Физика процесса и основные параметры
В основе теплового расширения лежит свойство металлов увеличивать свой объём и линейные размеры при нагреве из-за изменения амплитуды колебаний атомов в кристаллической решётке.
В инженерной практике для труб, длина которых многократно превышает диаметр, объёмным расширением пренебрегают и используют показатель линейного удлинения.
Базовая формула для вычисления изменения длины участка:
ΔL = α × L × (Tмакс − Tмин)
где:
- ΔL — абсолютное тепловое удлинение участка трубопровода, мм.
- α — средний коэффициент линейного теплового расширения материала трубы, мм/(м·°C).
- L — начальная длина расчётного участка между двумя неподвижными опорами, м.
- Tмакс — максимальная рабочая температура транспортируемой среды или расчётная температура стенки трубы, °C.
- Tмин — минимальная температура, принимаемая с учётом условий эксплуатации и монтажа, °C.
Для подземных тепловых сетей часто принимается минимальная температура теплоносителя в неотапливаемый период или температура монтажа.
Для наружных сетей используется расчётная температура наружного воздуха для проектирования отопления — температура наиболее холодной пятидневки.
Ключевая ошибка при базовых расчётах — использование постоянного значения коэффициента α. В реальности этот показатель изменяется и обычно возрастает по мере увеличения температуры.
Коэффициент линейного расширения для различных сталей
При выполнении расчёта теплового удлинения трубопровода необходимо опираться на точные физические характеристики конкретной марки стали.
Ниже приведены средние значения коэффициента α в мм/(м·°C) для наиболее распространённых в теплоэнергетике и нефтегазовой отрасли материалов при нагреве от 20 °C до указанной температуры.
Углеродистые стали
Примеры марок: Ст20, сталь 10, ВСт3сп.
- При температуре 100 °C: α = 0,0118 мм/(м·°C).
- При температуре 150 °C: α = 0,0121 мм/(м·°C).
- При температуре 200 °C: α = 0,0124 мм/(м·°C).
- При температуре 250 °C: α = 0,0127 мм/(м·°C).
- При температуре 300 °C: α = 0,0129 мм/(м·°C).
- При температуре 400 °C: α = 0,0135 мм/(м·°C).
Низколегированные стали
Примеры марок: 09Г2С, 17Г1С.
- При температуре 100 °C: α = 0,0116 мм/(м·°C).
- При температуре 150 °C: α = 0,0119 мм/(м·°C).
- При температуре 200 °C: α = 0,0122 мм/(м·°C).
- При температуре 250 °C: α = 0,0125 мм/(м·°C).
- При температуре 300 °C: α = 0,0128 мм/(м·°C).
- При температуре 400 °C: α = 0,0134 мм/(м·°C).
Аустенитные нержавеющие стали
Пример марки: 12Х18Н10Т.
- При температуре 100 °C: α = 0,0166 мм/(м·°C).
- При температуре 150 °C: α = 0,0168 мм/(м·°C).
- При температуре 200 °C: α = 0,0170 мм/(м·°C).
- При температуре 250 °C: α = 0,0173 мм/(м·°C).
- При температуре 300 °C: α = 0,0175 мм/(м·°C).
- При температуре 400 °C: α = 0,0179 мм/(м·°C).
Примечание: приведённые данные являются усреднёнными и основаны на ГОСТ 32388-2013.
Для точных прочностных расчётов в специализированном программном обеспечении, например СТАРТ-Проф, матрица температурных коэффициентов может интерполироваться с шагом 1 °C.
Нормативная база для расчёта теплового удлинения трубопровода
Для обоснования расчётов и прохождения государственной экспертизы проектной документации инженер должен опираться на действующие нормативные документы.
Основными документами, регламентирующими методику расчётов, являются:
- СП 124.13330.2012 «Тепловые сети» — регламентирует правила расстановки неподвижных опор и требования к компенсирующим устройствам.
- ГОСТ 32388-2013 «Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчёта на прочность» — содержит требования к оценке напряжённо-деформированного состояния систем.
- СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы» — применяется при проектировании протяжённых линейных объектов нефтегазового комплекса.
- ГОСТ 32935-2014 «Компенсаторы сильфонные металлические для тепловых сетей» — используется при выборе устройств, компенсирующих рассчитанные удлинения.
Практические примеры расчёта
Пример 1. Прямой участок тепловой сети
Рассмотрим надземный участок тепловой сети из стали 20.
