Исследование прочностных характеристик теплоизоляционной конструкции в пенополимерминеральной изоляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование прочностных характеристик теплоизоляционной конструкции в пенополимерминеральной изоляции

Умеркин Г.Х., д.т.н., Дроздов С.А., к.ф-м.н.,

Копцов В.А. ОАО «ВНИПИэнергопром»

Прочностные и деформационные характеристики теплопроводов имеют определяющее значение при бесканальной прокладке тепловых сетей.

Пенополимерминеральная (ППМ) изоляция представляет собой трехслойную моноконструкцию с переменной по сечению плотностью: внутренний плотный, прилегающий к трубе слой, выполняющий функцию антикоррозионной защиты, срединный - теплоизоляционный, наружный плотный слой, выполняющий функции гидроизоляции и служащий для защиты от механических повреждений.

«ВНИПИэнергопром» совместно с КИСИ (1) был проведен комплекс исследований, в задачу которых входило определение адгезии ППМИ труб, при температурном перемещении под воздействием сезонных или суточных колебаний температуры теплоносителя, а также способности наружного коркового слоя выдерживать без разрушения нагрузки, передаваемые ему через грунт от наземного транспорта.

В программу исследований входили лабораторные испытания, в ходе которых определяли:

деформационные характеристики наружного коркового и срединного слоев;

характеристики теплоизоляционного слоя при сдвиге, в том числе разрыв срединного слоя, сдвиг трубы относительно внутреннего коркового слоя, отрыв срединного теплоизоляционного слоя от внутреннего коркового слоя; пенополиминеральный изоляция теплопровод тепловой

общую жесткость теплопровода;

коэффициент постели теплогидроизоляционной конструкции.

Испытания на сдвиг имели целью оценить адгезионную прочность контакта стальной трубы с изоляцией из ППМИ при температурном перемещении трубы.

Испытания конструкции на чистый изгиб были проведены для анализа ее поведения в условиях воздействия транспортных нагрузок, а также при возможной просадке грунтового основания.

Коэффициент постели, определение которого также входило в задачу исследований, необходим для расчета теплопроводов, прокладываемых бесканальным способом и в каналах.

Исследуемая ППМИ, хотя и является моноконструкцией, тем не менее, состоит из слоев, значительно различающихся по прочностным и деформационным характеристикам, поэтому для ее испытаний не могут быть применены стандартные методы, используемые при изучении свойств однородных теплоизоляционных материалов (2).

Модуль упругости наружного коркового слоя изоляции из ППМИ определяли в соответствии с рекомендациями ГОСТ 25.601-80 (3) на плоских образцах, имеющих рабочую длину 220-260 мм, ширину 30-36 и толщину 3,5-4,5 мм. Разница в размерах объясняется тем, что при вырезании образцов - коркового слоя из теплоизоляционной оболочки в них появлялись местные дефекты, для устранения которых образцы приходилось (шлифовать). На концы образцов наклеивали накладки их шпона длиной около 80 мм с уклоном 1:25 (для удобства закрепления образца в захватах разрывной машины). Для измерения деформаций на каждый образец с наружной и внутренней стороны наклеивали тензодатчики. Регистрация деформаций производилась с помощью цифрового измерителя ИДЦ-1а, имеющего чувствительность 10^-5 отн. ед. деформации.

Предварительно для образцов наружного коркового слоя были установлены предел прочности на сдвиг (_в=3,5ч4,0 Мпа) и разрушающая нагрузка (F_max=0,6ч0,7 кН). При определении модуля упругости образцы подвергали троекратному нагружению-разгружению. На первой ступени нагрузка составляла 0,05 кН, на каждой последующей ее увеличивали на 0,1 кН. Изменение нагрузки в диапазоне 0,05-0,35 кН (15-50% F_max) сопровождалось перемещением образца со скоростью 1 мм/мин. После испытаний каждой серии образцов выполняли статистическую обработку полученных результатов в соответствии со стандартной методикой (3). В итоге было установлено, что модуль упругости наружного коркового слоя исследуемой ППМИ изменяется в пределах 1500-2000 МПа.

Предел прочности на сдвиг определяли на образцах ППМИ, нанесенной на трубы диаметром 57 мм. Общая толщина изоляционной конструкции составляла 45 мм, толщина внутреннего и наружного корковых слоев - по 4,5 мм. На трубах оставляли цилиндры из тепловой изоляции длиной 100-200 мм. К верхнему торцу изоляции пришлифовывали опорное кольцо внутренним диаметром 110 мм, через которое испытательная нагрузка передавалась на тепловую изоляцию. Для устранения перекосов металлическая труба располагалась на шарнирной опорной плите. При разрушающей нагрузке 1/2 средней части теплоизоляции происходило скалывание слоя изоляции по конической поверхности. Нагружение образца сопровождалось его перемещением со скоростью 1 мм/мин.

