В.3 Выбор и расчет компенсирующих устройств

Компенсация тепловых деформаций теплопровода может быть осуществлена следующими компенсирующими устройствами и системами:

I группа (устройства)

а) с П-образными компенсаторами, углами поворота трассы в виде Г-образных, Z-образных компенсаторов;

б) с сильфонными компенсаторами (СК) или сильфонными компенсирующими устройствами (СКУ).

II группа (системы)

а) системы с предварительным нагревом до засыпки грунтом;

б) системы со стартовыми компенсаторами, завариваемыми после предварительного нагрева.

Компенсирующие устройства группы 1а могут размещаться в любом месте теплопровода.

При этом протяженный теплопровод может иметь три вида зон:

- зоны изгиба L _и - участки теплопровода, непосредственно примыкающие к компенсатору. Теплопровод при нагреве перемещается в осевом и боковых направлениях;

- зоны компенсации L _к - участки теплопровода, примыкающие к компенсатору, перемещающиеся при температурных деформациях. Участки изгиба включаются в длину участков компенсации;

- зоны защемления L _з - неподвижные (защемленные) участки теплопровода, примыкающие к неподвижным опорам или естественно неподвижным сечениям трубы, компенсация температурных колебаний в которых происходит за счет изменения осевого напряжения.

В общем случае деформация теплопровода D L рассчитывается по формуле

D L = D l_t - D l _тр - D l _дм + D l_p,                                              (В.7)

где D l_t - температурная деформация;

D l _тр - деформация под действием сил трения;

D l_p - деформация от внутреннего давления;

D l _дм - реакция демпфера (грунта, упругих подушек, жесткости осевого компенсатора, упругости П-образных, Г-образных, Z-образных и других компенсирующих устройств).

Выбор и расчет компенсирующих устройств группы 1a (П-образных, Г-образных, Z-образных компенсаторов, углов поворота трассы и т.п.) рекомендуется производить по компьютерной программе или по номограммам.

Размещение компенсирующих устройств группы 1a наиболее эффективно в середине компенсируемого участка.

При П-образных компенсаторах рекомендуется длину наибольшего плеча принимать < 60 % общей длины участка.

При наличии углов поворота трассы рекомендуется использовать их в качестве компенсирующих устройств.

Длина участка труб в зоне компенсации может быть определена по упрощенной формуле

                                                (В.8)

где f_тр - удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м;

F_ст - площадь кольцевого сечения трубы, мм²;

a - коэффициент линейного расширения стали, мм/м×°С;

Е - модуль упругости материала трубы, Н/мм²;

D t - принимать равным (t₁ - t_э), °С;

t_э - минимальная температура в условиях эксплуатации (t_монт, t_упора и т.д.).

Выбор t_э производится при проектировании по согласованию с заказчиком и эксплуатирующей организацией.

Максимальное удлинение зоны компенсации D L_к при нагреве теплопровода после засыпки траншеи грунтом можно определить по упрощенной формуле

                  (В.9)

где a - коэффициент линейного расширения стали, мм/м×°С;

t₁ - максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

t_э - минимальная температура в условиях эксплуатации. Выбор t_э выполняется проектировщиком по согласованию с заказчиком и эксплуатирующей организацией;

L_к - длина зоны (участка) компенсации, м;

f_тр - удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м;

E - модуль упругости материала трубы, 2×10⁵ Н/мм²;

F_ст - площадь поперечного сечения стенки трубы, мм².

В формулах (В.8) и (В.9) с целью упрощения проектных расчетов не учтены два члена:

[(0,5 - 0,3) s_раст ], Н/мм² - осевая составляющая растягивающего окружного напряжения от внутреннего давления. При расширении учитывается с положительным знаком;

[ N_r / F_ст ], Н/мм² - влияние усилия от активной реакции грунта. При расширении учитывается с отрицательным знаком.

Демпфер - поролоновые подушки, тем более канальные участки, практически не препятствуют свободному расширению теплопровода и сводят к минимуму влияние N_r / F_ст. Второй член может быть заменен величиной упругой деформации компенсатора.

Выбор и расчет компенсирующих устройств группы 1б рекомендуется производить по расчетным формулам и таблицам, приведенным в рекомендациях по применению осевых сильфонных компенсаторов и сильфонных компенсирующих устройств конкретных предприятий - изготовителей СК и СКУ, продукция которых, как правило, отличается конструктивно и технологически.

Длина участка, на котором устанавливается один СК или СКУ, рассчитывается по формуле

                                            (В.10)

где l - амплитуда осевого хода, мм;

a - коэффициент линейного расширения стали, мм/м×°С;

t₁ - максимальная расчетная температура теплоносителя, °С;

t₀ - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления (средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью t_0(0,92)) по СНиП 23-01, °С.

Коэффициент 0,9 принимается при наличии на участке канальной и бесканальной прокладок, 1,15 - при бесканальной прокладке.

Пример

Определить максимальную длину участка, на котором устанавливается один компенсатор D_y = 150 мм типа КСО:

Длина зоны компенсации L _к при применении СК и СКУ рассчитывается по формуле

                        (В.11)

где А - коэффициент, учитывающий активную площадь сильфона СК или СКУ:

                                                      (В.12)

f _тр - удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м;

F _ст - площадь кольцевого сечения трубы, мм²;

a - коэффициент линейного расширения стали, мм/м×°С;

E - модуль упругости материала трубы, Н/мм²;

D t - принимать равным: t ₁ - t ₀, °С;

D _н - наружный диаметр трубы, мм;

D _с - диаметр, характеризующий эффективную площадь сильфона, мм:

S _эф - эффективная площадь сильфона.

Системы компенсации II группы не требуют установки постоянно действующих компенсирующих устройств.

