические потери напора в трубе определяются по номограммам.

Страница 7); Улучшение теплового и гидравлического режима системы теплоснабжения п

Изгибающее продольное компенсационное напряжение в точке жесткого крепления меньшего плеча б(a)= 45.53 МПа Изгибающее продольное компенсационное напряжение в точке жесткого крепления большего плеча б(b)= 11.77 МПа Изгибающее продольное компенсационное напряжение в точке изгиба б(c)= 20.53 Мпа.

За расчетные приняты результаты работы программы Px=1287.88 H При определении нормативной горизонтальной нагрузки на неподвижную опору следует учитывать: неуравновешенные силы внутреннего давления при применении сальниковых компенсаторов, на участках имеющих запорную арматуру, переходы, углы поворота, заглушки; следует также учитывать силы трения в подвижных опорах и о грунт для бесканальных прокладок, а также реакции компенсаторов и самокомпенсации.

Онлайн расчет г образного компенсатора

Выполнение расчетов по программам СТАРТ обеспечивает надежность и безопасность при эксплуатации трубопроводных систем различного назначения, облегчает согласование проекта с контролирующими органами (Ростехнадзор, Главсгосэкспертиза), сокращает затраты и время пусконаладочных работ.

СТАРТ разработан ООО «НТП Трубопровод» — экспертной организацией Ростехнадзора. Имеется сертификат соответствия Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.

Здравствуйте! При нагревании трубопроводы системы теплоснабжения имеют свойство удлиняться. И то, насколько они увеличатся по длине, будет зависеть от их начальных габаритов, от материала, из которого они изготовлены, и температуры вещества, транспортируемого по трубопроводу. В потенциале изменение линейных размеров трубопроводов может привести к разрушению резьбовых, фланцевых, сварных соединений, повреждению иных элементов. Разумеется, при конструировании трубопроводов учитывается то, что они удлиняются при нагревании и укорачиваются при наступлении низких температур.

Самокомпенсация теплотрасс и дополнительные компенсирующие элементы

Существует в сфере теплоснабжения такое явление, как самокомпенсация. Под этим понимается способность трубопровода самостоятельно, без помощи специальных устройств и приспособлений, компенсировать те изменения размеров, которые происходят в результате теплового воздействия, за счёт упругости металла и геометрической формы. Самокомпенсация возможна только при наличии в трубопроводной системе изгибов либо поворотов. Но не всегда при проектировании и монтаже имеется возможность для создания большого количества таких «естественных» компенсаторных механизмов. В таких случаях актуально подумать над созданием и установкой дополнительных компенсаторов. Они бывают следующих типов:

П-образные;

линзовые;

сальниковые;

волнистые.

Способы изготовления П-образных компенсаторов

В данной статье мы подробно поговорим о П-образных компенсаторах, которые на сегодняшний день являются самыми распространёнными. Данные изделия, покрытые полиэтиленовыми оболочками, можно применять на технологических трубопроводах всех типов. По сути, они являются одним из методов самокомпенсации - на коротком отрезке создаётся несколько изгибов в виде буквы «П», а затем трубопровод продолжает идти по прямой. Такие П-образные конструкции делаются из цельных изогнутых труб, из отрезков труб или отводов, которые сваривают между собой. То есть изготавливают их из того же самого материала, из той же марки стали, что и трубы.

Экономичней всего гнуть компенсаторы из одной цельной трубы. Но если общая длина изделия составляет более 9 метров, то их следует изготовлять из двух, трёх или семи частей.

В случае, если компенсатор нужно изготовить из двух составных частей, то шов располагается на так называемом вылете.

Трёхчастная конструкция предполагает, что гнутую «спинку» изделия будут создавать из цельного куска трубы, а потом к ней приварят два прямых отвода.

Когда частей предполагается семь, то четыре из них должны быть коленцами, а остальные три - патрубками.

Важно помнить и то, что радиус сгиба отводов при заготовке компенсаторов из прямых частей должен быть равен четырём наружным диаметрам трубы. Это можно выразить следующей несложной формулой: R=4D.

Из скольких бы частей не изготавливался описываемый компенсатор, сварной шов всегда желательно располагать на прямом участке отвода, который будет равен диаметру трубы (но не менее 10 сантиметров). Впрочем, бывают ещё и крутозагнутые отводы, где прямые элементы отсутствуют вовсе - в таком случае можно отойти от вышеуказанного правила.

