Меню

Линейное расширение трубы от температуры

Линейное расширение труб

Под линейным расширением подразумевают способность изделия изменять свои размеры при повышенных температурах. Данная особенность свойственна для трубопроводов всех материалов, в том числе и из полипропилена.

Что такое коэффициент линейного расширения

Коэффициент линейного расширения представляет собой физическую характеристику, которая показывает относительное увеличение линейных габаритов труб либо других изделий в условиях возрастания температуры на 1К (Кельвин) при неизменном давлении.

коэффициента линейного расширения осуществляется по формуле:

α– коэффициент линейного расширения;
Δl – удлинение трубы;
l1 – первоначальная длина трубы при Т1;
Δt – разность температур.

Независимо от того, из какого материала изготовлены трубы (металла, полипропилена или какого-то другого), в любом случае при проектировании трубопроводных коммуникаций следует учитывать линейное расширение стали, ПП и т.д.

В трубопроводах холодного водоснабжения изменения температуры практически отсутствуют, поэтому в этом случае трубы не изменяют свои размеры, следовательно, на данную величину можно не обращать внимания. Совсем иначе обстоят дела с системами подачи горячей воды и отопительными коммуникациями, в которых имеет место процесс температурного расширения.

Чем опасно линейное расширение

Стоит отметить, что у неармированных трубопроводных изделий коэффициент температурного расширения гораздо выше, нежели у армированных. Данное обстоятельство также следует учитывать при расчёте трубопроводов.

Если выпустить из виду линейное расширение полипропиленовых труб, то в результате воздействия температурных нагрузок возможно вырывание элементов крепежа и появление на прямолинейных участках синусоидальных деформаций. В таких местах начинает собираться воздух, на фоне чего ухудшится пропускная способность сети. В системах отопления происходит снижение температуры рабочей среды в радиаторе и поломка соединений.

Факторы, влияющие на тепловое расширение

Каждый материал отличается химическими характеристиками и физическими показателями, которые влияют на особенности эксплуатации и подверженность изделия воздействию внешних факторов.

Коэффициент линейного расширения труб во многом зависит от химического состава материала, из которого они изготовлены. Например, полипропиленовые изделия при многих своих преимуществах перед металлическими трубопроводами, более подвержены температурному удлинению. Но если говорить именно о трубах из ПП, то более устойчивы армированные модели.

Отдельного внимания заслуживает продукция «Акватерм», которая по сравнению с другими трубами из полипропилена гораздо устойчивее к температурным нагрузкам.

Рассмотрим особенности линейного расширения различных материалов.

Особенности линейного расширения труб из поливинилхлорида

Поливинилхлоридные (ПВХ) трубы так же, как и другие пластиковые изделия подвержены тепловым деформациям. В условиях эксплуатации ПВХ систем из поливинилхлорида происходит удлинение трубопровода. При этом линейное расширение составляет 0,06-0,08 мм/м ( о С).

Особенности линейного расширения труб из ABS

У труб ABS величина линейного удлинения составляет 0,09 мм/м ( о С), что гораздо больше, чем у полипропиленовых труб.

Особенности линейного расширения труб из полиэтилена

По сравнению с трубопроводной продукцией из полипропилена, полиэтиленовые трубы обладают достаточно высоким температурным удлинением – 0,15-0,20 мм/м ( о С). В то время, как этого недостатка лишены изделия из сшитого полиэтилена, у которого данный показатель составляет 0,024 мм/м ( о С). Благодаря этому, трубы PEX подходят для использования в системах, которые будут эксплуатироваться при повышенных температурных нагрузках. Но тем не менее для продления срока службы трубопроводной коммуникации крайне важно компенсировать тепловые деформации.

Особенности линейного расширения труб PVDF

Трубы из PVDF имеют много плюсов, но при этом у них довольно высокий коэффициент линейного расширения. Поэтому они менее подходят для создания отопительных сетей и коммуникаций горячего водоснабжения, чем полипропиленовые трубы. Тепловое удлинение трубы PVDF составляет 0,12-0,18 мм/м ( о С).

Особенности линейного расширения труб PB

Изделия из PB (полибутилена) при всех своих достоинствах реагируют на скачки температуры. У труб PB линейное расширение достигает 0,12 мм/м ( о С).

