8.3. Основы расчёта на прочность тепловых сетей

8.3.1. Задачи и расчёт на прочность

Основные задачи расчёта трубопроводов тепловых сетей на прочность:

• Выбор толщины стенки трубопровода.

• Выбор пролёта между подвижными опорами по условиям прочности.

• Определение нагрузок на неподвижные опоры и расчёт гибких компенсаторов.

• Расчёт трубопроводов при самокомпесации температурных расширений и др.

При этом должны быть учтены следующие нагрузки: 1) внутреннее давление теплоносителя; 2) собственный вес трубопроводов с теплоносителем и изоляцией; 3) ветровая нагрузка на надземные трубопроводы; 4) нагрузки вследствие тепловых удлинений трубопроводов; 5) силы трения в подвижных опорах, бесканального теплопровода о грунт и др.

Выбор толщины стенки трубопровода

Расчёт необходимой толщины стенки трубопровода δ (м) с наружным диаметром d_и (м) производится по формуле

δ = р_раб d_и/(2φ σ_доп + р_раб), (8.55)

где р_раб = ε р_у - рабочее давление (наибольшее давление, при котором обеспечивается заданный режим эксплуатации арматуры и трубопроводов с заданной температурой теплоносителя), МПа; р_у - условное давление – наибольшее давление при температуре теплоносителя 20 °С, равное для стальных трубопроводов 1,6 или 2,5 МПа (изб.), при котором допустима длительная эксплуатация арматуры и трубопроводов; ε = f(τ) – коэффициент, зависящий от температуры теплоносителя τ (табл. 8.7.1); φ – коэффициент прочности сварного стыкового шва (табл. 8.7.2); σ_доп – допускаемое напряжение, МПа (табл. 8.7.3).

Таблица 8.7

Характеристики стальных трубопроводов для расчёта δ

1. Зависимость ε = f(τ)

τ, °С	200	250	300	350	400	425	435	445
ε	1,0	0,9	0,8	0,7	0,64	0,53	0,5	0,45

2. Зависимость φ от способа сварки стыковых швов

Стык труб	С двухсторонним автоматич. швом	С двухсторонним ручным швом	С односторонним автоматич. швом	С односторонним ручным швом
φ	0,9	0,85	0,8	0,7

3. Σдоп в стальных трубопроводах, мПа

Температура, °С	Марка стали
	Ст2	Ст3	10	20	10Г2С1	15ГС	16ГС
20	127	137	127	144	173	181	166
150	115	126	117	135	166	170	152
200	111	121	113	132	163	165	147
250	107	117	110	129	161	162	142
275	101	111	104	123	156	157	137
300	96	105	98	116	150	150	131
320	-	-	93	111	145	142	127

Результаты расчёта по формуле (8.55) носят оценочный характер и требуют проверки по суммарному напряжению растяжения в стенке трубы от внутреннего давления, МПа

σ_р = (σ₁² + σ₂² - σ₁ σ₂)^0,5 = р_раб d_в/(2,3 δ) ≤ φ σ_доп, (8.56)

где σ₁– напряжение растяжения в осевом направлении, МПа

σ₁ = р_раб d_в/(4 δ), (8.57)

σ₂ - напряжение растяжения в поперечном направлении, МПа

σ₂ = р_раб d_в/(2 δ), (8.58)

а d_в - внутренний диаметр трубы, м.

Выбор пролёта между свободными опорами

Свободные (подвижные) опоры воспринимают вес изолированного теплопровода с теплоносителем и обеспечивают его свободное перемещение при тепловом расширении. При одинаковом расстоянии l (м) между соседними опорами максимальный изгибающий момент возникает на опоре и равен, Н∙м

М_о = ql²/12 = σ₃W, (8.59)

а длина пролёта между опорами, м

l = (12σ₃W/q) ^0,5, (8.60)

где q – удельная нагрузка (на 1 м длины теплопровода), Н/м; W – момент сопротивления поперечного сечения трубы, м³; σ₃ – напряжение изгиба, МПа, равное

σ₃ = ql²/(12 W) = (0,4-0,5)φσ_доп. (8.60а)

В непроходных каналах используются преимущественно скользящие опоры и увеличение их количества малозаметно в затратах на строительство ТС. Поэтому величину пролёта с несколько занижают и принимают по табл. 8.8.

Таблица 8.8