Достоинства и недостатки рассматриваемых изделий

Компенсаторы данного типа специалисты рекомендуют применять для трубопроводов небольшого диаметра - до 600 миллиметров. Участки в виде больших букв «П» на данных трубопроводах при возникновении каких-либо колебаний эффективно гасят их за счёт изменения своего положения по продольной оси. Это как бы не позволяет колебаниям «продвигаться» по теплотрассе дальше. В трубопроводах, требующих разбора для того, чтобы произвести очистку, П-образные компенсаторы дополнительно снабжают присоединительными деталями на фланцах.

П-образные изделия хороши тем, что они не нуждаются в контроле в период эксплуатации. Это их отличает от изделий сальникового типа, для обслуживания которых нужны специальные камеры ответвлений. Однако для обустройства П-образных компенсаторов требуется некоторое пространство, а в плотно застроенном городе оно находится не всегда.

У рассматриваемых компенсаторов, разумеется, есть не только достоинства, но и недостатки. Самый очевидный из них такой – для изготовления компенсаторов дополнительно расходуются трубы, а они стоят денег. Кроме того, установка данных компенсаторов ведёт к тому, что увеличивается общее сопротивление движению жидкости-теплоносителя. Плюс ко всему такие компенсаторы отличают значительные размеры, и потребность в специальных опорах.

Расчёты для П-образных компенсаторов

В России по-прежнему не стандартизированы параметры для П-образных компенсаторов. Их производят в соответствии с нуждами проекта и по тем данным, которые в этом проекте прописываются (тип, размеры, диаметр, материал и т. д.). Но всё-таки определять габариты П-образного компенсатора наобум, конечно, не следует. Специальные расчёты помогут узнать те габариты компенсатора, которые окажутся достаточными для компенсации деформаций теплотрассы из-за температурных перепадов.

При подобных расчётах, как правило, принимаются следующие условия:

трубопровод изготовлен из стальных труб;

по нему течёт вода либо пар;

давление внутри трубопровода не превышает 16 бар;

температура рабочей среды не более 2000 градусов по Цельсию

компенсаторы симметричны, длина одного плеча строго равна длине второго плеча;

трубопровод находится в горизонтальном положении;

на трубопровод не действует давление ветра и прочие нагрузки.

Как мы видим, здесь берутся идеальные условия, что, разумеется, делает конечные цифры весьма условными и приблизительными. Но такие расчёт всё равно позволяют снизить риск повреждений трубопровода при эксплуатации.

И ещё одно важное дополнение. При расчётах изменения трубопровода под воздействием тепла за основу берётся наибольшая температура перемещаемой воды или пара, а температура окружающей среды, наоборот, выставляется минимальная.

Сборка компенсаторов

Собирать компенсаторы необходимо на стенде или на абсолютно ровной твёрдой площадке, на которой удобно будет производить сварочные работы и подгонку. Начиная работы, нужно точно нанести ось будущего П- участка и установить контрольные маячки для элементов компенсатора.

После изготовления компенсаторов нужно также проверить их размеры - отклонение от намеченных линий должно не превышать четырёх миллиметров.

Место для П-образных компенсаторов обычно выбирается с правой стороны теплопровода (если смотреть от источника тепла к конечному пункту). Если же справа нет необходимого пространства, то возможно (но лишь в качестве исключения) устроить вылет для компенсатора слева, не меняя в целом расчётные габариты. При таком решении с внешней стороны будет находиться обратный трубопровод, и размеры его окажутся чуть больше тех, что требовались согласно предварительным вычислениям.

Пуск теплоносителя всегда создаёт в трубах из металлов значительное напряжение. Чтобы справиться с ним, П-образный компенсатор в процессе монтажа следует растянуть по максимуму – это увеличит его эффективность. Растяжку делают после установки и фиксации опор с обеих сторон от компенсатора. Трубопровод при растяжке в зонах его приваривания к опорам должен оставаться строго неподвижным. П-образные компенсаторы сегодня растягивают при помощи талей, домкратов и прочих подобных приспособлений. Величину предварительной растяжки компенсирующего элемента (или величину его сжатия) следует обязательно указать в паспорте на теплотрассу и проектных документах.

Если планируется расположение П-образных элементов группами на нескольких трубопроводах, идущих параллельно, то растяжку заменяют такой процедурой, как натяжка труб в «холодном» состоянии. Подобный вариант предполагает и особый порядок проведения монтажных процедур. В данном случае компенсатор прежде всего следует установить на опоры и сварить стыки.

