Рассказываем про:
В процессе эксплуатации узлы, соединения и элементы трубопроводов подвергаются сильным механическим нагрузкам, которые приводят к возникновению различных напряжений, деформаций и колебаний инженерных сетей.
На трубопровод приходятся как внутренние, так и внешние нагрузки. Среди факторов, влияющих на их величину, можно выделить массу самого трубопровода и транспортируемой по нему среды, способ укладки (надземный, подземный, канальный и др.), колебания температуры, внешнее и внутреннее давление на трубы, сейсмическую активность и др.
Пренебрежение или недооценка значимости этих явлений, а также мер, направленных на защиту труб (т. е. компенсацию напряжений), могут привести к нарушению целостности конструкции трубопровода в местах соединения труб уже на начальных этапах эксплуатации.
Таким образом, еще на стадии проектирования должны быть предусмотрены специальные конструктивные элементы, передающие напряжение от трубы на несущую конструкцию и, тем самым, позволяющие удерживать трубопровод в проектном положении.
В зависимости от видов нагрузок и условий эксплуатации такими элементами могут быть опоры и различные компенсаторы нагрузки. Ниже мы дадим обзор основных видов напряжений, возникающих в трубопроводах при их эксплуатации, а также рассмотрим способы их компенсации.
Типы нагрузок трубопровода
Конструкция и расположение элементов компенсации напряжений уникальны для каждого трубопровода и зависят от ряда факторов. Здесь можно выделить размеры и длину труб, пропускную способность, условия эксплуатации трубопровода и виды возникающих в нем нагрузок.
Постоянные нагрузки, то есть устойчивые воздействия на трубопровод на протяжении всего срока его службы. Это нагрузки, связанные с собственным весом трубы и фасонных изделий, их изоляционных и защитных покрытий. Также нагрузки, возникающие вследствие давления грунта, гидростатического давления рабочего вещества внутри трубы, и нагрузки, связанные с механическим напряжением на упругих изгибах при повороте оси трубы.
Переменные нагрузки (долговременные) связаны с внутренним давлением и массой рабочего вещества внутри трубы и колебаниями температуры. Такие нагрузки, как правило, оказывают длительное воздействие на трубопровод, однако могут меняться неоднократно в течение всего срока службы.
Переменные нагрузки (кратковременные) связаны с воздействием атмосферных явлений (ветровая, снеговая нагрузка, нагрузка от обледенения и др.), гидравлическим ударом (при открытии или закрытии клапанов), паровым ударом (при возникновении потока перегретого пара в паропроводе из-за внезапного закрытия запорного клапана) и другие.
Особые нагрузки связаны с сейсмической активностью (землетрясениями, гравитационными волнами, цунами), сходом селевых потоков, смещений и деформаций грунта (например, в результате горных разработок вблизи трубопровода) и другими аналогичными явлениями.
Расчет нагрузок и напряжений
Недооценка величины нагрузок может привести к катастрофическим последствиям вплоть до полного разрушения отдельных узлов или участков трубопровода. Поэтому расчет предельной прочности труб и фитингов и принятие мер по снятию с них механических напряжений являются одной из важнейших задач, требующих самого серьезного внимания на всех этапах проектирования, строительства и эксплуатации любого трубопровода
При расчете конструкции учитываются все нагрузки и воздействия, возникающие как на стадии строительства, так и при испытаниях и дальнейшей эксплуатации трубопровода. При этом учитывается возможность возникновения перегрузок, вызванных, например, резким повышением рабочего давления в трубе, возникновением гидроударов или перепадов температуры.
На основании полученных данных о возможных перегрузках (в первую очередь связанных с перепадами внутреннего давления в трубе) производится расчет конструкции трубопровода по методу предельных состояний, при котором рассчитываются такие значения напряжений в трубе, при которых дальнейшая эксплуатация трубопровода невозможна.
Также на основании данных инженерных изысканий в районе прокладки трубопровода производится корректировка параметров с учетом особенностей окружающей среды. При этом учитывается тип грунта и делается прогноз о возможных изменениях грунтовых условий, связанных со строительством и дальнейшей эксплуатацией трубопровода.
Пример проекта теплосети с использованием эффекта самокомпенсации и указанием расположения опор трубопровода. Скачать
Наконец, на основе расчетов создается проект, содержащий информацию о типе конструктивных элементов для снятия напряжений.
Самокомпенсация трубопровода
Наиболее простым и бюджетным способом компенсации нагрузок в трубопроводах является использование эффекта естественной компенсации (самокомпенсации), возникающего на участках трубопроводов, содержащих естественные изгибы (например, при огибании препятствий).
Величина механического напряжения зачастую зависит от размеров самой трубы. Так, например, величина удлинения прямолинейного участка трубы за счет теплового расширения определяется как произведение коэффициента теплового расширения, разности температур и длины этого участка.
Отсюда следует, что изменение геометрии трубопровода посредством замены одного длинного прямолинейного участка системой из нескольких коротких участков, соединенных под углом 45 или 90 градусов с помощью плеча, будет способствовать снижению механических напряжений.
