Величина смещения (компенсирующая способность) компенсаторов, как правило, выражается комбинацией положительных и отрицательных числовых значений (±). Отрицательное (-) значение обозначает допустимое сжатие компенсатора, положительное (+) - его допустимое растяжение. Сумма абсолютных величин таких значений представляет собой полное смещение компенсатора. В большинстве случаев компенсаторы работают на сжатие, компенсируя температурное расширение трубопроводов, реже (охлажденные среды и криогенные продукты) - на растяжение.
Предварительная растяжка при монтаже нужна для рационального использования полного смещения компенсатора в зависимости от характера работы трубопровода, условий монтажа и предотвращения возникновения стрессовых условий.
Пиковые значения расширения трубопровода зависят от минимальной и максимальной температур его эксплуатации. Например, минимальная температура работы трубопровода Tmin = 0°С и максимальная Т тах = 100°С. Т.е. разница температур At = 100°C. При длине трубопровода L равной 90 м, максимальное значение его удлинения трубопровода AL составит 100 мм. Представим, что для установки на таком трубопроводе используются компенсаторы со смещением ±50 мм, т.е. с полным смещением 100 мм. Также представим, что температура окружающей среды на этапе их монтажа Т у равна 20°С. Характер работы компенсатора при таких условиях будет таким:
- при 0°С - компенсатор будет растянут на 50 мм
- при 100°С - компенсатор будет сжат на 50 мм
- при 50°С - компенсатор будет находится в свободном состоянии
- при 20°С - компенсатор будет растянут на 30 мм
Следовательно, предварительная растяжка на величину 30 мм при монтаже (Т у = 20°С) обеспечит эффективную его работу. Когда температура поднимется от 20°С до 50°С при вводе в эксплуатацию трубопровода, компенсатор вернется в свободное (ненапряженное) состояние. При повышении температуры трубопровода от 50°С до 100°С, смещение компенсатора относительно свободного состояние в сторону сжатия составит расчетные 50 мм.
Определение значения предварительного растяжения
Примем длину трубопровода равную 33 метрам, максимальную/минимальную рабочую температуру +150°С /-20°С соответственно. При такой разнице температур коэффициент линейного расширения а составит 0,012 мм/м*°С.
Максимальное удлинение трубопровода может быть рассчитано следующим образом:
ΔL = α*L* Δt = 0,012 х 33 х 170 = 67 мм
Значение предварительного растяжения PS определяется по формуле:
PS = (ΔL/2) - ΔL(Ty-Tmin): (Tmax-Tmin)
Таким образом, в процессе монтажа компенсатора его необходимо установить с предварительным растяжением PS равным 18 мм.
|
|
На рис. 1 показано расстояние необходимое для монтажа компенсатора в линию трубопровода, определяемое как сумма значений длины компенсатора lq в свободном состоянии и предварительного растяжения PS.
На рис. 2 показано, что при монтаже, с одной стороны компенсатор фиксируется фланцем или приваривается.
Технология монтажа компенсаторов.
1.1. общие сведения о компенсаторах.
Все трубопроводы при изменении температуры транспортируемого продукта и окружающей среды подвержены температурным деформациям. Линейное удлинение 1м трубопровода при его нагревании на 1оС называют коэффициентом линейного удлинения.
Поскольку трубопроводы имеют большую протяженность, то суммарное их удлинение может достичь больших величин.
Тепловое удлинение участка трубопровода?l определяют по формуле:
Вследствие теплового удлинения в трубопроводе возникают значительные продольные усилия, которые оказывают давление на конечные закрепленные точки (опоры), стремясь сдвинуть их с места. Эти усилия настолько значительны, что могут разрушить опоры, вызвать продольный изгиб трубопровода (рис.1,а) или привести к нарушению фланцевых и сварных соединений.
Для защиты трубопровода от дополнительных нагрузок, возникающих при изменении температуры, его проектируют и конструктивно выполняют так, чтобы он имел возможность свободно удлиняться при нагревании и укорачиваться при охлаждении без перенапряжения материала и соединений труб. Способность трубопровода к деформации под действием тепловых удлинений в пределах допускаемых напряжений в материале труб называется компенсацией тепловых удлинений. Способность трубопровода компенсировать тепловые удлинения за счет эластичности конструкции участка линии и упругих свойств металла, без специальных устройств, встраиваемых в трубопровод, называется самокомпенсацией
Самокомпенсация осуществляется благодаря тому, что в линии трубопровода, кроме прямых участков, между неподвижными опорами имеются повороты или изгибы (отводы). Расположенный между двумя прямыми участками поворот или отвод обеспечивает компенсацию значительной части удлинения благодаря эластичности конструкции, а остальная часть компенсируется за счет упругих свойств металла прямого участка трубопровода.
