Элементы теплопроводов и их расчет

Трубы и араматура.

Для строительства тепловых сетей используют стальные трубы, соединяемые при помощи электрической или газовой сварки. Стальные трубы подвергаются внутренней и наружной коррозии, что снижает срок службы и надежность тепловых сетей. В связи с этим для местных систем горячего водоснабжения, которые подвержены усиленной коррозии, применяют трубы стальные оцинкованные. В ближайшем будущем намечается применение эмалированных труб.

Из стальных труб для тепловых сетей в настоящее время используют в основном электросварные с продольным прямым и спиральным швом и бесшовные горячедеформированные и холоднодеформированные, изготовляемые из сталей марок Ст. 3, 4, 5, 10, 20 и низколегированных. Выпускаются электросварные трубы до условного диаметра 1400 мм, бесшовные — 400 мм. Для сетей горячего водоснабжения могут применяться также водогазопроводные стальные трубы.

В последние годы ведутся работы по использованию для теплоснабжения неметаллических труб (асбестоцементных, полимерных, стеклянных и др.). К их достоинствам относится высокая антикоррозионная устойчивость, а у полимерных и стеклянных труб и более низкая шероховатость по сравнению со стальными трубами. Асбесто-цементные и стеклянные трубы, соединяют при помощи специальных конструкций, а полимерные трубы — на сварке, что значительно упрощает монтаж и повышает надежность и герметичность соединений. Основным недостатком указанных неметаллических труб являются невысокие допустимые значения температур и давлений теплоносителя — примерно 100°С и 0,6 МПа. В связи с этим их можно использовать только в сетях, работающих с низкими параметрами воды, например в системах горячего водоснабжения, конденсатопроводах и др.

Арматура, применяемая в тепловых сетях, по назначению подразделяется на запорную, регулировочную, предохранительную (защитную), дросселирующую, конденсатоотводящую и контрольно-измерительную.

К основной арматуре общего назначения относят обычно запорную арматуру, так как она используется наиболее широко непосредственно на трассе тепловых сетей. Остальные виды арматуры устанавливаются, как правило, в тепловых пунктах, насосных и дросселирующих подстанциях и др.

Основными типами запорной арматуры тепловых сетей являются задвижки, шаровые краны, клапаны и дисковые затворы. Задвижки, шаровые краныи дисковые затворы.  применяются обычно в водяных сетях, вентили — в паровых.

Запорная арматура в тепловых сетях устанавливается на всех трубопроводах, отходящих от источника тепла, в узлах ответвлений Ду > 100 мм, в узлах ответвлений к отдельным зданиям при Ду > 50 мм и длине ответвления > 30 м или к группе зданий с суммарной нагрузкой до 600 кВт (0,5 Гкал/ч), а также на штуцерах для спуска воды, выпуска воздуха и пусковых дренажей.

Для облегчения открытия трубопроводной арматуры с Ду > 350 мм на водяных сетях и с Ду > 200 мм и Ру > 1,6 МПа на паровых сетях, требующих большого вращательного момента, делают обводные линии (разгрузочные байпасы) с запорным вентилем. В этом случае затвор разгружается от сил давления при открытии трубопроводной арматуры и уплотнительные поверхности предохраняются от износа. В паровых сетях обводные линии используются также для пуска паропроводов. Трубопроводная арматуры с Ду > 500 мм, требующие для своего открытия или закрытия вращательного момента более 500 Н-м, должны применяться с электроприводом. С электроприводом предусматривают также все типы трубопроводной арматуры при дистанционном управлении.

Трубы и арматуру выбирают из выпускаемого сортамента в зависимости от условного давления, рабочих (расчетных) параметров теплоносителя и окружающей среды.

Условное давление определяет максимально допустимое давление, которое длительно могут выдержать трубы и арматура определенного типа при нормальной температуре среды + 20°С. При повышении температуры среды допустимое давление снижается.

Рабочие давления и температуры теплоносителя для выбора труб, арматуры и оборудования тепловых сетей, а также для расчета трубопроводов на прочность и при определении нагрузок на строительные конструкции должны приниматься равными, как правило, номинальным (максимальным) значениям в подающих трубопроводах или на нагнетании насосов с учетом рельефа местности.