Типы компенсаторов нагрузки
На практике использование естественной компенсации не всегда возможно. Поэтому, для снятия напряжений, возникающих при эксплуатации трубопроводов, применяют специальные конструктивные элементы — компенсаторы. К наиболее популярным компенсаторам нагрузки относятся следующие типы:
- П-образные, Г-образные, Z-образные компенсаторы
- Сильфонные компенсаторы
- Опоры трубопровода
П-образные, Г-образные, Z-образные компенсаторы
Данные конструкционные элементы применяются для компенсации напряжений, возникающих в результате теплового расширения труб в трубопроводах, в которых самокомпенсация по каким-либо причинам затруднена.
Напряжения подобного типа возникают в тех случаях, когда температура рабочего вещества внутри трубы значительно отличается от температуры окружающей среды. При подземной бесканальной прокладке трубопровода в случае теплового расширения возникают дополнительные напряжения в результате трения поверхности труб о грунт, что также приводит к их преждевременному износу.
Конструктивно П-образные, Г-образные и Z-образные компенсаторы представляют собой отрезок трубы в ППУ изоляции с защитной ПЭ или ОЦ оболочкой. К концам этого отрезка приварены два отвода таким образом, чтобы возникала фигура, визуально напоминающая буквы «П», «Z» или «Г», соответственно.
П-образные компенсаторы — самый простой и эффективный тип компенсаторов. При тепловом расширении трубы участок, содержащий такой компенсатор, деформируется подобно упругой пружине, поглощая энергию механического напряжения и предотвращая разрушение узлов и соединений трубопровода.
В некоторых случаях, например, при соединении труб, проложенных на разной высоте, или при переходе с подземной прокладки на наземную и наоборот, целесообразно использовать компенсаторы другой формы, например, Г-образные и Z-образные. Принцип работы таких компенсаторов аналогичен П-образным.
Также отметим, что все перечисленные компенсаторы просты в изготовлении и монтаже. Их стоимость также невелика, а размер и вес могут быть подобраны индивидуально для каждого проекта.
Сильфонные компенсаторы
Аналогично П, Г и Z-образным компенсаторам, сильфонные компенсаторы, также называемые сильфонными компенсационными устройствами (СКУ), применяются для снятия напряжений, возникающих в результате тепловых деформаций трубы. Данные элементы трубопровода эффективно поглощают вибрации, возникающие на прямых участках в процессе теплового сжатия или расширения трубы.
Конструктивно СКУ представляет собой тонкую стальную гофру (сильфон) с нанесенным антикоррозийным покрытием и приваренными отводами на концах. Для уменьшения тепловых потерь сильфон вместе с отводами изолируется слоем ППУ и имеет защитную ПЭ или ОЦ оболочку.
Эффективность СКУ существенно выше, чем у П, Г и Z-образных компенсаторов. При этом конструкция и монтаж компенсационного устройства довольно просты. Важно учитывать тот факт, что сильфонный компенсатор представляет собой гибкую конструкцию с меньшей жесткостью, чем другие элементы трубопровода. При высоких давлениях он может потерять устойчивость и деформироваться, что чревато значительным ухудшением работы или разрушением трубопровода.
Для придания дополнительной жесткости следует устанавливать неподвижную опору на расстоянии не более четырех диаметров трубы от места установки СКУ.
Опоры трубопровода
Данные конструктивные элементы предназначены для передачи силовой нагрузки от трубы на несущие конструкции трубопровода и далее в грунт. Применяются для компенсации напряжений, возникающих в результате снеговых и ветровых нагрузок, перепадов температуры и давления, вспучивания и проседания грунта, сейсмической активности и др.
В зависимости от вида нагрузки и режима работы трубопровода применяют следующие виды опор:
- Неподвижные опоры — жесткие конструкции, устанавливаемые в вертикальном положении непосредственно на поверхности земли или в стене. Основное назначение таких опор – предотвращение смещения трубопровода от исходного положения под воздействием нагрузки. Конструктивно такие опоры представляют собой прямоугольные металлические пластины с приваренными с двух сторон металлическими трубами в ППУ изоляции.
- Подвижные (скользящие) опоры — элементы трубопровода, способные обеспечить перемещение трубы под действием нагрузки (например, теплового расширения) вдоль ее оси. В конструкцию подвижных опор входят опорная площадка («башмак»), закругленный держатель, пара хомутов, фиксирующих трубу, и резиновые прокладки.
Места установки опор рассчитываются исходя из параметров трубопровода и типа применяемых компенсаторов. Так, при использовании сильфонного компенсатора первая опора должна располагаться на расстоянии не более 4 диаметров трубы от места установки компенсатора. При этом вторую опору следует устанавливать на расстоянии не более 14 диаметров трубы от первой опоры для придания конструкции достаточной жесткости.
Благодаря своей универсальности, простоте изготовления и монтажа, а также длительному сроку службы опоры могут устанавливаться на горизонтальных и вертикальных участках трубопроводов различных типов при наземной или подземной прокладке.
Заключение
Силовые нагрузки на трубопровод могут приводить к возникновению механических напряжений, значительно сокращающих срок его службы и, в конечном итоге, приводящих к разрушению.
Несущая способность и прочность будущего трубопровода просчитываются еще на стадии проектирования. Для снятия напряжений используют метод самокомпенсации и специальные компенсационные элементы — компенсаторы: опоры, СКУ, а также П, Г и Z-образные элементы ППУ.
Снижение напряжения с трубопровода предотвращает преждевременный выход из строя как самих труб, так и фитингов и помогает значительно продлить срок службы всей инженерной системы.