По мере увеличения испытательной нагрузки напряжения в образцах медленно возрастали до максимальных и затем начинали уменьшаться, однако видимых признаков разрушения на поверхности образцов не наблюдалось. После того как нагрузка достигала 70-80% F_max происходило разрушение структуры изоляционного материала. Как показали эксперименты, исследованные образцы имели прочность на сдвиг в пределах 0,25-0,3 МПа.

Для определения интегральной жесткости теплопровода и фактического модуля упругости пористого слоя прямолинейные отрезки труб с изоляцией из ППМИ были испытаны на чистый изгиб. Испытания проводили на стационарной установке с базой l=1 м, нагрузка F прикладывалась на расстоянии а=0,5 от опор (рис.1). Нагружение осуществлялось с помощью специального гидравлического устройства через нагрузочную балку; перемещения конструкции измерялись с помощью индикаторов часового типа и прогибомеров, напряжения в наружном корковом слое изоляции и в наружном поверхностном слое стальной трубы - с помощью тензодатчиков. При проведении экспериментов система сталь - изоляция подвергалась циклическому нагружению и разгружению в режиме упругой деформации. Наружный диаметр стальной трубы D_н=57 мм толщина стенки трубы д_т=4 мм. Наружный диаметр трубы с нанесенной на нее изоляцией толщиной 140 мм, толщина наружного и внутреннего корковых слоев по 4,5 мм (рис.1).

Интегральная жесткость сечения теплопровода на изгиб рассчитывалась на основе измеренных при проведении экспериментов прогибов с использованием зависимостей, принятых в сопротивлении материалов. Так, для схемы, показанной на рис.1 г, теоретический прогиб х в точке С определяли из выражения

(1)

Рисунок 1 Расчетные схемы испытаний на чистый изгиб прямолинейных участков теплопровода: а - схема нагружения; б - эпюра изгибающих моментов; в - эпюра поперечных сил; г - эквивалентная схема нагружения; д - эпюра прогибов

где М=Fa - изгибающий момент; У(E_iI_iy) - суммарная жесткость сечения на изгиб (приведенная); Еi - модуль нормальной упругости i-го слоя; I_iy - момент инерции i-го слоя относительно горизонтальной оси y.

Из формулы (1) следует:

(2)

Для определения суммарной приведенной жесткости всего сечения теплопровода использовали выражение

У(E_iI_iy)=Е_трI_тр + Е_н.кор.I_н.кор. + Е_в.кор.I_в.кор. + Е_пор.Iп_ор., (3)

где Е_тр - модуль нормальной упругости стальной трубы; I_тр - осевой момент инерции стальной трубы; Е_н.кор., Е_в.кор. - модули нормальной упругости наружного и внутреннего корковых слоев изоляции; I_н.кор., I_в.кор. - осевые моменты инерции наружного и внутреннего корковых слоев; I_пор - осевой момент инерции срединного пористого слоя; Е_пор - модуль нормальной упругости срединного пористого слоя.

Моменты инерции слоев комплексного сечения находили по формуле

(4)

где D_iн и D_iв - соответственно наружный и внутренний диаметры i-го слоя комплексного сечения.

Модуль упругости материала трубы определяли по стандартной методике, модули упругости внутреннего и наружного корковых слоев изоляции - по приведенной выше методике (для образцов исследуемой серии, Е_в.кор.= Е_н.кор.=1715 Мпа).

Для расчета интегральной жесткости всего сечения на изгиб использовали зависимость вида

(5)

где Дх_с - усредненный прирост прогиба в точке С, вызванный приростом нагрузки ДF_i на следующей ступени нагружения.

После определения интегральной жесткости всего сечения теплопровода с использованием (3) рассчитывали модуль нормальной упругости срединного пористого слоя:

(6)

При проведении экспериментов прогибы теплопровода на участке чистого изгиба АВ (рис. 1) измеряли в трех точках (D, C, D₁). На основе этих данных рассчитывали среднюю интегральную жесткость сечения теплопровода и модуль нормальной упругости срединного пористого слоя. После статической обработки результатов испытаний серии из пяти образцов были определены исследуемые характеристики сечений и интегральная приведенная жесткость теплопровода с ППМИ при условном диаметре стальной трубы 50 мм (табл.1.). Усредненный модуль упругости срединного слоя изоляции был равен 389 МПа (полученные при испытании пяти образцов значения Е_пор колебались в диапазоне 300-500 МПа).

Как видно из таблицы, ППМИ увеличивает общую жесткость сечения на изгиб трубопровода D_у=50 мм в среднем на 20%, что следует учитывать при расчетах теплопроводов на прочность.

Таблица 1