Меню

Как изолировать опоры труб

Изоляция труб холодного и горячего водоснабжения в доме

Главная страница » Изоляция труб холодного и горячего водоснабжения в доме

Водопроводными трубами оснащаются практически все современные объекты недвижимости, включая частные домохозяйства. Для условий городской инфраструктуры и социального жилья изоляция труб – это приоритет жилищно-коммунальных организаций. Для частного сектора всё \ несколько иначе. Владелец частного дома непосредственно несёт ответственность за состояние водопроводных труб, в том числе за изоляцию. Поэтому задача – как изолировать трубы водоснабжения в доме – актуальный момент для всех собственников частной недвижимости. Рассмотрим эту тему.

Изоляция труб водопроводных сетей

Выполнение изоляции водяных трубопроводов, проходящих на открытых участках частного хозяйства – процедура необходимая в виду разных причин. Холодный (зимний) климат для водопроводных труб – состояние, неизбежно приводящее к замерзанию воды, если не были предприняты определённый меры, в частности, изоляция.

По причине замерзания воды внутри металлических труб, конструкция трубопровода попросту разрывается, что приводит к массивной утечке воды. Такая ситуация чревата значительным ущербом для домашнего хозяйства. Поэтому изоляция водопроводных труб является ключевым элементом подготовки к зиме сантехники частного дома.

Пример выполнения качественной изоляции водяной магистрали, проложенной в границах помещений, где не предусматривается искусственный обогрев в зимний период времени

Помимо фактора размораживания, есть ещё один значимый фактор. Изоляция водопроводных труб — это существенная экономия в плане энергетических затрат.

Изолированием водопроводных труб предотвращаются потери тепла (для горячей воды) и образование конденсата (для холодной воды). В первом случае меньше затрачивается энергии на подогрев воды, во втором случае исключается ремонт жилья, причина которого — образование сырости.

Где именно нужна изоляция водопроводных труб?

Необходимость изоляции водопроводных труб, как правило, определяется пространственной составляющей. Очевидный момент, если часть водопроводной сети проложена на открытом воздухе, необходимо предотвратить замерзание воды внутри труб. То есть, такие участки по умолчанию подлежат изоляции.

Аналогичные требования предъявляются к линиям, проходящим через области помещений, которые не отапливаются в зимний период:

  • наружные стены помещения,
  • холодные вспомогательные помещения,
  • полости под полом,
  • чердачные области без утепления и т. п.

Соответственно, отпадает необходимость изолировать трубы, смонтированные в области внутренних стен и внутри обогреваемых помещений. Одним словом — трубопроводы горячей / холодной воды следует изолировать, в первую очередь, по причине предотвращения размораживания в зимний период.

Последствия замерзания воды внутри трубы домашнего водоснабжения, которая не была должным образом изолированной, будучи в хозяйственном помещении без системы искусственного подогрева

Однако конечная цель владельца частного хозяйства, безусловно, включает ещё и снижение эксплуатационных затрат как водопроводных линий, так и всего хозяйства. Поэтому целесообразно изолировать водяные трубопроводы везде, где к этим элементам имеется доступ.

Ряд стратегий могут использоваться для изоляции водопроводных труб:

  1. Изоляция трубным ленточным материалом.
  2. Использование пены.
  3. Добавление утепления стен.
  4. Использование покрытий кранов наружных патрубков.
  5. Установка морозостойких наружных патрубков.
  6. Изоляция переходов через стены.

Изоляция труб — инструмент и расходные материалы

Потребность инструмента и материалов под изоляцию водяных труб определяется в зависимости от используемой стратегии. Указанный ниже список позволяет в полной мере изолировать водопроводные трубы, используя практически все методы:

  • изоляционный ленточный материал,
  • лента скотч,
  • пенопластовые покрытия для труб,
  • колпаки концевых кранов,
  • морозостойкие краны,
  • пена аэрозольная,
  • стекловолоконный изоляционный мат.

Применить на практике допускается любой способ изоляции, исходя из финансовых возможностей, эффективности материала, удобства в работе.