Но при этом в одном из стыков должен остаться зазор, который будет соответствовать заданной растяжке П-компенсатора. Для того, чтобы избежать снижения компенсационной способности изделия и предотвратить перекосы, для натяжения следует воспользоваться стыком, который будет находиться от оси симметрии компенсатора на расстоянии от 20 до 40 трубных диаметров.

Установка опор

Особо стоит сказать об установке опор для П-компенсаторов. Их необходимо смонтировать так, чтобы трубопровод перемещался лишь вдоль продольной оси и никак иначе. В таком случае компенсатор примет на себя все возникающие продольные колебания.

Сегодня для одного П-компенсатора необходимо устанавливать не менее трёх качественных опор. Две из них следует располагать под теми участками компенсатора, которые состыкуются с основным трубопроводом (то есть под двумя вертикальными палочками буквы «П»). Допустимо также монтировать опоры на самом трубопроводе поблизости от компенсатора. Причём между краем опоры и сварным стыком должно быть хотя бы на полметра. Ещё одна опора создаётся под спинкой компенсатора (горизонтальной палочкой в букве «П»), как правило, на особой подвеске.

Если теплотрасса имеет уклон, то боковые части П-образных элементов должны располагаться строго по уровню (то бишь уклон должен соблюдаться). В большинстве случаев компенсаторы в виде буквы «П» устанавливаются горизонтально. Если же компенсатор устанавливается в вертикальном положении внизу обязательно должна быть организована соответствующая дренажная система.

Какие данные о компенсаторах нужно занести в паспорт теплотрассы?

По окончании монтажа П-образного компенсатора в паспорт теплопровода вносятся такие сведения:

технические параметры компенсатора, предприятие-изготовитель и год производства;

расстояние меж опорами, производимая компенсация и величина растяжения;

температура окружающей атмосферы в период, когда проводились работы, и дата установки.

Что касается, например, компенсирующей способности П-образного изделия, то она имеет чёткую зависимость от ширины, от радиуса изгибов и вылета.

Компенсаторы или компенсационные устройства применяют при монтаже трубопроводов с высоким давлением или высокой температурой несущего вещества. При работе трубопровода возникает ряд факторов, которые необходимо учитывать, чтобы избежать разрушения несущих конструкций. К таким факторам относят температурные деформации труб, вибрации, возникающие при работе трубопровода, а также оседание фундаментов бетонных опор.

Компенсаторы предназначены для обеспечения подвижности частей системы друг относительно друга. Если не будет такой подвижности, то возрастают нагрузки на соединительные элементы, участки трубопровода, сварные швы. Эти нагрузки превышают допустимые нормы и приводят к разрушению системы.

Различают несколько видов компенсаторов, которые имеют разные принципиальные устройства. Идея разработки П-образного компенсатора появилась в результате явления самокомпенсации трубопроводов, имеющих повороты и изгибы. В процессе работы теплотрассы трубы за счет этих поворотов способны проявлять устойчивость к деформациям кручения и растяжения.

Однако рассчитывать на самокомпенсацию не приходится, так как абсолютная величина смещения зависит от количества поворотных элементов. Чтобы обеспечить возможность компенсации деформаций, на прямолинейном участке магистрали обустраивают П-образное колено, играющее роль компенсатора.

Принцип действия П-образного компенсатора

По своему устройству П-образный компенсатор считается самым простым, так как он состоит из минимального набора элементов. Именно такой минимализм позволил обеспечить широкий диапазон технических характеристик (температуры, давления). Изготавливается компенсатор одним из двух способов.

1. Цельная труба гнется в нужных местах с определенным радиусом изгиба, образуя П-образную конструкцию.
2. В состав компенсатора входят 7 элементов, среди которых три прямолинейных отвода и 4 поворотных уголка, которые свариваются в единую конструкцию.

Вследствие того, что данный компенсатор приходится часто обслуживать, ведь в П-образном колене часто скапливаются осадки в виде грязи или других плотных структур, его соединительные патрубки снабжают фланцами или резьбовыми муфтами. Это позволяет монтировать и демонтировать устройство без применения специнструмента.

П-образные компенсаторы предусмотрены как для стальных труб, так и для полиэтиленовых труб. Конструкция не лишена недостатков. Так, к примеру, на монтаж П-образного компенсатора в системе отопления требуется потратить дополнительный материал в виде труб, уголков, сгонов. Для тепловых сетей все осложняется установкой дополнительных опор.

