Расчёт Z-образного компенсатора
Расчёт изгибающих напряжений в Z-образном компенсаторе.
Z — образными компенсаторами называют участки трубопровода с двумя отводами в одной плоскости. Их используют для самокомпенсации тепловых удлинений в тепловых сетях при любых способах прокладки независимо от диаметра трубопровода.
Расчёт Z-образного компенсатора выполняется для определения размеров вылета (Н) и плеч (L, P), при которых изгибающее напряжение от тепловой деформации трубопровода, не превысит допустимого значения в 80 МПа.
Данная online программа рассчитает напряжение изгиба на критических участках трубопровода, c Z-образным компенсатором заданных размеров.
Алгоритм взят из методики расчёта Z-образного компенсатора приведенной в — Справочнике проектировщика «Проектирование тепловых сетей» под редакцией А. А. Николаева.
В расчёте приняты следующие ограничения
- Трубопровод заполнен водой или паром
- Трубопровод выполнен из стальной трубы
- Максимальная температура рабочей среды не превышает 200 °С
- Максимальное давление в трубопроводе не превышает 1,6 МПа (16 бар)
- Компенсатор установлен на горизонтальном трубопроводе
- Неподвижные опоры считаются абсолютно жёсткими
- Трубопровод не испытывает ветрового давления и других нагрузок
- Сопротивление сил трения подвижных опор при тепловом удлинении не учитывается
- Отвод гладкий с углом поворота 90°
Образец расчёта Z-образного компенсатора
П — образные и Г — образные компенсаторы
Где устанавливать. Конструкция и расчет.
Компенсаторы устанавливаются на полипропиленовые трубы как правило, посередине, между неподвижными опорами, делящими трубопровод на участки, температурная деформация которых происходит независимо друг от друга. Компенсация линейных расширений труб из PPRC может обеспечиваться также предварительным прогибом труб при прокладке их в виде «змейки» на сплошной опоре, ширина которой допускает возможность изменения формы прогиба трубопровода при изменении температуры.
Конструирование систем внутренних трубопроводов рекомендуется производить в следующей последовательности: на схеме трубопроводов предварительно намечают места расположения неподвижных опор с учетом компенсации температурных изменений длины труб элементами трубопровода (отводами и пр.). Проверяют расчетом компенсирующую способность элементов трубопровода между неподвижными опорами. Намечают расположение скользящих опор с указанием расстояний между ними.
Неподвижные опоры необходимо размещать так, чтобы температурные изменения длины участка трубопровода между ними не превышали компенсирующей способности отводов и компенсаторов, расположенных на этом участке, и распределялись пропорционально их компенсирующей способности.
В тех случаях, когда температурные изменения длины участка трубопровода превышают компенсирующую способность его элементов, на нем необходимо установить дополнительный компенсатор.
или по эмпирической формуле L k= 25ΔdΔL, где L k — длина участка Г- образного элемента, воспринимающего температурные изменения длины трубопровода, мм; d — наружный диаметр трубы, мм; ΔL — температурные изменения длины трубы, мм. Величину L k можно также определить по номограмме.
Пример: d = 40 мм, ΔL = 55 мм. По формуле L k==25?40х55 = 1173 мм. По номограмме L k= 1250 мм
Отличная альтернатива стандартным О — образным петлям — это прямые компенсаторы Козлова. Все диаметры и цены на них можно посмотреть здесь .
Компенсаторы для систем отопления расчет
Предельно допускаемое рабочее давление-1.6 Мпа
Осевая компенсирующая способность -40 мм:
— вариант 1 –растяжение 20мм; сжатие 20мм;
— вариант2 –растяжение 10мм, сжатие 30мм.
Компенсатор устойчив к воздействию температуры рабочей и окружающей среды:
вода — до плюс 150 0 С;
пар—до плюс 250 0 С.
Компенсатор должен быть устойчивым к воздействию относительной влажности воздуха до 95% при температуре окружающего воздуха 35 0 С и более низких температурах без конденсации влаги.
Средняя наработка на отказ компенсатора -1000 ч.
Средний срок службы -10 лет.
Меры безопасности
Источниками опасности при монтаже или эксплуатации компенсатора является рабочая среда, находящаяся под давлением.
Безопасность эксплуатации компенсатора должна обеспечиваться:
-прочностью и герметичностью компенсатора в соответствии с требованиями технических условий ;
— прочностью и герметичностью технологической магистрали;
— надежным креплением при монтаже на объекте , качеством сварного шва .