Когда при проектировании и монтаже нельзя использовать самокомпенсацию трубопроводов или ее недостаточно для защиты трубопровода от усилий, возникающих под действием тепловых удлинении, устанавливают специальные устройства, называемые компенсаторами.
В зависимоти от конструкции, принципа работы компенсаторы делятся на четыре основные группы: П-образные, линзовые, волнистые и сальниковые.
П-образные компенсаторы обладают большой компенсационной способностью (до 600-700мм) и применяются в трубопроводах для широкого диапазона давлений и температур. П-образные компенсаторы получили наибольшее применение в технологических трубопроводах ввиду сравнительной простоты их изготовления в эксплуатации. Их недостатки — большой расход труб, большие габаритные размеры и необходимость сооружения специальных опорных конструкций.
П-образные компенсаторы особенно неэкономичны для трубопроводов больших диаметров, так как значительно удорожают стоимость строительства и увеличивают расход труб.
П-образные компенсаторы изготовляют полностью гнутыми из одной трубы или сварными с применением гнутых, крутоизогнутых или сварных отводов. Компенсаторы гнутые и сварные с крутоизогнутыми отводами можно устанавливать на трубопроводов для любых давлений и температур. При этом компенсационная способность трубопроводов с крутоизогнутыми отводами выше, чем гнутых, за счёт более длинных прямых участков.
П-образные компенсаторы из сварных отводов используют для трубопроводов условным диаметром не более 500мм. Для трубопроводов пара и горячей воды такие компенсаторы можно применять на трубопроводах III и IV категорий на условное давление до 64кгс/см2.
П-образные компенсаторы, как правило, устанавливают в горизонтальном положении, соблюдая необходимый уклон газопровода. При ограниченной площади компенсаторы можно устанавливать в вертикальном и наклонном положении петлей вверх или вниз, при этом они должны быть снабжены дренажными устройствами и воздушниками.
Для трубопроводов, требующих разборки для очистки, П-образные компенсаторы изготовляют с присоединительными концами на фланцах.
Конструкция П-образных компенсаторов и их размеры должны быть указаны в проекте.
Состоят из ряда последовательно включённых в трубопровод линз. Линза сварной конструкции состоит из двух тонкостенных стальных штампованных полулинз, и благодаря своей форме легко сжимается. Компенсирующая способность каждой линзы сравнительно небольшая (10 — 16мм). Число линз компенсатора выбирают в зависимости от необходимой компенсирующей способности. Для уменьшения сопротивления движению продукта внутри компенсатора устанавливают стаканы. Для спуска конденсата в нижних точках каждой линзы вварены дренажные штуцера. Линзовые компенсаторы применяют на уловное давление до 6кгс/см2 при температуре до +450оС. Устанавливают их на газопроводах и паропроводах диаметром от 100 до 1600мм.
Преимущество линзовых компенсаторов по сравнению с П-образными это небольшие размеры и масса; недостатки — небольшие допускаемые давления, малая компенсирующая способность и большие продольные усилия, передаваемые на неподвижные опоры.
Волнистые компенсаторы — наиболее совершенные компенсаторные устройства. Они имеют большую компенсационную способность, небольшие габариты и могут применяться при сравнительно высоких давлениях и температурах.
Отличительной особенностью волнистых компенсаторов по сравнению с линзовыми является то, что гибкий элемент представляет собой тонкостенную стальную гофрированную высокопрочную и эластичную оболочку. Профиль волны имеет омегообразную или U-образную форму, благодаря чему гибкий элемент может сокращаться или увеличиваться в длину, а также изгибаться при приложении нагрузки. В основу технологии изготовления гибкого элемента компенсатора положен принцип гидравлической вытяжки (формовки) волн в цилиндрической обечайке с осадкой её по высоте (для этой цели применяют специальные гидравлические прессы).
Волнистые осевые компенсаторы КВО-2 устанавливают на прямых участках трубопроводов и на повороте.
Волнистые универсальные шарнирные компенсаторы КВУ-2 и КВУ-3 устанавливают в П-образных, Z-образных и угловых шарнирных системах трубопроводов по 2-3 в каждой системе.
Шарнирные сдвоенные компенсаторы КВШ устанавливают в угловых, Z-образных и П-образных системах и на ответвлениях.