Требования к монтажу и себестоимость установки П-образных устройств

Несмотря на относительную простоту устройства, не всегда монтаж П-образного компенсатора оказывается ниже по себестоимости, по сравнению, например, со стоимостью сильфонного компенсатора. Сейчас речь идет о трубопроводах большого диаметра. В таком случае затраты на дополнительные элементы и их монтирование превышают стоимость сильфонного устройства, а если учесть необходимость постройки опор, то разница в цене будет весьма ощутимой.

В случае, если компенсатор изготавливается путем сгиба прямолинейной трубы, необходимо учитывать, что радиус этого сгиба должен равняться восьми радиусам самой трубы. При наличии швов конструкцию изготавливают так, чтобы эти швы приходились на прямолинейные участки. При образовании крутозагнутых отводов, естественно, приходится отступать от этих правил.

Плюсы и минусы П-образной конструкции

Целесообразно применять данный тип компенсаторов при монтаже трубопроводов небольших диаметров. Здесь необходимо отметить, что диапазон размеров сильфонных компенсаторов несколько шире. П-образное колено отлично справляется с вибрациями, однако для его изготовления требуется большое количество материала, что существенно повышает стоимость устройства.

Сравнение характеристик сильфонного и П-образного компенсаторов позволяет выявить основные достоинства и недостатки каждого типа устройств. К примеру, П-образный компенсатор требуется периодически обслуживать, прочищать от отложений. Сильфонные же компенсаторы не страдают такими недостатками.

Еще один момент, который хотелось бы отметить, касается компенсирующей способности двух видов устройств. Если рассматривать только абсолютные значения, то в этом плане явного преимущества не наблюдается ни с одной, ни с другой стороны. Однако для увеличения максимального смещения в П-образном компенсаторе придется увеличивать размер колена. Для сильфонного же компенсатора достаточно использовать двухсекционную гофру, что практически никак не сказывается на габаритах.

Хотелось бы добавить в копилку положительных свойств такое качество, как отсутствие контроля во время эксплуатации. Но в условиях густонаселенного пункта не всегда находится свободное пространство для обустройства трубопровода с П-образным компенсатором. Колено может монтироваться только на горизонтальных участках, в то время как сильфонный компенсатор устанавливается на любом прямолинейном участке.

Наконец, еще одно преимущество сильфонного компенсатора – он не повышает сопротивления течения жидкости и газа. П-образное колено в значительной степени снижает скорость потока. При использовании такого типа устройств в домашней система отопления придется устанавливать циркуляционный насос, так как за счет естественной конвекции жидкость может не циркулировать, встретив на пути препятствие.

Расчеты для компенсаторов

Отсутствие стандартов ГОСТ на П-образные устройства иногда существенно усложняют задачу планирования проекта, поэтому необходим предварительный расчет п-образного компенсатора. Прежде всего, необходимо отталкиваться от нужд проекта. Учитываются размеры трубопровода, его диаметр, максимальное давление и величина предполагаемого смещения.

Это означает, что приобрести готовый компенсатор практически не удастся. Для каждого конкретного случая его необходимо изготовить персонально. В этом кроется еще один недостаток, по сравнению с сильфонными устройствами.

При расчете параметров следует учитывать следующие ограничения и условия:

• в качестве материала для трубопровода используется сталь;
• компенсаторы рассчитаны как на водную, так и на газообразную среду;
• максимальное давление носителя не превышает 1,6 атмосфер;
• компенсатор должен иметь правильную форму в виде буквы «П»;
• монтируется только на горизонтальных участках;
• исключено воздействие ветра.

Следует понимать, что приведенные параметры считаются идеальными. В реальных же условиях удается соблюдать всего лишь пару пунктов. Когда речь заходит о температуре среды, необходимо ее значение взять по максимуму, а температуру окружающего воздуха принять минимальной.

Монтаж компенсатора

При строительстве магистрали следует пользоваться определенными правилами, которые касаются и обустройства П-образных компенсаторов. Его устанавливают так, чтобы вылет был направлен в правую сторону. Стороны определяют, если смотреть на трубопровод от источника к приемнику. Если же отсутствует требуемое для компенсатора место справа, то вылет делают влево, однако обратную магистраль придется вести с правой стороны, а это приводит к изменениям в проекте.

