Современные методы оценки прочности и компенсирующей способности трубопроводов тепловых сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные методы оценки прочности и компенсирующей способности трубопроводов тепловых сетей

Одним из решающих факторов повышения надежности тепловых сетей является наличие нормативно-технической базы по их проектированию, строительству и реконструкции и, в частности, по расчетам прочности, нормированию которых не уделялось должного внимания. Необходимость в специальных нормах расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей особенно остро проявилась в последнее десятилетие в связи с широким распространением трубопроводов с промышленной пенополиуретановой изоляцией, прокладываемых в грунте без устройства специальных каналов (бесканальная прокладка). В условиях грунтовой засыпки и больших сил трения о грунт на порядок возрастают осевые усилия, благодаря чему усложняются расчеты трубопроводов на прочность.

Управлением по котлонадзору и надзору за подъемными сооружениями совместно с научно-техническим предприятием «Трубопровод» и с привлечением специалистов РАО ЕЭС России, Госстроя РФ, АООТ «НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова» и др. разработаны Нормы по расчету на прочность трубопроводов тепловых сетей, РД 10-400-01 [1]. Постановлением Госгортехнадзора № 8 от 14 февраля 2001 г. эти Нормы утверждены и введены в действие с 1 апреля 2001 г.

Нормы предназначены для оценки прочности и надежности тепловых сетей, прокладываемых на опорах (надземно, в каналах и коллекторах под землей) и бесканально в грунте. Они распространяются на стальные трубопроводы водяных тепловых сетей с рабочим давлением до 2,5 МПа и рабочей температурой до 200 °С (категория III, группа 2), а также паропроводов за пределами тепловых источников с рабочим давлением до 6,3 МПа и рабочей температурой до 350 °С (категория II, группа 2).

Практическое значение Норм состоит в том, что в них впервые объединены в единое целое основные условия прочности, регламентируемые нормами расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды [2] с одной стороны, и требования Строительных Норм и Правил, дополняющих эти условия, - с другой. При этом учтен опыт разработки и применения не только отечественных, но и зарубежных [4], [5], [9] нормативных документов.

Классификация действующих на трубопровод нагрузок и воздействий соответствует принятой в строительных нормах и правилах (постоянные, длительные временные, кратковременные). Для различных сочетаний нагрузок принимаются разные запасы прочности: при наличии кратковременных воздействий запасы прочности уменьшаются.

В тепловых сетях основным видом воздействий являются знакопеременные нагружения, обусловленные колебаниями температуры и давления транспортируемой среды.

Поэтому поверочный расчет предусматривает оценку не только статической, но и циклической прочности. Оценка статической прочности производится раздельно на действие несамоуравновешенных нагрузок (вес, внутреннее давление) и с учетом всех нагружающих факторов, в том числе температурных деформаций.

При этом выполнение условий циклической прочности является обязательным. Благодаря этому резервы несущей способности стальных трубопроводов используются более полно.

При знакопеременном нагружении допускается образование пластических деформаций в циклах, но при этом количество циклов должно быть таким, чтобы накопленная пластическая деформация не могла привести к разрушению трубопровода в течение заданного срока его службы (например, 30 лет).

Принципиально важным является то, что оценка прочности при наличии напряжений изгиба производится не только для труб, но и для таких соединительных деталей, как отводы, тройники (врезки), в которых наблюдается повышенная концентрация напряжений. Для определения напряжений изгиба в этих элементах приняты апробированные решения, используемые в американских нормах [9].

Рассмотрены различные типы тройниковых соединений: сварные (обычные и усиленные накладками), штампованные и штампосварные.

Помимо оценки прочности, Нормы регламентируют определение нагрузок, передаваемых трубопроводом на опоры, строительные конструкции и присоединенное оборудование, а также проверку устойчивости для трубопроводов на скользящих опорах и защемленных в грунте.

В связи с тем, что длительное время норм расчета тепловых сетей на прочность не было, их место в практике проектирования заняли справочные пособия [6, 7, 8], к сожалению, применяемые до сих пор. Например, устаревшие номограммы для определения габаритов П-образных компенсаторов [6], применяются многими проектными организациями до настоящего времени. И это несмотря на то, что они были разработаны более 45-ти лет назад на основе критериев прочности, заимствованных из норм расчета трубопроводов пара и горячей воды 1963 г. Номограммы не учитывают пониженную жесткость крутоизогнутых и секторных отводов, существенно влияющую на компенсирующую способность, и предназначены в основном для тепловых сетей, прокладываемых в горизонтальной плоскости. Для того, чтобы расчеты Г и Z-образных поворотов и П-образных компенсаторов тепловых сетей привести в соответствие с современными требованиями, в Нормы включены методы их расчета, хорошо формализованные для реализации на персональных компьютерах. Методы охватывают не только повороты и компенсаторы теплотрасс, прокладываемых над землей и в закрытых каналах, но и защемленные в грунте (бесканальная прокладка).