Необходимую толщину стенки труб, мм, определяют в зависимости от внутреннего (рабочего) давления теплоносителя (другие нагрузки не учитываются).

Теплоизоляционные материалы и конструкции.

Тепловая изоляция устраивается на трубопроводах, арматуре, фланцевых соединениях, компенсаторах и опорах для следующих целей:

1) уменьшения потерь тепла при его транспортировании, что снижает установленную мощность источника тепла и расход топлива;

2) уменьшения падения температуры теплоносителя, подаваемого к потребителям, что снижает требуемый расход теплоносителя и повышает качество теплоснабжения;

3) понижения температуры на поверхности теплопровода и воздуха в местах обслуживания (камерах, каналах), что устраняет опасность ожогов и облегчает обслуживание теплопроводов.

Кроме того, теплоизоляционные покрытия выполняют иногда роль антикоррозионной защиты наружной поверхности стальных труб и оборудования, что повышает их долговечность и надежность теплоснабжения.

Для тепловой изоляции применяют материалы, имеющие низкую теплопроводность и низкий коэффициент коррозионной активности, малое водопоглощение, высокое электросопротивление и высокую механическую прочность. Не допускается использовать материалы, подверженные горению и гниению, а также содержащие вещества, способные выделять кислоты, крепкие щелочи, вредные газы и серу.

Наиболее тяжелые условия для работы теплопроводов возникают при подземной канальной и особенно бесканальной прокладке вследствие увлажнения тепловой изоляции грунтовыми и поверхностными водами и наличия в грунте блуждающих токов. В связи с этим к важнейшим требованиям к теплоизоляционным материалам относятся малое водопоглощение, высокое электросопротивление, а при бесканальной прокладке высокая механическая прочность.

В качестве тепловой изоляции в тепловых сетях в настоящее время применяют в основном изделия из неорганических материалов (минеральной и стеклянной ваты), известково-кремнеземистые, совелитовые, вулканитовые, а также составы, изготовляемые из асбеста, бетона, асфальта, битума, цемента, песка или других компонентов для бесканальной прокладки: битумоперлит, асфальтоизол, армопенобетон, асфальтокерамзитобетон и др.

В зависимости от вида используемых изделий тепловую изоляцию подразделяют на оберточную (маты, полосы, шнуры, жгуты), штучную (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, полуцилиндры, сегменты, скорлупы), заливочную (монолитную и литую), мастичную и засыпную.

Оберточные и штучные изделия применяют для всех элементов тепловых сетей и могут быть как съемными — для оборудования, требующего обслуживания (сальниковые компенсаторы, фланцевые соединения), так и несъемными. Крепят их при помощи бандажей, проволоки, винтов и т. п., выполненных из оцинкованных, кадмированных или коррозионно-стойких материалов, и покровного слоя. Заливочную и засыпную изоляцию применяют обычно для элементов » тепловых сетей, не требующих обслуживания.

Теплоизоляционные конструкции стальных трубопроводов при надземной и подземной канальной прокладке, а также при бесканальной прокладке в монолитной оболочке состоят обычно из трех основных слоев: противокоррозионного, теплоизоляционного и покровного. Противокоррозионный слой накладывается на наружную поверхность стальной трубы и выполняется из обмазочных и оберточных материалов в несколько слоев (изола или бризола на изольной мастике, эпоксидных или органосиликатных эмалей и красок, стекло-эмали и др.). Поверх него укладывается основной теплоизоляционный слой из оберточных, штучных или монолитных изделий. За ним идет покровный слой, защищающий теплоизоляционный слой от воздействия влаги и воздуха и от механических повреждений. Выполняется он при подземной прокладке из двух-трех слоев изола или бризола на изольной мастике, асбестоцементной штукатурки по металлической сетке, лакостеклоткани с различными пропитками, фольгоизола, а при надземной прокладке — из листов оцинкованной стали, алюминия, сплавов алюминия, стеклоцемента, стеклорубероида, стеклопластика и т. п.

