Как учесть ветровые и сейсмические нагрузки при подборе компенсатора

Теоретические основы воздействия ветровых и сейсмических нагрузок на компенсатор

Сильфонный компенсатор представляет собой тонкостенную гофрированную оболочку из аустенитной стали, например 12Х18Н10Т или 08Х18Н10Т. Она обладает высокой гибкостью в осевом направлении и относительно низкой пространственной жёсткостью на изгиб и сдвиг.

Главная функция осевого компенсатора — восприятие температурного расширения трубопровода вдоль его продольной оси.

Однако при надземной прокладке на эстакадах или в районах с повышенной сейсмичностью на трубопровод действуют внешние горизонтальные и вертикальные силы, передающиеся на сильфон.

Влияние ветровой нагрузки

Ветровое воздействие относится к длительным или кратковременным статико-динамическим нагрузкам.

При обдуве открытого трубопровода потоком воздуха возникает поперечная аэродинамическая сила, вызывающая изгиб пролёта трубы между опорными конструкциями.

В месте установки компенсатора это приводит к появлению:

• Перерезывающей силы Qw, вызывающей сдвиговую деформацию гофров.
• Изгибающего момента Mw, приводящего к неравномерному сжатию гофров по периметру и угловой расстройке.
• Вибрационных пульсаций при срыве вихрей, то есть явления ветрового резонанса, способных вызвать усталостное разрушение многослойного сильфона.

Влияние сейсмического воздействия

Сейсмическая нагрузка является особой динамической нагрузкой, вызванной ускоренным перемещением грунта и фундаментов опор.

В отличие от ветра, сейсмика вызывает не только поперечные колебания, но и взаимное смещение смежных опорных строительных конструкций в трёх плоскостях одновременно.

При сейсмическом ударе в сильфонном узле возникают:

• Пространственный сдвиг Δs — разнонаправленное смещение патрубков компенсатора в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
• Вынужденный поворот оси θs — угловой изгиб, вызывающий локальную пластическую деформацию краевых гофров.
• Импульсное сжатие или растяжение — кратковременные осевые перемещения, превышающие расчётную компенсирующую способность.

При нерасчётном поперечном сдвиге, вызванном внешними воздействиями, тонкостенный сильфон теряет устойчивость формы. Это явление называют in-plane squirm или column squirm.

Потеря устойчивости приводит к заклиниванию гофров, локальному перенапряжению металла и мгновенной разгерметизации системы при рабочем давлении.

Нормативная база и расчётные параметры

Подбор и расчёт компенсаторов для работы в сложных климатических и сейсмических условиях регламентируются следующими нормативными документами:

• СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
• СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах». Актуализированная редакция СНиП II-7-81*.
• СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы». Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*.
• ГОСТ 32388-2013 «Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчёта на прочность и вибрацию».
• ГОСТ 32935-2014 «Компенсаторы сильфонные для тепловых сетей. Общие технические условия».
• ГОСТ 27036-86 «Компенсаторы и уплотнения сильфонные металлические. Термины и определения».

Расчёт ветровой нагрузки

Согласно СП 20.13330.2016 нормативная ветровая нагрузка на один погонный метр трубопровода qw определяется по формуле:

qw = w0 × k(z) × cx × Dиз × γf

где:

• w0 — нормативное значение ветрового давления, принимаемое по карте ветровых районов, кПа.
• k(z) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте z и тип местности.
• cx — аэродинамический коэффициент формы. Для цилиндрического трубопровода cx = 0,7.
• Dиз — наружный диаметр трубопровода с учётом слоя теплоизоляции и защитно-гидроизоляционного покрытия, м.
• γf — коэффициент надёжности по нагрузке. Для ветровой нагрузки γf = 1,4.

Расчёт сейсмической нагрузки

Согласно СП 14.13330.2018 сейсмическое усилие Fs, действующее на участок трубопровода массы m, рассчитывается по спектральному методу:

Fs = m × Sik = m × g × A × K1 × K0 × βi × ηik

где:

• g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с².
• A — коэффициент сейсмичности, соответствующий расчётной балльности площадки строительства по шкале MSK-64. Для 7 баллов A = 0,1; для 8 баллов A = 0,2; для 9 баллов A = 0,4.
• K1 — коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений.
• K0 — коэффициент ответственности объекта. Для магистральных и технологических трубопроводов категории I/В K0 = 1,2–1,5.
• βi — коэффициент динамичности, зависящий от периода собственных колебаний участка трубопровода.
• ηik — коэффициент формы собственных колебаний.

