25.Конструкция подвижных и неподвижных опор. Расчет неподвижной опоры.

Опоры служат для восприятия усилия от трубопроводов и передачи их на несущие конструкции или грунт, а также для обеспечения организованного совместного перемеще­ния труб и изоляции при температурных деформациях. При сооруже­нии теплопроводов применяют опоры двух типов: подвиж­ные и неподвижные.

Подвижные опоры воспринимают вес теплопровода и обеспечивают его свободное перемещение на строительных конструкциях при температурных деформациях. При пере­мещении трубопровода подвижные опоры перемещаются вместе с ним. Подвижные опоры используют при всех спо­собах прокладки, кроме бесканальной. При бесканальной прокладке теплопровод укладывается на нетронутый грунт или тщательно утрамбованный слой песка. При этом под­вижные опоры предусматривают только в местах поворота трассы и установки П-образных компенсаторов, т. е. на участках, где трубопроводы прокладывают в каналах. Подвижные опоры испытывают главным образом верти­кальные нагрузки от массы трубопроводов

По принципу свобод­ного перемещения различают опоры скольжения, качения и подвесные. Скользящие опоры, применяют независимо от направления горизонтальных перемещений трубопроводов при всех способах прокладки и для всех диаметров труб. Эти опоры просты по конструкции и надежны в эксплу­атации.

Катковые опоры применяют для труб диаметром 175 мм и более при осевом перемещении труб, при прокладке в тоннелях, коллекторах, на кронштейнах и на отдельно стоящих опорах. Применение катковых опор в непроходных каналах нецелесообразно, так как без над­зора и смазки они быстро корродируют, перестают вращаться и начинают работать фактически как скользящие опоры. Катковые опоры обладают меньшим трением, чем скользящие, однако при плохом уходе катки перекашива­ются и могут заклиниваться. Поэтому им необходимо дать правильное направление. Для этого в катках предусматри­вают кольцевые выточки, а на опорной плите — направля­ющие планки.

Роликовые опоры (применяют редко, так как трудно обеспечить вращение роликов. Катковые и роликовые опоры надежно работают на прямолинейных участках сети. На поворотах трассы трубопроводы перемещаются не только в продольном, но и в поперечном направлении. Поэтому установка катковых и роликовых опор на кри­волинейных участках не рекоменду­ется В этом случае используют шари­ковые опоры. В этих опорах шарики свободно перемещаются вместе с башмаками по подкладному листу, удерживаются от вы­катывания за пределы опоры выступами опорного листа и башмака.

Если по местным условиям прокладки теплопроводов относительно несущих конструкций скользящие и катковые опоры не могут быть установлены, применяются подвесные опоры. Нежесткая конструкция подвески поз­воляет опоре легко поворачиваться и перемещаться вместе с трубопроводом. В результате по мере удаления от непод­вижной опоры углы поворота подвесок увеличиваются, со­ответственно возрастает перекос трубопровода и напряже­ние в тягах под действием вертикальной нагрузки трубо­провода.

Подвесные опоры по сравнению со скользящими созда­ют на горизонтальных участках значительно меньшие уси­лия вдоль оси трубы.

Неподвижными опорами трубопроводы как бы делятся на самостоятельные участки. С помощью неподвижных опор трубы жестко закрепляют в определенных точках трас­сы между компенсаторами или участками с естественной компенсацией температурных деформаций, которые вос­принимают, кроме вертикальных нагрузок значительные го­ризонтальные усилия, направленные по оси трубопровода и складывающиеся из неуравновешенных сил внутреннего давления, сил сопротивления свободных опор и реакции компенсаторов. Наибольшее значение имеют силы внутрен­него давления. Поэтому для облегчения конструкции опо­ры стараются расположить ее на трассе таким образом, чтобы внутренние давления в трубопроводе были уравно­вешены и не передавались на опору. Те опоры, на которые реакции внутреннего давления не передаются, называются разгруженными неподвижными опорами; те же опоры, кото­рые должны воспринимать неуравновешенные силы внутрен­него давления, называются неразгруженными опорами.