Все работы по монтажу и демонтажу компенсатора должны выполняться при полном отсутствии давления в технологической магистрали.
Монтаж
Монтаж производится в соответствии с проектом трубопровода, выполненным проектной организацией ,и осуществляется путем его приварки к трубопроводу.
Компенсаторы для систем отопления при монтаже необходимо устанавливать строго соосно с трубопроводом, без перекосов во избежание заедания и повреждение его подвижных частей.
Монтаж компенсаторов производится после установки на трубопроводе неподвижных опор, при монтаже вертикальных участков трубопроводов необходимо принимать меры, исключающие возможность сжатия и деформации компенсаторов под действием силы тяжести трубопроводов.
Хранение и транспортирование
Компенсаторы для систем отопления должен ы храниться в упаковке изготовителя при температуре окружающего воздуха от минус 20 до плюс 40 0 С и относительной влажности до 80%.
Воздух в помещении не должен содержать примесей паров и газов, вызывающих коррозию.
Компенсаторы для систем отопления мо гут транспортироваться всеми видами транспорта ( авиационным в герметизированных отсеках) в крытых транспортных средствах в соответствии с правилами перевозки грузов , действующими на транспорте конкретного вида.
Во время погрузочно-разгрузочных работ и транспортирования ящики не должны подвергаться резким ударам и воздействию атмосферных осадков.
Использование компенсатор ов в системах отопления высотных домов и многоэтажных зданий.
Компенсаторы для систем отопления позволя ю т гасит ь ряд вибраций возникающих при работе трубопровод а и насосного оборудования , компенсировать движение трубопровода при изменении температуры проводимой или окружающей среды, влекущих за собой тепловое расширение вследствие нагрева рабочей средой , а также воспринимает на себя смещение труб при оседании почв и опор , значительно продлева я срок службы трубопровода.
У стройство соосто ит из гофрированной оболочки ( гибкого сильфона ) выполненого из многослойной нержавеющей стали. К омпенсирующая способность , о севой ход, зависит от количества сильфонов и количества гибких гофр в каждом сильфоне.
Рабоч ая сред а : вода, пар, воздух, природный газ, другие газы , жидкости, неагрессивные по отношению к материалам примененным в конструкци и устройства .
Н е предназначен для работы с рабочими средами, которые используются в химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих опасных производственных объектах.
К омпенсатор может быть изготовлен с внешним защитным кожухом , позволяющим защитить сильфон от внешних воздействий , а также внутренним экраном для защиты сильфона от воздествий рабочей среды.
Технология производства компенсаторов включает в себя изготовление и сборку следующих компонентов : 1) гофрированн ая часть компенсатора, число гофр которо й определяется заданным рабочим ходом — интервалом компенсации ( Исходной заготовкой является многослойный цилиндр из тонкого листа нержавеющей аустенитной стали 1.4541 или 1.4571 , Российский аналог 08X18H10T ); 2) Металлические патрубки под приварку (По заказу могут быть изготовлены для фланцевого присоединения); 3) Внутренняя гильза; 4) Защитный кожух (если предусмотрено техническими условиями).
Д ля всех типов компенсаторов диаметром до 1000мм сильфон изготавливается методом гидростатического выдавливания, Д ля диаметров свыше 1000 мм роликовым формированием ( накатыванием ) .
Верхний и нижний слои ( цилиндры ) , сваренные каждый продольным швом, обеспечивают герметичность. М ежду цилиндрами могут быть предусмотрены в нутренние слои, намотанные друг на друга и зафиксированные относительно внешних оболочек продольным сварным швом, их цель обеспечит ь силовую разгрузку будущего компенсатора.
В процессе изготовления к омпенсаторы для систем отопления проходят проверку, к ачество готового изделия определяется величинами отклонений процентного содержания спектра химических элементов стали от марочного их стандарта . Кроме того определяется аустенит ( структурн ая однородность ) используемого листа из стали 1.4541 . Т ехнологией сварки предусматривает обеспечение стабильности параметров электрической дуги на электродах при которой коэффициент свариваемости достигается равным еденице , что обеспечивает химическую и структурную однородность в сварном шве и в краях свариваемого листа нержаве ющей стали. Контроль осуществляется и за м етодикой формирования гофр сильфонн а при которой достигается одинаковая (1-1.5%) толщина стенки в любом месте профиля. Т ак же, необходимо о беспечиват ь , одинаков ую твердость сильфона по всему его профилю (для всех гофр). Это позволит гарантир овать равномерное распределение упругих свойств компенсатора и устойчивость к нагрузкам на растяжение сильфона , создаваемым внутренним давлением в трубопроводе, и к внешним нагрузкам на компенсатор, создаваемым температурными деформациями.