Изоляция труб ленточным (рулонным) материалом

Закрепить начальный участок изоляционной ленты на конечной точке изолируемой трубы. Обернуть лентой площадь вокруг трубопровода спиральными петлями, перекрывая каждую петлю как минимум на 12-15 мм. Полностью «забинтовать» трубу, исключая остаточные открытые участки.

Изоляция труб пенопластовым рукавом

Пенопластовые рукава трубчатой формы удобно применять на длинных прямых участках трубопровода. Традиционно пенопластовые рукава изготавливаются длиной 1,8 метра.

Соответственно, практично изолировать сразу большую часть трубопровода. Рукава производятся на основе пенопластовой или резиновой изоляции. Обе версии являются самоуплотняющимися конструкциями.

Популярный современный изолировочный материал на основе мягкой полиуретановой оболочки трубчатой формы. Очень удобный материал для условий домашнего применения

Процесс подразумевает исполнение следующих операций:

  1. Расположить рукав вдоль трубы и приоткрыть технологический разрез.
  2. Надеть рукав на трубу через образовавшуюся щель и сомкнуть разрыв.
  3. Запечатать шов, используя самоклеящуюся полоску рукава либо клейкую ленту.
  4. На завершающем этапе обрезать изоляцию по длине.

Там, где трубы поворачиваются углами, рекомендуется отрезать концы пенопластовых рукавов наискосок, чтобы создать угол сопряжения. Также допустимо использовать трубную ленту, чтобы закрыть фитинги на углах, совместив ленту с пенопластовыми втулками.

Изоляция труб в переходах стен

Столь же важной, как изоляция водопроводных труб на открытых участках, является герметизация переходов – мест, где водопроводные трубы проходят сквозь наружные стены. Значительные потери тепла происходят именно на таких участках, плюс риски размораживания велики именно на таких переходах.

Создание изоляционного слоя на водопроводной трубе при помощи специального материала, содержащегося в баллоне под давлением. В момент распыления такой материал образует пену, которая застывая преобразуется в качественную изоляцию

Переходящие через наружные стены трубопроводы удобно изолировать с помощью вспененного полиэтилена, стекловолокна, монтажной пены в аэрозольных баллончиках под давлением.

Установка изолирующих покрытий наружных кранов

Высокий процент размораживания сантехники происходит в точках, где выводятся патрубки через стены дома непосредственно на улицу с последующей установкой на патрубках запорных кранов.

Такие узлы, предназначенные для хозяйственных целей, подвергаются воздействию низкой температуры в зимний период. Соответственно, вода, остающаяся внутри запорного концевого крана, превращается в лёд, расширяется и разрывает давлением корпус.

Разрывы могут иметь различный характер повреждений с выбросом воды за пределы жилища или же внутрь дома. Последний вариант сопровождается неприятными последствиями.

Для защиты концевых наружных кранов также следует использовать изолирующие покрытия.

Типичное исполнение таких покрытий — простые жесткие пенопластовые формы, плотно закрывающие месторасположение крана, предотвращающие потери тепла через металлический корпус.

Изолирующий колпак для концевого крана подачи воды под хозяйственные цели, выведенного за пределы помещения и, соответственно, подвергающегося влиянию внешней среды

Существуют и другие конструкции, представляющие более сложные вариации, которые помимо защиты от замерзания, предназначены для предотвращения несанкционированного использования концевой задвижки.

Разработаны специальные «носки для крана» — гибкие тканевые пакеты, наполненные изоляцией, которые надеваются на втулки и закрепляются стяжками. Любой из отмеченных методов вполне надёжно предотвращает размораживание водопроводной арматуры.

Применение морозостойких концевых наружных кранов

Установка специальных морозостойких кранов в качестве концевых задвижек — привлекательный вариант под холодный климат.

Этот вид смесителя оснащён специальной механикой, которая исключает остаток воды внутри корпуса. Механика спроектирована таким образом, что при закрытии крана вода полностью стекает из корпуса.

Что нужно знать, выбирая изоляцию водопровода?

Для частников работы, связанные с изоляцией трубопроводов, можно отнести к проектам из серии «сделай сам». Но даже с учётом самодельного проекта следует учитывать выбор изоляции по «R»-значению для различных вариантов.