По данным Ассоциации производителей и потребителей труб с индустриальной полимерной изоляцией примерно 30% тепловых сетей в России нуждаются в ремонте и реконструкции. В этих условиях весьма актуальным является определение остаточного ресурса в зависимости от степени износа трубопровода. В Нормах приведена методика, которая на основании отработанного срока службы, выборочных замеров фактической толщины стенки и положительных результатов гидроиспытаний, позволяет установить допустимую продолжительность дальнейшей эксплуатации теплосети.

Нормы предназначены для проектировщиков, строителей и специалистов по диагностике, специализирующихся в области теплоснабжения.

Наиболее нагруженными элементами теплопроводов являются отводы и тройники. При этом сварные тройники и врезки должны иметь, как правило, укрепляющие накладки. Типовые решения узлов с тройниковыми соединениями, применяемыми сегодня в проектировании, не учитывают специфики напряженно деформированного состояния бесканальной прокладки и в свете вышесказанного нуждаются в переработке.

В зарубежных пособиях по проектированию трубопроводов тепловых сетей, защемленных в грунте, критерием компенсирующей способности являются допускаемые осевые напряжения, принимаемые обычно на уровне 150-185 МПа. Аналогичный критерий - компенсационные напряжения приведены в пункте 2 Приложения 3 РД 10 - 400-01. Следует иметь в виду, что в трубопроводах, в которых нет напряжений изгиба (прямые участки, защемленные в грунте, участки со стартовыми компенсаторами), коэффициент снижения прочности сварного шва следует принимать равным единице. При наличии напряжений изгиба (трассы с Г- и Z-образными поворотами и П-образными компенсаторами) его обычное значение 0.9. Соответствующие рекомендации включены в Свод Правил по проектированию тепловых сетей с ППУ-изоляцией СП 41-105-2002 [3].

Свод правил направлен на внедрение более совершенных методов оценки компенсирующей способности теплопроводов, чем приемы и рекомендации, заимствованные из импортных пособий, которые еще используются до сих пор.

Приведем один характерный пример (см. рис.). Г-образный поворот, защемленный в грунте, труба 219x6, длина короткого плеча 5 м, АТ=130 ^ОC, материал сталь 20. Нужно определить L_max - наибольшую допустимую длину, которую может скомпенсировать это плечо. Результаты расчетов с использованием программы «Старт-Экспресс» сведены в таблицу 2:

Как видим, определение компенсируемой длины зависит от толщины стенки трубы, глубины заложения и допускаемых осевых напряжений. Если на эти различия не обращать внимания, то получаемые результаты могут сильно отличаться (нередко в 1,5-2 раза). Заметим, что номограммы, приведенные в импортных пособиях для теплопроводов бесканальной прокладки, ориентированы на более тонкостенные трубы и стандартную глубину заложения 1 метр. По сравнению с РД 10-400-01 в них также занижены допускаемы осевые напряжения.

Для оценки прочности и компенсирующей способности трубопроводов тепловых сетей нами создана линейка программных продуктов, в которой реализованы требования РД 10-400-01:

1. «Старт-Экспресс» - для быстрой оценки компенсирующей способности отдельных участков трубопроводной трассы, проверке их прочности и устойчивости. С ее помощью можно оценить:

прочность и устойчивость прямых труб;

прочность криволинейных элементов (отводов), Т-образных соединений и врезок стандартной конфигурации;

предельно допустимые расстояния между промежуточными опорами трубопровода (пролеты);

компенсирующую способность поворотов Г-и Z-образной формы и П-образных компенсаторов при прокладке трубопроводов над землей и в подземных каналах;

компенсирующую способность поворотов Г-и Z-образной формы и П-образных компенсаторов при бесканальной прокладке трубопроводов в грунте;

прочность типовых узлов врезок ответвлений в магистраль для трубопроводов бесканальной прокладки в грунте;

предельно допустимые расстояния между стартовыми компенсаторами и температуру их замыкания для трубопроводов, защемленных в грунте.

Подобные задачи конструкторам приходится постоянно решать в процессе проектирования. Программа предназначена для использования на каждом рабочем месте проектировщика. Подробное описание содержится в [11].