Использование компенсаторов в системах отопления позволяет обеспечить :
— компенсацию температурного расширения трубопроводов;
— компенсацию несоосности в трубопроводных системах, возникших вследствие монтажных работ;
— изол яцию вибрационны х нагруз о к от работающего оборудования;
— изол яцию вибрационны х нагруз о к от потока транспортируемой среды ;
— надежное соединение труб различного типа ;
— предотвращает разрушение труб при деформации трубопроводов;
— герметизирует трубопроводы;
Для защиты трубопровода от температурных расширений и деформаций возникающих при эксплуатации, традиционно применяются компенсаторы для систем отопления различных конструкций. Наибольшее распространение, благодаря простоте установки, надежности конструкции и долговечности получили Компенсаторы для систем отопления на основе металлического сильфона обеспеч ивающего безопасност ь отопительной системы на протяжении всего срока эксплуатации и не требующего постоянного контроля и обслуживания . Такие конструкции позволяют предотвратить различные деформации, которые возникают в труб опроводе из-за перепада температур и давления. В связи с тем, что на Компенсаторы для систем отопления возложена функция увеличения срок а службы системы отопления, их надежность должна обеспечиваться на протяжении всего срока эксплуатации трубопровода . О тсутствие компенс ирующих устройств в системах отопления приводит к нежелательным последствиям, значительным деформациям или прорыву отопительной системы , значительная часть таки х авари й зачастую происход и т зимой в разгар отопительного сезона.
Д о недавнего времени в системах отопления принялись устаревшие компенсирующие системы, такие как сальниковые , П , S, L -образные компенсаторы. Такие устройства просты и имеют сравнительно невысокую стоимость . П ри этом имеют целый ряд значительных недостатков: П , S, L -образные компенсаторы требуют выделения значительной площади для их установки , а сальниковые требуют периодического технического обслуживания и постоянного контроля, а при подземной прокладке постройки специальных камер. Таким образом первоначальная экономия на стоимости самих компенсаторов , влечет за собой потерю полезной площади, существенное увеличение стоимости монтажа и штата обслуживающего персонала .
Учитывая вышеперечисленные недостатки, наиболее оптимальным решением становится применение сильфонных компенсаторов, не требующих обслуживания. Рабочей частью таких устройств является сильфон из упруг ой гофрированн ой металлическ ой оболочк и , обладающ ей способностью растягиваться, сжиматься и изгибаться под действием перепада температур, давления , вибраций, движения почвы и механических воздействий . П рименение сильфонных компенсаторов при строительстве трубопроводов и реконстру кции отопительных систем высотных жилых домов позвол яет снизить риск возникновения причин влекущих за собой разрушение трубопровода. При этом сильфонные компенсаторы для систем отопления герметичны, компактны, долговечны и не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации .
Расчет удлинения участка стального трубопровода проводится по формуле:
L= 0,012×Н×(T1-T2),
где:
0.012 мм/(м×С)- коэффициент температурного удлинения углеродистой стали.
Н м– высота трубы.
Т1 °С — максимальная температура воды в системе отопления.
Т2 °С- минимальная температура монтажа системы отопления.
L= 0,012* 30* (90- (-10))=36 мм.
При расчете компенсаторов в высотных домах применяются аналогичные вычисления. Например, для 20-ти этажного дома понадобится установить уже 3 сильфонных компенсатора на каждую трубу системы отопления.
Выбор компенсатора для систем отопления
При выборе к омпенсатор а для систем отопления очень важно о предел ить рабочи е параметр ы и срок эксплуатации трубопровода. Для правильного выбора компенсатора и расчета времени работы , необходимо отталкива ться от количества циклов и длины компенсатора для систем ы отопления.
При этом следует учитывать, что компенсаторы для систем отопления на 50 циклов мо гут использоваться от одного до пяти лет, компенсатор ы для систем отопления на 1000 циклов мо гу т использоваться от пяти до пятнадцати лет, на 5000 циклов — не менее 25 лет , если условия эксплуатации не создают дополнительных нагрузок и окружающая среда не оказывает разрушающего воздействия на материалы компенсатора.
П олны м рабочи м цикл ом считается сжатие — растяжение компенсатора по оси , на всю величину допустимого хода. Например, если осевой ход составляет 210 мм для 5000 циклов, то осевой ход считается +/-105 мм .