Параметр «R»-значение — метрика, количественно определяющая сопротивление тепловому потоку для конкретного материала.

Очевидный момент — чем выше «R», тем большей считается изолирующая способность материала. Параметр «R» не во всех случаях отображается на готовой изоляции для труб, поэтому необходимо уточнять этот момент в магазине сантехники, когда покупается материал.

Читайте также:  Виды стеллажей для хранения трубы

Прежде чем изолировать трубопроводы воды, нужно удалите грязь, жировые отложения, скопившиеся на теле труб. Независимо от того, какой тип изоляции применяется, рекомендуется обеспечить качественное приклеивание изоляции к телу труб.

Если использовалось чистящее средство с водой для удаления загрязнений, перед началом изоляции трубы нужно хорошо просушить.

Необходимо ежегодно проверять состояние изоляции трубопроводов, чтобы поддерживать систему изоляции в хорошем состоянии. Скотч или самоуплотняющиеся полоски на изоляции со временем ослабевают, что приводит к обнажению части труб. Такие дефекты следует устранять незамедлительно.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Источник

Тепловая изоляция и прочность скользящих опор трубопроводов теплосетей

К.т.н. С.Б. Горунович, ведущий инженер по техническому перевооружению, Усть-Илимская ТЭЦ, филиал ПАО «Иркутскэнерго», г. Усть-Илимск

Введение

Известно, что трубопроводы являются основным составным элементом теплосетей. При централизованном теплоснабжении километры труб тянутся от источников тепловой энергии к потребителям. Качество теплоснабжения зависит, в том числе, и от надежного закрепления и опирания трубопроводов. Учитывая современную тенденцию к энергосбережению, у предприятий, эксплуатирующих тепловые сети, растет интерес к использованию все более совершенных теплоизоляционных конструкций как самих труб, так и их опор.

При этом стоит отметить, что если в области теплоизоляции труб отмечается очевидный прогресс, то примеры теплоизоляции опор являются гораздо более редкими. Накопленная существующая нормативная документация (в т.ч. и проектная) в большинстве случаев вообще не предусматривает теплоизоляцию опор и опорных конструкций [1]. Проблема состоит в том, что существует достаточно много типов опор, со своими конструктивными особенностями и сложной геометрией, и обеспечить надежную теплоизоляцию общепринятыми способами сложно и дорого. При этом усложнение конструкции вызывает, как правило, опасение в снижении ее надежности. В частности, на магистральных трубопроводах тепловых сетей для опирания труб на опорные конструкции часто применяются скользящие типовые опоры серии 4.903-10, выпуск 5 (рис.1). Скользящие опоры этой серии имеют не только неоспоримые преимущества в части простоты исполнения и надежности при эксплуатации, но и существенный недостаток — потери тепловой энергии через скользящий контакт сравнительно большой площади. Скользящий контакт не подлежит изоляции и создает своеобразный тепловой мост, через который теплота безвозвратно теряется в окружающую среду [2].

Авторы [1] справедливо отмечают, что по отношению к типовым неподвижным опорам справедливы те же самые недостатки, что и к скользящим опорам, а именно игнорирование проблемы утечек теплоты в пользу надежности и простоты конструкции.

Проблему усложняет тот факт, что процесс передачи тепловой энергии через зону контактирующих поверхностей твердых тел представляет собой довольно сложную картину. В первом приближении можно считать, что передача тепла через зону контакта при наличии теплопроводной среды осуществляется одновременно тремя путями: теплопроводностью непосредственно через пятна фактического контакта материалов, теплопроводностью через среду, заполняющую впадины неровностей и, наконец, излучением между поверхностями [3, 4]. За последние несколько десятилетий этой проблеме посвящено большое число исследований отечественных и зарубежных ученых-теплофизиков [5, 6]. В настоящий момент с уверенностью можно сказать, что точное решение подобной задачи возможно лишь экспериментальным путем в контролируемых условиях.

При этом, несмотря на неширокое распространение в отечественной практике, примеры изолированных скользящих опор существуют (рис. 2, 3).

Данные примеры представляют наиболее распространенные конструктивные решения:

1) использование хомутовых (бугельных) опор с фиксацией на слой изоляции;

2) использование прокладок из изолирующих материалов в конструкции контактной поверхности «опора трубопровода — опорная конструкция».

