Компенсаторы
Компенсаторы служат для восприятия деформаций стальных трубопроводов при изменениях температуры теплоносителя и для разгрузки их от возникающих температурных напряжений, а также для предохранения от разрушения установленной на теплопроводах арматуры. При повышении температуры теплоносителя на 100°С удлинение стальных труб составляет порядка 1, 2 мм на один метр длины. Если в трубопроводе отсутствует компенсация температурных деформаций, то при сильном нагревании в стенке трубопровода могут возникнуть напряжения, недопустимые по прочности. При наличии продольного изгиба возможно обойтись без компенсации, так как в этом случае труба не получает больших сжимающих напряжений. Однако значительная величина прогиба (в 10—15 раз превышающая удлинение трубы) делает практически неприемлемым такое решение не только при подземных, но и при надземных прокладках.
Для восприятия дополнительных нагрузок, возникающих при изменении температуры, трубопроводы тепловых сетей проектируют и конструктивно выполняют так, чтобы они могли свободно удлиняться при нагревании и укорачиваться при охлаждении без перенапряжения материала и соединений трубопровода. Температурные удлинения трубопроводов при температуре теплоносителя от 50°С и выше воспринимаются специальными компенсирующими устройствами, предохраняющими трубопровод от возникновения недопустимых деформаций и напряжений.
Надежность и безаварийность работы тепловых сетей во многом зависят от правильного решения вопросов компенсации температурных удлинений теплопроводов, выбора способа прокладки тепловых сетей и других местных условий. Для безаварийной работы тепловых сетей необходимо, чтобы компенсирующие устройства были рассчитаны на максимальные удлинения трубопроводов. Поэтому при расчете удлинений температуру теплоносителя принимают максимальной, а температуру окружающей среды — минимальной и равной: 1) расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления — для надземной прокладки тепловых сетей на открытом воздухе; 2) расчетной температуре воздуха в канале — для канальной прокладки сетей; 3) температуре грунта на глубине заложения бесканальных теплопроводов при расчетной температуре для проектирования отопления.
Способы компенсации температурных, удлинений, применяемые в тепловых сетях, весьма разнообразны. По принципу работы компенсаторы можно разделить на две группы: 1) радиальные и гибкие устройства, воспринимающие удлинения теплопроводов изгибом (плоских), кручением (пространственных) криволинейных участков труб или изгибом специальных эластичных вставок различной формы; 2) осевые устройства скользящего и упругого типов, в которых удлинения воспринимаются телескопическим перемещением труб или сжатием пружинящих вставок. Радиальную компенсацию выполняют с помощью П-образных компенсаторов, углов поворота трубопроводов, Z-образных участков; осевую — с помощью осевых (сальниковых и линзовых) компенсаторов.
Наибольшее распространение в стальных тепловых сетях получила радиальная компенсация, которая может быть использована при любой конфигурации трубопроводов. Радиальная компенсация широко применяется на теплопроводах, прокладываемых на территориях промышленных предприятий, а при небольших диаметрах теплопроводов до 200 мм также и в городских тепловых сетях. Гибкие компенсаторы из стальных труб (П-образные и др.), а также углы поворотов трубопроводов от 90 до 120° (самокомпенсация) применяются для компенсации тепловых удлинений трубопроводов независимо от параметров теплоносителя, способа прокладки и диаметров труб. Все части гнутых компенсаторов соединяют сваркой. Диаметр, толщина стенки и марка стали труб для гнутых компенсаторов должны быть такими же, как и для трубопроводов основных участков.
На теплопроводах большого диаметра, прокладываемых под городскими проездами, устанавливаются главным образом осевые компенсаторы. Осевые компенсаторы могут быть сальниковыми и выполняются скользящего типа. Температурные удлинения воспринимаются телескопическим перемещением труб внутрь корпуса компенсатора, имеющего сальниковое уплотнение. Допускается применять осевые линзовые или волнистые компенсаторы шарнирного типа.
Наиболее надежной в эксплуатации является так называемая естественная компенсация, или самокомпенсация, которая допускается к применению для всех способов прокладки тепловых сетей и находит широкое применение на практике (рис. 2.6). Естественная компенсация температурных удлинений достигается на поворотах и изгибах трассы теплопровода за счет гибкости самих труб. Преимуществами ее перед другими видами компенсации являются: простота устройства, надежность, отсутствие необходимости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Для ее устройства не требуется дополнительного расхода труб и специальных строительных конструкций. Недостатки естественной компенсации: поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода, требующее увеличения ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций и бесканальных конструкций/
Габариты гибких компенсаторов и длины плеч трубопровода при самокомпенсации определяют расчетом на компенсацию. Полученные в результате расчета длины плеч проверяют на боковое тепловое смещение трубопровода, которое должно быть не более величины зазора (с учетом запаса около 50 мм) между наружными поверхностями тепловой изоляции или между строительной конструкцией и наружной поверхностью изоляции. Максимальное боковое смещение будет в точке поворота трассы.