Практический пример и инженерный расчёт

Рассмотрим надземный технологический трубопровод нефтеперерабатывающего завода, проложенный по эстакаде.

Исходные данные

• Трубопровод: DN400.
• Наружный диаметр Dнар = 426 мм.
• Толщина стенки s = 10 мм.
• Наружный диаметр с изоляцией Dиз = 546 мм = 0,546 м.
• Длина компенсируемого участка L = 60 м между двумя неподвижными опорами.
• Рабочее давление PN = 2,5 МПа, или 25 кгс/см².
• Рабочая температура Tраб = +200 °C.
• Температура монтажа Tмонт = −35 °C.
• Материал трубы: сталь 09Г2С.
• Коэффициент линейного расширения α = 0,0125 мм/(м·°C).
• Погонная масса участка с рабочей средой и изоляцией m = 185 кг/м.
• Высота эстакады z = 10 м.
• Тип местности: B.
• Ветровой район III, w0 = 0,38 кПа = 380 Па.
• Сейсмичность площадки: 8 баллов по шкале MSK-64, A = 0,2.

Расчёт температурного удлинения и осевого хода

Расчётное температурное удлинение ΔL определяется по формуле:

ΔL = α × L × (Tраб − Tмонт)

ΔL = 0,0125 × 60 × (200 − (−35))

ΔL = 0,0125 × 60 × 235 = 176,25 мм

С учётом коэффициента запаса kz = 1,15 по СП 124.13330.2012:

ΔLрасч = 176,25 × 1,15 = 202,7 мм

Необходимый осевой ход компенсатора составляет не менее 205 мм.

Расчёт ветровой нагрузки на пролёт трассы

Для высоты 10 м и типа местности B принимается:

k(10) = 1,0

Нормативная погонная ветровая нагрузка qw:

qw = 0,38 × 1,0 × 0,7 × 0,546 × 1,4 = 0,2036 кН/м

или:

qw = 203,6 Н/м

Суммарное поперечное ветровое усилие на пролёт длиной 60 м:

Fw = qw × L = 203,6 × 60 = 12216 Н ≈ 12,22 кН

При установке стандартного осевого компенсатора без направляющих опор или шарнирных тяг эта сила вызвала бы поперечный сдвиг патрубков и изгиб сильфона с превышением предельно допустимых напряжений.

Расчёт сейсмической нагрузки на компенсаторный узел

Коэффициенты по СП 14.13330.2018:

• A = 0,2 для сейсмичности 8 баллов.
• K1 = 1,0 для ответственных технологических трубопроводов.
• K0 = 1,2 для категории опасности объекта.
• βi × ηik = 2,0 — максимальное значение спектра ускорений для жёстких систем.

Расчётное сейсмическое ускорение as:

as = g × A × K1 × K0 × (βi × ηik)

as = 9,81 × 0,2 × 1,0 × 1,2 × 2,0 = 4,71 м/с²

Погонная сейсмическая нагрузка в поперечном направлении qs:

qs = m × as

qs = 185 кг/м × 4,71 м/с² = 871,35 Н/м ≈ 0,871 кН/м

Суммарная поперечная сейсмическая сила на компенсируемый пролёт:

Fs = qs × L = 871,35 × 60 = 52281 Н ≈ 52,28 кН

Оценка комбинированного воздействия и подбор типа компенсатора

Согласно СП 20.13330.2016 особое сочетание включает постоянные, длительные, одну кратковременную ветровую нагрузку с коэффициентом сочетания ψw = 0,5 и особую сейсмическую нагрузку.