Перед непосредственным вводом в эксплуатацию теплотрассы требуется обязательная предварительная растяжка компенсатора. Наполненные трубы испытывают избыточное давление, поэтому если не сделать данную процедуру, то металл вскоре начнет разрушаться.

Натяжку производят специальными домкратами, а после пуска их убирают, и колено занимает свое прежнее положение. О величине натяжки говорят паспортные данные, предусмотренные для каждого устройства. При установке опор необходимо рассчитать их местоположение, они должны располагаться так, чтобы деформации приводили лишь к осевому смещению трубы на опоре.

Для компенсации тепловых расширений наибольшее распространение в тепловых сетях и на электростанциях находят П-образные компенсаторы. Несмотря на свои многочисленные недостатки, среди которых можно выделить: сравнительно большие габариты (необходимость устройства компенсаторных ниш в теплосетях с канальной прокладкой), значительные гидравлические потери (по сравнению с сальниковыми и сильфонными); П-образные компенсаторы имеют и ряд достоинств.

Из достоинств можно прежде всего выделить простоту и надежность. Кроме того, этот тип компенсаторов наиболее хорошо изучен и описан в учебно-методической и справочной литературе. Несмотря на это, часто у молодых инженеров, не имеющих специализированных программ, расчет компенсаторов вызывает затруднения. Связано это прежде всего с достаточно сложной теорией, с наличием большого количества поправочных коэффициентов и, к сожалению, с наличием опечаток и неточностей в некоторых источниках.

Ниже проведен подробный анализ процедуры расчета П-образного компенсатора по двум основным источникам , , целью которого являлось выявление возможных опечаток и неточностей, а так же сравнение результатов.

Типовой расчет компенсаторов (рис.1, а)), предлагаемый большинством авторов ч, предполагает процедуру, в основе которой лежит использование теоремы Кастилиано:

где: U - потенциальная энергия деформации компенсатора, Е - модуль упругости материала трубы, J - осевой момент инерции сечения компенсатора (трубы),

где: s - толщина стенки отвода,

D н - внешний диаметр отвода;

М - изгибающий момент в сечении компенсатора. Здесь (из условия равновесия, рис.1 а)):

M = P y x - P x y + M 0 ; (2)

L - полная длина компенсатора, J x - осевой момент инерции компенсатора, J xy - центробежный момент инерции компенсатора, S x - статический момент компенсатора.

Для упрощения решения оси координат переносят в упругий цент тяжести (новые оси Xs , Ys ), тогда:

S x = 0, J xy = 0.

Из (1) получим силу упругого отпора Px:

Перемещение можно трактовать как компенсирующую способность компенсатора:

где: б t - коэффициент линейного температурного расширения, (1,2х10 -5 1/град для углеродистых сталей);

t н - начальная температура (средняя температура наиболее холодной пятидневки за последние 20 лет);

t к - конечная температура (максимальная температура теплоносителя);

L уч - длина компенсируемого участка.

Анализируя формулу (3), можно прийти к выводу, что наибольшее затруднение вызывает определение момента инерции J xs , тем более, что предварительно необходимо определиться с центром тяжести компенсатора (с y s ). Автор резонно предлагает использовать приближенный, графический метод определения J xs , при этом учитывая коэффициент жесткости (Кармана) k :

Первый интеграл определяем относительно оси y , второй относительно оси y s (рис.1). Ось компенсатора вычерчивается на милиметровой бумаге в масштабе. Вся кривая ось компенсатора L разбивается на множество отрезков Дs i . Расстояние от центра отрезка до оси y i измеряется линейкой.

Коэффициент жесткости (Кармана) призван отобразить экспериментально доказанный эффект местного сплющивания поперечного сечения отводов при изгибе, что увеличивает их компенсирующую способность. В нормативном документе коэффициент Кармана определяется по эмпирическим формулам, отличным от приведенных в , . Коэффициент жесткости k используется для определения приведенной длины L прД дугового элемента, которая всегда больше его фактической длины l г . В источнике коэффициент Кармана для гнутых отводов:

где: л - характеристика гиба.

Здесь: R - радиус отвода.

где: б - угол отвода (в градусах).

Для сварных и короткозагнутых штампованных отводов источник предлагает воспользоваться другими зависимостями для определения k :

где: h - характеристика гиба для сварных и штампованных отводов.

Здесь: R э - эквивалентный радиус сварного отвода.