Особенности линейного расширения труб из металлопласта

Металлопласт представляет собой многослойную конструкцию. Каждый из входящих в состав материалов имеет разное тепловое расширение. В результате этого при температурных колебаниях возможно расслоение изделия и нарушение герметичности в месте соединения. В целом линейное расширение металлопласта не превышает 0,025 мм/м ( о С).

Особенности линейного расширения стали

Коэффициент линейного расширения стали зависит от марки металла, каждая из которых имеет свой состав. Включение тех или иных добавок обуславливает свойства материала. При создании отопительных коммуникаций из ПП изделий для компенсации линейного расширения реализуются разные решения. В большинстве ситуаций создаются угловые соединения. При необходимости создать строго прямолинейный участок данная проблема устраняется с помощью технологии скользящей трубы – создание подвижного соединения, которое располагается между двумя точками крепежа. При этом в случае повышения температуры обеспечивается нужное удлинение.

Особенности линейного расширения металла

Линейное расширение металла является одним из самых минимальных. Коэффициент теплового удлинения можно рассчитать самостоятельно или посмотреть в соответствующей справочной литературе. Наиболее подвержены температурным нагрузкам алюминий и медь. Если сравнивать алюминиевые и стальные трубы, то данная величина у изделий из алюминия в два раза больше, нежели у трубопроводной продукции из стали. Поэтому при использовании металлических труб для создания отопительных сетей, следует заранее выполнить необходимые расчёты (формула линейного расширения указана выше).

Читайте также:  Труба для парника из поликарбоната

Особенности линейного расширения труб из полипропилена

Как показывает расчёт линейных расширений, обычные ПП трубы обладают высоким коэффициентом температурного удлинения. Так, например, если монтировать трубопровод при температуре 20 о С, а потом начать транспортировать по нему рабочую среду при температуре 90 о С, то сама коммуникация нагреется до 70 о С. В результате температурного воздействия произойдёт изменения размеров: 10,5 мм на каждый метр.

Эффективным решением данной проблемы стало изготовление армированных труб, у которых коэффициент температурного расширения в 5 раз меньше, нежели у изделий без армирования.

Из всего существующего ассортимента полипропиленовых трубопроводных систем, представленного на современном рынке, у труб «Акватерм» один из самых низких коэффициентов линейного удлинения.

Сводная таблица линейного расширения разных пластиковых труб

Наименование труб Коэффициент линейного удлинения труб мм/м ( о С)
ПВХ (поливинилхлорид) 0,06-0,08
PEX (сшитый полиэтилен) 0,024
PVDF ( поливинилиденфторид ) 0,12-0,18
ABS ( акрилонитрил-бутадиен-стирол ) 0,09
PE (полиэтилен) 0,15-0,20
PB (полибутилен) 0,12
Металлопласт 0,025
ПП (полипропилен) 0,15
Fusiolen (Фузиолен) 0,035

Как избежать линейного расширения

Такая особенность, как деформация в результате воздействия температур, со временем приводит к удлинению и провисанию системы. В случае с полипропиленовыми трубами вопрос решился благодаря гибким компенсаторам, которые устанавливаются на прямых участках коммуникации более 10 м. Данные компенсирующие детали представляют собой достаточно простые соединительные элементы, напоминающие завёрнутую петлю. В их задачу входит компенсация расширения труб в результате резких скачков температуры и давления.

  • Обеспечить стабильное давление в трубопроводах на протяжении всего периода эксплуатации системы;
  • Сохранить прямолинейность на всех участках трубопровода.

Использование гибких компенсаторов решает вопрос с линейным расширением у полипропиленовых труб. А у труб Акватерм он полностью нейтрализуется и значение приближается к 0. При этом остаются все положительные качества ПП труб, которые позволяют создавать надёжные и долговечные трубопроводы.

Как решить проблему линейного расширения труб из других материалов

Если для труб используются гибкие компенсаторы, то при монтаже коммуникаций из поливинилхлоридных комплектующих вообще не устанавливаются компенсирующие элементы. А для PVDF систем предназначены компенсаторы Козлова. Их установка положительно сказывается на качестве трубопровода и эксплуатационном периоде.

Разновидности компенсаторов

В настоящее время выпускаются разные модели компенсаторов:

Г-образные;
Z-образные;
П-образные;


Сильфонные, которые в свою очередь бывают сдвиговыми, осевыми и т.д.

О компенсаторах более подробно будет рассказано в нашем следующем обзоре.

Подводя итог, стоит сделать акцент на важность значения линейного расширения труб при проектировании трубопроводов, поскольку оно влияет на их качество и срок службы.