Существуют промежуточные и концевые опоры. На про­межуточную опору действуют усилия с обеих сторон, на концевую—с одной. Неподвижные опо­ры труб рассчитывают на наибольшую горизонтальную нагрузку при различных режимах работы теплопроводов, в том числе при открытых и закрытых задвижках

Неподвижные опоры предусматривают на трубопрово­дах при всех способах прокладки тепловых сетей. От пра­вильного размещения неподвижных опор по длине трас­сы тепловых сетей во многом зависит величина температур­ных деформаций и напряжений в трубах. Неподвижные опоры устанавливают на ответвлениях трубопроводов, в местах размещения запорной арматуры, сальниковых компенсаторов. На трубопроводах с П-образными компен­саторами неподвижные опоры размещают между компенса­торами. При бесканальных прокладках тепловых сетей, когда не используется самокомпенсация трубопроводов, неподвижные опоры рекомендуется устанавливать на пово­ротах трассы.

Расстояние между неподвижными опорами определяют исходя из заданной конфигурации трубопроводов, темпера­турных удлинений участков и компенсирующей способности устанавливаемых компенсаторов. Неподвижные закреп­ления трубопроводов выполняют различными конструкция­ми, которые должны быть достаточно прочными и жестко удерживать трубы, не допуская их перемещения относи­тельно поддерживающих конструкций.

Конструкции неподвижных опор состоят из двух основ­ных элементов: несущих конструкций (балок, железобетонных плит), на которые передаются усилия от трубопрово­дов, и собственно опор, при помощи которых осуществля­ется неподвижное закрепление труб (приварные косынки, хомуты). В зависимости от способа прокладки и места установки применяют неподвижные опоры: упорные, щито­вые и хомутовые. Опоры с вертикальными двусторонними упорами и лобовые применяют при установ­ке их на каркасах в камерах и тоннелях и при проклад­ке трубопроводов в проходных, полупроходных и в непро­ходных каналах. Щитовые опоры применяют как при бесканальной прокладке, так и при прокладке теплопроводов в непроходных каналах при размещении опор вне камер.

Щитовые неподвижные опоры представляют собой вер­тикальные железобетонные щиты с отверстиями для про­хода труб. Осевые усилия передаются на железобетонный щит приваренными к трубопроводу с обеих сторон кольца­ми, усиленными ребрами жесткости. До недавнего времени между трубой и бетоном прокладывали асбест. В настоя­щее время применение асбестовых набивок не допускается. Нагрузка от трубопроводов тепловых сетей через щитовые опоры передается на днище и стенки канала, а при беска­нальной прокладке — на вертикальную плоскость грунта. Щитовые опоры выполняют с двойным симметричным армированием, так как действующие усилия от труб могут быть направлены в противоположные стороны. В нижней части щита делают отверстия для прохода воды (в случае попадания ее в канал).

Расчет неподвижных опор.

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

Опоры оказывают весьма важное влияние на работу теплопровода. Нередки случаи серьезных аварий из-за неправильного размещения опор, неудачного выбора конструк­ций или небрежного монтажа. Весь­ма важно, чтобы все опоры были нагружены, для чего необходимо при монтаже выверять расстановку их по трассе и положение по вы­соте. При бесканальной прокладке обычно отказываются от установки свободных опор под трубопроводами во избежание неравномерных проса­док, а также дополнительных изги­бающих напряжений. В этих про­кладках трубы укладываются на не­тронутый грунт или тщательно ут­рамбованный слой песка.

От пролета (расстояния) между опорами зависит изгибающее напря­жение, возникающее в трубопрово­де, и стрела прогиба.

При расчете изгибающих напря­жений и деформаций трубопровод, лежащий на свободных опорах, рас­сматривается как многопролетная балка. На рис. Т.с.19 приведена эпю­ра изгибающих моментов многопро­летного трубопровода.

Рассмотрим усилия и напряже­ния, действующие в трубопроводах.

Примем следующие обозначения:

М — силовой момент, Н*м; Q_B, Q_г— усилие вертикальное и гори­зонтальное, Н; q_в, q_г— удельная на­грузка на единицу длины, верти­кальная и горизонтальная, H/m;..N— горизонтальная реакция на опоре, Н.

