Монтажная (начальная), расчетная температура и температура испытаний

Температурный перепад

При расчетах трубопроводов, одним из наиболее существенных воздействий является температурный перепад ΔT , который равен разности температуры стенок, при которой происходит замыкание стыков трубопровода Т_монт (монтажная температура) и температуры стенок в рабочем состоянии Т_раб (расчетная температура в рабочем состоянии):

Коэффициент надежности для температурного перепада γ_t по всем действующим нормам расчета на прочность трубопроводов равен γ_t =1.0.

Следует иметь в виду, что если принимать абсолютно минимальное значение Т_монт и абсолютно максимальное значение Т_раб, то температурный перепад оказывается неоправданно завышен и ведет к нецелесообразным экономическим затратам на устройство большого количества температурных компенсаторов и т.д. (особенно это касается трубопроводов, защемленных в грунте). Поэтому при задании температурного перепада рекомендуется использовать не экстремальные значения температур, а температуры, действующие длительное время. А кратковременные превышения температуры рекомендуется рассматривать как кратковременные воздействия (по режиму ПДК / ПДКОН), при этом допускаемые напряжения принимаются выше (см. критерии прочности). Это же утверждение справедливо и для различных режимов работы с повышенной температурой, например пропаривание и т.д., которые также следует рассчитывать отдельно по режиму ПДК / ПДКОН.

К примеру, в трубопроводах тепловых сетей максимальная расчетная температура равна 150 0 С, но реально такие высокие температуры действуют весьма непродолжительное время. При графике 150-70ºC продолжительность действия температуры более 130ºC по данным ОАО «Мосэнерго» не превышает 10 суток в году, а 150 ºC – 30 часов в году, даже для магистральных теплопроводов большого диаметра. Для трубопроводов воздушной прокладки температурный перепад ΔT= (150 — (-20))=170ºC достаточно легко воспринимается благодаря гибкости воздушных трубопроводных систем (здесь Т_монт=-20ºC поскольку производство работ по замыканию трубопровода и сварке стыков как правило не производят при температуре ниже -20ºC). Но для трубопроводов бесканальной прокладки такой перепад приводит к огромным напряжениям. Поэтому расчетную температуру в тепловых сетях воздушной прокладки принято принимать Т_раб=150 0 С, а для тепловых сетей бесканальной прокладки принимают Т_раб=130 0 С и температуру монтажа равную Т_монт=0ºC, предполагая что заварка стыков и засыпка не производятся при отрицательных температурах.

Температура монтажа (начальная температура)

Температура монтажа — температура стенок трубы, соответствующая замыканию трубопровода или ее части в законченную систему. Температура монтажа равна:

Для трубопроводов без стартовых компенсаторов: средней по длине трубопровода температуре стенок (металла) в момент заварки последнего стыка, когда конструкция из разрезной превращается в неразрезную.

Для трубопроводов со стартовыми компенсаторами: средней по длине трубопровода температуре стенок (металла) перед началом предварительного нагрева трубопровода.

Как правило, температура монтажа заранее точно не известна, поэтому приходится принимать некоторое минимальное значение температуры окружающего воздуха в районе строительства, которая обеспечивает разумный запас прочности. При этом следует учитывать, что сварочные работы по замыканию трубопровода как правило не могут производиться при температуре окружающего воздуха ниже определенного уровня.

Монтажную температуру рекомендуется определять по следующей формуле

Т_строит — минимальное значение температуры окружающего воздуха, при которой согласно требованиям норм и руководящих документов допускается проведение соответствующих строительных и сварочных работ на открытом воздухе. Значение Т_строит как правило зависит от типа стали и толщины стенки и изменяется в пределах от -20ºC до 0ºC.
Если при выполнении сварочных работ могут быть использованы специальные укрытия или предварительный подогрев, то работы могут производиться при температуре окружающего воздуха до -50 ºC. В этом случае Т_монт = Т_возд.

Т_возд — температура окружающего воздуха в момент замыкания трубопровода:

При наличии данных о календарном сроке замыкания трубопровода (заварки последнего стыка), порядке производства работ и др. Т_возд рекомендуется уточнять в соответствии с данными СП Нагрузки и воздействия [ 1 ], п. 13.6 .

При отсутствии данных о календарном сроке замыкания трубопровода для назначения Т_возд рекомендуется принимать начальную температуру в холодное время года согласно СП Нагрузки и воздействия [ 1 ], п. 13.6 .

Для трубопроводов бесканальной прокладки (кроме случая прокладки в открытой траншее) обычно принимают 0°С. Предполагается, что последний стык заваривается тогда, когда вся траншея засыпана, так что отрицательной температуры в стенках трубопровода быть не может. В случае замыкания трубопровода в открытой траншее, начальная температура определяется аналогично надземному трубопроводу.

