Некоторые вопросы проектирования тепловых сетей бесканальной прокладки с пенополиуретановой изоляцией

В. Я. Магалиф, канд. техн. наук, заместитель директора ООО «НТП Трубопровод», Москва

Бесканальная прокладка тепловых сетей имеет определенную специфику. Благодаря сопротивлению грунта продольным и боковым перемещениям на порядок возрастают осевые усилия, вследствие чего такие трубопроводы имеют более низкую компенсирующую способность и в то же время значительно более высокие нагрузки на концевые неподвижные опоры. Под компенсирующей способностью понимается восприятие температурных расширений за счет гибкости трубопроводной трассы. Проиллюстрируем это положение на примере типовых схем самокомпенсации: Г- и Z-образных поворотов и П-образных компенсаторов. Будем сравнивать плоские горизонтальные схемы воздушной прокладки (на опорах) c такими же схемами бесканальной прокладки в грунте.

Сравнение проводится на примере трубопровода 219х6, материал – сталь 20, температурный перепад 130°C, внутреннее давление 1,6 МПа. В расчетах принято:

- для воздушной прокладки коэффициент трения в промежуточных скользящих опорах 0,3, изоляция – минеральная вата в оцинкованном кожухе;

- для бесканальной прокладки глубина заложения от поверхности земли до оси трубы 1,5 м, изоляция – пенополиуретановая (ППУ), окружающий трубу грунт – песок;

- в Z- и П-образных схемах плечи одинаковы и равны L, так что общая компенсируемая длина равна 2L.

Таблица 1 Компенсирующая способность типовых схем и нагрузки на опоры

Схема компенсации L, м/N, т Прокладка воздушная (на опорах) бесканаль- ная в грунте воздушная (на опорах) бесканаль- ная в грунте Вылет В = 6 м Вылет В = 10 м 71/2,5 36/29 195/4,8 30/24 195,5/5,7 45/36 375,5/9,1 35/28 202,5/5,4 38/30 506/12 35/28

Результаты расчетов по программе «Старт-Экспресс» приведены в табл. 1 (компенсируемая длина L в числителе и нагрузка на неподвижную опору N в знаменателе). Из анализа результатов следует:

- компенсируемые длины L отличаются в 2–14 раз, а нагрузки на неподвижные концевые опоры N в 2,5–12 раз;

- компенсирующая способность трубопроводов бесканальной прокладки существенно ниже, а нагрузки на опоры – выше;

- при увеличении вылета В с 6 до 10 м (в 1,7 раза) компенсирующая способность при воздушной прокладке резко возрастает, а в трубопроводах, защемленных в грунте, наоборот, падает.

Специфика поведения трубопроводов, защемленных в грунте, во многом обесценила тот многолетний опыт, который накапливался и передавался от одного поколения проектировщиков тепловых сетей к другому. Теперь проектировать тепловые сети без проведения серьезных расчетов стало намного сложнее. Именно поэтому Госгортехнадзором России в 2001 году введены в действие Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей РД 10-400-01, а нами создана линейка программных продуктов «Старт», «Старт-Лайт» и «Старт-Экспресс» для расчетов трубопроводов на прочность, в которых эти нормы реализованы.

В ряде зарубежных пособий по проектированию теплопроводов с ППУ-изоляцией приводятся номограммы для определения габаритов Г-, Z- образных поворотов и П-образных компенсаторов, защемленных в грунте. Некритическое использование этих номограмм может привести к серьезным ошибкам при принятии проектных решений.

Типоразмеры труб, для которых составлены номограммы, отличаются от принятых в России. Импортные трубы имеют более тонкие стенки. Например, отечественная труба с наружным диаметром 219 мм имеет толщину стенки 6 мм, а импортная – 4,5 мм.

Рисунок 1.

Покажем влияние толщины стенки трубы и глубины заложения на компенсирующую способность Г-образного поворота, защемленного в грунте (рис. 1). Исходные данные: D_н = 219 мм, длина короткого плеча 5 м, DТ = 130°C, материал – сталь 20, окружающий грунт – песок. Требуется определить предельный размер длинного плеча L_max по условиям компенсации температурных расширений. Результаты расчетов по программе «Старт-Экспресс» сведены в табл. 2.

Как видим, компенсируемая длина существенно зависит от толщины стенки трубы и глубины заложения (в номограммах глубина заложения обычно принята фиксированной, равной 1 м). Если на эти различия не обращать внимания, то получаемые результаты могут сильно отличаться (последняя графа табл. 2).

В воздушных трубопроводах наблюдается иная картина. Возьмем такой же Г-образный поворот, но воздушного трубопровода с DТ = 130°C, весом изоляции (минеральная вата в оцинкованном кожухе) 27,8 кг/м.

По аналогии с разным заглублением трубопроводов бесканальной прокладки проведем расчеты при различных коэффициентах трения в промежуточных скользящих опорах. Результаты представлены в табл. 3.

Расхождений практически не наблюдается: трение в опорах воздушных трубопроводов в значительно меньшей степени влияет на их упругую работу. Поэтому привычные критерии, используемые в трубопроводах воздушной прокладки для определения компенсирующей способности, совершенно не подходят для трубопроводов защемленных в грунте. Хотя внешне номограммы весьма похожи.

Для улучшения компенсации на углах поворота нередко ставят амортизирующие подушки, которые нейтрализуют сопротивление грунта боковым перемещениям трубопровода. Следует иметь в виду, что применение этих подушек не всегда улучшает компенсирующую способность защемленного в грунте трубопровода. Все зависит от распределения напряжений изгиба, вызванных нагревом трубопровода. На рис. 2 показано три варианта изгиба короткого плеча Г-образного поворота в зависимости от соотношения его плеч АВ и ВС. В первом варианте максимальный изгибающий момент имеет место в неподвижной точке С, во втором варианте изгибающие моменты в точках В и С примерно одинаковы, в третьем – максимальный изгибающий момент имеет место в точке В.

Рисунок 2.

Рассмотрим следующий пример: трубопровод 219х6, материал – сталь 20, глубина заложения от поверхности земли до оси трубопровода Z = 1 м, рабочие параметры: DТ = 130°C, Р = 1,6 МПа. Требуется определить предельно допустимую длину плеча АВ при длине короткого плеча ВС соответственно 3, 5 и 8 м.

В табл. 4 приведены результаты расчетов по программе «Старт-Экс-пресс». В первом варианте установка подушек ухудшает компенсирующую способность трубопровода, т. к. она приводит к увеличению напряжений изгиба в точке С. Для того чтобы снизить эти напряжения до уровня допускаемых, нужно уменьшить длину АВ. Во втором варианте влияние упругого отпора грунта на изгиб короткого ничтожно, что делает установку подушек бессмысленной.

И только в третьем варианте установка подушек обеспечивает снижение изгибающего момента в точке В, причем этот момент продолжает оставаться в трубопроводе наибольшим. В результате компенсируемая длина АВ возрастает почти в 3 раза.

От редакции. Полную информацию по расчету компенсации трубопроводов с использованием программы «Старт» можно получить на лекциях В. Я. Магалифа в рамках семинаров для проектных организаций, проводимых ЗАО «МосФлоулайн» (Москва).