Современные методы оценки прочности и компенсирующей способности трубопроводов тепловых сетей

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 °C (категория III, группа 2), а также паропроводов за пределами тепловых источников с рабочим давлением до 6,3 МПа и рабочей температурой до 350 °C (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 Ги 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 219×6, 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 преи 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 30 732−2001 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 FernwКrmeAGFW-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.