Допустим в расчет тепловых сетей внесены компенсаторы для систем отопления:
Первый — компенсатор с сильфоном 1080 мм (предназначен не менее чем на 100 0 рабочих циклов);
В торой — компенсатор с сильфоном 630 мм (предназначен на 50 рабочих циклов).
Но в период эксплуатации, компенсатор не будет непрерывно работать на всю длину осевого хода , это будет зависеть от условий: температуры рабочей среды, скачков давления, и т. д . В случае когда к омпенсаторы для систем отопления не испытывают максимально возможных нагрузок , их осевые сжатия и расширения будут меньше чем +/-105 мм и, в следствие чего , период работы увеличится.
Величина осевого расширения — сжатия непосредственно связан а с количеством циклов срабатывания : чем больше один, тем меньше второй.
Например, компенсатор оснащенный сильфоном 630 мм с ходом на сжатие-расширение 210 мм (+/-105) отработает 50 рабочих циклов, но если он будет использоваться с о сжатием-расширением +/-95, то способен выполнит 75 рабочих циклов, когда он будет иметь ход +/-31,5 мм, то его ресурс увеличится до 5000 рабочих циклов.
Компенсатор с длинной сильфона 1080 мм с о сжатием-расширением 210 мм (+/-105) отработает 1000 рабочих циклов, но если он будет использоваться с о сжатием-расширением +/-95 мм , то отработает 1100 рабочих циклов, если величина срабатывания составит +/-31,5 мм, то его ресурс увеличится до 140000 рабочих циклов.
Поэтому перед заказом компенсаторов необходимо ознакомиться с условиями в которых может применяться компенсатор, а также вычислить запас необходимого осево го хода сильфона .
Предотвращение деформаций и разрушения трубопровода
Применение П, S и L -образных систем позволяет создавать компенсирующие устройства непосредственно на месте монтажа. Гнутые компенсаторы изготовливаются из отводов и прямых отрезков труб при помощи сварки. Диаметр, толщина стенки и марка стали труб для гнутых компенсаторов должны быть такие же, как и для основных участков трубопровода. Компенсационная способность таких конструкций колеблется в зависимости от диаметра трубопроводов, чем больше диаметр, тем больше компенсационная способность.
П-образные компесаторы, как правило, устанавливают в горизонтальном положении и в исключительных случаях верикально или наклонно. При установке таких компенсаторов ветрикально или наклонно в нижних точках с обоих сторон компенсаторов необходимо смонтировать дренажные штуцера для отвода конденсата, а в верхней части воздухоотводчики.
Для обеспечения нормальной работы П-образный компенсатор устанавливают не менее чем на трёх подвижных опорах. Две опоры располагают на прямых участках трубопровода, присоединяемых к компенсатору , учитывая, что при этом край опоры должен отстоять от сварного стыка не менее чем на 500мм, третью опору ставят по середине компенсатора, обычно на специльной колонне. Для предварительной растяжки П-образного компенсатора применяют приспособление, состоящее из двух хомутов, между которыми установлены винт и распорка с натяжной гайкой. Перед растяжкой замеряют длину компенсатора в свободном состоянии, а затем путём вращения гайки разводят его на необходимую длинну . Распорное приспособление устанавливают параллельно спинке компенсатора. В о избежани и перекоса , при растяжк е нельзя использовать стык , н епосредственно прилегающий к компенсатору. Для этой цели нужно оставлять зазор в соседнем стыке.
При подъёме компенсатор а его следует захватывать в трёх точках и ни в коем случае за распорное приспособление. Лишь после прихват а сваркой стыков и заркепления , к омпенсаторы для систем отопления отсоединяют от грузо-подъёмных устройств . Предварительно провери в надёжность установки распорного приспособления.
При групповом расположении П-образных компенсаторов параллельных трубопроводов предварительную растяжку заменяют натяжением трубопровода в холодном состоянии. В этом случае при установке компенсаторов трубопровод собирают обычным способом, но в одном из стыков (сварном или фланцевом) оставляют зазор, равный заданной величине растяжки компенсатора. Перед растяжкой следует убедиться в том, что все сварные стыки на данном участке заварены и окончательно закреплены неподвижные опоры.