Существование публикаций в зарубежных журналах (например, [8]) доказывает актуальность проблемы изоляции опор во всем мире.

Как показывают тепловые расчеты (ниже), при использовании материалов с необходимыми теплоизолирующими свойствами в конструкции оба вышеупомянутых варианта изоляции опор вполне применимы с точки зрения снижения тепловых потерь. Тем не менее, остаются вопросы применимости с точки зрения нормативных документов (подобные опоры выпускаются по техническим условиям производителей) и вопросы прочности и надежности. Получается, что требования по снижению тепловых потерь и надежности (прочности) опор являются противоречивыми.

Проанализируем оба аспекта этого вопроса.

Тепловые потери и тепловая изоляция скользящих опор

Определение фактических величин тепловых потерь на теплопроводах затруднено по ряду объективных причин. Как отмечают авторы [7], в настоящее время для расчета тепловых потерь через изоляцию трубопроводов систем теплоснабжения используются две методики расчета: первая — на основании РД 34.09.255-97 (в актуализованной редакции СО 153-34.20.523-2003), вторая — на основании СНиП 41-03-2003 (в актуа- лизованной редакции СП 61.13330.2012). Обе эти методики имеют существенные недостатки и подвергаются критике. Например, в РД 34.09.255-97 отсутствуют сведения о том, каким образом получены нормативные тепловые потери, а также, для какого типа и какой толщины изоляции эти потери нормированы. Во второй методике не учитывается влияние ветра на трубопроводы надземной прокладки, существенно занижены поправочные коэффициенты на увлажнение материалов тепловой изоляции. При этом измерить фактические тепловые потери по РД 34.09.255-97 можно в отопительный период, но только для весьма протяженного участка трубопроводов (более 3 км). Поэтому, как считают авторы [7], фактическая величина тепловых потерь в квартальных тепловых сетях не поддается прямому измерению по существующей методике по техническим причинам.

Определим нормативные тепловые потери одной опоры по одной из вышеперечисленных методик. Согласно СО 153-34.20.523-2003 мощность тепловых потерь для надземной прокладки по подающему трубопроводу можно определить по формуле:

где Q ср.г. норм.п. — мощность тепловых потерь, Вт; qн.п. — удельные (на 1 м длины) часовые тепловые потери, определенные по нормам тепловых потерь в соответствии с нормами проектирования тепловой изоляции для трубопроводов и оборудования для каждого диаметра трубопровода при среднегодовых условиях работы тепловой сети, Вт/м; L — длина трубопроводов на участке тепловой сети, м; β — коэффициент местных тепловых потерь, учитывающий тепловые потери арматурой, компенсаторами, опорами. Принимается для подземной канальной и надземной прокладок равным 1,2 при диаметрах трубопроводов до 150 мм и 1,15 при диаметрах 150 мм и более, а также при всех диаметрах бесканальной прокладки.

Согласно СО 153-34.20.523-2003 удельные (на 1 м длины) часовые тепловые потери трубопровода наружной прокладки Ду 700 при средней температуре теплоносителя 100 О С не должны превышать q н.п. =124 Вт/м.

Следовательно, нормативные тепловые потери опоры трубопровода Ду 700 надземной прокладки можно ориентировочно определить по формуле — производной от (1), Вт:

где Lоп. — рекомендуемое расстояние между опорами Ду 700, Lоп =10 м; β=1,15.

Более детальный, аналитический расчет тепловых потерь неизолированных типовых опор обычно дает результат, превышающий нормативный. Несмотря на сложность физической природы теплопередачи через контактные поверхности, наработанных методик в области тепловых расчетов достаточно для получения сравнительного результата. При этом аналитические методы расчета можно успешно сочетать с инструментальными измерениями. Остановимся на этом подробнее.

Определим коэффициенты теплоотдачи боковой и контактной поверхностей опоры, Вт/(м 2 . О С).

