Температурные деформации трубопроводов и способы их компенсации¶

Температурные деформации трубопроводов — это изменение линейных размеров и формы трубопровода, вызванное изменением температуры стенки трубы относительно температуры монтажа (фиксации). Данное явление обусловлено тепловым расширением материала: при нагреве металл расширяется, при охлаждении — сжимается. Поскольку трубопроводы, как правило, имеют значительную протяжённость и жёстко закреплены на опорах, температурные деформации приводят к возникновению в стенках трубы значительных продольных напряжений, которые при отсутствии компенсации могут вызвать разрушение сварных швов, фланцевых соединений, опор или самой трубы.

¶Физическая сущность явления

Величина абсолютного удлинения (или укорочения) участка трубопровода ΔL рассчитывается по формуле:

ΔL = α · L · Δt,

где α — коэффициент линейного расширения материала (для углеродистой стали ≈ 0,000012 1/°C), L — длина участка, Δt — разность между максимальной (или минимальной) температурой эксплуатации и температурой монтажа.

Например, стальной трубопровод длиной 100 метров при перепаде температур в 100 °C удлиняется на 120 мм. Если трубопровод жёстко защемлён, это удлинение превращается в силу, которая может достигать сотен тонн, что приводит к потере устойчивости, разрыву или повреждению оборудования.

¶Способы компенсации температурных деформаций

Компенсация деформаций — это совокупность конструктивных и технологических решений, позволяющих трубопроводу свободно изменять свою длину без возникновения опасных напряжений. Основные способы делятся на естественные и искусственные.

¶Естественная компенсация

Данный способ основан на использовании упругости самого трубопровода и его геометрической конфигурации. Трубопровод прокладывается с поворотами и изгибами, которые при тепловом расширении работают как гибкие рычаги, поглощая удлинение за счёт упругой деформации.

Г-образные (угольники) и Z-образные участки: наиболее распространённый приём. Участок трубы между двумя неподвижными опорами прокладывается с одним или двумя перпендикулярными поворотами. Длина плеча поворота должна быть достаточной для поглощения удлинения.
П-образные компенсаторы: выполняются в виде петли из трёх последовательных поворотов на 90°. Это частный случай Z-образной схемы, обеспечивающий большую гибкость при ограниченной длине прямого участка. Требуют дополнительной площади для монтажа.

Естественная компенсация является самой надёжной и дешёвой, так как не требует установки специальных устройств и не имеет подвижных элементов, подверженных износу.

¶Искусственная компенсация

Применяется, когда трасса прямолинейна и нет возможности создать естественные изгибы, а также при больших диаметрах и высоких давлениях, где гибкость трубы мала.

Сальниковые (осевые) компенсаторы: состоят из корпуса и выдвижного патрубка с уплотнением (сальником). Позволяют компенсировать только осевые перемещения. Требуют регулярного обслуживания — подтяжки сальника, замены уплотнения. Обладают повышенным гидравлическим сопротивлением. Применяются в основном на трубопроводах с теплоносителем (вода, пар) при давлении до 2,5 МПа.
Линзовые компенсаторы: состоят из нескольких тонкостенных волнистых элементов (линз). Обладают небольшой компенсирующей способностью (до 10 мм на линзу), но малым сопротивлением. Используются на газопроводах и паропроводах.
Сильфонные компенсаторы: представляют собой гофрированную тонкостенную оболочку (сильфон) из нержавеющей стали. Могут компенсировать осевые, поперечные и угловые перемещения. Отличаются компактностью, высокой надёжностью и долговечностью, не требуют обслуживания. Являются наиболее современным и распространённым типом искусственных компенсаторов.
Гибкие вставки из неметаллических материалов: применяются в системах вентиляции и на низкотемпературных трубопроводах из полимерных материалов.

¶Расчёт и проектирование

Проектирование компенсации температурных деформаций ведётся по нормам СП 36.13330 (магистральные трубопроводы) и СП 74.13330 (тепловые сети). Расчёт сводится к определению максимально допустимого расстояния между неподвижными опорами (фиксирующими точками), на котором суммарное удлинение не превысит компенсирующей способности выбранного устройства или допустимого напряжения изгиба в естественном изгибе. Неподвижные опоры делят трубопровод на самостоятельные участки, работающие независимо друг от друга.

¶Интересные особенности

В магистральных трубопроводах (нефть, газ) компенсация часто достигается за счёт упругого изгиба при прокладке «змейкой» в траншее, а также за счёт балластировки и заглубления, где температурные перепады невелики из-за стабильной температуры грунта.
Для полиэтиленовых труб коэффициент линейного расширения в 10–15 раз выше, чем для стали, поэтому для них компенсация деформаций особенно актуальна, и часто применяются П-образные компенсаторы или специальные петли.
При монтаже трубопроводов с предварительным натягом (растяжением) компенсатора на величину, равную половине ожидаемого удлинения, удаётся снизить максимальные напряжения в стенке трубы в рабочем состоянии.

¶Источники

СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы»
СП 74.13330.2012 «Тепловые сети»
В. И. Виноградов, «Трубопроводы и их компенсация», 1980
Е. Я. Соколов, «Теплофикация и тепловые сети», 2001