Суммарная поперечная нагрузка:

qпопер.сум = qs + ψw × qw

qпопер.сум = 0,871 + 0,5 × 0,2036 = 0,973 кН/м

Суммарная поперечная срезающая сила в месте установки компенсационного узла:

Qсум = qпопер.сум × L / 2

Qсум = 0,973 × 60 / 2 = 29,19 кН

Выбор инженерного решения

Базовый осевой компенсатор КСО 400-25-200 не способен воспринимать поперечное усилие Q = 29,19 кН.

При таком воздействии произойдёт потеря устойчивости сильфона, или squirm.

Для выполнения условий прочности и надёжности выбирается сейсмостойкий сдвигово-осевой сильфонный компенсатор типа КСС-С или ССК DN400 PN25 со следующими конструктивными особенностями:

• Два сильфона, объединённых промежуточным патрубком. Это позволяет воспринимать осевой ход ΔN = ±100 мм и поперечный сдвиг Δs = ±45 мм.
• Карданно-решётчатая или шпилечная система ограничений, полностью снимающая поперечную срезающую силу Qсум = 29,19 кН с тонкостенного сильфона и передающая её на прочные стальные элементы арматуры.
• Установка усиленных направляющих опор по обе стороны от компенсатора на расстояниях L1 ≤ 4 × DN, то есть 1,6 м, и L2 ≤ 14 × DN, то есть 5,6 м, для предотвращения бокового изгиба трубы.

Типичные ошибки при проектировании и монтаже

Применение стандартных осевых КСО без защиты на высоких эстакадах

При ветровой раскачке пролёта сильфон подвергается циклическим поперечным изгибам.

Это снижает его усталостный ресурс с нормативных 1000 циклов до 20–50 циклов и может привести к трещинам в гофрах.

Отсутствие учёта взаимного смещения опор эстакады

При сейсмических колебаниях соседние участки эстакады или опоры смещаются в противоположных фазах.

Если компенсатор подобран только на расчётный сдвиг трубы, но не имеет запаса по пространственному смещению опор, возможен разрыв сильфона.

Запас по пространственному смещению опор должен составлять не менее 20–30 %.

Неправильный расчёт расстояния до первой направляющей опоры

Увеличение расстояния от компенсатора до первой направляющей опоры свыше 4 × DN под действием ветрового давления приводит к возникновению изгибающего момента, передающегося на крайние гофрированные секции.

Для DN400 первая направляющая опора должна располагаться на расстоянии не более 1,6 м от компенсатора.

Заклинивание транспортировочных или ограничительно-тяговых шпилек

Если после окончания монтажа не установить ограничительные шпильки в рабочее, плавающее положение с предусмотренным технологическим зазором, компенсатор может потерять возможность воспринимать сдвиг.

В результате поперечная нагрузка передаётся на смежное оборудование.

Пренебрежение гидроформовкой и многослойностью сильфона

Применение однослойных толстостенных сильфонов рулонной вальцовки вместо многослойных сильфонов гидроформованного типа в сейсмоопасных зонах резко снижает устойчивость устройства к динамическим импульсным нагрузкам.

Многослойная конструкция обладает высокой гибкостью при низкой осевой жёсткости и надёжнее гасит динамические вибрации.

Практические рекомендации по подбору и обустройству узла

• Определяйте категорию ответственности и сейсмичность объекта. На этапе составления технического задания фиксируйте сейсмичность площадки по карте ОСР-2016 и ветровой район по СП 20.13330.2016.
• Применяйте многослойные сильфоны. Для ветровых и сейсмических районов используйте компенсаторы с сильфонами, изготовленными методом многослойной гидроформовки из двух–восьми слоёв.
• Выбирайте сдвигово-пространственные схемы. При сейсмичности 8–9 баллов закладывайте в проект сдвигово-осевые КСС или карданные КСК компенсационные блоки, способные воспринимать перемещения в нескольких плоскостях одновременно.
• Устанавливайте внешние направляющие системы. На надземных трассах в обязательном порядке предусматривайте двусторонние направляющие опоры охватывающего типа с гарантированным диаметральным зазором для исключения бокового смещения трубы.
• Контролируйте качество стали. Патрубки и защитные системы компенсаторов для работы при температуре наружного воздуха ниже −40 °C в исполнении УХЛ должны изготавливаться из хладостойкой стали 09Г2С или 12Х18Н10Т.
• Предусматривайте внутренние экраны. При скоростях потока рабочей среды свыше 6 м/с применение внутреннего направляющего экрана, или гильзы, обязательно для предотвращения резонансных ветровых и гидродинамических колебаний гофров.
• Запрашивайте расчёт на сейсмостойкость у производителя. Требуйте официальный расчёт прочности и устойчивости сильфона на совместное действие внутреннего давления, осевого хода, ветрового изгиба и сейсмического ускорения по ГОСТ 32388-2013.

