Тепловое расширение труб и опоры

Пример 10.4.1

Для транспортировки пара при 4 bar g (152°C) используется участок трубы из углеродистой стали длиной 30 m. Если труба смонтирована при 10°C, определите величину расширения по Equation 10.4.1.

В качестве альтернативы для определения примерного расширения стальных труб различной длины можно использовать диаграмму на Figure 10.4.1 - см. Example 10.4.2 с пояснением по использованию. Пример 10.4.2 Используя Figure 10.4.1, найдите приблизительное расширение 100 m трубопровода из углеродистой стали, распределяющего пар при 265°C, если монтажная температура составляла 15°C. Разность температур равна 265 - 15°C = 250°C. В месте, где диагональная линия разности температур 250°C пересекает горизонтальную линию длины трубы 100 m, опустите вертикальную линию вниз. Для этого примера получается приблизительное расширение 330 mm.

Гибкость трубопровода Трубопроводная система должна быть достаточно гибкой, чтобы воспринимать перемещения элементов при их расширении. Во многих случаях гибкость самой трубопроводной системы, обусловленная длиной труб, числом изгибов и опор, означает, что недопустимых напряжений не возникает. Однако в других установках потребуется предусмотреть специальные средства для обеспечения необходимой гибкости. Пример из типичной паровой системы - отвод конденсата от дренажного конденсатоотводчика паровой магистрали в возвратную линию конденсата, проложенную вдоль паровой линии (Figure 10.4.2). Здесь необходимо учитывать разницу в расширении двух трубопроводных систем. Паровая магистраль работает при более высокой температуре, чем линия конденсата, и две точки подключения будут смещаться относительно друг друга при прогреве системы.

Величину перемещения, которую должны воспринять трубопровод и установленные в нем устройства, можно уменьшить с помощью cold draw. Сначала рассчитывают полную величину расширения для каждого участка между неподвижными анкерными точками. Затем трубы оставляют короче на половину этой величины и холодным способом растягивают, подтягивая болты на фланцевом соединении, так что при температуре окружающей среды система оказывается напряженной в одном направлении.

При прогреве до половины общего повышения температуры трубопровод оказывается ненапряженным. При рабочей температуре и после полного расширения трубопровод оказывается напряженным в противоположном направлении. В результате вместо диапазона напряжений от 0 F до +1 F условных единиц силы трубопровод работает в диапазоне от -½ F до + ½ F.

Практически это означает, что трубопровод собирается в холодном состоянии с проставкой длиной, равной половине величины расширения, между двумя фланцами. После полного монтажа трубопровода и закрепления с обеих сторон проставка удаляется, а соединение стягивается (см. Figure 10.4.3).

Оставшаяся часть расширения, если ее не удается компенсировать естественной гибкостью трубопровода, потребует применения компенсирующего устройства.

На практике вопросы теплового расширения трубопровода и его опор можно разделить на три области, как показано на Figure 10.4.4.

Неподвижные, или анкерные, точки A задают базовую позицию, относительно которой происходит расширение.

Скользящие опоры B позволяют трубопроводу свободно перемещаться при расширении, сохраняя его выравнивание. Компенсирующее устройство в точке C предназначено для восприятия расширения и сжатия трубы.

Роликовые опоры (Figure 10.4.5 и 10.4.6) являются идеальным способом поддерживать трубы, одновременно позволяя им перемещаться в двух направлениях. Для стальных трубопроводов ролики следует изготавливать из черных металлов. Для медных трубопроводов - из цветных материалов. Хорошей практикой считается установка на трубопроводах, опертых на ролики, опорного седла, закрепленного на кронштейне, с шагом не более 6 metres, чтобы сохранять выравнивание трубопровода при расширении и сжатии.

Если один трубопровод должен опираться на другой, расположенный выше, неправильной практикой считается подвешивать нижнюю трубу к верхней с помощью хомута. Это создает дополнительные напряжения в верхней трубе, толщина стенки которой рассчитана только на восприятие напряжений от ее рабочего давления. Все опоры трубопроводов должны специально проектироваться под наружный диаметр конкретной трубы.