Компенсаторы КВУ и КВШ устанавливают на участках трубопроводов при значительных температурных перепадах или при больших расстояниях между жёсткими опорами, на которые передаются сравнительно небольшие усилия.
Волнистые компенсаторы предназначены для работы при температуре от -40 до +450оС.
Техническая характеристика волнистых компенсаторов приведена в таблице 1.
Представляет собой два патрубка, вставленных один в другой. В зазоре между патрубками установлено сальниковое уплотнение с грундбуксой.
Сальниковые компенсаторы имеют высокую компенсирующую способность, небольшие габариты, но из-за трудности герметизации сальниковых уплотнений в технологических трубопроводах применяются редко, а для трубопрводов горючих, токсичных и сжиженных газов их применять нельзя.
Основные недостатки сальниковых компенсаторов следующие: необходимость систематического наблюдения и ухода за ними в процессе эксплуатации, сравнительно быстрый износ сальниковой набивки и, как следствие, отсутствие надёжной герметичности.
Сальниковые компенсаторы утсанавливают на водо-, паро- и теплопроводах, а также на трубопроводах, транспортирующих негорючие жидкости. Вследствие малых габаритов они легко размещаются в камерах и проходных туннелях. Стальные сальниковые компенсаторы применяют на условное давление до 16кгс/см2, а чугунные (из серого чугуна марки не ниже Сч 15-32) — до 13 кгс/см2 при температуре не выше 300оС. По конструкции сальниковые компенсаторы делятся на односторонние и двухсторонние, разгруженные (не создающие большого осевого усилия на неподвижные опоры) и неразгруженные. Компенсаторы соединяют с трубопроводом сваркой или на фланцах.
1.2. монтаж компенсаторов.
Перед установкой компенсаторов в проектное положение необходимо произвести их конроль внешним осмотром. Как правило, все компенсаторы пред окончательным присоединением к трубопроводу должны быть предварительно растянуты или сжаты на величину, указанную в проекте, и установлены на труюопроводы вместе с распорным (или сжимающим) приспособлением, которое снимают лишь после окончательного закрепления трубпорводов на неподвижных опорах. Величина предварительной растяжки компенсатора указывается в чертжах.
Растяжку применяют для “горячих” линий трубопровода, а сжатие — для “холодных”. Операция растяжки или сжатия называется холодным наятгом трубпорвода и производится для того, чтобы уменьшить напряжение в металле при тепловом удлинении трубопровода.
На растяжку компенсаторов независимо от способа её выполнения составляют акт, в котором указывают строительные длины компенсаторов до и после растяжки.
П-образные компесаторы, как правило, устанавливают в горизонтальном положении и лишь как исключение верикально или наклонно. При установке таких компенсаторов ветрикально или наклонно в нижних точках с обоих сторон компенсаторов необходимо поместить 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 (рис.5). Две опоры располагают на прямых участках трубопровода, присоединяемых к компенсатору (при этом край опоры должен отстоять от сварного стыка не менее чем на 500мм), третью опору ставят под спинку компенсатора, обычно на специльной колонне.
Для предварительной растяжки П-образного компенсатора применяют винтовое 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 величину. Распорное приспособление устанавливают параллельно спинке компенсатора. Стык, у которого будет произведена растяжка компенсатора, указывают в проекте. Если указания нет, то во избежание перекоса для растяжки нельзя использовать стык. Непосредственно прилегающий к компенсатору. Для этой цели нужно оставлять зазор в соседнем стыке.
При подъёме компенсаторы следует захватывать в трёх точках и ни в коем случае за распорное приспособление. Лишь после прихватки стыков и заркепления компенсатор отсоединяют от грузо-подъёмных средств. Необходимо также проверить надёжность установки распорного приспособления.
П-образные компенсаторы устанавливают в проектное положение с помощью одного или двух кранов.
При групповом расположении П-образных компенсаторов параллельных трубопроводов (один внутри другого) и в некоторых других случаях предварительную растяжку компенсаторов 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 трубопровода заварены, окончательно закреплены неподвижные опоры.
При установке компенсаторов без предварительной растяжки для удобства монтажа трубопровода в стык, намеченный для растяжки, вставляют патрубок длиной, равной величине расятжки, и прихватывают электросваркой к обеим кромкам трубопровода. Иногда на концах стыкуемых труб наплавляют кольцевые валики и устанавливают временные хомуты из уголков. Через отверстия в них пропускают удлинённые стяжные шпильки и, затягивая гайки, зажимают временное прокладочное вставное кольцо, установленное между торцами стыка. После сварки стыка хомуты удаляют.