2. «Старт» - для расчета прочности и жесткости реальных конструкций трубопроводов. Эта программная система рассчитывает на персональном компьютере трубопроводы практически любой сложности в том числе с участками, защемленными в грунте. В настоящее время она получила широкое распространение - количество пользователей в России и странах СНГ превышает 500. ПС включена в федеральный фонд программных средств Госстроя РФ, сертифицирована Госстандартом.

3. «Старт-Лайт» - для расчета прочности и жесткости крупных фрагментов реальных конструкций трубопроводов (в том числе и защемленных в грунте). Представляет собой облегченную версию программной системы

«СТАРТ». Может использоваться в качестве пре- и постпроцессора «большого» Старта. Эффективна при использовании в небольших проектных организациях и конструкторских бюро, а также в крупных проектных институтах для более оперативного принятия проектных решений и организации коллективного доступа к ПС «Старт».

4. «Старт-Проф» - ориентирована на профессионалов, для которых возможности ПС «Старт» в части количественных ограничений по числу неизвестных оказываются недостаточными.

Номенклатура тройниковых соединений, предложенная в ГОСТе 30732-2001 на трубы и детали с ППУ-изоляцией [18], по нашему мнению имеет серьезные недостатки (см. таблицы ГОСТа В.5 и В.6). Не предусмотрены варианты исполнения сварных тройников с увеличенной толщиной стенки магистрали, а также усиленных врезок и тройников. Из всех способов усиления выбран только один - увеличение толщины стенки ответвления, который в ряде случаев оказывается недостаточным.

В табл. 3 даны результаты расчета тройниковых соединений по указанному ГОСТу. Расчеты проводились при следующих исходных данных:

- материал тройников - сталь 20;

- прибавка на коррозию - 0,03 мм/год согласно СНиП на тепловые сети [4];

- допустимые отклонения по толщине стенки (минусовые допуски) - по стандартам на трубы с продольным сварным швом;

- расчетный срок службы - 30 лет;

- расчетное давление - 1,6 МПа;

- расчетная температура 130 ^ОС.

Буквой «в» на зеленом фоне в табл. 3 обозначены врезки. Буквой «т» на желтом фоне - тройники, у которых магистраль имеет толщину стенки как у основной трубы, а толщина стенки штуцера увеличена на 2-3 мм (например, тройник 630/327 имеет толщину стенки магистрали 8 мм, а толщину стенки штуцера не 7, а 9 мм). Зеленый и желтый цвет образуют своеобразную зону «покрытия» номенклатурой ГОСТа. А вот буквой «у» на красном фоне обозначены тройники, которые требуют дополнительного усиления, т.к. приведенные в ГОСТе изделия не держат расчетное давление.

Температурные расширения трубопроводов являются причиной возникновения в тройниковых соединениях осевых сил и изгибающих моментов. При проектировании нужно принимать необходимые меры для локализации и снижения этих воздействий. В этом состоит второе требование к обеспечению прочности тройниковых соединений.

Литература

тепловой сеть трубопровод котел

1. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей РД 10-400-01, ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», М., 2001.

2. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды РД 10-249-98, ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», М., 2001.

3. Проектирование и строительство тепловых сетей бесканальной прокладки из стальных труб с индустриальной тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке СП-41-105-2002, Госстрой России, М. 2003.

4. Arbeitsblatt FW 401: Verlegung und static von KMR f_r FernwКrmenetze Arbeitsgemeinschaft FernwКrme- AGFW-e, V.- bei der Vereinigung Deutscher ElektrizitКtswerke, 1992.

5. Code of practice for distribution networks for district heating, Dansk Standard, DS448, 1994.

6. ВГПИ Теплоэлектропроект. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей, под ред. А.А. Николаева. Изд-во литературы по строительству, М., 1965

7. Водяные тепловые сети. Справочное пособие по проектированию, подредН.К. Громова, Е.П. Шубина. Энерго-атомиздат, М., 1988.

8. Бесканальные трубопроводы. Расчет и проектирование. Справочник, под ред. Р.М. Сазонова, В.С. Еременко. Киев, « Будивельник», 1985.

9.ANSI/ASME B. 31.1. Code for pressures piping, B. 31. Power piping, 1998.

10. А.Б. Айнбиндер, А.Г. Камерштейн. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. «Недра», М., 1982.

11. А.В. Бушуев, В.Я. Магалиф, Е.Е. Шапиро. Старт-Экспресс - программа для экспресс-анализа прочности и компенсирующей способности трубопроводов различного назначения, CAD master №3, Корпоративное издание Consistent Software, М., 2003.

12. Программное обеспечение, Проектирование и изыскания, БСТ № 2 (822), Приложение «БСТ+» проект, ФГУП «Редакция журнала БСТ» М., 2003.

Размещено на Allbest.ru