В некоторых ситуациях, для снижения температурного перепада, температура монтажа может приниматься выше. В этом случае в проекте должна быть оговорка, что замыкание трубопровода не допускается при температуре окружающего воздуха ниже Т_монт.
В некоторых документах (сводах правил) и справочниках имеются указания по учету температуры наиболее холодной пятидневки или абсолютной минимальной температуры. Нужно иметь в виду, что эти температуры используются, как правило, для выбора материалов труб и изделий для трубопроводов, расположенных на открытом воздухе или в не отапливаемых помещениях, когда важны такие характеристики металла, как твердость, хладноломкость и т.п. Обычно монтажные работы при таких температурах не ведутся и к температуре монтажа Т_монт они не имеют прямого отношения.

Пример определения монтажной (начальной) температуры

Исходные данные: город — Санкт-Петербург . Сталь углеродистая с содержанием углерода не более 0.24%. Расчетная температура в рабочем состоянии равна Т_раб=150°С.

Определим монтажную (начальную) температуру Т_монт.

Если монтажные работы ведутся без специальных укрытий и предварительного подогрева свариваемых стыков, то согласно СНиП 3.05.03-85 сварку разрешается производить:

при температуре наружного воздуха до -20°С для труб из углеродистой стали с содержанием углерода не более 0.24% (независимо от толщины стенки труб), а также труб из низколегированной стали с толщиной стенки не более 10 мм;

при температуре наружного воздуха до -10°С для труб из углеродистой стали с содержанием углерода свыше 0.24%, а также труб из низколегированной стали с толщиной стенки свыше 10 мм.

Следовательно Т_строит = -20°С.

Согласно п. 13.6 [ 1 ] t _0с = 0.2t_VII + 0.8t_I = 0.2 · 15 + 0.8 · (-10) = -5°С.

Температурный перепад с учетом коэффициента надежности согласно п. 13.8 [ 1 ] должен быть равен Δ t = 1.1(Т_раб — t _0с ) = 1.1( 150 — (-5) ) = 1.1 · 155 = 170.5 °С (169.4)

Отсюда Т_возд = Т_раб — Δ t = 150 — 170.5 = — 20.5°С.

Монтажную (начальную) температуру принимаем Т_монт = max( Т_строит, Т_возд ) = max(-20, -20.5) = -20 °С

Расчетная температура в рабочем состоянии

Расчетная температура — это средняя по длине участка температура стенок (металла) в рабочем состоянии Т_раб. Часто принимается равной расчетной температуре продукта.

Если продукт имеет температуру, близкую к максимальной температуре окружающего воздуха (холодный трубопровод), то расчетную температуру рекомендуется принимать с учетом максимальной температуры окружающего воздуха и нагрева стенок от возможного прямого воздействия солнечных лучей, то есть наибольшую из из двух значений:

Т_{продукта} — расчетная температура продукта. Рекомендуется принимать равной температуре, превышение которой происходит не чаще 30 суток в году. Например для тепловых сетей это 150ºC

Т_сеч — средняя температура по сечению трубы в теплый период года. Может оказаться определяющей для холодных трубопроводов. Рекомендации по определению такой температуры приводятся ниже.

Температура нагрева стенок трубы от окружающего воздуха и солнечной радиации

Т_сеч принимается равной максимальной средней температуре по сечению трубы в теплый период года. Принимается, например, как t_w согласно СП Нагрузки и воздействия [ 1 ], п. 13.3 .

При этом, для трубопроводов с теплоизоляцией рекомендуется не учитывать суточные колебания температуры и воздействие солнечной радиации ( θ₁ =0 и θ₄ =0). Для трубопроводов без теплоизоляции, но защищенных от воздействия прямых солнечных лучей рекомендуется не учитывать воздействие солнечной радиации ( θ₄ =0).

Пример:

Рассмотрим пример вычисления максимальной температуры п. 13.3:

t_ew — средняя суточная температура наружного воздуха в теплое время года. Например t_ew =t_VII+Δ_VII=30+6=36 0 С

θ₁ — приращения средних по сечению трубы температур от суточных колебаний температуры наружного воздуха, θ₁ =8 0 С

θ₄ — приращение средней по сечению трубы температуры от солнечной радиации (от воздействия прямых солнечных лучей).