Максимальный изгибающий мо­мент в многопролетном трубопрово­де возникает на опоре. Величина этого момента (9.11)

где q — удельная нагрузка на еди­ницу длины трубопровода, Н/м; — длина пролета между опорами, м. Удельная нагрузка q определяет­ся по формуле (9-12)

где q_B — вертикальная удельная на­грузка, учитывающая вес трубопро­вода с теплоносителем и тепловой изоляцией; q_г — горизонтальная удельная нагрузка, учитывающая ветровое усилие,

(9-13)

где w — скорость ветра, м/с; — плотность воздуха, кг/м³; d_и — наружный диаметр изоляции трубо­провода, м; k — аэродинамический коэффициент, равный в среднем 1,4—1,6.

Ветровое усилие должно учиты­ваться только в надземных тепло­проводах открытой прокладки.

Изгибающий момент, возникаю­щий в середине пролета,

(9.14)

На расстоянии 0,2 от опоры из­гибающий момент равен нулю.

Максимальный прогиб имеет ме­сто в середине пролета.

Стрела прогиба трубопровода, (9.15)

На основании выражения (9-11) определяется пролет между свобод­ными опорами

(9-16) откуда ,м (9-17)

При выборе пролета между опо­рами для реальных схем трубопро­водов исходят из того, чтобы при наиболее неблагоприятных режимах работы, например при наиболее вы­соких температурах и давлениях теп­лоносителя, суммарное напряжение от всех действующих усилий в са­мом слабом сечении (обычно свар­ном шве) не превосходило допусти­мой величины [].

Предварительную оценку рас­стояния между опорами можно про­извести на основе уравнения (9-17), принимая напряжение от изгиба ₄ равным 0,4-0,5 допускаемого напряжения:

Неподвижные опоры воспринимают реакцию внутреннего давления, свободных опор и

компенсатора.

Результирующее усилие, действующее на неподвижную опору, может быть представлено в виде

, где

а - коэффициент, зависящий от направления действия осевых усилий внутреннего давления с обоих сторон опоры. Если опора разгружена от усилия внутреннего давления, то а =0, иначе а =1; р - внутреннее давление в трубопроводе; - площадь внутреннего сечения трубопровода; - коэффициент трения на свободных опорах; - разность длин участков трубопровода с обеих сторон неподвижной опоры; - разность сил трения осевых сколь­зящих компенсаторов или сил упругости гибких компенсаторов с обоих сторон неподвиж­ной опоры.

26. Компенсация тепловых удлиннений трубопроводов систем теплоснабжения. Основы расчета гибких компенсаторов.

В тепловых сетях в настоящее время наиболее широко применяются сальниковые, П- образные, а в последнее время и сильфонные (волнистые) компенсаторы. Кроме специальных компенсаторов используют для компенсации и естественные углы поворотов теплотрассы - самокомпенсацию. Компенсаторы должны иметь достаточную компенсирующую способность для восприятия температурного удлинения участка трубопровода между неподвижными опорами, при этом максимальные напряжения в радиальных компенсаторах не должны превышать допускаемых (обычно 110 МПа). Необходимо также определить реакцию компенсатора, используемую при расчетах нагрузок на неподвижные опоры. Тепловое удлинение расчетного участка трубопровода, мм, определяют по формуле

, (2.81)

где - средний коэффициент линейного расширения стали, мм/(м · ^оС), (для типовых расчетов можно принять=1,2· 10ˉ² мм/(м · ^оС),

- расчетный перепад температур, определяемый по формуле , (2.82)

где - расчетная температура теплоносителя,^оС;

- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, ^оС;

L- расстояние между неподвижными опорами, м.

Гибкие компенсаторыв отличие от сальниковых характеризуются мень­шими затратами на обслуживание. Их применяют при всех способах прокладки и при любых параметрах теплоносителя. Использование сальниковых компенса­торов ограничивается давлением не более 2,5 МПа и температурой теплоно­сителя не выше 300°С. Их устанавли­вают при подземной прокладке трубопро­водов диаметром более. 100 мм, при над­земной прокладке на низких опорах труб диаметром более 300 мм, а также в стес­ненных местах, где невозможно разме­стить гибкие компенсаторы.

