Нефть - главное богатство
России

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов


В процессе эксплуатации трубопроводы изменяют свою температуру в связи с изменением температуры окружающей среды и перекачиваемых жидкостей. Колебание температуры стенки трубопровода приводит к изменению его длины.

Закон изменения длины трубопровода выражается уравнением

Δ = αl(tу-to),

где Δ - удлинение или укорочение трубопровода;

α - коэффициент линейного расширения металла труб (для стальных труб α = 0,000012 1/oC).

Максимальная величина изменения длины трубопровода определяется по уравнению при подстановке вместо разности (tу-to) максимального значения температурного градиента для стенки трубы в процессе эксплуатации, т. е.

Δmax= αlΔtmax,

Если концы трубопровода жестко закреплены, то от температурных воздействий в нем возникают термические напряжения растяжения или сжатия, величина которых определяется по закону Гука из уравнения

σ = ЕΔ/l=EαΔt

где E - модуль упругости материала трубы (для стали Е = 2,1*106 кГ/см2).

Возникшие в трубе термические напряжения вызывают в точках закрепления трубопровода усилия, направленные вдоль оси трубопровода, не зависящие от длины и равные

N=σF,

где F - площадь живого сечения материала трубы;

σ - напряжение сжатия или растяжения, возникшее в трубе от изменения температуры.

Направление действия усилий зависит от характера напряжений (растягивающие или сжимающие).

Величина силы N может быть очень большой и, если не принять мер к ее устранению, она может разрушить трубопровод, арматуру, опоры и нанести повреждения оборудованию (насосам, фильтрам и т. п.) и резервуарам.

Изменения длины подземных трубопроводов зависят не только от колебаний температуры, но и от силы трения трубы о грунт, которая препятствует изменениям длины.

Если усилия от термических напряжений не зависят от длины трубопровода, то сила трения трубы о грунт прямо пропорциональна длине трубопровода. Существует такая длина, на которой силы трения могут уравновеситься с термической силой, и трубопровод не будет иметь изменения длины. На участках меньшей длины трубопровод будет передвигаться в грунте.

Разгрузка трубопроводов от термических напряжений осуществляется установкой компенсаторов. Компенсаторы применяются линзовые, сальниковые, гнутые и трубчатые.

При выборе трассы трубопроводов необходимо стремиться к тому, чтобы температурные удлинения одних участков могли бы восприниматься деформациями других, т. е. стремиться к самокомпенсации трубопровода, используя для этого все его повороты и изгибы.

Линзовые компенсаторы

Применяют для компенсации удлинений трубопроводов с рабочим давлением от 0,2 до 6 кГ/см2 при диаметре от 150 до 1200 мм.

Компенсаторы изготовляются из конических тарелок, преимущественно штампованных; каждая пара сваренных между собой тарелок образует волну высотой от 70 до 200 мм. Компенсирующая способность одной волны составляет от 5 до 35 мм. Количество волн в компенсаторе делают не более 12 во избежание продольного изгиба.

Линзовые компенсаторы характеризуются герметичностью, малыми габаритами, простотой изготовления и эксплуатации, но применение их ограничено малой компенсирующей способностью и непригодностью для больших давлений.

Сальниковые компенсаторы

Являются осевыми компенсаторами и применяются для давлений до 16 кГ/см2. Компенсаторы состоят из чугунного или стального корпуса и входящего в него стакана. Уплотнение между стаканом и корпусом создается сальником. Компенсирующая способность сальниковых компенсаторов составляет от 150 до 500 мм.

Сальниковые компенсаторы устанавливаются на трубопроводах с точной укладкой, т. к. возможные перекосы могут привести к заеданию стакана и разрушению компенсатора. Сальниковые компенсаторы ненадежны в отношении герметичности, требуют постоянного надзора за уплотнением сальников и в связи с этим имеют ограниченное применение. Эти компенсаторы устанавливаются на трубопроводах диаметром от 100 мм и выше для негорючих жидкостей и на паропроводах.

Трубчатые компенсаторы

Применяют для трубопроводов больших диаметров и высоких давлений. Они представляют собой несколько цилиндрических стаканов, к которым приварены кольцевые трубки малого диаметра, разрезанные вдоль своей оси по внутреннему кругу. Компенсирующая способность каждой трубки от 2 до 4 мм.

Гнутые компенсаторы

Гнутые компенсаторы имеют П- образную, лирообразную и другие формы и изготовляются на месте монтажа из тех же труб, из которых собирается трубопровод. Эти компенсаторы пригодны для любых давлений, уравновешены и герметичны. Недостатками их являются значительные габариты и сравнительно малая компенсирующая способность.

Из гнутых наибольшее применение находит П-образный компенсатор.

Вылет компенсатора h и величина силы упругости определяются по номограмме указанной ниже, в зависимости от величины теплового удлинения. Указанные в номограмме величины вылетов компенсаторов действительны при обязательной предварительной растяжке компенсатора на величину, равную 1/2 теплового удлинения. Чтобы определить вылет компенсатора для заданных теплового удлинения и диаметра трубопровода, необходимо найти точку на пунктирной кривой, соответствующей заданному диаметру трубопровода, ордината которой была бы равна величине теплового удлинения. Тогда абсцисса этой точки покажет величину вылета компенсатора. Аналогично сказанному определяется величина силы упругости компенсатора. Необходимая точка находится в этом случае на кривых, показанных на номограмме сплошными линиями.

Номограмма для определения вылета П-образного компенсатора. 1-кривые воспринимаемого теплового удлинения; 2-кривые силы упругости.

В особо стесненных условиях строительства П-образные компенсаторы могут не вписываться в свободное пространство. В этом случае рационально применить S-образные компенсаторы, так как они имеют вдвое меньшие вылеты и симметричны относительно оси трубопровода.