Для отводов из трех и четырех секторов б=15 град, для прямоугольного двухсекторного отвода предлагается принять б = 11 град.

Следует отметить, что в , коэффициент k ? 1.

Нормативный документ РД 10-400-01 предусматривает следующую процедуру определения коэффициента гибкости К р * :

где К р - коэффициент гибкости без учета стесненности деформации концов изогнутого участка трубопровода; о - коэффициент, учитывающий стесненность деформации на концах изогнутого участка.

При этом если, то коэффициент гибкости принимают равным 1,0.

Величина К p определяется по формуле:

Здесь P - избыточное внутреннее давление, МПа; Et - модуль упругости материала при рабочей температуре, МПа.

Можно доказать, что по коэффициент гибкости К р * будет больше единицы, следовательно, при определении приведенной длины отвода по (7) необходимо брать его обратную величину.

Для сравнения определим гибкость некоторых стандартных отводов по ОСТ 34-42-699-85, при избыточном давлении Р =2,2 МПа и модуле Е t =2х 10 5 МПа. Результаты сведем в таблицу ниже (табл. №1).

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что процедура определения коэффициента гибкости по РД 10-400-01 дает более "строгий" результат (меньшую гибкость отвода), при этом дополнительно учитывает избыточное давление в трубопроводе и модуль упругости материала.

Момент инерции П-образного компенсатора (рис.1 б)) относительно новой оси y s J xs определяем следующим образом :

где: L пр - приведенная длина оси компенсатора,

y s - координата центра тяжести компенсатора:

Максимальный изгибающий момент М макс (действует вверху компенсатора):

где Н - вылет компенсатора, согласно рис.1 б):

Н=(m + 2)R .

Максимальное напряжение в сечении стенки трубы определяется по формуле:

где: m1 - коррекционный коэффициент (коэффициент запаса), учитывающий увеличение напряжений на гнутых участках.

Для гнутых отводов, (17)

Для сварных отводов. (18)

W - момент сопротивления сечения отвода:

Допускаемое напряжение (160 МПа для компенсаторов из сталей 10Г 2С, Ст 3сп; 120 МПа для сталей 10, 20, Ст 2сп).

Хочется сразу отметить, что коэффициент запаса (коррекционный) довольно высок и растет с увеличением диаметра трубопровода. Например для отвода 90° - 159x6 ОСТ 34-42-699-85 m 1 ? 2,6; для отвода 90° - 630x12 ОСТ 34-42-699-85 m 1 = 4,125.

Рис.2.

В руководящем документе расчет участка с П-образным компенсатором, см. рис.2, производится по итерационной процедуре:

Здесь задаются расстояния от оси компенсатора до неподвижных опор L 1 и L 2 спинка В и определяется вылет Н. В процессе итераций в обоих уравнениях следует добиваться, чтобы стало равным; из пары значений берется наибольшее = l 2 . Затем определяется искомый вылет компенсатора Н:

В уравнениях представлены геометрические компоненты, см. рис.2:

Компоненты сил упругого отпора, 1/м 2:

Моменты инерции относительно центральных осей x, y.

Параметр прочности A, м :

[у ск ] - допускаемое компенсационное напряжение,

Допускаемое компенсационное напряжение [у ск ] для трубопроводов, расположенных в горизонтальной плоскости определяется по формуле:

для трубопроводов, расположенных в вертикальной плоскости по формуле:

где: - номинальное допускаемое напряжение при рабочей температуре (для стали 10Г 2С - 165 МПа при 100°?t?200°, для стали 20 - 140 МПа при 100°?t?200°).

D - внутренний диаметр,

Хочется отметить, что авторам не удалось избежать опечаток и неточностей. Если использовать коэффициент гибкости К р * (9) в формулах для определения приведенной длины l пр (25), координат центральных осей и моментов инерции (26), (27), (29), (30), то получится заниженный (некорректный) результат, так, как коэффициент гибкости К р * по (9) больше единицы и должен на длину гнутых отводов умножаться. Приведенная длина гнутых отводов всегда больше их фактической длины (по (7)), только тогда они обретут дополнительную гибкость и компенсационную способность.

Следовательно, чтобы скорректировать процедуру определения геометрических характеристик по (25) ч (30) необходимо использовать обратную величину К р *:

К р *=1/ К р *.

