Рекомендуемая длина пролёта при канальной прокладке

Диаметр условного прохода Dу, мм		25-50	80-300	400-900	1000-1400
Длина пролёта l, м	Рекомендуемая	40 Dу (1-2)	30 Dу (2,4- 9)	20 Dу (8-18)	15 Dу (15-21)
	Расчёт по (4.105)	4,3-5,4	6,8-14,5	14,5-20	20-23,6

Снижение затрат на строительство ТС надземной прокладки на эстакадах достигается за счёт применения подвесных опор на тягах. Оценка максимального пролёта между опорами без учёта сил трения и ветровой нагрузки возможна по формуле

l = [12W (R₂ – σ₁)/q] ^0,5, (8.61)

где R₂ – характеристика прочности трубной стали, МПа (табл. 8.3).

Таблица 8.3

R2 стали для труб

Марка стали	10	20	Ст2сп	10Г2С1	17Г1С	14Г2СА
R2, МПа	210	210	220	240	300	360

Приведённое суммарное напряжение в стенке трубопровода над свободной опорой от внутреннего давления и изгиба равно

σ_пр = (σ_р² + σ₃²)^0,5 ≤ φ σ_доп. (8.62)

Нагрузки на неподвижные опоры

Усилия, воспринимаемые неподвижными опорами (НО), складываются из неуравновешенных сил внутреннего давления, реакций свободных опор и реакций компенсаторов температурных деформаций. Эти усилия обычно действуют с обеих сторон неподвижной опоры. В зависимости от направления их векторов усилия взаимно уравновешиваются (т.е. вычитаются) или суммируются.

Результирующее усилие на НО можно представить в виде, Н

N = a р_раб F_в + µ q_в ∆l + ∆s, (8.63)

где a – коэффициент, зависящий от направления действия осевых усилий внутреннего давления с обеих сторон опоры, что определяется конфигурацией трубопровода и способом компенсации температурных деформаций (при неизменном диаметре трубопровода он может иметь значение 0 или 1; р_раб – внутреннее рабочее давление в трубопроводе, Па; F - площадь внутреннего сечения трубопровода, м²; µ - коэффициент трения на свободных опорах (µ = 0,4 – сталь по стали, µ = 0,6 – сталь по бетону); Δl – разность длин участков (расстояний между опорой и компенсатором) трубопровода с обеих сторон неподвижной опоры, м; s – разность сил трения осевых скользящих компенсаторов или сил упругости гибких компенсаторов с обеих сторон неподвижной опоры, Н.

Первое слагаемое представляет собой результирующее осевое усилие внутреннего давления, второе – результирующую реакцию свободных опор, третье – результирующую осевую реакцию компенсаторов.

Осевое усилие превалирует над остальными и для облегчения НО стараются его уравновесить. Если оно полностью уравновешено, НО – разгруженная, а если частично – неразгруженная.

8.3.2. Компенсация температурных расширений

Компенсация температурных расширений стальных трубопроводов имеет исключительно важное значение в технике транспорта теплоты. Если в трубопроводе их компенсация отсутствует, то при сильном нагревании в стенке трубы могут возникнуть недопустимые напряжения.

Напряжение сжатия (кПа), возникающее при повышении температуры прямолинейного защемленного (без компенсаторов) участка трубопровода на ∆t (°С), и соответствующее усилие (кН) рассчитываются по формулам

σ = α Е ∆t, (8.64)

Р = σf = Еif, (8.65)

где α - коэффициент линейного удлинения, 1/К (для углеродистой стали α = 12∙10^-6 1/К); Е – модуль продольной упругости, кПа (для стали Е = 2∙10⁸ кПа); f – площадь поперечного сечения стенки трубы, м²; i = α∆t –относительное сжатие.

Для трубных сталей σ = 2,35 ∆t МПа = 24 ∆t кгс/см² и при расчётном режиме по температурному графику 150-70 °С с монтажом в летних условиях составит σ = 2,35*(150 – 18) = 310,2 МПа, что примерно в 2-3 раза превышает σ_доп трубных сталей (табл. 8.7).

Следовательно, напряжение сжатия в защемленном прямолинейном участке трубопровода не зависит от диаметра, толщины стенки и длины трубопровода, а зависит только от характеристик материала (модуля упругости и коэффициента линейного удлинения) и перепада температур. Уровень возникаэщих при этом напряжений обусловливает необходимость их компенсации.