Полный виток Это просто один полный оборот трубы, и на паропроводе его предпочтительно устанавливать в горизонтальной, а не вертикальной плоскости, чтобы предотвратить накопление конденсата с верхней стороны по потоку. Нисходящая сторона проходит ниже восходящей, поэтому необходимо внимательно следить, чтобы виток не был установлен в обратном направлении, иначе внизу может скапливаться конденсат. Если полные витки устанавливаются в стесненном пространстве, нужно отдельно оговаривать, чтобы не были поставлены витки неправильной ориентации. Полный виток не создает силы, противодействующей расширяющемуся трубопроводу, как это бывает у некоторых других типов, однако под действием давления пара внутри витка существует небольшая тенденция к его распрямлению, что создает дополнительную нагрузку на фланцы.

Сегодня такая конструкция используется редко из-за большого пространства, которое занимает трубопровод, поскольку фирменные сильфонные компенсаторы теперь доступны значительно шире. Тем не менее крупные потребители пара, такие как электростанции или объекты с обширными наружными распределительными сетями, по-прежнему часто используют компенсаторы типа полного витка, так как пространство обычно имеется, а стоимость относительно невысока.

Подковообразная, или лировидная, петля При наличии места иногда используют этот тип. Лучше всего устанавливать его горизонтально, чтобы петля и магистраль находились в одной плоскости. Давление не стремится раздвинуть концы петли, но имеется очень небольшая тенденция к ее распрямлению. Это связано с конструкцией, но не вызывает перекоса фланцев. Если любой из таких вариантов устанавливается с петлей вертикально над трубопроводом, необходимо предусмотреть точку дренажа на входной стороне, как показано на Figure 10.4.8.

Компенсационные петли

Компенсационная петля может быть изготовлена из прямых отрезков трубы и колен, сваренных в местах соединения (Figure 10.4.9). На Figure 10.4.10 показано, какое расширение трубы способны компенсировать такие узлы.

Из Figure 10.4.9 видно, что глубина петли должна быть вдвое больше ее ширины, а ширина определяется по Figure 10.4.10, если известна суммарная величина ожидаемого расширения труб по обе стороны петли.

Скользящее соединение Иногда они используются, потому что занимают мало места, но при этом крайне важно, чтобы трубопровод был жестко заанкерен и направлен в строгом соответствии с инструкциями производителя; иначе давление пара, действующее на площадь поперечного сечения гильзовой части соединения, будет стремиться разорвать соединение, противодействуя силам, возникающим от теплового расширения трубопровода (см. Figure 10.4.11). Несоосность приведет к изгибу скользящей гильзы, а также может потребоваться регулярное обслуживание сальниковой набивки.

Сильфонный компенсатор Сильфонный компенсатор, показанный на Figure 10.4.12, имеет то преимущество, что не требует набивки, как в случае со скользящим соединением. Однако у него есть те же недостатки, что и у скользящего соединения: давление внутри стремится удлинить компенсатор, поэтому анкеры и направляющие должны быть способны воспринимать эту силу.

Сильфоны могут включать ограничительные тяги, которые предотвращают чрезмерное сжатие и растяжение элемента. В обычных рабочих условиях они могут почти не играть роли, поскольку большинство простых сильфонных сборок способны воспринимать небольшие боковые и угловые перемещения. Однако при отказе анкера они работают как стяжные тяги и воспринимают силы давления, предотвращая повреждение узла и одновременно уменьшая вероятность дальнейшего повреждения трубопровода, оборудования и угрозы для персонала (Figure 10.4.13 (b)).

Там, где ожидаются большие усилия, в устройство следует закладывать дополнительное механическое усиление, например шарнирные тяги (Figure 10.4.13 (c)). Существует более одного способа компенсировать относительное перемещение между двумя трубами, смещенными в стороны, в зависимости от взаимного положения анкеров и направляющих сильфона. По предпочтительности осевое смещение лучше углового, а угловое, в свою очередь, лучше бокового. Угловых и боковых перемещений следует по возможности избегать. Figure 10.4.13 (a), (b) и (c) дают лишь общее представление о влиянии этих перемещений, однако во всех случаях настоятельно рекомендуется получать консультацию производителя сильфонов по любому монтажу сильфонных компенсаторов.

Вопросы опор трубопроводов подробно рассматриваются в европейском стандарте EN 13480, Part 3.