1.1 — коэффициент надежности для климатических воздействий согласно п. 13.8 [ 1 ]

Для трубопроводов без теплоизоляции, не защищенных от воздействия прямых солнечных лучей:

ρ — коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности трубы. Например для стального листа, окрашенного в темный красный цвет ρ =0.8,

S_max — максимальное значение суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации на горизонтальную поверхность, Вт/м 2 . Например, для 38 гр. с. ш., S_max =987 Вт/м 2 ,

k — для металла принимается равным k=0.7

θ₄ =0.05 ∙ρ∙ S_max ∙ k =0.05 ∙ 0.8 ∙ 942 ∙ 0.7=26.4 0 С

Окончательно, получаем расчетную температуру

Соответственно, если расчетная температура продукта Т_{продукта} меньше чем 7 7 . 5 0 С, то в запас прочности целесообразно принять Т_раб=7 7 . 5 0 С

Расчетная температура испытаний

Цель испытаний обычно сводится к проверке герметичности стыковых соединений, т.е. к проверке качества монтажных работ. Если испытания проводятся водой (гидроиспытания), то температура наружного воздуха должна быть положительной, чтобы исключить замерзание воды. В большинстве случаев расчетная температура при испытаниях принимается +20°С.

Основные нормы и рекомендации СНиП при монтаже отопительных систем

Последние годы строительство постоянно развивается. Современные архитектурно-планировочные решения направлены на достижение максимального комфорта жильцов. Немаловажной частью возведения зданий является обустройство надежной отопительной системы, к которой предъявляется ряд требований.

Правила проектирования и монтажа отопительных систем описываются во множестве различных СНиПах. Узнать наиболее подробную информацию можно в следующих версиях документов:

1. 2.04.05-91 – описаны противопожарные требования, которые предъявляются к отопительным системам, кондиционерам и вентиляции
2. 41-01-2003 – содержатся экологические, санитарные и противопожарные нормы к отопительным системам

Проектирование теплоснабжения внутри помещений

Описывая отопление снип выделяет следующие основные методы осуществления теплоснабжения зданий:

• От индивидуальных источников теплоснабжения (частные дома, поквартирное отопление)
• От централизованного теплоснабжения
• От автономного теплоснабжения (включая крышные котельные)

Когда отдельные помещения или их группы получают тепло от единого источника, обязательно проектирование независимого трубопровода. Перед каждой из групп необходимо устанавливать отдельный узел учета за тепловой энергией.

Проектируя отопительную систему, рекомендуется предусмотреть наличие контрольно-измерительных приборов. Они должны в автоматическом режиме регулировать температуру циркулирующей жидкости в зависимости от обстановки. Когда автоматическое регулирование не предусмотрено, суммарная мощность системы не должна превышать 50 кВт.

Когда предусматривается прокладка труб на основе полимерных материалов, необходимо руководствоваться ограничениями, предписанными производителями трубной арматуры. При этом параметры циркулирующей по трубам жидкости не должны быть более следующих значений:

• Давление (рабочее) – 1 МПа
• Температура теплоносителя – 90 град.

Проектируя отопительную систему, особое внимание уделяют ее стойкости (тепловой и гидравлической). Минимальный срок работы трубопровода и приборов отопления (радиаторы, конвекторы) должен составлять 25 лет.

Внимание уделяется выбору теплоносителя, который будет циркулировать по трубам. Он должен быть безвреден для человека и не взрывоопасен. Специалисты и предписанные нормы рекомендуют использовать воду.

В холодную пору, когда температура снаружи опускается ниже -30 градусов, разрешается добавление некоторых примесей в теплоноситель. Запрещено использовать добавки 1-го и 2-го классов опасности, а также составы, которые способны вызвать разрушение трубной магистрали.

Требование к тепловым генераторам и котлам

Проектируя отопительную систему для отдельных жилых помещений или квартир, разрешается использовать различные модели отопительных котлов, находящихся в исправном состоянии и полностью готовых к использованию. Они должны регулярно осматриваться и обслуживаться.

Чтобы спроектировать надежное отопление снип рекомендует использовать котельные установки со следующими предельными рабочими характеристиками:

1. Давление (рабочее) – до 1 МПа
2. Температура теплоносителя (рабочая) – до 95 градусов
3. Тип камеры сгорания – закрытая или открытая

Выбираемое оборудование должно оснащаться контрольно-измерительными приборами и автоматикой, способной выключить систему при проявлении неисправностей (погасшее пламя, нарушение работы режима электросети, падение давления или температуры). Задействовать котлы с открытыми камерами сгорания в многоквартирных домах высотой более 5-ти этажей запрещается.

Установку отопительных котлов в жилых помещениях разрешают лишь в случаях, когда их мощность не превышает 35 кВт. В иных ситуациях необходимо отводить отдельное помещение под котельную. Максимальный показатель мощности теплогенератора в индивидуальной отопительной системе не должна быть более сотни кВт.