В бесканальных прокладках для использования естественной компенсации на участках поворотов теплотрассы должны быть сооружены непроходные каналы соответствующих поперечных размеров. При сооружении теплопроводов следует максимально использовать все естественные повороты и изгибы трубопроводов для компенсации температурных удлинений. К устройству искусственных компенсаторов следует обращаться лишь после использования всех возможностей естественной компенсации. Такие компенсаторы применяют в случаях, когда невозможно использование естественной компенсации трубопроводов — при наличии длинных прямых участков и стесненных условий.
К преимуществам гибких компенсаторов относятся: большая компенсирующая способность, надежность работы, передача на неподвижные опоры только сил упругости компенсаторов, отсутствие необходимости в сооружений камер для размещения компенсаторов. Эти компенсаторы просты в изготовлении и не нуждаются в постоянном обслуживании и ремонте. Случаи повреждения гибких компенсаторов наблюдаются в эксплуатации довольно редко, как правило, из-за дефектов сварных швов или наружной коррозии стальных труб. К недостаткам гибких компенсаторов относятся: дополнительный расход труб на их сооружение, что увеличивает стоимость тепловых сетей; повышенное гидравлическое сопротивление сетей; значительные габаритные размеры, затрудняющие их применение в городских условиях при насыщенности трассы другими подземными инженерными коммуникациями; боковое смещение трубопроводов, приводящее к сходу корпусов скользящих опор с опорных конструкций. Наибольшее распространение получили компенсаторы П-образной формы. Их применяют во всех случаях, когда по условиям местности невозможно использовать естественную компенсацию, другой вид компенсации менее целесообразен. Устройство П-образных компенсаторов предусматривают независимо от вида прокладки, диаметра трубопровода и параметров теплоносителя. П-образные компенсаторы имеют преимущественное применение для труб диаметром до 200 мм. Это объясняется тем, что на трубах малого диаметра вследствие большой гибкости осевые компенсаторы работают неудовлетворительно. П-образные компенсаторы изготовляют с применением гнутых, крутоизогнутых и сварных отводов (рис. 2.7). Их различают по соотношению длины прямого участка спинки I и длины прямого участка h: компенсаторы с большим вылетом при 7 = 0,5/г, со средним при l—h и с малым при l = 2h. Большей компенсирующей способностью обладают компенсаторы с большим вылетом.
Компенсаторы гнутые и сварные с крутоизогнутыми отводами устанавливают на трубопроводах для любых давлений и температур. При этом компенсационная способность компенсаторов с крутоизогнутыми отводами при тех же габаритных размерах выше, чем гнутых, за счет более длинного участка h. П-образные компенсаторы из сварных отводов используют преимущественно для трубопроводов с Ду более 500 мм. П-образные компенсаторы, как правило, устанавливают в горизонтальном положении с соблюдением необходимого уклона трубопровода.
При ограниченной площади компенсаторы можно устанавливать в вертикальном и наклонном положении петлей вверх или вниз, при этом они должны быть снабжены дренажными штуцерами и воздушниками. Конструкция П-об- разных компенсаторов, размеры и максимальная компенсирующая способность обычно указаны в проекте.
Компенсирующая способность П-образных компенсаторов может быть увеличена вдвое при предварительной растяжке их в холодном состоянии во время монтажа на величину, равную половине теплового удлинения теплопровода. Для размещения П-образных компенсаторов предусматривается устройство специальных ниш, представляющих собой расширение каналов. Размеры ниш по высоте точно соответствуют размерам канала, а в плане определяются размерами компенсаторов и зазоров, необходимых для свободных перемещений при температурной деформации компенсатора. Расположение П-образного компенсатора в нише показано на рис. 2.8.
