Компенсационные устройства

При проектировании и монтаже полимерных горизонтальных и вертикальных трубопроводов необходимо учитывать такой существенный фактор, как температурные условия. В зимний период в неотапливаемых помещениях температура может достигать – 30⁰С, а в летний период – подниматься выше 30⁰С (для средней полосы России). Полиэтиленовые трубопроводы, смонтированные при таких крайних значениях температуры, имеют наихудшие условия эксплуатации.

Если монтаж осуществлен при – 30⁰С, то при повышении эксплуатационной температуры в трубопроводе возникнет значительное сжимающее продольное усилие, которое может создать опасные температурные напряжения и привести к потере устойчивости участков трубопровода между креплениями. При эксплуатации трубопровода, смонтированного при 30⁰С, возможное понижение температуры приведет к возникновению растягивающего продольного усилия. Данные напряжения вызывают релаксационный процесс, который может способствовать разрушению элементов трубопровода.

По данным Мосводоканала, сезонный уровень температуры воды в Москве, колеблется в пределах 2-3⁰С зимой, 6-8⁰С в переходный период и 20-25⁰С летом. В этих условиях полимерные трубопроводы рекомендуется монтировать при температуре 10-15⁰С.

Оптимальным для монтажа полимерных трубопроводов ориентировочно считают среднее значение температуры (между верхним и нижним пределами возможного перепада температур). Для снижения уровня температурных продольных усилий на трубопроводах предусматривают компенсирующие устройства.

Коэффициент линейного температурного расширения для полимерных трубопроводов может быть в 8—40 раз больше, чем, например, у стали. Поэтому к данным трубопроводам предъявляют повышенные требования по компенсации их температурных удлинений (укорочений).

Схема возможных деформаций полимерных трубопроводов

Температурные удлинения компенсируют с помощью выбора соответствующей формы трубопровода или компенсаторами. Для полимерных трубопроводов компенсаторы изготавливают из того же материала, что и трубы. По конструкции они подобны металлическим компенсаторам.

По принципу действия компенсаторы подразделяют на две основные группы:

— гибкие компенсаторы, которые воспринимают температурные удлинения благодаря деформации изгиба или кручения участков трубопровода различной геометрической формы;

— осевые компенсаторы скользящего типа, которые гасят температурные удлинения при помощи перемещения труб, изменяющих свою длину, внутрь корпуса компенсатора через сальниковые уплотнения.

В качестве осевых компенсаторов используют раструбные соединительные детали с резиновыми уплотнителями, а также специально изготовленные устройства. Компенсаторы этого типа имеют наиболее простую конструкцию, но обладают сравнительно небольшой компенсирующей способностью.

Специальные устройства для компенсации температурных деформаций

а — соединение полимерных трубопроводов

б — переход на металлическую трубу

1 — прокладка из термостойкой резины

2 — полимерная труба

3 — нажимная гайка

4 —  упорное кольцо

5 — металлическая труба

При внутренней прокладке полимерных трубопроводов различного назначения для компенсации температурных удлинений используют также П-образные компенсаторы, согнутые из тех же труб, а также за счет собственной гибкости (например, самокомпенсация на углах поворота).

П-образный компенсатор

 

Достоинствами П-образных компенсаторов являются:

— большая компенсирующая способность;

— простота изготовления;

— отсутствие необходимости в контроле и обслуживании, что позволяет устанавливать компенсаторы в малодоступных местах.

Среди недостатков П-образных компенсаторов отмечают:

— увеличение гидравлических сопротивлений трубопровода;

— дополнительный расход труб.

Компенсация температурных удлинений полимерных и металлических трубопроводов не имеет принципиальны отличий. Поэтому теоретические положения и расчетные формулы для компенсаторов металлических трубопроводов применимы и для полимерных. Существенно изменяются только такие характеристики материала, как модуль упругости, коэффициент линейного температурного расширения и допускаемые напряжения.

Полимерные трубопроводы с гибкими компенсаторами и самокомпенсирующимися участками при наличии неподвижных закреплений представляют собой статически неопределимые системы. При изменении температуры в этих системах возникают усилия и напряжения, которые называют компенсационными.