Пластиковые трубы не требующие компенсаторов

Пластиковые трубы от немецкой компании «Aquatherm» имеют много преимуществ, одним из которых является минимальное линейное тепловое расширение 0,035 мкм. Таким низким показателем не может похвастаться ни одна аналогичная продукция. В большинстве случаев коэффициент линейного термического расширения составляет 0,15 мкм.

Минимальная деформация гарантирует работу трубопровода без повреждений долгие годы и обеспечивает возможность не использовать компенсаторы при вертикальной прокладке в шахте и каналах.

Трубы произведенные в Германии, широкого спектра применения.

Система отлично подходит для подведения воды к бассейнам, как в частных, так и промышленных масштабах. Так же используется для транспортировки химических сред.

Произведена из материала Fusiolen

Источник

Компенсация температурных расширений

С. В. Комаров, ведущий специалист отдела промышленного оборудования, ros-pipe.ru

Любые перемещения, возникающие вследствие внешних воздействий на трубопровод (например, сейсмических и др.), должны быть учтены при его проектировании, также следует учитывать и температурное расширение трубопроводов.

Строительные изделия, такие как трубы, оборудование, строительные конструкции, изменяют свои размеры в результате изменения температур. В настоящей статье затронуты вопросы компенсации теплового расширения и сжатия трубопроводов.

Вследствие изменения температуры рабочей среды в трубах возникают температурные напряжения, которые могут передаваться на арматуру, насосное оборудование и т.д. в виде реактивных сил и моментов. Это создает потенциальную опасность разгерметизации стыков, разрушения арматуры или оборудования.

Три наиболее часто используемых способа компенсации перемещений трубопроводов:

Выбор способа компенсации зависит от вида системы трубопроводов, ее схемы, а также от особенностей ландшафта, наличия рядом других коммуникаций и прочих условий.

Перечисленные выше примеры представлены в качестве общих инженерных решений и не должны рассматриваться как единственно верные для конкретной системы трубопроводов. Мы будем рассматривать способ компенсации расширения прямолинейных участков трубопроводов при помощи осевых сильфонных компенсаторов.

Расширение трубопроводов

Первым шагом для решения вопроса компенсации температурных перемещений является вычисление точного изменения длины участков трубопроводной системы в соответствии с предъявляемыми условиями безопасности.

Читайте также:  Некачественная пайка полипропиленовых труб

Определение (расчет) теплового расширения трубопровода производится по следующей формуле:

где а – коэффициент температурного расширения, мм/ (м·°С);
L – длина трубопровода (расстояние между неподвижными опорами), м;
∆t – разница значений между максимальным и минимальным значениями температур рабочей среды, °С.

Коэффициент температурного расширения берется из таблицы линейного расширения труб из различных материалов.

Как видно из таблицы, наиболее подвержены температурному расширению трубопроводы из полимерных материалов, в связи с этим способы компенсации полимерных труб несколько отличаются от способов компенсации стальных.

Значения коэффициента линейного расширения являются усредненными для каждого вида материала. Эти значения не должны применяться для расчетов трубопроводов из других материалов. Коэффициенты растяжения в разных источниках могут различаться на 5% и более, поскольку их вычисления проводятся при разных условиях и различными методами. Желательно применять для расчетов коэффициент линейного расширения, который представлен в технической документации производителя труб.

Рассмотрим реальный пример.

Возьмем прямолинейный участок трубопровода диаметром 219 мм из черной углеродистой стали длиной 100 м. Максимальная температура tmax = 140 °С, минимальная tmin = –20 °С.

Производим расчеты:
∆t = 140 – (–20) = 160 °С,
изменение длины трубопровода:
∆L = 0,0115 × 160 × 100 = 184 мм.

Полученный результат говорит о том, что трубопровод при заданных значениях меняет свою длину на 184 мм. Для обеспечения правильной работы трубопровода подходит осевой сильфонный компенсатор условным диаметром 200 мм и компенсирующей способностью 200 мм (например, КСО 200–16–200). При подборе данного типоразмера компенсатора имеется запас компенсирующей способности, а это положительно скажется на сроке работы трубопровода.

В случае, если полученное значение ∆L будет превышать значение компенсирующей способности производимых типоразмеров компенсаторов, то следует уменьшить длину участка трубопровода между двумя неподвижными опорами пропорционально имеющейся компенсирующей способности, а затем подобрать необходимый сильфонный компенсатор, пользуясь вышепредставленным расчетом.