Коэффициент теплоотдачи сухого контакта можно оценить по формуле [4]:

где hср1, hср2 — средняя высота выступов микронеровностей контактирующих поверхностей, м; λв — коэффициент теплопроводности межконтактной среды (воздуха), Вт/(м. О С); Υ — параметр, характеризующий эффективную толщину газового зазора; λm — коэффициент теплопроводности материала контактирующих поверхностей; Qz — вертикальная нагрузка, МПа; К — коэффициент, назначаемый в зависимости от суммы (hср1+hср2); σв — предел прочности материала контактирующих поверхностей, МПа.

Читайте также:  Трубоукладчики для труб диаметром 1200 мм

Для опоры типа Т14.40 (рис. 1а) с контактом «сталь — сталь», имеем: hср1=hср2=160*10 -6 м; λв=24,4*10 -3 Вт/(м. О С); λm=55 Вт/(м. О С) (ВСт3сп по ГОСТ16523-70); σв=400 МПа; Υ=3,03; Qz=0,418 МПа; К=1. Получим значение αк=583,162 Вт/ (м 2 . О С).

Стоит отметить, что при определении теплоотдачи влажного контакта, в формулу (3) вместо коэффициента теплопроводности межконтактной среды — воздуха λв следует поставить коэффициент теплопроводности воды λвод=0,55, что приведет к кратному увеличению коэффициента теплоотдачи в 4 раза: αк вод =3072 Вт/(м 2 . О С).

Коэффициент теплоотдачи внешней поверхности опоры по формуле Франка-Малявина в зависимости от скорости ветра, Вт/(м 2 . О С):

где w — средняя скорость ветра в зимний период, м/с.

По СНиП 2.01.07-85(2003) для Усть-Илимского района примем w=2 м/с. Тогда получим для внешних поверхностей опор αн=11,649 Вт/ (м 2 . О С).

Очевидно: αк >> αн, что сразу позволяет сделать вывод о подавляющем влиянии теплоотдачи в контактной поверхности на общий результат/

В строительной серии 4.903-10 кроме неизолированной опоры типа Т14 представлены типовые конструкции диэлектрических опор, в которых предусмотрена изоляция деталей элементов трубопровода от опорных конструкций по типу рис. 2, 3. Хомутовым опорам (рис. 2) соответствует тип Т17 (бугельная), изолированным на контактной поверхности (рис. 3) — тип Т43 (диэлектрическая). Изолирующий материал — листовой паронит толщиной 2 и 4 мм, соответственно. Диэлектрические опоры используются для защиты элементов трубопровода от блуждающих токов и электрической коррозии при прокладке теплосети вблизи линий электропередач.

Приведем сравнительный расчет тепловых потерь для опор теплосети Ду700 типа Т14, Т17 и Т43. Как отмечено выше, теплопередача в опорную конструкцию через скользящий контакт имеет сложную природу и, естественно, зависит от физических характеристик этой конструкции. В нашем примере рассматривались два наиболее частых случая: опирание на железобетонную траверсу с металлическим листом в качестве закладной (рис. 4а); опирание на металлическую двутавровую балку (рис. 4б).

Рис. 4. Тепловые потери в контакте неизолированной опоры типа Т14 с конструкцией: а) — ж/б траверсой; б) — металлической двутавровой балкой.

Приведем краткую процедуру теплового расчета. Тепловые потери теплопередачей опоры, Q-r, Вт, могут быть определены по хорошо известной из теплофизики формуле:

где: Fn — площадь поверхностей опоры (боковой и нижней контактной), м 2 ; Ri — сопротивление теплообмену (термическое сопротивление), αi=1/Ri ; tв — начальная температура (средняя температура теплоносителя), О С; tн — конечная температура (температура наружного воздуха), О С.

По (5) тепловые потери удобнее определять отдельно для боковой и контактной поверхностей раздельно (затем суммировать).

Для анализа распределения температур по высоте опоры и, в частности, для определения температуры контактной поверхности, можно использовать известное решение о теплопередаче через тонкое ребро к наружной стенке (рис. 4б, 5):

где: z=x/hCT. — относительная переменная, hCT. — высота опоры, м; — параметр. Здесь αст., δ, λст·. — коэффициент теплоотдачи стенки, толщина стенки, теплопроводность материала стенки, соответственно.

Рис. 5. Тепловые потери неизолированной опоры типа Т14.

