Табл. 1. Характеристики спирально-шовных труб по ТУ 14-3-237–83
Табл. 2. Техническая характеристика самокомпенсирующихся труб*
Экономический аспект
Освоение нефтегазовых месторождений Западной Сибири связано с большими объемами промышленно-гражданского строительства и необходимостью сооружения тепловых сетей. Капитальные затраты при сооружении тепловых сетей на грунтах 2-й и 3-й категорий (при условии отсутствия в них грунтовых вод) составляют до 30 % средств, выделяемых на жилищное строительство и благоустройство городских территорий. На заболоченных и слабых водонасыщенных грунтах с большой глубиной промерзания — существенно более 30 %.
Для восприятия деформаций стальных трубопроводов тепловых сетей при изменении температуры теплоносителя и для разгрузки возможных температурных напряжений устанавливают компенсаторы, что технически усложняет и удорожает проект. Поэтому в мировой практике существует тенденция полного перехода к бесканальной прокладке тепловых сетей без установки на них компенсаторов — бескомпенсаторному способу прокладки тепловых сетей.
Реализовать бескомпенсаторную прокладку тепловых сетей можно путем применения разрабатываемых и внедряемых в нашей стране самокомпенсирующихся труб. Экономический эффект от применения самокомпенсирующихся труб при строительстве тепловых сетей (любой протяженности) будет обусловлен не только отказом от установки компенсаторов, теплофикационных камер, промежуточных подвижных и неподвижных опор, но и возможностью перехода к бесканальному способу прокладки трубопроводов из секций заводского изготовления.
Это будет способствовать существенному сокращению сроков строительства. Кроме того, нельзя не отметить, что отпадает необходимость в обслуживании компенсаторов, исключаются утечки теплоносителя и уменьшаются тепловые потери, соответственно, снижаются и эксплуатационные затраты.
Конструкция и технические характеристики
Самокомпенсирующаяся труба представляет собой спирально-шовную трубу, в стенке которой сформированы винтовые гофры, расположенные эквидистантно сварному шву по всей длине трубы, кроме концевых участков. Технология изготовления спиральношовных сварных труб позволяет расположить гофры таким образом, чтобы исключить места пересечения ими сварных швов. Для труб тепловых сетей, работающих в условиях цилиндрического нагрева и повышения давления, это обстоятельство важно.
Первая отечественная опытно-промышленная партия труб со спиральными гофрами была изготовлена по технологии, разработанной в Институте электросварки им. Е.О. Патона на Мариупольском металлургическом комбинате им. Ильича [1]. На комбинате освоено производство спирально-шовных труб, отвечающих требованиям ТУ 14-3-237–83 (табл. 1). Расположение гофров согласовано со спирально-шовным способом изготовления труб, что для сварных труб является единственным способом, обеспечивающим отсутствие мест пересечения гофров и сварных швов [2].
В отличие от существующих компенсаторных прокладок тепловых сетей участки из СК-труб при эксплуатации компенсируются за счет винтовых гофров, обеспечивая равномерное по длине трубопровода восприятие температурных деформаций. Незначительная неравномерность имеет место только на концевых участках, где гофры отсутствуют. Однако, длина этих участков не превышает 3 % от общей длины труб и практически не влияет на распределение осевых деформаций.
В результате при нагреве или охлаждении трубопровода любой протяженности с защемленными концами в местах стыковки труб практически отсутствуют подвижки трубопровода. Таким образом, проблема компенсации решается в пределах каждой трубы без сдвига ее концов.
Выбор рациональных параметров
При закреплении концов прямолинейного участка из СК-трубы любой протяженности положение трубопровода условно фиксируется по всем винтовым линиям трубы, расположенным посередине гофрированных и гладкостенных участков. Гофр, являясь гибким элементом, компенсирует удлинение участка трубопровода в пределах шага винтовой линии трубы. Продольные перемещения происходят только в промежутках между гофрами и не превышают 0,5 мм, т.к. расстояние между соседними витками составляет 300–500 мм.
Анализ влияния угла и продольной оси трубы на распределение усилий в защемленном трубопроводе при действии внутреннего давления и температурного перепада показал, что независимо от соотношений геометрических параметров трубы, величин внутреннего давления и температуры нагрева, применение труб с малыми углами нецелесообразно. При малых углах наклона гофра (45° и ниже) сохраняется высокий уровень нормальных усилий к гофру от действия внутреннего давления.