Выводы

Учёт ветровых и сейсмических нагрузок при выборе сильфонного компенсатора требует перехода от упрощённых одноосных моделей к пространственному расчёту прочности трубопроводной системы.

Ключевым риском при действии поперечных ветровых и сейсмических сил является потеря устойчивости гофрированной оболочки сильфона.

Предотвратить её позволяет применение специальных сдвигово-карданных конструкций и жёстких направляющих систем.

Грамотное сочетание многослойных гидроформованных сильфонов, надёжной разгрузочной арматуры и строгого соблюдения норм СП 14.13330 и СП 20.13330 обеспечивает безопасную эксплуатацию магистралей в сложных условиях.

Вопросы и ответы

Чем опасна ветровая нагрузка для стандартного осевого компенсатора КСО?

Ветровая нагрузка создаёт поперечный изгибающий момент и срезающую силу на пролёте трубопровода.

Поскольку стандартный осевой компенсатор не имеет элементов защиты от сдвига, тонкостенный сильфон испытывает неравномерную деформацию гофров, или перекос.

Это приводит к возникновению локальных пластических деформаций, перетиранию стенок гофров и их быстрому усталостному разрушению.

Какое значение сейсмичности требует установки карданных или сдвиговых компенсаторов?

Согласно СП 14.13330.2018 и ГОСТ 32388-2013 при сейсмичности площадки строительства 8 баллов и выше применение стандартных осевых компенсаторов без сдвиговых ограничителей на надземных и открытых технологических трассах не рекомендуется.

В таких условиях необходимо применять сдвиговые, угловые или карданные компенсационные узлы типа КСС, КСК или ССК, рассчитанные на пространственный сдвиг.

Как влияет длина пролёта между направляющими опорами на работу компенсатора при ветровом воздействии?

Чем больше расстояние от компенсатора до первых направляющих опор, тем больше плечо приложения поперечной ветровой силы и, соответственно, изгибающий момент на сильфоне.

Нормативы требуют устанавливать первую направляющую опору на расстоянии не более 4 × DN, а вторую — не более 14 × DN от компенсатора.

Это ограничивает передачу ветрового изгибающего момента на сильфонный блок.

Завод ООО «Стальные Системы» в г. Первоуральске производит многослойные сильфонные компенсаторы в сейсмостойком и ветроустойчивом исполнении, предоставляя комплекс инженерных расчётов по подбору оборудования под индивидуальные условия объекта.

Список литературы

• СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* / Минстрой России. — М.: Стандартинформ, 2018. — 104 с.
• СП 14.13330.2018. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81* / Минстрой России. — М.: Стандартинформ, 2018. — 122 с.
• СП 124.13330.2012. Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003 / Минрегион России. — М.: ОАО «ЦПП», 2012. — 78 с.
• СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85* / Минрегион России. — М.: ОАО «ЦПП», 2013. — 108 с.
• ГОСТ 32388-2013. Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчёта на прочность и вибрацию. — М.: Стандартинформ, 2014. — 118 с.
• ГОСТ 32935-2014. Компенсаторы сильфонные для тепловых сетей. Общие технические условия. — М.: Стандартинформ, 2015. — 32 с.
• ГОСТ 27036-86. Компенсаторы и уплотнения сильфонные металлические. Термины и определения. — М.: Издательство стандартов, 1987. — 16 с.
• Биргер И. А., Мавлютов Р. Р. Сопротивление материалов: учебное пособие. — М.: Наука, 1986. — 560 с.
• Standards of the Expansion Joint Manufacturers Association (EJMA). — 10th ed. — Tarrytown: EJMA Inc., 2015. — 250 p.