Для расчета случая на рис. 4а можно пользоваться приближенным методом изображения теплового потока [10]. При этом распределение температур, в частности, можно уточнить с помощью тепловизора, т.е. сочетать аналитический и инструментальный методы. Опуская детали трудоемкой процедуры, сведем результаты расчета в таблице.

Таблица. Результаты теплового расчета опор.

Анализируя результаты, несложно заметить, что в связи с низким термическим сопротивлением (высоким коэффициентом теплоотдачи) контакта «опора — стальная опорная конструкция (балка)», тепловые потери контактной поверхности неизолированной опоры типа Т14 значительно превышают нормативные. Бугельная опора типа Т17 изолирована слишком тонким слоем паронита (2 мм), который служит только для защиты от блуждающих токов. Поэтому тепловые потери через контактную опору при данной толщине изоляции также высокие. Удовлетворительный результат, с точки зрения тепловых потерь, дает использование только стандартной опоры типа Т43 с изоляционной прокладкой из паронита толщиной 4 мм в зоне контакта с опорной конструкцией. Данный факт доказывает широко распространенный тезис о более высокой эффективности тепловой изоляции с «холодной» стороны.

При рассмотрении конструкций некоторых других типов опор (катковых, шариковых) важно отметить, что уменьшение площади контакта опоры с опорной конструкцией с целью снижения тепловых потерь не всегда является рациональным шагом. Анализируя формулу для вычисления коэффициента теплоотдачи (3) можно сделать вывод, что при стремлении площади контакта к нулю, мы получим резкое увеличение давления (вертикальной нагрузки) в контакте, коэффициента теплоотдачи и, следовательно, тепловых потерь. Поскольку вертикальная нагрузка в формуле стоит в степени 0,86, существует перегиб кривой зависимости и, соответственно, оптимальное значение площади контакта. Для рассмотренного примера расчетный оптимальный диапазон площади контакта можно условно оценить, как 0,1÷0,3 м 2 . Площадь контакта опоры Т14.40 — 0,165 м 2 , т.е. входит в диапазон оптимальных величин.

В качестве дополнения можно добавить, что расчет коэффициентов теплоотдачи контакта по формулам в источниках [3, 4] дают разные результаты. Формулы в [4] дают большее значение тепловой проводимости контакта материала в случае контакта «сталь — сталь» (ориентировочно в 2 раза), значения тепловой проводимости среды примерно одинаковы. В случае контакта «сталь — бетон» формулы в [4] дают меньшее значение тепловой проводимости примерно в 1,5 раза, чем у автора [3]. Данное расхождение объясняется сложностью природы явления, зависимостью от многочисленных физико-механических свойств контактирующих материалов и подчеркивает необходимость дальнейших, экспериментальных прикладных исследований. Для улучшения тепловой защиты в зоне контакта материалов авторы [3, 4] рекомендует следующие мероприятия:

а) искусственное увеличение эквивалентной толщины воздушной прослойки путем грубой обработки поверхностей (ниже 4 класса по ГОСТ 2789-59), нанесением волнистости или неплоскостности;

б) сведение до минимума контактного усилия сжатия;

в) введение в зону контакта прокладок из теплоизоляционных материалов;

г) составление пакетов из металлических листов;

д) использование порошкообразных окислов в контактной зоне.

В качестве изоляционных прокладок для деталей горячих трубопроводов уже широко используются: паронит по ГОСТ 481-80, фторопластовый уплотнительный материал, асбестовый не- пропитанный картон (при высоких температурах) и т.д. Выбор того или иного материала обычно определяется технико-экономическими показателями, особенно при проведении реконструкции.

Для изоляции боковых поверхностей опор наиболее привлекательно выглядит способ нанесения жидкой теплоизоляции, широко представленной на рынке в настоящий момент. К сожалению, при большом разнообразии коммерческих предложений и названий продуктов в настоящий момент накоплено мало опыта их применения. При относительно высокой стоимости (400-800 руб./м 2 ) эксплуатирующие и проектные организации довольно редко решаются их использовать.