Исходные данные:
- Длина прямого участка между неподвижными опорами: L = 65 м.
- Максимальная температура теплоносителя: Tмакс = 130 °C.
- Минимальная температура: Tмин = −30 °C.
- Коэффициент расширения стали: α = 0,0120 мм/(м·°C).
Температурный перепад:
ΔT = 130 − (−30) = 160 °C
Расчёт теплового удлинения:
ΔL = 0,0120 × 65 × 160 = 124,8 мм
Результат: компенсатор на данном участке должен обладать компенсирующей способностью не менее 125 мм с учётом нормативного запаса.
Пример 2. Технологический паропровод из нержавеющей стали
Рассмотрим трубопровод обвязки парогенератора из стали 12Х18Н10Т.
Исходные данные:
- Монтаж производится внутри цеха.
- Минимальная температура: Tмин = 20 °C.
- Рабочая температура пара: Tмакс = 300 °C.
- Расстояние между опорами: L = 25 м.
- Коэффициент расширения нержавеющей стали: α = 0,0175 мм/(м·°C).
Температурный перепад:
ΔT = 300 − 20 = 280 °C
Расчёт теплового удлинения:
ΔL = 0,0175 × 25 × 280 = 122,5 мм
Несмотря на небольшую длину участка, высокая температура и особенности нержавеющей стали приводят к значительному удлинению, требующему установки компенсатора.
Выбор сильфонных компенсаторов и реакции опор
Традиционные П-образные компенсаторы занимают много места и повышают гидравлическое сопротивление трассы.
В современных проектах широко применяется осевая компенсация с использованием сильфонных компенсаторов.
Рабочим элементом компенсатора является сильфон — гофрированная многослойная оболочка, воспринимающая осевые перемещения трубопровода.
Ключевая технология производства сильфонов — гидроформовка. В отличие от механической раскатки, гидроформовка не создаёт локальных микротрещин и зон остаточного напряжения в металле.
Это позволяет сохранить структуру стали, обеспечить высокую коррозионную стойкость и гарантировать заявленный ресурс устройства — от 1 000 до 10 000 циклов полного сжатия и растяжения.
При расчёте теплового удлинения трубопровода и подборе компенсатора необходимо учитывать:
- PN — номинальное давление.
- DN — номинальный диаметр.
- Величину полного осевого хода.
- Жёсткость сильфона.
- Эффективную площадь сильфона.
- Количество рабочих циклов.
- Усилия, передаваемые на неподвижные опоры.
Осевая компенсация создаёт значительные реакции опор, которые передаются на строительные конструкции.
Усилие, передаваемое на неподвижную опору, определяется по формуле:
R = Fp + Fk + Fμ
где:
- R — суммарное усилие, передаваемое на неподвижную опору.
- Fp — распорное усилие от внутреннего давления.
- Fk — усилие жёсткости сильфона.
- Fμ — сила трения в направляющих опорах.
Распорное усилие от внутреннего давления определяется по формуле:
Fp = P × Seff
где:
- P — внутреннее давление.
- Seff — эффективная площадь сильфона.
Усилие жёсткости сильфона определяется по формуле:
Fk = Cλ × ΔX
где:
- Cλ — осевая жёсткость сильфона.
- ΔX — фактическое осевое перемещение.
Если не учесть распорное усилие при проектировании неподвижных опор, во время гидравлических испытаний трасса может деформироваться, а опоры — разрушиться.
Типичные ошибки при проектировании и расчётах
Игнорирование температуры монтажа
Иногда инженеры считают перепад температур от 0 °C, забывая, что сварка стыков может выполняться зимой при температуре −15 °C или −20 °C.
Это приводит к занижению расчётной величины расширения.
Некорректная расстановка направляющих опор
При установке осевого сильфонного компенсатора первая направляющая опора должна располагаться на расстоянии не более 4 DN от компенсатора.
Вторая направляющая опора устанавливается на расстоянии не более 14 DN.
Отсутствие направляющих опор может привести к потере продольной устойчивости трубы, её выпучиванию и повреждению сильфона.
Объединение участков
Грубым нарушением является установка двух осевых компенсаторов между двумя неподвижными опорами без промежуточной неподвижной опоры между ними.
В этом случае устройства могут работать непредсказуемо. Один компенсатор может быть сжат до предельного значения, в то время как второй ещё не начнёт работать.