Экспериментально установлено и подтверждено практикой, что зона минимальных усилий, возникающих в гофре, определяется интервалом угла 55–70° [3, 4]. Следует отметить, что оптимальные углы формовки спирально-шовных труб на промышленных станах находятся примерно в таких же пределах. В понятие жесткости самокомпенсирующихся труб входят величины коэффициентов анизотропности и продольной жесткости. Установлено, что при увеличении коэффициента анизотропности уровень максимальных напряжений в гофрах защемленного трубопровода снижается.
Учитывая, что в гладкостенном трубопроводе допускаемый температурный перепад составляет 80 °С, можно полагать, что в СК-трубопроводе достаточно снизить жесткость трубы в три раза, чтобы продольные усилия остались в допустимых пределах. Но необходимо помнить, что характеристики жесткости оказывают существенное влияние и на продольную устойчивость трубопровода. На практике выявлено, что для СК-труб, работающих в режимах, установленных для тепловых сетей, наиболее благоприятным является снижение продольной жесткости в 3,5–5 раз.
Геометрические параметры гофра определяются его высотой, радиусом кривизны и видом кривой его очертания в меридианном сечении. Форма гофра может быть задана одной или несколькими плавно сопряженными кривыми. Расчеты показали, что при нагружении СК-труб внутренним давлением и температурным перепадом самый низкий уровень напряжений возникает в гофре, меридиан составлен из сопряжения дуг окружностей равного радиуса. Геометрические характеристики такого гофра однозначно определяются его высотой и радиусом закругления.
При общем анализе влияния параметров высоты гофра и радиуса закругления на напряженное состояние и жесткость труб с винтовыми гофрами было установлено, что в защемленном трубопроводе при воздействии температурного перепада с увеличением высоты гофра и радиусом закруглений напряжения в вершине гофра уменьшаются, а компенсирующая способность труб соответственно возрастает. Однако, при нагружении трубопровода внутренним давлением кривая изменения напряжений от высоты гофра имеет минимум.
В трубопроводах, эксплуатируемых при температурах 70–150 °C, необходимо обеспечить высокую компенсирующую способность. Это может быть достигнуто не только путем изменения геометрических параметров гофров, но и за счет увеличения количества гофров на единицу длины трубы. Шаг гофров можно уменьшать, переходя к многозаходным гофрам либо увеличивая угол формовки труб. Кроме того, при низких давлениях теплоносителя требуемый эффект можно обеспечить за счет снижения толщины стенки трубы.
Всесторонний анализ напряженно-деформированного состояния, продольной устойчивости и перемещения СК-труб, работающих при давлениях 1,6–5,5 МПа и температурных перепадах 100–170 °С, с учетом технологических требований позволил найти рациональные конструктивные решения трубы с винтовыми гофрами. На их основе составлена техническая характеристика СК-труб, рекомендуемых для тепловых сетей (табл. 2).
Способы прокладки СК-трубопроводов
Самокомпенсирующиеся трубные секции заводского изготовления представляют собой законченные модули, при необходимости легко заменяемые, из которых высокомеханизированными методами монтируется теплопровод, укладываемый непосредственно в грунт. При закреплении концов прямолинейного участка из СК-труб любой протяженности положение трубопровода условно фиксируется по всем винтовым линиям трубы, расположенным посередине гофрированных и гладкостенных участков.
Гофр, являясь гибким элементом, компенсирует удлинение участка трубопровода в пределах шага винтовой линии трубы. Расчеты, выполненные специалистами ВНИПИэнергопрома при проектировании тепловых сетей из труб со спиральными гофрами, показали, что при сжатии или растяжении труб в спиральном гофре появляется крутящий момент, вызывающий поворот трубы вокруг своей оси. Поэтому в проектах теплопроводов пришлось предусмотреть защемление концов труб в массивных неподвижных опорах.
Однако, по данным Института электросварки им. Е.О. Патона, защемление трубопровода приводит к снижению его компенсирующей способности в 6,5–8,5 раза и двукратному увеличению жесткости. Способ прокладки теплопроводов из труб со спиральными гофрами без защемления концов трубопровода разработан в Ленинградском филиале «Энергомонтажпроекта».
Сущность этого способа состоит в следующем: трубопровод сваривается из четного количества труб равной длины, причем трубы стыкуются так, чтобы спиральные гофры справа и слева от стыка имели противоположное направление (т.е. если справа от стыка гофры расположены по часовой стрелке, то слева — против часовой стрелки, и наоборот). В этом случае при сжатии или растяжении труб их линейные деформации компенсируются в промежутках между сварными стыками, а концы трубопровода не вращаются, следовательно, отпадает необходимость в их защемлении.