Расчет скользящих изолированных опор на прочность

Проанализируем прочностные свойства изолированных опор. Расчет на прочность опор (и опорных конструкций) трубопроводов выполняется по общим правилам строительной механики и сопротивления материалов по внешним силам Qz, qx, qy (рис. 6), с учетом требований РД 10-400-01 «Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей». Фактические величины сил определяются в процессе расчета трубопровода на компенсацию температурных удлинений, с учетом сил трения. Вертикальная нагрузка Qz учитывает воздействие всех весовых нагрузок. В каталогах производителей опор, строительных сериях, для удобств расчетчиков, как правило, указываются максимальные величины допустимых значений вертикальной и осевой нагрузок.

Читайте также:  Как снять муфту с пластиковой трубы

Рис. 6. Расчетная схема диэлектрической опоры трубопровода Ду700 типа Т43.36.

Приведем расчет диэлектрической опоры трубопровода Ду 700 типа Т43.36 серии 4.903-10, выпуск 5 на прочность. Диэлектрическая прокладка данной опоры изготовлена из паронита общего назначения по ГОСТ 481-80. Коэффициент теплопроводности паронита составляет всего 0,06 Вт/(м-°С), поэтому (как показано выше) данный материал может вполне служить для целей теплоизоляции контакта. Допускаемое напряжение сжатия паронита [ σпар.]=6,4 МПа. Для данного типа опор в каталоге допускаемые максимальные значения нагрузок [Qz], [qx] на опору не приведены. Тем не менее, можно ориентироваться на значения для подобной неизолированной опоры типа Т14.40 (рис. 1а). Следовательно, можно принять [Qz]=220 кН (22000 кгс).

Произведем оценку прочности изолирующей прокладки на данную нагрузку:

где Sпар. — площадь прокладки, Sпар.=0,165 м 2 . Получим:

σпар =1,311*10 6 Па=1.311 МПа -3 м; dк— диаметр крепежного изделия, работающего на срез,

dк =40*10 -3 м; nк — количество крепежных элементов, nк=6; [σт] — предел текучести листа контактной поверхности опоры, [σт]=245 МПа (сталь ВСт3сп по ГОСТ16523-70). Горизонтальные проекции сил qx, qy могут быть получены согласно рекомендациям РД 10-400-01 из следующих зависимостей:

где mx, my — коэффициенты трения в контакте опора — опорная конструкция в соответствующих направлениях. Примем mx=my=m=0,3 (сталь по стали). Тогда формулу (7) можно представить в виде:

Подставив численные значения, получим: σэκв=68,067×10 6 Па=68,067 МПа 2 ; fппм=0,35; mx=my=m=0,3; Qz=220 кН и получим значение необходимого обжатия верхнего слоя ППМ изоляции ркн=2,1 МПа, что несколько превышает заявленный производителем предел прочности ППМ изоляции при сжатии (1,5 МПа). Учитывая сложнонапряженное состояние внутри слоев изоляции максимальное эквивалентное напряжение внутри слоев изоляции (по формулам Ляме [10]) может быть определено по формуле

где rви, rни — внутренний и наружный радиус слоя изоляции соответственно. Подставив значения для ОС- 700 rви=0,36 м, rни=0,415 м, получим значение максимального напряжения σппм =13,014 МПа, что существенно превышает предел прочности ППМ изоляции. Даже если перейти от нормативных нагрузок к фактическим (которые, как правило, меньше в 2-3 раза), неизбежно следует вывод, что при использовании данного типа опор неизбежно развитие пластических деформаций внутри ППМ изоляции, что может отрицательно сказаться на ее теплоизоляционных свойствах. При этом стоит упомянуть, что все компоненты напряжений в данном случае имеют отрицательный знак, т.е. это напряжения сжатия, которые для материалов типа пенобетонов гораздо менее опасны, чем напряжения растяжения.

