3.6. Определение усилий на опоры

А. Определение усилий на опоры в тепловых сетях со стальными

трубопроводами

1) Определение горизонтальной осевой нагрузки на неподвижную опору

при установке сальниковых и П-образных компенсаторов.

На плане тепловой сети выбрать неподвижную опору и вычертить одну из схем расчетного участка (схемы приведены в таблице 3.4). Расчетные длины (L₁ и L₂) выбираются в зависимости от конфигурации участка.

Усилия, воспринимаемые неподвижными опорами, складываются из неуравно­вешенных сил внутреннего давления, сил трения в сальниковых компенсаторах и в подвижных опорах, а также сил упругой деформации

П-образных компенсаторов и участков само­компенсации. При определении усилий на неподвижные опоры учитывается схема участка трубопровода, тип подвижных опор и компенсирующих устройств, расстоя­ние между неподвижными опорами и наличие запорной арматуры и ответвлений.

Коэффициент трения для скользящих опор μ = 0,3, для катковых μ = 0,1.

В таблице 3.5 приведены наиболее характерные схемы расчетных участков тру­бопроводов и расчетные формулы. Неравномерность затяжки сальников компенса­торов и работы подвижных опор учитывается коэффициентом 0,3.

Силы трения в сальниковых компенсаторах определяют по формулам, т·с

● от затяжки болтов

;

● от внутреннего давления

,

где n – число болтов, шт.;

f_н – площадь кольца набивки, см²;

– принимается не менее 10 кгс/см²;

D_с – наружный диаметр стакана компенсатора, см;

b – длина набивки по оси компенсатора, см;

μ – коэффициент трения набивки (принять равным 0,15);.

Таблица 3.5 – Расчетные формулы для определения осевых и боковых сил на неподвижные опоры трубопроводов (от одной трубы)

Номер схемы	Схема расчетного участка трубопроводов	Расчетные формулы
1		Н0 = 0,3pc
2		H0 = pc + pFcн
3		При L1 > L2 H0 = 0,3pc + qμ(L1 – 0,7L2)
4		H0 = pc + pFcн + qμL
5		Н0 = 0,3pc + qμL
6		При D1 > D2 H01 = pcl + q1μL+ pFcн1 При D1 < D2 H02 = pc2 + pFcн2
7		При D1 > D2 H01 = pcl + pFcн1 При D1 > D2 H02 = pc2 + q2μL2 + pFcн2
8		H0 = pк + qμL
9		При D1 > D2 H01 = pКl + q1μL1 При D1 > D2 H02 = pК2 + q1μL2
10		При нагревании D1 > D2 H0 = pc + pFcн – pК – 0,7q2μL При охлаждении D1 = D2 H0 = q2μL + pFcн + pК – 0,7pc

_{Примечание. В формулах приняты следующие обозначения:}

H₀ – суммарная осевая сила на неподвижную опору, т;

p_c – сила трения в сальниковом компенсаторе, т·с;

q – вес 1 м трубопровода, кгс;

p_к – сила упругой деформации П-образных компенсаторов, т·с;

L₁, L₂ – длина трубопровода по обе стороны неподвижной опоры, м;

F_cн – площадь сечения стакана компенсатора, см².

Для расчетов принимается большее значение р_с, получающееся от затяжки бол­тов или от внутреннего давления. Силу трения в сальниковом компенсаторе допускается принимать по номограмме на рисунке 3.4.

Пример. Определить усилие на неподвижную опору участка трубопровода, изображенного на схеме 10 таблицы 3.5.

Диаметр условного прохода трубопровода на участке с сальниковым компен­сатором D_у = 400 мм; на участке с П-образным компенсатором D_y = 300 мм, дли­на участка L = 50 м, рабочее давление теплоносителя р = 10 кгс/см², t _о = -30⁰С. р_с определяем по номограмме на рисунке 3.4.

При D_y = 400 мм и р = 10 кгс/см², р_с = 4,5 т.