Таблица
Материал трубопровода Коэффициент линейного
расширения, мм/(м·°C)
Чугун 0,0104
Сталь нержавеющая 0,011
Сталь черная и оцинкованная 0,0115
Медь 0,017
Латунь 0,017
Алюминий 0,023
Металлопластик 0,026
Поливинилхлорид (PVC) 0,08
Полибутилен (PB) 0,13
Полипропилен (PP-R 80 PN10 и PN20) 0,15
Полипропилен (PP-R 80 PN25 алюминий) 0,03
Полипропилен (PP-R 80 PN20 стекловолокно) 0,035
Сшитый полиэтилен (PEX) 0,024

Установка сильфонных компенсаторов

Цель установки сильфонного компенсатора – это поглощение теплового расширения трубы. Обычно температура рабочей среды (жидкости) является основным источником изменения размеров трубопровода, однако в некоторых случаях температура окружающей среды может вызвать тепловое движение трубопровода, т.е. его удлинение или сжатие.

Рекомендации по установке

1. Устанавливая сильфонные компенсаторы, следует проверить соответствие их основных параметров указанным в проекте, таких как

  • диаметр Ду, мм;
  • давление Ру, МПа;
  • компенсирующая способность, мм.

2. Диаметр и давление трубопровода должны соответствовать выбираемому компенсатору.

3. При установке сильфонных компенсаторов необходимо монтировать не более одного компенсатора на участке трубопровода между каждыми двумя последовательно стоящими неподвижными опорами.

4. Скользящие опоры должны быть охватывающими (хомуты, рамочные и др.). Они не должны создавать большую силу трения. Целесообразно применение фторопластовых прокладок и т.п. При движении труб не должно быть заклиниваний и перекосов.
Максимальный размер люфтов для Ду ≤ 100 мм – 1 мм, а для Ду ≥ 125 мм – 1,6 мм.

5. При проведении расчетов трубопроводов необходимо учитывать влияющие силы (силы трения, силы упругости сильфонов и др.).

6. При выборе места установки сильфонных компенсаторов нужно выбрать наиболее оптимальный вариант их расположения на трубопроводе.

7. При опрессовке труб давление не должно превышать 1,25 × Ру.

8. Процесс опрессовки проводить только после полного монтажа трубопровода.

9. Напряжения скручивания, угловые усилия, поперечные перемещения должны быть полностью исключены на участке трубопровода, на котором установлен осевой сильфонный компенсатор.

Определение точек установки компенсаторов и направляющих опор для трубы

Для обеспечения правильной работы трубопровода в рабочем режиме следует разделить систему на отдельные участки с целью установки на них сильфонных компенсаторов. Основная задача компенсаторов – контроль расширения трубопровода между неподвижными опорами, перемещение должно происходить строго в осевом направлении для обеспечения жесткости конструкции.

Неподвижные же опоры предназначены для приема всех сил, действующих на трубопроводе.

Направляющие (скользящие) опоры для труб обеспечивают выравнивание движения сильфона компенсатора и предотвращают смещение относительно оси трубопровода. При отсутствии направляющих опор сильфонный компенсатор, обладающий высокой гибкостью в сочетании с внутренним давлением, может потерять устойчивость и деформироваться, что может привести к выходу из строя трубопровода.

Основная рекомендация состоит в установке осевого сильфонного компенсатора рядом с неподвижной опорой. Обычно осевой сильфонный компенсатор устанавливают на расстоянии не более 4Ду от неподвижной опоры. Данное условие обусловлено обеспечением жесткости конструкции.

Соблюдая правила монтажа сильфонных компенсаторов, вы продлите до максимума срок службы трубопровода, что сэкономит средства на его неплановый ремонт.

Схемы установки осевых сильфонных компенсаторов

Компенсатор в середине прямого участка трубопровода

Компенсатор в крайнем положении прямого участка трубопровода

Компенсатор на прямом участке Z-образного участка трубопровода

Компенсатор на Т-образном участке трубопровода

Расстояния между компенсатором и опорами трубопровода

Первая направляющая опора должна быть расположена на расстоянии не более 4 диаметров труб от сильфонного компенсатора. Расстояние между первой и второй направляющими 14 диаметров трубы.

L1 = 4Ду (максимум).
L2 = 14Ду (максимум).
L3 см. график – максимальное расстояние между осями направляющих опор.