Растягивающие напряжения в слоях теплоизоляции безусловно возникают в результате температурного расширения металла трубопровода. Максимальное значение эквивалентного растягивающего напряжения возникает во внутреннем граничном слое изоляции и может быть оценено формулой:

где rв, rн — внутренний и наружный радиус трубопровода, соответственно; Ес, Еи — модули упругости материалов трубопровода и изоляции, соответственно; μс, μи — коэффициенты Пуассона материалов трубопровода и изоляции, соответственно; аТ — коэффициент температурного расширения материала; Δt — величина нагрева трубопровода [10]. Не обладая необходимым количеством исходных данных о прочностных свойствах изоляции, используя ориентировочные значения, можно приблизительно оценить величину растягивающих напряжений для внутренних слоев ППМ изоляции трубопровода Ду 700 при его нагреве на 70 О С как 10-15 МПа, что также значительно превышает заявленный предел прочности.

Если обратиться к зарубежному опыту (рис. 2), проблема теплового расширения, очевидно, решается за счет теплового зазора, заложенного в конструкции. Этот зазор можно наглядно видеть на монтажном чертеже опоры типа С3300 (рис. 8). Недостаток прочностных свойств материала теплоизоляции, очевидно, также можно решить за счет усложнения конструкции опоры, например, как показано на рис. 9.

Рис. 8. Изолированная хомутовая опора типа С3300 (монтажный чертеж) (фото с сайта www.pipeshields.com).

Рис. 9. Усиленная изолированная хомутовая опора (фото с сайта www.pipeshields.com).

Анализируя конструкции опор (рис. 8, 9), можно также отметить их главные недостатки: наличие определенного теплового зазора ставит ее надежность в зависимость от соблюдения теплового режима; наличие усиливающих конструкцию лепестков ведет к усложнению и удорожанию опоры.

Заключение

В результате данного исследования можно сделать следующие выводы:

1) действительные тепловые потери неизолированных опор горячих трубопроводов превышают нормативные;

2) основная часть тепловых потерь приходится на контакт «опора — опорная конструкция»;

3) влажный контакт приводит к кратному росту тепловых потерь по сравнению с сухим;

4) тепловые потери в контакте значительно зависят от физических свойств опорной конструкции и значительно превышают нормативные значения в случае опирания на металлические балки;

5) на практике используются два типа изолированных опор горячих трубопроводов с низкими тепловыми потерями (хомутовые и с изолирующей прокладкой в контакте);

6) диэлектрические опоры с изолирующей прокладкой в контакте (рис. 6) обладают достаточной прочностью и могут быть рекомендованы для снижения тепловых потерь;

7) прочность хомутовых опор (рис. 7) в значительной степени зависит от прочностных свойств теплоизоляции. Рассмотренная ППМ изоляция не обладает прочностными свойствами, характерными для неизолированных опор;

8) при использовании изолированных хомутовых опор необходимы исследования вопросов прочности используемых изоляционных материалов и выработка новых рекомендаций для проектировщиков теплосетей;

9) для снижения тепловых потерь в опорах трубопроводов следует избегать неизолированного контакта «сталь — сталь» в опорных конструкциях, либо использовать изолированные в области контактной поверхности опоры типа Т43 (серия 4.903-10, выпуск 5).

Литература

1. Рябцев В.И., Литвиненко М.А., Плетнев А.Н., Рябцев Г.А. О некоторых путях уменьшения потерь теплоты // Новости теплоснабжения. 2001. № 07.

2. Горунович С.Б. Прочность изолированных опор горячих трубопроводов // Механики XXI веку. 2016. С. 277-281.

3. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971.

4. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977.

5. Попов В.М., Карпов А.А., Тиньков А.А. Теплообмен в теплонапряженных системах с периодически контактирующими элементами // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 2.

6. Меснянкин С.Ю., Викулов А.Г., Викулов Д.Г. Современный взгляд на проблемы теплового контактирования твердых тел // Успехи физических наук. 2009. Т. 179. № 9. С. 945-970.

7. Канев С.Н., Ивашкевич А.А., Лупанос В.М. Расчет теплопотерь в системах теплоснабжения // Ученые заметки ТОГУ. 2014. № 4.

8. Damien Cusick. Pipe Insulation Support Saddles // Insulation Outlook. 2002. № 3 (issue of March).

9. Фокин В.М., Бойков Г.П., Видин Ю.В. Основы энергосбережения в вопросах теплообмена. М.: Машиностроение — 1, 2005.

10. Бояршинов С. В. Основы строительной механики машин. М.: Машиностроение, 1973.

Источник

Adblock
detector