В настоящее время из указанных материалов выполняются на заводах полносборные и сборные теплоизоляционные конструкции для трубопроводов.

При изготовлении (обычно в заводских условиях) некоторых типов монолитной теплоизоляции (например, из армопенобетона для бесканальной прокладки) происходит адгезия (сцепление) материала с поверхностью стального трубопровода, не нарушаемая при температурных деформациях труб (коэффициенты линейного расширения стали и теплоизоляционного материала близки по величине). Вследствие этого исключается появление зазора между трубой и изоляционной оболочкой и возможность проникания через него влаги и воздуха к поверхности трубы, что значительно снижает вероятность наружной коррозии стальных труб. По этой причине в таких конструкциях отсутствует противокоррозионный слой.

В случае заводского изготовления теплоизоляционных конструкций на трубах элементы теплопровода длиной от 6 до 12 м доставляются на место строительства, где производятся их монтаж и сварка. Изоляция стыков выполняется обычно из оберточных или штучных изделий с нанесением противокоррозионных покрытий и покрывного слоя. При этом следует применять те же материалы, что и в основной конструкции, для устранения возникновения электрических потенциалов, ведущих к коррозии труб.

При бесканальной прокладке теплопроводов с монолитной изоляцией последняя совмещает функции изоляционной и несущей конструкций, поэтому она должна иметь высокую механическую прочность. Наиболее слабым местом является, как правило, изоляция стыков, которая выполняется также из оберточных и штучных изделий. Через эти места влага из грунта может поступать к поверхности труб и вызывать коррозию.

Помимо монолитной при бесканальной прокладке находят применение засыпные и литые конструкции изоляции. Выполняются они обычно при строительстве на смонтированных и опрессованных трубопроводах путем засыпки порошкообразного или заливки жидкого состава в траншею либо опалубку, в которой уложены трубы. Для получения равномерной изоляционной конструкции трубы укладываются на специальные подкладки (бетонные столбики, куски асбестоцементных труб и т. п.).

Компенсационные устройства.

Компенсационные устройства в тепловых сетях служат для устранения (или значительного уменьшения) усилий, возникающих при тепловых удлинениях труб. В результате снижаются напряжения в стенках труб и силы, действующие на оборудование и опорные конструкции.

Для компенсации удлинения труб применяют специальные устройства — компенсаторы, а также используют гибкость труб на поворотах трассы тепловых сетей (естественную компенсацию).

По принципу работы компенсаторы подразделяют на осевые и радиальные. Осевые компенсаторы устанавливают на прямолинейных участках теплопровода, так как они предназначены для компенсации усилий, возникающих только в результате осевых удлинений. Радиальные компенсаторы устанавливают на теплосети любой конфигурации, так как они компенсируют как осевые, так и радиальные усилия. Естественная компенсация не требует установки специальных устройств, поэтому ее необходимо использовать в первую очередь.

В тепловых сетях находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и линзовые. В сальниковых компенсаторах температурные деформации труб приводят к перемещению стакана внутри корпуса, между которыми для герметизации помещается сальниковая набивка. Зажимается набивка между упорным кольцом и грундбуксой при помощи болтов.

В качестве сальниковой набивки применяют асбестовый прографиченный шнур или термостойкую резину. В процессе работы набивка изнашивается и теряет упругость, поэтому требуются периодическая ее подтяжка (зажатие) и замена. Для возможности проведения указанных ремонтов сальниковые компенсаторы размещают в камерах.

Соединение компенсаторов с трубопроводами осуществляется сваркой. При монтаже необходимо оставлять зазор между буртом стакана и упорным кольцом корпуса, исключающий возможность возникновения растягивающих усилий в трубопроводах в случае понижения температуры ниже температуры монтажа, а также тщательно выверять осевую линию во избежание перекосов и заедания стакана в корпусе.

Сальниковые компенсаторы изготовляют односторонними и двусторонними. Двусторонние применяют обычно для уменьшения числа камер, так как в середине их устанавливается неподвижная опора, разделяющая участки труб, удлинения которых компенсируются каждой из сторон компенсатора.