Гибкие компенсаторы изготовляют из отводов и прямых участков труб с по­мощью электродуговой сварки. Диа­метр, толщина стенки и марка стали ком­пенсаторов такие же, как и трубопрово­дов основных участков. При монтаже гибкие компенсаторы располагают го­ризонтально; при вертикальном или на­клонном размещении требуются воз­душные или дренажные устройства, ко­торые затрудняют обслуживание.

Для создания максимальной компен­сационной способности гибкие компен­саторы перед монтажом растягивают в холодном состоянии и в таком положе­нии закрепляют распорками. Величину

растяжки компенсатора записывают в специальный акт. Растянутые компенса­торы присоединяют к теплопроводу с по­мощью сварки, после чего распорки уда­ляют. Благодаря предварительной рас­тяжке компенсационная способность уве­личивается почти вдвое. Для установки гибких компенсаторов устраивают ком­пенсаторные ниши. Ниша представляет собой непроходной канал такой же кон­струкции, по конфигурации соответст­вующий форме компенсатора.

Сальниковые (осевые) компенсаторыизготовляют из труб и из листовой стали двух типов: односторонние и двусторон­ние. Размещение двусторонних компен­саторов хорошо сочетается с установ­кой неподвижных опор. Сальниковые компенсаторы устанавливают строго по оси трубопровода, без перекосов. На­бивка, сальникового компенсатора представляет собой кольца, выполненные из асбестового прографиченного шнура и термостойкой резины. Осевые компенса­торы целесообразно применять при бесканальной прокладке трубопроводов.

Компенсационная способность саль­никовых компенсаторов с увеличением диаметра повышается.

Расчет гибкого компенсатора.

Тепловое удлинение расчетного участка трубопровода , мм, определяют по формуле

, (2.81)

где - средний коэффициент линейного расширения стали, мм/(м · ^оС), (для типовых расчетов можно принять=1,2· 10ˉ² мм/(м · ^оС),

- расчетный перепад температур, определяемый по формуле

, (2.82)

где - расчетная температура теплоносителя,^оС;

- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, ^оС;

L- расстояние между неподвижными опорами, м.

Компенсирующую способность сальниковых компенсаторов, уменьшают на величину запаса - 50 мм.

Реакция сальникового компенсатора - сила трения в сальниковой набивке определяется по формуле, (2.83)

где - рабочее давление теплоносителя, МПа;

- длина слоя набивки по оси сальникового компенсатора, мм;

- наружный диаметр патрубка сальникового компенсатора, м;

- коэффициент трения набивки о металл, принимается равным 0,15.

Технические характеристики сильфонных компенсаторов приведены в табл. 4.14 - 4.15 [5]. Осевая реакция сильфонных компенсаторов складывается из двух слагаемых

(2.84)

где - осевая реакция, вызываемая деформацией волн, определяемая по формуле

, (2.85)

где l- температурное удлинение участка трубопровода, м;- жесткость волны, Н/м, принимаемая по паспорту компенсатора;n- количество волн (линз).- осевая реакция от внутреннего давления, определяемая по формуле

, (2.86)

где - коэффициент, зависящий от геометрических размеров и толщины стенки волны, равный в среднем 0.5 - 0.6;

Dиd– соответственно наружный и внутренний диаметры волн, м;

- избыточное давление теплоносителя, Па.

При расчете самокомпенсации основной задачей является определение максимального напряжения у основания короткого плеча угла поворота трассы, которое определяют для углов поворотов 90^опоформуле; (2.87)

для углов более 90^о, т.е. 90+, по формуле(2.88)

где l- удлинение короткого плеча, м;l- длина короткого плеча, м;Е- модуль продольной упругости, равный в среднем для стали 2· 10⁵ МПа;d- наружный диаметр трубы, м;

- отношение длины длинного плеча к длине короткого.