Способы компенсации температурных удлинений, применяемые в тепловых сетях, разнообразны. Все компенсаторы делятся на две группы: осевые и радиальные. Осевые компенсаторы применяются для компенсации температурных удлинений прямолинейных участков трубопровода. Радиальная компенсация может быть использована при любой конфигурации трубопровода и широко применяется на теплопроводах, прокладываемых на территориях промышленных предприятий, а при небольших диаметрах теплопроводов (до 200 мм) – также и в городских теплосетях.

Приведённое суммарное напряжение с учётом компенсационного напряжения от продольного изгиба σ₄ равно

σ_пр = (σ_р² + σ₃² + σ₄²)^0,5 ≤ φ σ_доп. (8.66)

Самокомпенсация. Трубопроводы, самокомпенсирующиеся за счет собственной гибкости, находят самое широкое применение в проектировании и строительстве ТС. Участки трубопроводов с самокомпенсацией наиболее надежны в эксплуатации, не имеют утечек теплоносителя и не требуют регулярного наблюдения за работой.

Посредством неподвижного закрепления трубопроводов на опорах, устанавливаемых в ряде точек по длине трассы, можно так распределить температурное удлинение труб под влиянием нагрева между отдельными участками, что перемещения труб, усилия и напряжения в них не будут превышать допустимых заранее заданных величин.

Нашли применение следующие самокомпенсирующиеся схемы трубопроводов: плоскостные Г-образные с прямым или тупым углом поворота, Z-образные с тремя расчетными участками, пространственные Z-образные схемы с тремя участками, расположенными в трех различных плоскостях (применяются только в пределах ИТ, тепловых пунктов, насосных перекачивающих станций).

Существенная экономия труб и снижение затрат на строительно-монтажные работы для тепловых магистралей большого диаметра от загородных ТЭЦ и АСТ с прямыми участками большой длины надземной прокладки, могут быть получены при использовании зигзагообразной самокомпенсирующейся схемы (рис. 8.8). РД 10-400-01. Нормы расчёта на прочность трубопроводов тепловых сетей. – М.: НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2001.

НО при этом расположены в точках пересечения осей трубопроводов с осью трассы. Компенсация температурных удлинений осуществляется за счет свободного перемещения труб на углах поворота. При расчёте компенсации трубопроводов большого диаметра (D_у 1000-1400 мм) рекомендуются в качестве исходных величин (рис. 4.23): L = 200 м; f = 8-10 м при D_у = 1000-1200 мм и f = 10-12 м при D_у = 1400 мм.

Рис. 8.8. Схема зигзагообразного самокомпенсирующегося трубопровода

Методика расчёта гибких компенсаторов и участков самокомпенсации представлена в справочниках по тепловым сетям.

.Компенсации тепловых удлинений бесканальных теплопроводвов

Бесканальные теплопроводы дешевле канальных, но их проектирование и эксплуатация связаны с учётом ряда специфических особенностей. Они заключаются в необходимости учитывать наличие больших осевых усилий и напряжений, вызванных силами трения в грунте, при невозможности поперечных (по отношении к оси) перемещений зажатых окружающим грунтом трубопроводов с монолитными теплоизоляционными оболочками (армопенобетон, пенополиуретан, полимербетон и др.). Указанное обстоятельство диктует необходимость канальной прокладки участков на углах поворота и в местах установки П-образных компенсаторов или применения в указанных случаях специальных компенсирующих подушек.

В бесканальных теплопроводах с адгезией тепловой изоляции к поверхности трубы (армопенобетон, пеноплиуретан, поропласт и др.) трение возникает на наружной поверхности монолитной оболочки. В бесканальных теплопроводах без адгезии изоляции к поверхности трубы (битумоперлит) трение возникает на наружной поверхности стального трубопровода. Осевые нагрузки вследствие трения обусловливают рост напряжений в стенках трубопроводов и усилий на щитовые НО, что вынуждает сокращать пролёты между НО и дополнительно усиливать их конструкцию.

Нормы расчёта на прочность бесканальных теплопроводов регламентируются РД 10-400-01¹, а особенности монтажа, эксплуатации и расчёта на прочность изложены в упомянутом выше справочном пособии И.В. Беляйкиной.