Основными достоинствами сальниковых компенсаторов являются малые габариты (компактность) и низкие гидравлические сопротивления, вследствие чего они нашли широкое применение в тепловых сетях, особенно при подземной прокладке. В этом случае их устанавливают при Ду 100 мм и более, при надземной прокладке — при Ду 300 мм и более.

В линзовых компенсаторах при температурных удлинениях труб происходит сжатие специальных упругих линз (волн). При этом обеспечивается полная герметичность в системе и не требуется обслуживания компенсаторов.

Изготовляют линзы из листовой стали или штампованных полулинз с толщиной стенки от 2,5 до 4 мм газовой сваркой. Для уменьшения гидравлических сопротивлений внутри компенсатора вдоль волн вставляется гладкая труба (рубашка).

Линзовые компенсаторы имеют Относительно небольшую компенсирующую способность и большую осевую реакцию. В связи с этим для компенсации температурных деформаций трубопроводов тепловых сетей устанавливают большое число волн или производят предварительную их растяжку. Применяют их обычно до давлений примерно 0,5 МПа, так как при больших давлениях возможно вспучивание волн, а повышение жесткости волн путем увеличения толщины стенок приводит к снижению их компенсирующей способности и возрастанию осевой реакции.

Естественная компенсация температурных деформаций происходит в результате изгиба трубопроводов. Гнутые участки (повороты) повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность.

При естественной компенсации на поворотах трассы температурные деформации трубопроводов приводят к поперечным смещениям участков. Величина смещения зависит от расположения неподвижных опор: чем больше длина участка, тем больше его удлинение. Это требует увеличения ширины каналов и затрудняет работу подвижных опор, а также не дает возможности применять современную бесканальную прокладку на поворотах трассы. Максимальные напряжения изгиба возникают у неподвижной опоры короткого участка, так как он смещается на большую величину.

К радиальным компенсаторам, применяемым в тепловых сетях, относятся гибкие и волнистые шарнирного типа. В гибких компенсаторах температурные деформации трубопроводов устраняются при помощи изгибов и кручения специально согнутых или сваренных участков Труб различной конфигурации: П- и S-образных, лирообразных, омегообразных и др. Наибольшее распространение на практике вследствие простоты изготовления получили П-образные компенсаторы.

Для увеличения компенсирующей способности компенсатора или уменьшения величины смещения его устанавливают с предварительной (монтажной) растяжкой. При этом спинка компенсатора в нерабочем состоянии изогнута внутрь и испытывает изгибающие напряжения. При удлинении труб компенсатор приходит сначала в ненапряженное состояние, а затем уже спинка изгибается наружу и в ней возникают изгибающие напряжения обратного знака. Если в крайних положениях, т. е. при предварительной растяжке и в рабочем состоянии достигаются предельно допустимые напряжения, то компенсирующая способность компенсатора увеличивается вдвое по сравнению с компенсатором без предварительной растяжки. В случае же компенсации одинаковых температурных деформации в компенсаторе с предварительной растяжкой не будет происходить смещение спинки наружу и, следовательно, уменьшатся габариты компенсаторной ниши. Работа гибких компенсаторов других конфигураций происходит примерно таким же образом

Опоры.

Опоры в тепловых сетях устанавливают для восприятия усилий, возникающих в теплопроводах, и передачи их на несущие конструкции или грунт. В зависимости от назначения их подразделяют наподвижные (свободные) и неподвижные (мертвые).

Подвижные опоры предназначены для восприятия весовых нагрузок теплопровода и обеспечения свободного его перемещения при температурных деформациях. Устанавливают их при всех видах прокладки, кроме бесканальной, когда теплопроводы укладывают на утрамбованный слой песка, что обеспечивает более равномерную передачу весовых нагрузок на грунт.

Теплопровод, лежащий на подвижных опорах, под действием весовых нагрузок (веса трубопровода с теплоносителем, изоляционной конструкцией и оборудованием и иногда ветровой нагрузки) прогибается и в нем возникают изгибающие напряжения, значения которых зависят от расстояния (пролета) между опорами. В связи с этим основной задачей расчета является определение максимально возможного пролета между опорами, при котором изгибающие напряжения не превышают допустимых значений, а также величины прогиба теплопровода между опорами.