Это дает возможность применять при сооружении тепловых сетей стандартные неподвижные опоры, используемые при прокладке гладкостенных трубопроводов с компенсаторами, и принимать в расчетных схемах концы трубопровода — свободными от защемления. В местах сварных стыков трубопровода предусматривается установка скользящих или катковых опор, которые обеспечивают разгрузку трубопровода от собственной массы и массы рабочей среды (пара или воды) и вместе с тем не препятствуют повороту стыка при сжатии или растяжении спиральных гофров.
Авторами был предложен способ прокладки трубопроводов, когда спирально-гофрированные трубы, отличающиеся повышенной компенсирующей способностью, можно применять совместно с гладкостенными [5]. При монтаже компенсатор из труб со спиральными гофрами может быть растянут на величину, соответствующую компенсирующей способности при сжатии, что позволяет вдвое увеличить общую компенсирующую способность трубопровода.
Для этого в трубопровод вваривается участок из двух труб одинаковой длины со спиральными гофрами. Длина участка l1, выполняющего роль компенсатора, зависит от расстояния между неподвижными опорами L и температуры теплоносителя, определяется по следующей разработанной авторами формуле:
где α — температурный коэффициент линейного расширения материала труб, мм/(м⋅°C); Δt — разность между температурами теплоносителя и окружающей среды в момент монтажа, °С; ΔT — компенсирующая способность спирально-гофрированной трубы. Известны методы расчета углового расположения сопрягаемых с натягом труб и зазоров между трубами, и технология механического предварительного напряжения труб с помощью лебедки, бульдозера или трактора.
Сопрягаемые трубы с одного конца жестко закреплены, свободные концы при натяжении сближаются и свариваются. Киевским Институтом электросварки им. Е.О. Патона и Рижским отделением Всесоюзного института «Теплоэлектропроект» был предложен метод предварительного напряжения самокомпенсирующихся труб с пониженной продольной жесткостью, снабженных винтовыми или кольцевыми гофрами, при помощи высоконапорной среды — воды, воздуха, газа — с давлением, меньшим испытательного. Величина внутреннего давления Р для предварительного напряжения трубопровода будет иметь следующий математический вид:
где α — температурный коэффициент расширения материала трубы; Δt — перепад температур, °С; Е — модуль упругости материала, Па; δ — толщина стенки трубы, мм; R — внутренний радиус трубы, мм; k — коэффициент снижения продольной жесткости. Коэффициент снижения продольной жесткости k показывает, во сколько раз удлинение трубы с кольцевыми или винтовыми гофрами больше удлинения такой же обычной гладкой трубы, обычно К = 20–30.
Поскольку спирально-гофрированные трубы обладают большей жесткостью, чем сильфонные и другие компенсаторы, обычно применяемые для растяжки приспособления, в данном случае не годятся. Монтажную растяжку рекомендуется выполнять при гидравлических испытаниях, когда компенсатор растягивается в результате роста давления воды на заглушку. Для этого достаточно один из концов не закреплять в неподвижной опоре.
Нужно отметить, что предварительное растяжение СК-трубопровода может производиться двумя способами: внутренним давлением и механическим способом. Данное растяжение рекомендуется производить в следующей последовательности: 1) после монтажа всех элементов и соединения СК-труб гладкостенными вставками свободные концы участка трубопровода заглушаются; 2) участок трубопровода заполняется водой, и давление доводится до расчетного; 3) замеряется продольное смещение СК-трубопровода относительно неподвижной опоры и проверяется возможность установки вставки; 4) при удлинении трубопровода на величину, меньшую расчетной, давление повышают в пределах испытательного до уровня, обеспечивающего монтаж вставки; 5) устанавливается вставка и сбрасывается давление.
Компенсатор из спирально-гофрированных труб может серийно изготавливаться на трубопрокатных заводах. Он прост в обслуживании, не требует устройства специальных камер, необходимых при использовании компенсаторов других типов, хорошо приспособлен для выполнения теплои гидроизоляционных защитных покрытий. Основной эффект от применения труб с непрерывным компенсатором — это самокомпенсация продольной деформации трубопровода от изменений температуры и других осевых воздействий.
Повышается способность трубопроводов следовать рельефу местности, располагаясь по кратчайшей линии. При использовании усилений в качестве материалов для труб появляется возможность применения тонколистовой термически обработанной стали. Существенен и экономический эффект от повышения надежности трубопровода, работающего в условиях значительных перепадов температуры, благодаря снятию опасных продольных напряжений.