Следует предусмотреть удаление дыма посредством дымоходной системы. Среди многочисленных требований, предъявляемых к ней, стоит отметить:

1. Отдельные участки дымохода должны располагаться исключительно в горизонтальном или вертикальном положении с минимальным количеством изгибов
2. Запрещена прокладка трубы по жилым помещениям
3. Дымоходная труба должна быть без шероховатостей внутри и не иметь сужений
4. Дым должен выбрасываться выше кровли
5. Если температура газа превышает 105 градусов, запрещается использовать трубы из горючих материалов

Потери тепла и давления в отопительной системе

Спроектированная система должна обеспечивать достаточным количеством тепла все отапливаемые помещения. Если имеются прилегающие крытые площади, которые не отапливаются, температура в них не должна быть менее 5 градусов.

Проектируя отопление и прокладывая трубы, необходимо учесть ряд факторов, вызывающих потери тепла:

• Тепло, которое тратится на нагревание близлежащих предметов и материалов
• Тепло, которое теряется через ограждающие поверхности
• Недостаточное утепление

Через внутренние перегородки можно не учитывать потери тепла, если разница температур в них не превышает 5 градусов.

В процессе эксплуатации отопительной системы необходимо уделять должное внимание давлению в трубах. Чтоб добиться желаемой тепловой и гидравлической устойчивости, придется учесть его потери, придерживаясь следующим правилам:

• В стояках для систем с подающей нижней разводкой и верхней обраткой – до 300 Па на каждый метр
• В однотрубной системе в циркуляционных кольцах – не более 30%

Требования к трубопроводам

Предписанные нормы разрешают использование различных труб и трубной арматуры, которые не запрещены в строительстве. Рекомендуется использовать изделия одного производителя и стараться избегать прямых переходов между полимерными и стальными трубами.

Нельзя прокладывать трубопровод на неутепленном чердаке или в подпольном пространстве, если в них температура может опускаться ниже -20 градусов. Однако разрешен монтаж расширительного бака из негорючих материалов в чердачном помещении.

Трубы необходимо располагать таким образом, чтоб они оставались доступны для технического обслуживания и ремонта. Замуровать их в конструкции пола и стен разрешается лишь в случаях, когда эксплуатационный гарантийный срок превышает 40 лет.

Осуществляя скрытую прокладку, необходимо предусмотреть наличие люков в местах соединения. Полимерные трубы рекомендуется оставлять открытыми в местах, в которых исключены на них воздействие УФ-излечения, механические повреждения и прочие влияния. Нельзя прокладывать магистрали через перегородочные поверхности без установки негорючих защитных гильз.

Трубная арматура и отопительные приборы

Определенных правил необходимо придерживаться, выбирая и монтируя трубную арматуру или отдельные отопительные приборы (конвекторы, радиаторы). Например, размещать батареи рекомендуется под окнами, предусмотрев свободный доступ для их осмотра, очистки. Они не должны заграждаться мебелью, чтоб обеспечивался достаточный воздухообмен.

Наиболее подходящая длина радиатора отопления, сравнивая ее с аналогичной характеристикой проема, под которым он устанавливается, следующая:

1. 0.75 для общественных нежилых помещений
2. 0.5 для жилых помещений

Отопительные радиаторы разрешается закрывать декоративными решетками, но не стоит забывать о возможности незатрудненного и быстрого доступа к ним в любой момент времени. Монтаж электрических или водяных нагревателей разрешен в многослойных наружных стеновых поверхностях или в половом перекрытии.

Если используются встроенные в перекрытия нагревательные приборы, необходимо учитывать максимальные показатели температуры поверхностей:

• 30 градусов – для половых поверхностей с периодическим пребыванием людей
• 25 – для половых поверхностей с постоянным пребыванием людей
• 70 – для стен, граничащих с улицей

Если в полу прокладываются одиночные отопительные трубы вдоль стен, можно не учитывать описанные выше температурные ограничения.

В жилых помещениях необходимо устанавливать запорную арматуру на входе у каждой батареи. Не следует забывать об автоматических терморегулирующих механизмах. Каждый стояк должен оснащаться устройством для спуска теплоносителя.

Проектируя отопление снип является основным документом, из которого можно узнать предъявляемые нормы и требования. Однако, подводя итоги, можно выделить несколько общих правил, которым должны придерживаться соответствующие системы:

• Обязана быть надежной и безопасной для окружающих
• Должна соответствовать выбранному архитектурно-планировочному решению
• Должна обеспечить минимальные затраты на обустройство и эксплуатацию
• Должна быть безопасна для окружающих