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 проектом. После затяжки фланцевого соединения постоянными болтами удлинённые шпильки вынимают, и на их место устанавливают постоянные болты или шпильки.
При установке линзовых компенсаторов необходимо следить за тем, чтобы дренажные штцера (если они имеются) находились в нижнем положении, а направляющий стакан компенсатора был вварен по направлению движения продукта.
Линзовые компенсаторы рекомендуется устанавливать на трубах, узлах или блоках до подъёма в проектное положение. Собранный узел или блок с линзовыми компенсаторами необходимо на время транспортирования, подъёма и установки предохранять от деформаций и повреждений. Для этого применяют дополнителные жесткости на компенсаторах. После установки узлов на опоры и закрепления временные жёсткости удаляют.
При монтаже вертикальных участков трубопроводов необходимо принимать меры, исключаюище возможность сжатия и дефомации компенсаторов под действием силы тяжести трубопроводов. Дял этого параллельно компенсаторам на трубопровдах приваривают по три скобы, которые срезают по окончании монтажа трубопровода.
Линзовые компенсаторы растягивают на половину их компенсирующей способности.
Линзовый компенсатор растягивают при монтаже после его сварки или окончательного соединения на фланцах с трубпороводом, а также после установки всех опор и подвесок трубопроводов и закрепления трубопроводов в неподвижных опорах.
В этом случае растяжку компенсатора произодят за счёт стягивания ближайшего от компенсатора монтажного стыка, у которого специально оставляют соответствующий дополнительный зазор.
Сжатие компенсатора осуществляют после окончательного соединения с трубопроводом, но до закрепления на неподвижных опорах. Для сжатия или растяжки линзового компенсатора применяют приспособление, состоящее из двух стяжных хомутов, закрепляемых на трубопрооде по обе стороны от компенсатора, и удлинённых стяжных шпилек с гайками.
При установке на линии трубопровода нескольких линзовых компенсаторов в проекте должны быть предусмотрены неподвижные опоры за каждым компенсатором, чтобы исключить возможность прогиба трубопровода, находящегося в сжатом состоянии, и обеспечить более равномерную деформацию всех компенсаторов, установленных на трубопроводе, так как действительная жёсткость всех компенсаторов может быть неодинаковой.
У волнистых компенсаторов перед установкой проверяют строительную длину; с помощью проставок и шпилек устанавливают зазор, соответствующий предварительной растяжке.
Осевые компенсаторы монтируют в такой последовательности. Сначала их приваривают одним концом к трубопроводу. Между вторым концом и привариваемой трубой проверяют зазор, равный величине предварительной растяжки, производят растяжку компенсатора с помощью имеющихся на нем гаек со шпильками, приваривают второй конец компенсатора к трубопроводу, после чего удаляют шпильки и гайки.
При установке шарнирных или универсальных компенсаторов их приваривают к трубопроводу обоими концами в соответствии с монтадной схемой, не снимая болтов, скрепляющих щеки шарниров и предохраняющих компенсатор от изгиба.
Сальниковые компенсаторы при монтаже необходимо устанавливать строго сооно с трубопроводом, без перекосов во избежание заедания подвижных частей и повреждения набивки компенсатора. Направляющие устройства трубопроводов в местах подсоединения к сальниковым компенсаторам должны плотно обжимать трубы пригнанными к ним роликами и центрировать трубу в горизонтальной и вертикальной поверхностях, не создавая больших продольных усилий трения.
Сальниковые компенсаторы не подвергаются растяжке после установки, так как при приварке компенсатора к трубопроводу его раздвигают на величину,указанную в проекте и определяемую по расстоянию между рисками, нанесёнными на его корпусе и стакане. При этом между упорными кольцами на патрубке и в корпусе компенсатора должен быть оставлен зазор на случай понижения температуры по сравнению с температурой воздуха в момент монтажа. Минимальная велиина зазора при длине участка трубопровода 100мм должна составлять при температуре наружного воздуха в момент монтжа ниже -5оС — 30мм, от -5оС до +20оС — 50мм, свыше +20оС — 60мм. При установке необходимо предусмотреть, чтобы в случае срыва неподвижных опор движущаяся часть трубы не вырывалась из корпуса компенсатора. В большинстве случаев для этого на скользящую часть трубы приваривают ободок так, чтобы он не мешал работе компенсатора.
Компенсаторы тепловых сетей. В данной статье речь пойдет выборе и расчете компенсаторов тепловых сетей.
