7.5 Опоры

Опоры являются ответственными деталями теплопровода. Они воспринимают усилия от трубопроводов и передают их на несущие конструкции или грунт. При сооружении теплопроводов применяют опоры двух типов: свободные и неподвижные.

Свободные опоры воспринимают вес трубопровода и обеспечивают его свободное перемещение при температурных деформациях.

Неподвижные опоры фиксируют положение трубопровода в определенных точках и воспринимают усилия, возникающие в местах фиксации под действием температурных деформаций и внутреннего давления.

При бесканальной прокладке обычно отказываются от установки свободных опор под трубопроводами во избежание неравномерных просадок и дополнительных изгибающих напряжений. В этих теплопроводах трубы укладываются на нетронутый грунт или тщательно утрамбованный слой песка.

При расчете изгибающих напряжений и деформаций трубопровод, лежащий на свободных опорах, рассматривается как многопролетная балка. На рисунке 7.25 приведена эпюра изгибающих моментов многопролетного трубопровода.

Рисунок 7.25 Эпюра изгибающих моментов многопролетного трубопровода.

Рассмотрим усилия и напряжения, действующие в трубопроводах. Примем следующие обозначения: М – силовой момент, Н · м; Q_в, Q_г – усилия вертикальное и горизонтальное, Н; q_в, q_г – удельная нагрузка на единицу длины вертикальная (учитывающая вес трубопровода с теплоносителем и тепловой изоляцией) и горизонтальная (учитывающая ветровое усилие), Н/м; N – горизонтальная реакция на опоре, Н.

При одинаковой длине пролета между свободными опорами максимальный изгибающий момент в многопролетном трубопроводе возникает на опоре

(7.12)

где q – удельная нагрузка на единицу длины трубопровода, Н/м; l – длина пролета между опорами, м.

Удельная нагрузка

( 7.13)

где q_г – горизонтальная удельная нагрузка, учитывающая ветровое усилие

(7.14)

Здесь w_в – скорость ветра, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м³; d_н – наружный диаметр изоляции трубопровода, м; k – аэродинамический коэффициент, в среднем равный 1,4 – 1,6.

Ветровое усилие должно учитываться только в надземных теплопроводах открытой прокладки.

Изгибающий момент, возникающий в середине пролета

(7.15)

На расстоянии 0,21·l от опоры изгибающий момент равен нулю.

Максимальный прогиб имеет место в середине пролета.

Стрела прогиба трубопровода, м

(7.16)

Пролет между свободными опорами определяется с помощью (7.12):

(7.17)

откуда длина пролета, м

(7.17а)

Предварительную оценку расстояния между опорами можно произвести на основе (7.17а), принимая напряжение от изгиба σ₄ равным 0,4÷0,5 допускаемого напряжения: σ₄ = β·φ[σ], где β = 0,4÷0,5.

По принципу работы свободные опоры делятся на скользящие, роликовые, катковые и подвесные. Некоторые конструкции свободных опор приведены на рис. 9.26 – 9.28.

Рисунок 7.26 Скользящая опора

1 – тепловая изоляция; 2 – опорный полуцилиндр;

3 – стальная скоба; 4 – бетонный камень;

5 – цементно-песчаный раствор.

Рисунок 7.27 Роликовая опора.

Рисунок 7.28 Катковая опора.

Горизонтальная реакция, возникающая на свободной опоре при термической деформации трубопровода, зависит от типа опоры. Реакция, возникающая на скользящей опоре (смотри рисунок 7.26), может быть определена по формуле

(7.18)

Горизонтальная реакция на свободной опоре роликового типа (смотри рисунок 7.27) рассчитывается из условия равновесия действующих силовых моментов.

Для того чтобы ролик вращался, необходимо, чтобы момент сил, создаваемый трубопроводом на поверхности ролика, относительно оси вращения превышал сумму моментов сил трения на поверхности ролика и на поверхности цапф относительно той же оси

(7.19)

откуда

(7.20)

где s – плечо (коэффициент) трения качения, м; µ – коэффициент трения скольжения на поверхности цапфы; r – радиус цапфы, м; R – радиус ролика, м.

Плечо трения качения зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей.

При премещении стальной поверхности трубопровода или стальной прокладки под трубопроводом по грубо обработанной поверхности стального ролика можно принимать значение плеча трения s = 0,5 · 10^-3 м.

Уменьшение горизонтальной реакции в роликовой опоре по сравнению со скользящей достигается за счет того, что радиус цапфы меньше радиуса ролика r/R < 1.

Из всех типов свободных опор наименьшее значение горизонтальной реакции имеют катковые опоры (смотри рисунок 7.28). В этих опорах трение скольжения отсутствует. Горизонтальная реакция катковой опоры может быть определена из уравнения моментов действующих сил

(7.21)

где s₁ – плечо трения качения при перемещении катка по опорной поверхности, м; s₂ – плечо трения качения при перемещении стальной поверхности трубопровода или прокладки под трубопроводом по поверхности катка, м.

При выборе типа опор следует не только руководствоваться значениями расчетных усилий, но и учитывать работу опор в условиях эксплуатации.

С увеличением диаметров трубопроводов резко возрастают силы трения на опорах, достигая при больших диаметрах многих десятков и даже сотен кН. Это, в свою очередь, требует усиления строительных конструкций, воспринимающих реакции опор.

Для разгрузки несущих конструкций (мачт, стоек, кронштейнов и пр.) рекомендуется при диаметрах трубопроводов больше 400–500 мм применять катковые опоры при всех типах надземных прокладок, а также в проходных каналах.