Силу упругой деформации П-образного компенсатора D_y = 300 м принимаем p_к = = 1,6 т по [2].

Вес 1 м трубы с водой (по таблице 3.6) q_rp = 137,5, вес изоляционной конструкции q_щ = 17кгс, общий вес q₂ = 155 кгс.

Таблица 3.6 – Условный проход штуцера и запорной арматуры для выпуска воздуха

Dy, мм	25-80	100-150	200-300	350-400	500-700	800-1200
Условный проход штуцера, мм	15	20	25	32	40	50

Коэффициент трения μ = 0,3; сечение стакана сальникового компенсатора (табл. 3.2) F_cн = 1372 см².

Рис. 3.4. Номограмма для определения сил трения в сальниковом компенсаторе для D_у < 400мм. Для D_у > 400мм значения р_с приведены в [2].

Осевое усилие на неподвижную опору трубопровода определяем по формуле:

● при нагревании:

Н₀=p_c+pF_cн –p_к –0,7q₂ μL =4,5+10·1372·10^-3–1,6– 0,7·155·0,3·50·10^-3 =15 т;

● при охлаждении:

H₀=q₂ μL+pF_cн +p_к –0,7p_c = 155·0,3·50·10^-3·10·1372·10^-3+1,6–0,7·4,5 = 14,5 т.

По величине горизонтальной осевой нагрузки на опору подбирают тип и конструкцию неподвижной опоры.

2. Расчёт усилий на опоры при установке сильфонных компенсаторов .

При определении нормативных нагрузок на опоры следует учитывать влияние следующих сил: распорного усилия сильфонных компенсаторов, Р_Р; жёсткости сильфонных компенсаторов, Р_Ж; усилия от трения в опорах на участках канальных и надземных прокладок, или трения теплопровода о грунт на участках бесканальной прокладки, Р_ТР. Кроме того, следует учитывать в конкретных расчётных схемах теплопроводов неуравновешенные силы внутреннего давления, Р_н; упругую деформацию гибких компенсаторов или самокомпенсации, Р_х, Р_у; ветровую нагрузку при надземной прокладке, Р_ВЕТЕР.

● Распорное усилие от внутреннего давления, Н, определяется по формуле

Р_р = 1,25РS_эф,

где Р – рабочее давление среды, 10кгс/см²;

S_эф – эффективная площадь поперечного сечения сильфонного компенсатора, см², (Приложение 11).

Пример: Определить Р_р. Условный диаметр трубопровода, на котором установлен сильфонный компенсатор, 150мм. S_эф = 279см².

Р_р = 1,25·10·279 = 3487,5кгс = 34875Н .

● Усилие, возникающее вследствие жёсткости осевого хода компенсаторов, Н, определяется по формуле

Р_ж = С_λλ_-1,

где С_λ – жёсткость осевого хода, Н/см, (Приложение 11);

λ_-1 – амплитуда осевого хода, мм, (Приложение 11).

Пример: Определить Р_ж. Условный диаметр трубопровода, на котором установлен сильфонный компенсатор, 150мм. С_λ = 218 кгс/см, λ_-1 = 50 мм.

Р_ж = 218·50·10^-1 = 1090 кгс = 10900 Н.

● Усилия от трения в опорах на участках канальных и надземных прокладок или трения теплопровода о грунт на участках бесканальной прокладки, Р_ТР, определяются по формуле

Р_тр = µ(0,75γZπD·10^-3 + q_трубы)·L,

где µ – коэффициент трения: при ППУ-изоляции – 0,40; при ППМ-изоляции – 0,38; при АПБ-изоляции – 0,60;

γ – удельный вес грунта, кг/м³;

Z – глубина засыпки по отношению к оси трубы (по профилю), м;

D – наружный диаметр трубопровода с учётом изоляции, мм;

q_трубы – вес 1 м теплопровода с водой, кг/м, (табл. 3.6);

L – максимальная длина участка, на которой устанавливается сильфонный компенсатор, м.

