Компенсация тепловых удлинений трубопроводов

В процессе эксплуатации трубопроводы изменяют свою температуру в связи с изменением температуры окружающей среды и перекачивающих жидкостей. Колебание температуры стенки трубопровода приводит к изменению его длины.

Закон изменения длины трубопровода выражается уравнением:

,где

– удлинение или укорочение трубопровода;

- коэффициент линейного расширения металла труб, для стальных труб

Если концы трубопровода жестко закреплены, то от температурных воздействий в нем возникают термические напряжения растяжения или сжатия, величина которых определяется по закону Гука из уравнения:

, где

E – модуль упругости материала трубы (для стали E = 0,21·10⁶МПа = 2,1∙10⁶кгс/см²).

Возникшие в трубе термические напряжения вызывают в точках закрепления трубопровода усилия, направленные вдоль оси трубопровода, не зависящие от длины и равные N = σ F , где

F – площадь живого сечения материала трубы.

Величина N может быть очень большой и, если не принять мер к ее устранению, она может разрушить трубопровод, арматуру, опоры и нанести повреждения оборудованию и резервуарам.

Изменения длины подземных трубопроводов зависят не только от колебаний температуры, но и от силы трения трубы о грунт, которая препятствует изменениям длины.

Если усилия от термических напряжений не зависят от длины трубопровода, то сила трения трубы о грунт прямо пропорциональна длине трубопровода. Существует такая длина, на которой силы трения могут уравновеситься с термической силой, и трубопровод не будет иметь изменения длины. На участках меньшей длины трубопровод будет передвигаться в грунте.

Предельная длина такого участка, на котором возможно перемещение трубопровода в грунте, определяется по уравнению:

, где

κ – давление грунта на поверхность трубы;

μ – коэффициент трения трубы о грунт; для практических расчетов принимается равным μ = 0,4-0,6.

Разгрузка трубопроводов от термических напряжений осуществляется установкой компенсаторов. Компенсаторы применяются линзовые, сальниковые и гнутые.

При выборе трассы трубопроводов необходимо стремиться к тому, чтобы температурные удлинения одних участков могли бы восприниматься деформациями других, т.е. стремиться к самокомпенсации трубопровода, используя для этого все его повороты и изгибы.

Линзовые компенсаторы – применяют для компенсации удлинений трубопроводов с рабочим давлением до 0,6 МПа при диаметре 150-1000 мм.

Компенсаторы изготовляются из конических тарелок, преимущественно штампованных; каждая пара сваренных между собой тарелок образует волну высотой 70-200 мм. Компенсирующая способность одной волны составляет 5-15 мм. Количество волн в компенсаторе делают не более 12 во избежание продольного изгиба.

Линзовые компенсаторы характеризуются герметичностью, малыми габаритами, простотой изготовления и эксплуатации, но применение их ограничено малой компенсирующей способностью и непригодностью для больших давлений.

Сальниковые компенсаторы - являются осевыми компенсаторами и применяются для давлений до 1,6 МПа. Компенсаторы состоят из чугунного или стального корпуса и входящего в него стакана. Уплотнение между стаканом и корпусом создается сальником. Компенсирующая способность сальниковых компенсаторов составляет 150-500 мм.

Сальниковые компенсаторы устанавливаются на трубопроводах с точной укладкой, т.к. возможные перекосы могут привести к заеданию стакана и разрушению компенсатора. Сальниковые компенсаторы ненадежны в отношении герметичности, требуют постоянного надзора за уплотнением сальников и в связи с этим имеют ограниченное применение. Эти компенсаторы устанавливаются на трубопроводах диаметром от 100 мм и выше для негорячих жидкостей и на паропроводах.

Гнутые компенсаторы имеют П–образную, лирообразную и другие формы и изготавливаются на месте монтажа из тех же труб, из которых собирается трубопровод. Из гнутых наибольшее применение находит П-образный компенсатор.

Рис. 36 Номограмма для определения вылета П-образного компенсатора:

1 – кривые воспринимаемого теплового удлинения; 2 – кривые силы упругости.

Вылет компенсатора h и величина силы упругости определяются по номограмме, в зависимости от величины теплового удлинения. Чтобы определить вылет компенсатора для заданных теплового удлинения и диаметра трубопровода, необходимо найти точку на пунктирной кривой, соответствующей заданному диаметру трубопровода, ордината которой была бы равна величине теплового удлинения. Тогда абсцисса этой точки покажет величину вылета компенсатора. Аналогично сказанному определяется величина силы упругости компенсатора. Необходимая точка находится в этом случае на кривых, показанных на номограмме сплошными линиями.