Для чего же нужны компенсаторы. Начнем с того, что при нагревании любой материал расширяется, а значит трубопроводы тепловых сетей удлиняются при повышении температуры теплоносителя проходящего в них. Для безаварийной работы тепловой сети используются компенсаторы, которые компенсируют удлинение трубопроводов при их сжатии и растяжении, во избежание защемления трубопроводов и их последующей разгерметизации.
Стоит отметить для возможности расширения и сжатия трубопроводов проектируются не только компенсаторы, но и система опор, которые, в свою очередь могут быть как "скользящими" так и "мертвыми".Как правило у нас, в России регулирование тепловой нагрузки качественное - то есть при изменении температуры окружающей среды, температура на выходе из источника теплоснабжения изменяется. За счет качественного регулирования подачи тепла - количество циклов расширения- сжатия трубопроводов увеличивается. Ресурс трубопроводов снижается, опасность защемления - возрастает. Количественное регулирование нагрузки заключается в следующем - температура на выходе из источника теплоснабжения постоянна. При необходимости изменения тепловой нагрузки - изменяется расход теплоносителя. В этом случае, металл трубопроводов тепловой сети работает в более легких условиях, циклов расширения- сжатия минимальное количество, тем самым увеличивается ресурс трубопроводов тепловой сети.Следовательно прежде чем выбирать компенсаторы, их характеристики и количество нужно определиться с величиной расширения трубопровода.
Формула 1:
δL=L1*a*(T2-T1)где
δL - величина удлинения трубопровода,
мL1 - длина прямого участка трубопровода (расстояние между неподвижными опорами),
мa - коэффициент линейного расширения (для железа равен 0,000012), м/град.
Т1 - максимальная температура трубопровода (принимается максимальная температура теплоносителя),
Т2 - минимальная температура трубопровода (можно принять минимальная температура окружающей среды), °С
Для примера рассмотрим решение элементарной задачи по определению величины удлинения трубопровода.
Задача 1. Определить на сколько увеличится длина прямого участка трубопровода длиной 150 метров, при условии что температура теплоносителя 150 °С, а температура окружающей среды в отопительный период -40 °С.
δL=L1*a*(T2-T1)=150*0,000012*(150-(-40))=150*0,000012*190=150*0,00228=0,342 метра
Ответ: на 0,342 метра увеличится длина трубопровода.
После определения величины удлинения, следует четко понимать когда нужен а когда не нужен компенсатор. Для однозначного ответа на данный вопрос нужно иметь четкую схему трубопровода, с ее линейными размерами и нанесенными на нее опорами. Следует четко понимать, изменение направления трубопровода способно компенсировать удлинения, другими словами поворот с габаритными размерами не менее размеров компенсатора, при правильной расстановке опор, способен компенсировать тоже удлинение,что и компенсатор.
И так, после того, как мы определии величину удлинения трубопровода можно переходить к подбору компенсаторов, необходимо знать, что каждый компенсатор имеет основную характеристику - это величину компенсации.Фактически выбор количества компенсаторов сводится к выбору типа и конструктивных особенностей компенсаторов.Для выбора типа компенсатора необходимо определить диаметр трубы тепловой сети исходя из пропускной способности труби необходимой мощности потребителя тепла.
Таблица 1. Соотношение П- образных компенсаторов изготовленных из отводов.
Таблица 2. Выбор количества П- образных компенсаторов из расчета их компенсирующей способности.
Задача 2 Определение количества и размеры компенсаторов.
Для трубопровода диаметром Ду 100 с длиной прямого участка 150 метров, при условии что температура носителя 150 °С, а температура окружающей среды в отопительный период -40 °С определить количество компенсаторов.бL=0,342 м (см. Задача 1).По Таблице 1 и Таблице 2 определяемся с размерами п образных компенсаторов (с размерами 2х2 м может компенсировать 0,134 метра удлинения трубопровода) , нам нужно компенсировать 0,342 метра, следовательно Nкомп=бL/∂х=0,342/0,134=2,55 , округляем до ближайшего целого числа в сторону увеличения и того - требуется 3 компенсатора размерами 2х4 метра.
В настоящее время все большее распространение получают линзовые компенсаторы, они значительно компактнее п - образных, однако ряд ограничений не всегда позволяет их использование. Ресурс п- образного компенсатора, при условии что качество теплоносителя оставляет желать лучшего, значительно выше чем линзового. Нижняя часть линзового компенсатора как правило "забивается" шламом, что способствует развитию стояночной коррозии металла компенсатора.
