§ 5. Термические напряжения в трубопроводах

В процессе эксплуатации рабочая температура трубопроводов t_p иногда: значительно отличается от той температуры t_y, при которой этот трубопровод, был смонтирован (уложен). В результате в теле трубы возникают деформации удлинения или укорочения, определяемые формулой

(4.14)

где а — коэффициент линейного расширения металла трубы (для стали α = 0,00012 1/°С); L — длина трубопровода.

Знак минус в формуле (4.14) означает удлинение трубопровода, а знак плюс — укорочение его. В свободно лежащем трубопроводе эти деформации, легко компенсируются за счет искривления оси трубопровода. Но если прямой участок трубопровода не может свободно деформироваться вследствие закрепления его по концам неподвижными опорами, то в нем по закону Гука возникнут температурные продольные напряжения, величина которых может быть определена соотношениями:

(4.15)

или

Где ε — относительное удлинение; Е — модуль упругости материала трубы.

Приняв t_y — t_p — 1°С и Е = 0,21 ·10⁵ МПа, получим, что при измене­нии разности температур на 1° С в стальном закрепленном трубопроводе воз­никают напряжения, равные σ_t = 0,00012 · 0,21 · 10⁵ · 1 ≈ 2,5 МПа.

При возникновении в закрепленном трубопроводе термических напряжений начинает действовать осевая сила

(4.16)

где F_o — площадь поперечного сечения металла трубы.

Осевая (продольная) сила при достижении очень большого значения способна разрушить трубопровод, арматуру и опоры. Например, если по трубопроводу размером 325×8 мм, уложенному при температуре 0° С, перекачивается нефтепродукт с температурой +40° С, то в ней возникает продольная сила сжатия, равная 82 тс. Из формулы (4.16) видно, что на величину N длина трубопровода не влияет.

Величина деформации подземных трубопроводов вследствие колебания температуры по сравнению с наземными при одной и той же Δt будет значительно меньше. Это объясняется тем, что деформациям подземных трубопроводов, уложенных непосредственно в толще грунта, большое сопротивление оказывает сила трения поверхности трубы о грунт

(4.17)

где μ — коэффициент трения наружной поверхности трубы о грунт. Если трубопровод снаружи покрыт только битумной антикоррозионной изоляцией, то μ = 0,4÷0,6. Для свежезасыпанных траншей приведенные значения μ, необходимо уменьшить на 50%; р_гр — давление грунта на поверхность трубы; L — длина трубопровода.

Приравняв силы Т и N, можно определить длину трубопровода, при которой силы трения полностью уравновесят силу от термических напряжений,

(4.18)

Для разгрузки трубопроводов от термических напряжений чаще всего используют естественную гибкость труб, прокладывая трассу таким образом, чтобы прямые участки чередовались с криволинейными. Такие трубопроводы называются самокомпенсирующимися.

Рис. 4.11. Трубопроводы с участками самоконпенсации термически напряжений.

а — угловой участок; б — z-образный участок.

На рис. 4.11, а, б показаны два наиболее распространенных вида самокомпенсирующихся участка трубопровода.

Как видно из схемы, при нагревании такой трубопровод будет деформироваться и примет положение, показанное пунктиром.

Самокомпенсирующийся угловой участок (см. рис. 4.11, а) состоит из короткого плеча l₁ и длинного l₂, угол между которыми равен φ. Наибольшее изгибающее напряжение σ_max на неподвижной опоре короткого плеча

(4.19)

где Δ₁ — удлинение короткого плеча; п — отношение короткого плеча к длинному (п = l₁/l₂).

Для прямоугольных участков при φ=;sin φ = 1; ctg φ= 0 формула (4.19) примет вид

(4.20)

Конфигурация трубопровода с z-образными участками (см. рис. 4.11,б) характеризуется длинами продольных плеч l'₁ и l'₂, вылетом l (длина перпендикулярного плеча) и отношением короткого продольного плеча l'₁ к вылету l, т. е. п =. В этом случае наибольшее изгибающее напряжение вычисляется по формуле

(4.21)

Если самокомпенсацией не удается полностью разгрузить трубопровод от температурных напряжений, применяют специальные компенсаторы. Наибольшее распространение получили сальниковые, линзовые и гнутые компенсаторы.

Сальниковые компенсаторы (рис. 4.12, а) состоят из корпуса и скользящего в нем стакана. Герметичность компенсаторов обеспечивается сальниковой набивкой. Изготовляют компенсаторы двух типов: односторонние и двухсторонние. Двухсторонний компенсатор обеспечивает перемещение правой и левой ветвей трубопровода.

Рис. 4.12. Компенсаторы.

а—односторонний сальниковый; б — линзовый; в — гнутый.

Для сальниковых компенсаторов требуется весьма точный монтаж. Перекосы присоединяемых трубопроводов вызывают заедание стакана и разрушение компенсатора.

Габаритные размеры компенсаторов подбираются в зависимости от расчетной величины деформации трубопровода. Преимуществом сальниковых компенсаторов являются их компактность и сравнительно большая компенсирующая способность (до 300 мм). Компенсаторы на низкие давления выполняют из чугуна, а на давление до 1,6 МПа (для труб диаметром 76—300 мм) — из стали. Сальниковые компенсаторы не рекомендуется применять при малых диаметрах труб, так как они часто перекашиваются и «заедают» вследствие большой естественной гибкости трубопровода. В случае заедания компенсатора на неподвижные опоры, находящиеся на концах компенсируемого участка, будет действовать продольная сила

где р — внутреннее давление в трубопроводе.

Это обстоятельство ограничивает применение сальниковых компенсаторов при высоких давлениях.

Линзовые компенсаторы (рис. 4.12, б) представляют собой гибкую вставку в трубопровод, состоящую из попарно сваренных линз, так что каждая пара образует волну высотой 50—200 мм. Компенсирующая способность одной волны в зависимости от толщины стенки составляет от 5 до 15 мм.

Для предотвращения продольного изгиба и неравномерной работы волн компенсатор составляют не более чем из 12 волн. Линзовые компенсаторы просты по конструкции, герметичны, имеют малые габаритные размеры, удобны в обслуживании. Недостатком линзовых компенсаторов является сравнительно низкое допускаемое внутреннее давление в трубопроводе, так как возникающая в компенсаторе разрывающая сила пропорциональна квадрату диаметра волны:

(4.22)

Гнутые компенсаторы (рис. 4.12, в) изготовляют из тех же труб, из которых смонтирован трубопровод. Из всех известных форм наибольшее распространение получили простые в изготовлении П-образные компенсаторы. В отличие от рассмотренных выше типов гнутые компенсаторы пригодны для высоких давлений и герметичны. Недостатками их являются значительные габаритные размеры. Расчет гнутых компенсаторов ведут по специальным номограммам, одна из которых представлена на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Номограмма для расчета П-образных компенсаторов.

Монтаж гнутых компенсаторов, как правило, ведется с предварительной растяжкой на половину температурного удлинения трубопровода. Это позволяет вдвое увеличить компенсирующую способность компенсатора.