Пример: Определить Р_тр между неподвижными опорами на участке бесканальной прокладки. D_у = 150 мм, D = 250 мм, L_м = 54м. Грунт песчаный, γ = 1600кг/м³, Z = 1,0 м.

Р_тр = 0,4 (0,75·1600·1,0·3,14·250·10^-3 + 34,8)54 = 21099,0 кгс ≈ 210990 Н.

Расчётные формулы для определения суммарных горизонтальных нормативных нагрузок на неподвижные опоры для наиболее характерных схем установки СК или СКУ даны в таблице 3.7.

Таблица 3.7

№ п/п	Схема расчётного участка трубопровода	Расчётные формулы
1		Если DУ1 > DУ2, то Но = 1,3Рж1 – 0,7Рж2 + (Рр1 – Рр2); если DУ1 = DУ2, то Но = 0,6 Рж.
2		Если DУ1 > DУ2, то Но = (1,3Рж1 + Ртр1)– 0,7(Рж2 + Ртр2) + + (Рр1 – Рр2); если DУ1 = DУ2, то Но = 0,6 Рж + Ртр
3		Если DУ1 > DУ2, то Но = (1,3Рж1 + Ртр1)– 0,7Рж2 + (Рр1 – + Рр2); если DУ1 = DУ2, то Но = 0,6Рж + Ртр.
4		Но = 1,3Рж1 + Ррс + Рс

Примечание. 1. Р_р^с – распорное усилие от внутреннего давления в сальниковом компенсаторе, Н, определяется по формуле

Р^с_Р = РF_сн,

где Р – рабочее давление среды, 10кгс/см²;

F_сн – площадь поперечного сечения стакана сальникового компенсатора, см², (таблица 3.2)

2. Суммарные горизонтальные нормативные нагрузки на неподвижные опоры для других расчётных схем установки СК или СКУ .

3) Определение усилий на подвижную опору.

Вертикальную нормативную нагрузку на подвижную опору F_v, Н, следует определять по формуле

,

где G_h  − вес одного метра трубопровода в рабочем состоянии включающий вес трубы, теплоизоляционной конструкции и воды, Н/м (табл. 3.7);

L − пролет между подвижными опорами , м.

Таблица 3.8 – Вес 1 м трубопровода в рабочем состоянии

Dн, мм	38	45	57	76	89	108	133	159	194	219	273	325
Gh, Н/м	69	81	128	170	215	283	399	513	676	860	1241	1670
Dн,, мм	377	426	480	530	630	720	820	920	1020	1220	1420
Gh, Н/м	2226	2482	3009	3611	4786	6230	7735	9704	11767	16177	22134

Горизонтальные нормативные осевые нагрузки на подвижные опоры F_hx, Н, от трения определяются по формуле

,

где − коэффициент трения в опорах, который для скользящих опор при трении сталь о сталь принимают равным 0,3 (при использовании фторопластовых прокладок = = 0,1), для катковых и шариковых опор = 0,1.

По величинам нагрузок на опору подбирают тип и конструкцию подвижной опоры по альбому.

Б. Определение усилий на опоры в тепловых сетях с трубопроводами из

сшитого полиэтилена РЕХ .

Осевая нагрузка, Н, передаваемая в местах неподвижных креплений,

определяется по формуле

,

где Р – рабочее давление в трубопроводе, 1Мпа;

D – наружный диаметр трубопровода, м;

s – толщина стенки трубопровода, м;

α – коэффициент линейного расширения, принять ≈ 1,5 · 10^-4 1/ К;

Е – модуль упругости, принять равным 190Мпа;

F – площадь поперечного сечения трубопровода, F = π(D – s)·s, м².

При расчёте конструкций неподвижных опор значения осевых усилий допускается принимать по таблице 3.9.

Таблица 3.9 – Ориентировочные осевые усилия

Наружный диаметр трубы, мм	Осевое усилие, Н
25	400
32	400
40	600
50	1000
63	1500
75	2200
90	3500
110	4700