Значительное преимущество перед П-образными компенсаторами имеют гибкие S-образные симметричные компенсаторы, которые обычно свободно размещаются в полосе, занимаемой камерами тепловых сетей, и не мешают параллельной прокладке соседних трубопроводов и кабелей, что очень важно при размещении тепловых сетей в технических зонах и в пределах городских проездов. Эти компенсаторы хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, но не получили широкого распространения в связи с тем, что изготовляются кустарно. По этой же причине не получили распространения лирообразные и омегообразные компенсаторы. На магистральных и распределительных трубопроводах тепловых сетей при невозможности использовать естественную компенсацию и гибкие компенсаторы широко применяются стальные сальниковые компенсаторы.
Сальниковые компенсаторы относятся к осевым скользящего типа. Они работают строго вдоль оси теплопровода; какое-либо смещение их продольной оси по отношению к оси трубы компенсирующего участка недопустимо. Сальниковые компенсаторы по своей конструкции делятся на односторонние и двусторонние. Эти компенсаторы устанавливают при подземной прокладке на трубопроводах диаметром iDylOO мм, при надземной прокладке на низких опорах— на трубопроводах Dv300 мм с параметрами теплоносителя ру2,45 МПа (25 кгс/см2) и <300°С. Типы конструкций сальниковых компенсаторов на условное давление до 1,6 МПа (16 кгс/сц2), температуру до 300°С и условный проход 100--1000 мм нормализованы.
На рис. 2.9 показан односторонний стальной сальниковый компенсатор, состоящий из патрубка (стакана), грундбуксы, контрбуксы и корпуса. Между наружной стенкой патрубка и внутренней стенкой корпуса размещен сальник, в который уложена набивка из прографиченного асбестового шнура и теплостойкой резины в виде колец. Скосы кромок на буксах способствует более плотному прижатию набивки к поверхности стакана. Набивку и наружную поверхность стакана необходимо периодически смазывать, что способствует удлинению срока службы компенсаторов. Компенсирующая способность одностороннего сальникового компенсатора равна 250—400 мм.
Двусторонний сальниковый компенсатор (рис. 2.10) имеет удлиненный корпус и два подвижных стакана. Его компенсирующая способность в 2 раза больше, чем у одностороннего. Перед присоединением сальникового компенсатора к трубопроводу следует тщательно выверить линию во избежание перекосов и заеданий стакана в корпусе. Компенсатор непосредственно вваривают в трубопровод, поэтому его установка не приводит к увеличению количества фланцевых соединений. Во избежание возникновения растягивающих усилий в трубопроводе при установке компенсатора оставляют монтажный зазор между буртом стакана и упорным кольцом корпуса компенсатора на.возможное растяжение после монтажа. При этом, согласно СНиП П-36-73 «Тепловые сети. Нормы проектирования», компенсирующую способность, предусмотренную конструкцией сальникового компенсатора, необходимо уменьшать на 50 мм.
Сальниковые компенсаторы имеют высокую компенсирующую способность, небольшие габариты и малое гидравлическое сопротивление. Вследствие малых габаритов сальниковые компенсаторы легко размещаются в камерах и проходных каналах (тоннелях). Основным недостатком сальниковых компенсаторов является необходимость систематического наблюдения и ухода за ними в процессе эксплуатации. Набивка со временем изнашивается, теряет свою упругость и начинает пропускать теплоноситель. Для восстановления плотности конструкции производят подтяжку сальника. Многократные подтяжки значительно увеличивают силы трения в сальнике, в результате частично или полностью утрачивается компенсирующая способность, поэтому через определенные периоды времени сальники приходится перенабивать.
Сальниковые компенсаторы обладают повышенной чувствительностью к перекосам осей. Практика эксплуатации показала, что несовпадение геометрических осей корпуса и стакана компенсатора приводит к его заклиниванию. При подземной прокладке для сальниковых компенсаторов сооружают специальные камеры с люками для их обслуживания. Устройство камер удорожает стоимость строительства тепловых сетей. В случае же использования существующих камер компенсаторы требуют увеличения их габаритов и увеличения расстояния между трубами (подающей и обратной) для возможности их обслуживания и устранения утечек.
Для уменьшения числа камер предусматривают двусторонние сальниковые компенсаторы. Устройство одного двустороннего компенсатора дешевле устройства двух односторонних. Кроме того, гидростатические усилия и усилия от трения в сальниках компенсаторов вызывают необходимость строить сложные и дорогостоящие конструкции неподвижных опор. Для устранения указанных Недостатков сальниковых компенсаторов проводятся работы по их усовершенствованию.