В расчетной схеме рис.2 опоры компенсатора - неподвижные ("крестиками" принято обозначать неподвижные опоры (ГОСТ 21.205-93)). Это может подвигнуть "расчетчика" отсчитывать расстояния L 1 , L 2 от неподвижных опор, то есть учитывать длину всего компенсационного участка. На практике поперечные перемещения скользящих, (подвижных) опор соседнего участка трубопровода часто ограничены; от этих подвижных, но ограниченных по поперечному перемещению опор и следует отсчитывать расстояния L 1 , L 2 . Если не ограничивать поперечные перемещения трубопровода по всей длине от неподвижной до неподвижной опоры возникает опасность схода с опор участков трубопровода, ближайших к компенсатору. Для иллюстрации данного факта на рис.3 приведены результаты расчета на температурную компенсацию участка магистрального трубопровода Ду 800 из стали 17Г 2С длиной 200 м, перепад температур от - 46 С° до 180 С° в программе MSC Nastran. Максимальное поперечное перемещение центральной точки компенсатора - 1,645 м. Дополнительную опасность схода с опор трубопровода представляют также возможные гидроудары. Поэтому решение о длинах L 1 , L 2 следует принимать с осторожностью.

Рис.3.

Не совсем понятно происхождение первого уравнения в (20). Тем более, что по размерности оно не является корректным. Ведь в скобках под знаком модуля складываются величины Р х и P y (l 4 +…) .

Корректность второго уравнения в (20) можно доказать следующим образом:

для того, чтобы, необходимо, чтобы:

Это действительно так, если положить

Для частного случая L 1 =L 2 , Р y =0 , используя (3), (4), (15), (19), можно прийти к (36). Важно учесть, что в системе обозначений в y = y s .

Для практических расчетов я бы использовал второе уравнение в (20) в более привычной и удобной форме:

где А 1 =А[у ск ].

В частном случае когда L 1 =L 2 , Р y =0 (симметричный компенсатор):

Очевидными достоинствами методики по сравнению с является ее большая универсальность. Компенсатор рис.2 может быть несимметричным; нормативность позволяет проводить расчеты компенсаторов не только теплосетей, но и ответственных трубопроводов высокого давления, находящихся в реестре РосТехНадзора.

Проведем сравнительный анализ результатов расчета П-образных компенсаторов по методикам , . Зададимся следующими исходными данными:

• а) для всех компенсаторов: материал - Сталь 20; Р=2,0 МПа; Е t =2х 10 5 МПа; t?200°; нагружение - предварительная растяжка; отводы гнутые по ОСТ 34-42-699-85; компенсаторы расположены горизонтально, из труб с мех. обработкой;
• б) расчетная схема с геометрическими обозначениями по рис.4;

Рис.4.

в) типоразмеры компенсаторов сведем в таблицу №2 вместе с результатами расчетов.

	Отводы и трубы компенсатора, D н Ч s, мм	Типоразмер, см. рис.4	Предварительная растяжка, м	Максимальное напряжение, МПа	Допускаемое напряжение, МПа
				cогласно	cогласно	cогласно	cогласно

к. т. н. С. Б. Горунович, рук. конструкторской группы Усть-Илимской ТЭЦ

Для компенсации тепловых расширений наибольшее распространение в тепловых сетях и на электростанциях находят П-образные компенсаторы. Несмотря на свои многочисленные недостатки, среди которых можно выделить: сравнительно большие габариты (необходимость устройства компенсаторных ниш в теплосетях с канальной прокладкой), значительные гидравлические потери (по сравнению с сальниковыми и сильфонными); П-образные компенсаторы имеют и ряд достоинств.

Из достоинств можно прежде всего выделить простоту и надежность. Кроме того, этот тип компенсаторов наиболее хорошо изучен и описан в учебно-методической и справочной литературе. Несмотря на это, часто у молодых инженеров, не имеющих специализированных программ, расчет компенсаторов вызывает затруднения. Связано это прежде всего с достаточно сложной теорией, с наличием большого количества поправочных коэффициентов и, к сожалению, с наличием опечаток и неточностей в некоторых источниках.

Ниже проведен подробный анализ процедуры расчета П-образного компенсатора по двум основным источникам , , целью которого являлось выявление возможных опечаток и неточностей, а так же сравнение результатов.