В некоторых случаях, когда по условиям размещения трубопроводов относительно несущих конструкций скользящие и катящие опоры не могут быть установлены, применяют подвесные опоры (рисунок 7.29).

Недостатком простых подвесных опор (рисунок 7.29, а) является деформация (перекосы и изгибы) труб вследствие различной амплитуды подвесок, находящихся на различном расстоянии от неподвижной опоры, из-за разных углов их поворота.

Рисунок 7.29 Подвесные опоры

а – простая опора; б – пружинная; в – с контргрузом.

По мере удаления от неподвижной опоры возрастают температурная деформация трубопровода и угол поворота подвесок. Для уменьшения перекосов трубопровода желательно длину подвески выбирать возможно большей. При недопустимости перекосов трубы и невозможности применения скользящих опор следует применять пружинные подвесные опоры или опоры с противовесом (рисунок 7.29, б, в).

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

Результирующее усилие, действующее на неподвижную опору, может быть представлено трехчленом

(7.22)

где а – 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 коэффициент а может иметь значение 0 или 1; р – внутреннее рабочее давление в трубопроводе. Па; F_в – площадь внутреннего сечения трубопровода, м²; µ – коэффициент трения на свободных опорах; Δl – разность длин участков трубопровода с обеих сторон неподвижной опоры (участок – расстояние между опорой и компенсатором), м; Δs – 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.

На рисунке 7.30 представлены схемы трубопроводов. Рассмотрим усилия, действующие на неподвижную опору.

В схеме I с обеих сторон неподвижной опоры А расположены сальниковые компенсаторы. Так как торцевые сечения участков трубопровода с обеих сторон неподвижной опоры А открыты, на рассматриваемый участок трубопровода не передается осевое усилие внутреннего давления (а = 0), т.е. первый член (7.22) равен нулю.

В схеме II с обеих сторон опоры А расположены участки с естественной компенсацией. Так как торцевые сечения рассматриваемого участка закрыты отводами с обеих сторон опоры А, то на них передается осевое усилие внутреннего давления, но эти усилия с обеих сторон неподвижной опоры равны и противоположны по знаку, поэтому а = 0. Следовательно, и для этой схемы первый член выражения (7.22) равен нулю.

В схеме III, так же как и в схеме I, с обеих сторон неподвижной опоры расположены сальниковые компенсаторы. Однако в отличие от схемы I на трубопроводе установлена задвижка. При закрытии задвижки с обеих сторон ее могут установиться разные давления. Наибольшее значение результирующее осевое усилие возникает тогда, когда с одной стороны задвижки установится полное рабочее давление, а с другой внутреннее давление будет равно нулю. В этом случае коэффициент а = 1 и результирующее осевое усилие внутреннего давления равно рF_в.

В схеме IV с одной стороны неподвижной опоры А установлен сальниковый компенсатор, а с другой – гнутый (упругий). Осевое усилие внутреннего давления в этом трубопроводе равно рF_в и направлено от неподвижной опоры в сторону упругого компенсатора.

Рисунок 7.30 Схемы трубопроводов.

Сила трения в осевых компенсаторах сальникового типа определяется

(7.23)

где d_н – наружный диаметр стакана компенсатора, практически равный наружному диаметру трубы, м; b – отношение высоты сальниковой набивки к наружному диаметру стакана; р – рабочее давление в трубопроводе, Па; α – отношение удельного давления сальниковой набивки на поверхность стакана к рабочему давлению α = 1,5; µ – коэффициент трения набивки по стакану, в среднем µ = 0,15.

Из сравнения формул (7.23) и (7.5) следует, что отношение силы трения сальникового компенсатора к осевому усилию внутреннего давления

(7.24)

Из всех усилий, действующих на неподвижную опору, наиболее значительным является неуравновешенная сила внутреннего давления рF_в. По сравнению с этой силой остальные реакции, действующие на неподвижную опору, сравнительно невелики. Для облегчения конструкции неподвижной опоры необходимо стремиться к уравновешиванию осевой силы внутреннего давления внутри трубопровода.

В целях унификации расчетов и стандартизации конструкций неподвижных опор принято делить их условно на две группы: неразгруженные и разгруженные. К первой группе относятся опоры, воспринимающие осевую реакцию внутреннего давления рF_в. Ко второй группе относятся опоры, на которые осевая реакция внутреннего давления не передается.

Если второй член в формуле (7.22) относительно невелик, что имеет место при Δl ≈ 0, то при сальниковых компенсаторах расчетное осевое усилие N, воспринимаемое неподвижной опорой, может определяться по формулам

для неразгруженных опор

(7.25)

для разгруженных опор

(7.26)

При установке на трубопроводах линзовых компенсаторов осевая реакция внутреннего давления резко возрастает в связи с тем, что площадь сечения линзы значительно превосходит площадь поперечного сечения трубопровода.

Кроме усилий на неподвижные опоры часто передаются также изгибающие и крутящие моменты, действующие на трубопровод, которые определяются в каждом конкретном случае для заданной схемы и режима работы трубопровода. Неподвижные опоры выполняются обычно из железобетона или металлоконструкций.

На рисунке 7.31 показана установка неподвижной опоры в камере. Усилие, воспринимаемое опорой, передается на вертикальные стойки, концы которых защемлены в основании и перекрытии камеры.

При расположении неподвижных опор между камерами, в непроходных каналах или при бесканальной прокладке удобны железобетонные щитовые опоры (рисунок 7.32). Такая опора представляет собой железобетонную плиту. Конструкция не требует солидных фундаментов, т.к. нагрузка от нее передается центрально.

Рисунок 7.31 Неподвижная опора в камере.

Рисунок 7.32 Железобетонная щитовая неподвижная опора.