Практические рекомендации по расчёту и компенсации
Закладывайте резерв
К рассчитанному значению ΔL необходимо добавлять коэффициент запаса 15–20%.
Если расчётное удлинение составляет 85 мм, следует выбирать компенсатор с рабочим ходом не менее 100 мм.
Учитывайте испытательное давление
При гидравлических испытаниях давление в сети обычно составляет:
Pисп = 1,25 × PN
Компенсатор и неподвижные опоры должны выдерживать кратковременное повышение распорного усилия.
Применяйте предварительную растяжку
При монтаже компенсатора может использоваться холодная растяжка, то есть предварительное натяжение устройства.
При предварительной растяжке на 50% от полного хода снижаются напряжения изгиба в гофрах сильфона при максимальном разогреве сети. Это способствует увеличению срока службы устройства.
Проверяйте совместимость материалов
Для агрессивных сред и работы во влажной среде следует использовать сильфоны из аустенитной нержавеющей стали.
Примеры подходящих материалов:
- AISI 321.
- 12Х18Н10Т.
Не используйте осевые компенсаторы для гашения вибраций
Для изоляции вибрационных нагрузок от насосного оборудования следует применять:
- Сдвиговые компенсаторы.
- Универсальные компенсаторы.
- Резиновые вибровставки.
Осевой компенсатор не предназначен для работы на срез и не должен использоваться для гашения вибраций.
Учитывайте нагрузки на неподвижные опоры
Точный расчёт величины Fp является обязательным.
Для трубопроводов DN 500 и выше распорное усилие может достигать десятков тонн. Поэтому неподвижные опоры должны рассчитываться с учётом всех действующих нагрузок.
Выводы
Грамотный расчёт теплового удлинения трубопровода является основой надёжности любой гидравлической или паровой системы.
Применение корректных значений коэффициента линейного расширения с учётом марки стали и температурного режима позволяет избежать критических аварий.
Современным решением проблемы температурных расширений является применение осевых компенсаторов.
Их монтаж требует строгого соблюдения следующих условий:
- Правильная расстановка неподвижных опор.
- Правильная расстановка направляющих опор.
- Точный расчёт рабочего хода.
- Учёт температуры монтажа.
- Расчёт распорных усилий.
- Проверка прочности строительных конструкций.
- Соблюдение соосности трубопровода.
- Использование подходящих материалов и технологий производства.
Вопросы по теме
Можно ли использовать один осевой компенсатор с большим рабочим ходом на прямом участке длиной 300 метров?
Нет. Существуют ограничения по предельной длине прямого участка, связанные с риском продольного изгиба трубы под действием внутренних сил трения и давления.
Длинные участки необходимо разделять неподвижными опорами на более короткие секции, например по 50–80 метров. Для каждой секции следует предусматривать собственный компенсатор.
Что влияет на долговечность сильфонного компенсатора?
На долговечность компенсатора влияют:
- Правильная центровка трубопровода.
- Наличие направляющих опор.
- Исключение бокового сдвига.
- Точный расчёт требуемого рабочего хода.
- Соответствие материала рабочей среде.
- Технология производства сильфона.
Гидроформовка предпочтительнее механического формирования, поскольку позволяет сохранить структуру металла и повысить ресурс изделия.
Влияет ли тепловая изоляция на итоговую величину линейного удлинения?
Нет. Тепловая изоляция из ППУ, минеральной ваты и других материалов влияет только на скорость прогрева или остывания трубы и величину тепловых потерь.
Физическое удлинение трубопровода в установившемся рабочем режиме зависит от конечной температуры стенки трубы, длины участка, марки стали и температурного перепада.
Инженерная поддержка
Если ваш проект требует сложных прочностных расчётов, инженеры ООО «Стальные Системы» готовы помочь выполнить расчёт тепловых расширений и оперативно подобрать оптимальные сильфонные компенсаторы собственного производства под параметры вашей трассы.
Список литературы
- СП 124.13330.2012 «Тепловые сети». Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003. — М.: Минрегион России, 2012.
- ГОСТ 32388-2013 «Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчёта на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия». — М.: Стандартинформ, 2014.
- Николаев А. А. «Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей». — М.: Стройиздат, 1965. С последующими актуализациями.
- ГОСТ 32935-2014 «Компенсаторы сильфонные металлические для тепловых сетей. Общие технические условия». — М.: Стандартинформ, 2015.