Типовой расчет компенсаторов (рис.1, а)), предлагаемый большинством авторов ÷, предполагает процедуру, в основе которой лежит использование теоремы Кастилиано:

где: U - потенциальная энергия деформации компенсатора, Е - модуль упругости материала трубы, J - осевой момент инерции сечения компенсатора (трубы),

;

где: s - толщина стенки отвода,

D н - внешний диаметр отвода;

М - изгибающий момент в сечении компенсатора. Здесь (из условия равновесия, рис.1 а)):

M = P y x - P x y + M 0 ; (2)

L - полная длина компенсатора, J x - осевой момент инерции компенсатора, J xy - центробежный момент инерции компенсатора, S x - статический момент компенсатора.

Для упрощения решения оси координат переносят в упругий цент тяжести (новые оси Xs , Ys ), тогда:

S x = 0, J xy = 0.

Из (1) получим силу упругого отпора P x :

Перемещение можно трактовать как компенсирующую способность компенсатора:

; (4)

где: α t - коэффициент линейного температурного расширения, (1,2х10 -5 1/град для углеродистых сталей);

t н - начальная температура (средняя температура наиболее холодной пятидневки за последние 20 лет);

t к - конечная температура (максимальная температура теплоносителя);

L уч - длина компенсируемого участка.

Анализируя формулу (3), можно прийти к выводу, что наибольшее затруднение вызывает определение момента инерции J xs , тем более, что предварительно необходимо определиться с центром тяжести компенсатора (с y s ). Автор резонно предлагает использовать приближенный, графический метод определения J xs , при этом учитывая коэффициент жесткости (Кармана) k :

Первый интеграл определяем относительно оси y , второй относительно оси y s (рис.1). Ось компенсатора вычерчивается на милиметровой бумаге в масштабе. Вся кривая ось компенсатора L разбивается на множество отрезков Δs i . Расстояние от центра отрезка до оси y i измеряется линейкой.

Коэффициент жесткости (Кармана) призван отобразить экспериментально доказанный эффект местного сплющивания поперечного сечения отводов при изгибе, что увеличивает их компенсирующую способность. В нормативном документе коэффициент Кармана определяется по эмпирическим формулам, отличным от приведенных в , .

Коэффициент жесткости k используется для определения приведенной длины L прД дугового элемента, которая всегда больше его фактической длины l г . В источнике коэффициент Кармана для гнутых отводов:

; (6)

где:- характеристика гиба.

Здесь: R - радиус отвода.

; (7)

где: α - угол отвода (в градусах).

Для сварных и короткозагнутых штампованных отводов источник предлагает воспользоваться другими зависимостями для определения k :

где:- характеристика гиба для сварных и штампованных отводов.

Здесь:- эквивалентный радиус сварного отвода.

Для отводов из трех и четырех секторов α=15 град, для прямоугольного двухсекторного отвода предлагается принять α = 11 град.

Следует отметить, что в , коэффициент k ≤ 1.

Нормативный документ РД 10-400-01 предусматривает следующую процедуру определения коэффициента гибкости К р * :

где К р - коэффициент гибкости без учета стесненности деформации концов изогнутого участка трубопровода;

При этом если , то коэффициент гибкости принимают равным 1,0.

Величина К p определяется по формуле:

, (10)

где.

Здесь P - избыточное внутреннее давление, МПа; E t - модуль упругости материала при рабочей температуре, МПа.

, (11)

Можно доказать, что по коэффициент гибкости К р * будет больше единицы, следовательно, при определении приведенной длины отвода по (7) необходимо брать его обратную величину.

Для сравнения определим гибкость некоторых стандартных отводов по ОСТ 34-42-699-85, при избыточном давлении Р =2,2 МПа и модуле Е t =2х10 5 МПа. Результаты сведем в таблицу ниже (табл. №1).

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что процедура определения коэффициента гибкости по РД 10-400-01 дает более «строгий» результат (меньшую гибкость отвода), при этом дополнительно учитывает избыточное давление в трубопроводе и модуль упругости материала.

Момент инерции П-образного компенсатора (рис.1 б)) относительно новой оси y s J xs определяем следующим образом :

где: L пр - приведенная длина оси компенсатора,

; (13)

y s - координата центра тяжести компенсатора:

Максимальный изгибающий момент М макс (действует вверху компенсатора):

; (15)

где Н - вылет компенсатора, согласно рис.1 б):

Н=(m + 2)R .

Максимальное напряжение в сечении стенки трубы определяется по формуле:

; (16)

где: m 1 - коррекционный коэффициент (коэффициент запаса), учитывающий увеличение напряжений на гнутых участках.