Подвесные опоры с жесткими подвесками применяют при надземной прокладке теплопроводов на участках, не чувствительных к перекосам: при естественной компенсации, П-образных компенсаторах Пружинные опоры компенсируют перекосы, вследствие чего их применяют на участках, где перекосы недопустимы, например, при сальниковых компенсаторах.

Значения боковых горизонтальных реакций и их направление учитываются при расчете опор, расположенных под гибкими компенсаторами и участками естественной компенсации.

При бесканальной прокладке теплопровод находится в непосредственном контакте с окружающим грунтом и под его давлением Вследствие этого при температурных деформациях возникают значительно большие силы трения и, следовательно, горизонтальная реакция.

Трение происходит по наружной поверхности теплоизоляционной конструкции, если труба перемещается совместно с ней (теплопроводы с монолитными армопенобетонными оболочками), или по поверхности трубопровода, если он перемещается внутри изоляции (теплопроводы с оболочками из битумперлита). От вида трущихся поверхностей зависит коэффициент трения.

Неподвижные опоры предназначены для закрепления трубопровода в отдельных точках, разделения его на независимые по температурным деформациям участки и для восприятия усилий, возникающих на этих участках, что устраняет возможность последовательного нарастания усилий и передачу их на оборудование и арматуру. Изготовляют эти опоры, как правило, из стали или железобетона.

Стальные неподвижные опоры представляют собой обычно стальную несущую конструкцию (балку или швеллер), располагаемую между упорами, приваренными к трубе. Несущая конструкция защемляется в строительные конструкции камер, приваривается к мачтам, эстакадам и др.

Железобетонные неподвижные опоры обычно выполняют в виде щита, устанавливаемого при бесканальной прокладке на фундамент (бетонный камень) или защемляемого в основании и перекрытии каналов и камер. С обеих сторон щитовой опоры к трубопроводу приваривают опорные кольца (фланцы с косынками), через которые и передаются усилия. При этом щитовые опоры не требуют мощных фундаментов, так как усилия на них передаются центрально. При выполнении щитовых опор в каналах в них делают отверстия для пропуска воды и воздуха.

При разработке монтажной схемы тепловых сетей неподвижные опоры устанавливают на выходе из источника тепла, на входе и выходе ЦТП, насосных подстанций и т п. для снятия усилий на оборудование и арматуру; в местах ответвлений для устранения взаимного влияния участков, идущих в перпендикулярных направлениях; на поворотах трассы для устранения влияния изгибающих и крутящих моментов, возникающих при естественной компенсации. В результате указанной расстановки неподвижных опор трасса тепловых сетей разбивается на прямолинейные участки, имеющие различные длины и диаметры трубопроводов. Для каждого из этих участков выбирают тип и требуемое число компенсаторов, в зависимости от которого определяется и число промежуточных неподвижных опор (на одно меньше, чем компенсаторов).

Максимальное расстояние между неподвижными опорами при осевых компенсаторах зависит от их компенсирующей способности. При гнутых компенсаторах, которые могут изготовляться для компенсации любых деформаций, исходят из условия сохранения прямолинейности участков и допустимых изгибающих напряжений в опасных сечениях компенсатора. В зависимости от принятой длины участка, на концах которого устанавливают неподвижные опоры, определяют его удлинение, а затем расчетом* или по номограммам — габаритные размеры гнутых компенсаторов и горизонтальную реакцию.

На неподвижные опоры в общем случае действуют вертикальные и горизонтальные усилия. Вертикальные усилия определяют так же, как и для подвижных опор.

Горизонтальные усилия на неподвижные опоры обусловливаются реакцией компенсаторов и участков естественной компенсации, реакцией от сил трения в подвижных опорах или в грунте при бесканальной прокладке и неуравновешенными силами внутреннего давления. Эти усилия могут суммироваться и вычитаться или уравновешиваться (частично или полностью) вследствие взаимной компенсации.