При расчете трубопроводов на прочность компенсационные напряжения алгебраически суммируют с напряжениями от весовой нагрузки, давления транспортируемой жидкости и других внешних сил. Расчет различного типа компенса­оров предусматривает определение величин внутренних усилий и напряжений в зависимости от перепада температур, конфигурации и размеров компенсаторов.

Для решения статически неопределимых систем трубопроводов принципиально применимы все методы механики стержневых систем, в частности метод сил. При расчете плоских простых трубопроводов находит широкое применение метод упругого центра, который позволяет упростить решение статически неопределимых систем трубопроводов.

При расчетах следует учитывать, что включение в систему полимерного трубопровода компенсаторов существенно снижает продольное температурное усилие. Тем не менее создаваемая компенсатором упругая сила отпора и продольное усилие, возникающее за счет трения в местах крепления, могут достигать значительной величины.

Температурное изменение длины трубопровода ?L м, независимо от материала труб, определяют по формуле:

?L = a*?T*L

где а — коэффициент линейного температурного расширения, °С^-1;

?T — максимальная разность между температурами стенок трубопроводов в процессе эксплуатации и окружающей среды, при которой осуществляется монтаж замыкающих стыков трубопроводов;

L — первоначальная длина трубопровода, м.

Расчетные продольные усилия, возникающие в трубопроводе при изменении температуры, N_T без учета компенсации температурных деформаций в продольном направлении определяют по формуле:

N_T = a *E*F*?T

Компенсацию температурных удлинений осуществляют главным образом за счет самокомпенсации отдельных участков трубопровода. Установку компенсирующих устройств предусматривают в тех случаях, когда расчетом выявлены недопустимые напряжения в элементах трубопровода или усилия на присоединенных к нему санитарно-технических приборах.

Расчетные продольные перемещения участков трубопровода под воздействием максимального повышения температуры стенок труб (положительного расчетного температурного перепада), внутреннего давления (удлинения трубопровода) и наибольшего понижения температуры стенок труб (отрицательного расчетного температурного перепада) определяют при отсутствии внутреннего давления в трубопроводе (укорочение трубопровода).

Компенсатор – отвод 90⁰

Компенсирующую способность гнутого под углом 90⁰ отвода определяют по формуле:

?L = (2R / 3E*D)*(((l₁ + r)³ + 0,07r³) / (l₁ + r))

где ?L — максимально допустимое продольное перемещение трубопровода от действия температуры, компенсируемое отводом, м;

R — расчетное сопротивление материала труб, МПа;

l₁ – длина прилегающего к отводу прямого участка трубопровода, восприни­мающего перемещение ?L, м;

r— радиус изгиба отвода, м.

Максимально допустимое расстояние от конца отвода до места неподвижного закрепления l, м, находят по формуле: ?L = a*?T*L

Компенсирующую способность П-образного компенсатора определяют по формуле:

?L = (R / 0,25*E*h*D)*(9,4 r³ + 14,9г3*а + 7,8а² +1,3 а³)

где h — полный вылет компенсатора, м;

r— радиус изгиба компенсатора, м;

а — длина прямого участка компенсатора, м.

Максимально допустимые расстояния от компенсатора до места неподвижного закрепления трубопровода l, м, находят по формуле: ?L = a*?T*L и затем уменьшают в 2 раза.

Для компенсации температурных деформаций прямолинейных участков трубопроводов длиной до 12 м размеры лирообразного компенсатора принимают исходя из следующих соотношений: r₁ = 5D, r₂ = 3,5D, b = 3D, h=15D.

Лирообразный компенсатор

 

Расстояние от осей тройников (ответвлений) или от концов отводов до мест неподвижного закрепления тру­бопровода l, м, находят по формуле:

l = k*(?l*D)^0,5

где k — коэффициент, принимаемый с учетом материала труб: 50 (сталь), 40 (медь, твердое состояние), 35 (медь, полутвердое состояние), 30 (хлорированный поливинилхлорид), 25 (поливинилхлорид), 15 (медь, мягкое состояние), 12,5 (полипропилен), 10 (полиэтилен низкого давления), 8 (металлополимер), 7 (полибутен), 6 (сшитый полиэтилен), 5 (полиэтилен высокого давления).