Сальниковые компенсаторы изготовляют из труб, или листовой стали марки Ст.З. Устанавливают их строго по оси теплопровода, без перекосов. Они могут быть односторонними и двусторонними с увеличенной компенсирующей способностью в два раза больше, чем одностороннего. Основным недостатком таких устройств является применение в конструкции набивки сальникового типа, выполненной из асбестового прографиченного шнура и термостойкой резины. Такая система требует постоянного внимания и обслуживания.
Установка сальниковых компенсаторов или дополнительных изгибов трубопровода влекут за собой необходимость выделения под их установку значительных площадей и увеличение эксплуатационных затрат. Применение гнутых компенсаторов требует устройства специальных компенсаторных ниш, которые представляли из себя непроходной канал, по конфигурации соответствующей форме компенсатора (конструкция такого канала аналогична конструкции канала, применяемого на трассе тепловой сети). В связи с этим, при составлении проектов возникала необходимость минимизировать количество компенсаторов в системах отопления, максимально используя естественную самокомпенсирующую способность поворотов трубопроводов. Кроме того, гнутые компенсаторы применяют при давлении теплоносителя до 16 кгс/см2 при надземной прокладке труб всех диаметров. Во всех других случаях, а также при невозможности выделения дополнительной площади, приходилось применять сальниковые компенсаторы, которые в свою очередь требовали обеспечения возможности свободного доступа к конструкции для проведения своевременного обслуживания и контроля их состояния. Решить эту проблемы позволило применение сильфонов, лишенных выше перечисленных недостатков.
Компенсаторы для систем отопления должны распологаться на прямом участке трубопровода так, что бы этот участок оснащался с двух сторон неподвижными опорами, ограничивающими движение трубопровода в нежелательных направлениях. Между неподвижными опорами укладывают скользящие опоры, которые обеспечивают свободное перемещение при тепловом удлиннении.
Перед установкой компенсаторов в проектное положение необходимо проводить конроль путем внешн его осмотр а . В се к омпенсаторы для систем отопления , к ак правило пред окончательным присоединением к трубопроводу должны быть предварительно растянуты или сжаты на величину, указанную в проекте, и установлены на тру б опроводы вместе с распорным или сжимающим приспособлением, которое снимают только после окончательного крепления трубпорвод а на неподвижных опорах. Величина предварительной растяжки указывается в рекомендациях производителя и проектной документации .
Растяж ение применяют для систем отопления , а сжатие – для холодн ой воды . Работы по растяжк е или сжати ю называется холодным на т ягом трубпорвода и производ я тся с целью уменьшить напряжение в металле при тепловом удлинении или сжатии системы .
При растяжк е компенсаторов , независимо от способа её выполнения , составля ется акт, в котором указывают строительные длины компенсаторов до и после растяжки.
Фланцевый стык, оставленный для растяжки, сременно (без постоянных прокладок) стягивают удлинёнными шпильками, устанавлива их через одну и оставляя отверстия для постоянных болтов. Диаметр и количество шпилек для натяжения трубопроводов в холодном состоянии указывается в проекте.
После установки компенсаторов в проектное положение, сварки всех стыков (кроме одного) и закрепления трубопровода на всех неподвижных опорах по обе стороны компенсатора удаляют временное прокладочное кольцо и стягивают стяк для сварки путём затяжки гаек на удлинённых шпильках. При фланцевом соединении перед окончательной затяжкой устанавливают прокладку, предусмотренную в проект е . После затяжки фланцевого соединения постоянными болтами временные шпильки вынимают, и на их место устанавливают постоянные болты.
При монтаже вертикальных участков тепловой сети необходимо принимать меры, исключаюище возможность сжатия и дефомации компенсаторов под действием силы тяжести трубопровод а . В целях исключения подобных нагрузок, параллельно компенсаторам на трубопровдах приваривают скобы, которые срезают после завершения монтажа трубопровода.
При установке на трубопровод е нескольких компенсаторов в проекте предусм атриваются неподвижные опоры за каждым компенсатором, чтобы исключить возникновение прогиба трубопровода, находящегося в сжатом состоянии, и обеспечить равномерную деформацию всех компенсаторов, установленных на трубопроводе.
У компенсаторов перед установкой проверяют строительную длину; с помощью проставок и шпилек устанавливают зазор, соответствующий предварительной растяжке.
Осевые к омпенсаторы для систем отопления монтируют в такой последовательности :
— с начала приваривают одним концом к трубопроводу
— м ежду вторым концом и привариваемой трубой проверяют зазор, равный величине предварительной растяжки, производят растяжку с помощью имеющихся на нем гаек со шпильками, приваривают второй конец к трубопроводу, после чего удаляют шпильки и гайки.