Во Всесоюзном теплотехническом институте им. Ф. Э. Дзержинского была разработана конструкция компенсатора с самоуплотняющимися манжетами из теплостойкой резины (рис. 2.11). Компенсаторы состоят из цилиндрического корпуса с приваренными обечайками, двух подвижных стаканов и двух манжет из теплостойкой резины. Они работают аналогично двусторонним сальниковым компенсаторам. Преимущества этих компенсаторов по сравнению с сальниковыми: отсутствие сальников с натяжными ШпилькаМй: отсутствие необходимости в регулярном наблюдении и обслуживании; сохранение компенсирующей способности при небольших перекосах осей корпуса и стаканов; простота изготовления й сборки и др.
Трестом Алтайцелинмонтаж Главспецсельстроя Минсельстроя РСФСР разработана, изготовлена и опробована опытная партия новой конструкции манжетного компенсатора КМ (рис. 2. 12). Компенсатор состоит из корпуса, стакана, ограничителя перемещений и гильзы. В корпусе компенсатора установлено самоуплотняющееся кольцо, из теплостойкой резины, в котором перемещается стакан при температурных удлинениях трубопровода. Ограничитель перемещения обеспечивает предельное осевое смещение. Гильза защищает пространство между корпусом и стаканом-от попадания грунта. При использованных марках теплостойкой резины манжетные компенсаторы апробированы и показали достаточную надежность при температуре теплоносителя до 100°С и давлении ру 1 МПа (10 кгс/см2). При применении более теплостойких марок резины параметры теплоносителя могут быть увеличены.
В тепловых сетях иногда применяют- линзовые компенсаторы, несмотря на относительно небольшую их компенсирующую способность и большую осевую реакцию, передаваемую на неподвижные опоры. Линзовые компенсаторы относятся к осевым компенсаторам упругого типа. Компенсатор собирается с помощью сварки из полулинз, изготовленных штамповкой из углеродистой стали. Компенсирующая способность одной полулинзы составляет 5—6 мм. Линзовые компенсаторы в зависимости от необходимой компенсирующей способности применяют с одной, двумя, тремя и четырьмя линзами. Большее число линз нежелательно вследствие потери упругости и выпучивания линз. На рис. 2.13 показаны двухлинзовые компенсаторы.
Линзовые компенсаторы выполняют без внутренних стаканов и со стаканами, которые устанавливают для уменьшения гидравлического сопротивления. Компенсаторы со стаканами используют на прямых участках трубопроводов для восприятия только осевых нагрузок и без стаканов при их работе в качестве шарниров. В последнем случае каждая линза допускает угловое перемещение труб До 2—3°. Линзовые компенсаторы сварного типа находят основное применение на трубопроводах низкого давления, рассчитанных на ру до 0,6 МПа (6 кгс/см). При установке их на трубопроводах с более высоким давлением возможно выпучивание линз. Для придания большей жесткости во избежание выпучивания линзы делают из листов большой толщины, однако это ведет к понижению их компенсирующей способности.
Для теплопроводов диаметром DY до 500 мм и давлении до 1,6 МПа (16 кгс/см2) целесообразно (особенно при бесканальной прокладке) применять волнистые (сильфонные) компенсаторы как осевого, так и шарнирного типа, которые получили в последние годы широкое распространение в трубопроводном строительстве, особенно за рубежом. Эти компенсаторы отличаются компактностью и легко размещаются в стесненных условиях камер тепловых сетей, имеют малую массу, не требуют регулярного обслуживания. Волнистые осевые компенсаторы с защитными футлярами устанавливают непосредственно в грунт, что позволяет избежать устройства камер.
Компенсаторы шарнирного типа (рис. 2,14), встроенные в трубопроводы различной конфигурации, обеспечивают компенсацию значительных температурных удлинений, изгибаясь вокруг осей своих шарниров. На рис. 2.15 показан пример размещения двух шарнирных компенсаторов на участке Z-образной конфигурации. Компенсирующая способность их зависит от количества волн и расстояния между шарнирами. Одна волна компенсатора позволяет получить угол изгиба 2°, что при расстоянии между шарнирными компенсаторами 1 м позволяет получить компенсирующую способность около 65 мм. По сравнению с линзовыми компенсаторами они имеют более широкий диапазон допускаемых давлений, большую компенсирующую способность и значительно меньшие продольные усилия, передаваемые на неподвижные опоры.
Волнистые компенсаторы пока не получили широкого распространения в практике строительства тепловых сетей по причине ограниченного выпуска их отечественной промышленностью. При более широком выпуске волнистых компенсаторов их применение в тепловых сетях может дать значительный экономический эффект.
Авдолимов Е. М., Шальнов А. П. Водяные тепловые сети. — М.: Стройиздат, 1984.