Компенсация температурных деформаций происходит за счет изменения осевого напряжения в защемленной трубе. Поэтому область применения тепловых сетей без постоянно действующих компенсирующих устройств ограничена допустимым перепадом температур D t.

Системы II группы применяются, как правило, в случаях, когда трасса состоит из длинных прямолинейных участков с зонами защемления L _з.

Максимально допустимый перепад температур D t учетом предварительного нагрева, обычно принимаемого равным 0,5 D t, не должен превышать:

                                                  (В.13)

Отсюда максимальная температура теплоносителя t ₁:

t₁ = D t + t _э,                                                          (В.14)

где s_доп - допускаемое осевое напряжение в трубе, Н/мм²;

a - коэффициент линейного расширения стали, мм/м×°С;

E - модуль упругости материала трубы, Н/мм²;

D t - следует принимать (t ₁ - t _э), °С.

Пример

Определить максимальную температуру теплоносителя для прямого участка при [ s ] = 137 Н/мм² и t_э = t _монт = 10 °С.

Согласно формуле (В.5) допускаемые осевые напряжения составляют s _доп = 1,25×137 = 171 Н/мм².

Отсюда максимальная температура теплоносителя:

Системы, относящиеся ко IIа группе, - предварительный нагрев до засыпки грунтом:

- монтируются и до засыпки грунтом нагреваются до температуры предварительного нагрева [ t _п.н. ]:

                                                           (В.15)

- теплопроводы засыпаются. Температура нагрева должна поддерживаться до полной засыпки их грунтом. Затем трубопроводы охлаждаются до температуры монтажа. В защемленной зоне L _з уровень напряжений, Н/мм², будет приблизительно равен:

                                               (В.16)

где D t = t ₁ - t _п.н, °С.

Затем теплопровод нагревается до рабочей температуры.

В системах, относящихся к группе IIб, предусматривают применение стартовых компенсаторов.

Система полностью монтируется в траншее и засыпается грунтом (за исключением мест установки стартовых компенсаторов). Затем система нагревается до температуры, при которой все стартовые компенсаторы замыкаются. После чего осуществляется их заварка. Таким образом, стартовые компенсаторы срабатывают один раз, после чего система превращается в неразрезную и компенсация температурных расширений в дальнейшем осуществляется за счет знакопеременных осевых напряжений сжатия - растяжения.

Максимально допустимое расстояние, м, между стартовыми компенсаторами составляет

                (В.17)

где f _тр - удельная сила трения на единицу длины трубы, Н/м.

Применение коэффициента перегрузки - по 4.32;

F _ст - площадь кольцевого сечения трубы, мм²;

a - коэффициент линейного расширения стали, мм/м×°С;

E - модуль упругости материала трубы, Н/мм²;

Диапазон температур предварительного нагрева, при которых может быть осуществлена заварка:

                                        (В.18)

                                         (В.19)

Формула (В.18) исходит из достижения допустимых осевых напряжений в холодном состоянии трубопровода после выполнения растяжки, а формула (В.19) - из достижения таких же напряжений в рабочем состоянии. В интервале от  до  любая t_п.н будет удовлетворять условиям прочности.

t _э - температура, при которой монтируются стартовые компенсаторы.

При проектировании следует учитывать, что t _эможет изменяться в пределах от нуля (при длительной остановке нагрева сетевой воды) до расчетной температуры наружного воздуха, принимаемой для расчета отопления (при глубине прокладки менее 0,7 м). Поэтому рекомендуется принимать t_n.н близко к средней, определенной по формуле (В.15).

С помощью нагрева до температуры t_n.н и заварки стартового компенсатора осуществляется растяжка трубопровода на величину D L

                         (В.20)

где D t _п.н = t _п.н - t _э.

Если по конструктивным соображениям расстояние между стартовыми компенсаторами требуется уменьшить, в формулу (В.20) вместо максимально допустимого значения L_ст.к подставляется реальное.

Пример

Определить предельно допустимое расстояние между стартовыми компенсаторами, температуру предварительного нагрева и величину растяжки при следующих исходных данных. Трубопровод диаметром 426 мм с толщиной стенки 7мм с изоляцией, наружный диаметр кожуха изоляции 560 мм, площадь поперечного сечения трубы 92 см², материал - сталь марки 20, давление в рабочем состоянии 1,6 МПа, наибольшая температура теплоносителя 130 °С, при монтаже компенсаторов - 10 °С, вес трубопровода с изоляцией и водой с учетом коэффициентов перегрузки 2122 Н/м. Трубопровод имеет глубину заложения в грунте Z = 1,1 м, окружающий грунт - песок.

Определяем допускаемое осевое напряжение по формуле (В.4):

Удельная сила трения по формуле (В.3) составляет:

Предельно допустимое расстояние между стартовыми компенсаторами - по формуле (6.17)

Температура предварительного нагрева - по формуле (В.18)

по формуле (В.19)

Примем среднее значение t_п.н = 70 °С, тогда осевые напряжения в рабочем состоянии составят:

Определяем D L по формуле (В.20)

где

В практике проектных и монтажных работ допускается использовать приближенные формулы для определения расчетного сжатия стартового компенсатора D L, мм:

                                      (В.21)

                                         (В.22)

В местах установки стартовых компенсаторов теплопроводы должны иметь прямолинейные участки длиной не менее 12 м.

Для уменьшения величины трения теплопровода о грунт допускается его обернуть полиэтиленовой пленкой.

Траншею в местах установки стартовых компенсаторов следует засыпать только после выполнения предварительного нагрева теплопровода, завершения сварочных работ и монтажа стыкового соединения.

Расстояние от стартового компенсатора до места установки ответвления должно быть не менее L_ст.к /3.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г