Максимальное рекомендуемое расстояние между скользящими опорами приведено на графике. На нем отображена зависимость расстояния между опорами и давления в системе от диаметра трубопровода.

Данные расстояния получены в результате расчетов трубопровода на прочность и устойчивость и являются стандартными.

Правильное расположение компенсаторов КСО, неподвижных и направляющих опор и влияние направляющих (скользящих) на состояние трубопровода при температурном расширении показаны на рисунке ниже.

Самокомпенсация трубопроводов

Наряду с использованием современных компенсаторов целесообразно применять эффект естественной компенсации или так называемой самокомпенсации. Этот эффект применим для любых способов прокладки теплосетей и широко используется на практике.

Эффект самокомпенсации или естественной компенсации термических расширений за счет упругости самого трубопровода применяется на участках, где трасса меняет свое направление (поворачивает).

Преимущество использования самокомпенсации:

  • простота устройства;
  • снижение затрат на специальные компенсаторы;
  • надежность;
  • отсутствие надзора и ремонта;
  • отсутствие нагруженности опор.

Для осуществления эффекта естественной компенсации не требуется большого количества труб и специализированных опорных металлоконструкций. Снижение затрат на дополнительные металлоконструкции также может обеспечить установка сильфонных компенсаторов.

Грамотный проект трассировки трубопровода должен учитывать экономическую составляющую, т.е. должен быть выбран такой вариант, при котором система будет максимально надежной и простой в обслуживании при минимальных затратах на материал и работу.

Такой проект должен в первую очередь в максимальной степени использовать все естественные повороты и изгибы трубопроводов для компенсации температурных изменений труб. Рекомендуется применять сильфонные компенсаторы только после использования эффекта самокомпенсации или естественной компенсации.

Компенсаторы используют лишь в тех случаях, когда нет возможности применить эффект самокомпенсации, то есть при наличии длинных прямолинейных участков и также сложившихся условий расположения объектов и проходящих рядом коммуникаций.

Расположение опоры относительно компенсатора

Зависимость расстояния между опорами и давления в системе от диаметра трубопровода

Правильное расположение компенсаторов КСО, неподвижных и направляющих опор и влияние направляющих (скользящих) на состояние трубопровода при температурном расширении

Недостатки использования самокомпенсации

  • Преимущественное поперечное перемещение нагружаемых частей трубопровода, из-за которого необходимо увеличение размеров непроходных каналов, а также затрудняющее применение при прокладке трубопроводов засыпной изоляции и бесканальной прокладки.
  • Габариты трубопровода с применением самокомпенсации и размеров плеч трубопровода при самокомпенсации определяют специальными расчетами на компенсацию. Произведенные расчеты длины плеча затем используют для вычисления эффекта бокового или углового смещения трубопровода. Его величина обязательно должна быть несколько меньше, чем размер канала (с запасом не менее 50 мм) между наружной частью трубы и внутренней стенкой строительной конструкции. Наибольшее смещение при естественной компенсации – это смещение в месте поворота трубопровода.
  • В случае бесканальной прокладки трубопроводов в местах изменения направления трубопровода предусматривают так называемые непроходные каналы, размеры которых рассчитывают по формулам.
  • Расчет применения самокомпенсации трубопровода применим как для привычных всем Z-образных, П-образных и Г-образных компенсаторов, так и для других видов конструкций трубопровода.

П-образный или сильфонный компенсатор?

Не раз проектировщики сталкивались с вопросом «Какой компенсатор поставить – П-образный или сильфонный?»

Отвечая на этот вопрос, мы пришли к выводу, что в большинстве случаев следует устанавливать сильфонные компенсаторы.

Применение П-образных компенсаторов, расположенных вертикально и горизонтально, при прокладке трубопроводов различного назначения бывает неэффективным. Увеличение их количества не решает проблему безопасности, поскольку при движении поверхности земли (грунта) нет возможности определить, в какой точке и в какую сторону будут действовать силы на трубопровод. В большинстве случаев можно только предположить, в какую сторону будет двигаться грунт, и расположить два компенсатора горизонтально и вертикально.

Если идеализировать ситуацию, то необходимо чтобы П-образные компенсаторы устанавливали в одной точке через каждые 15–30° (от 0 до 180° – см. рис.) для осуществления «полной» компенсации. Проблема решается путем применения в данной ситуации всего одного сильфонного компенсатора.

Выше была рассмотрена ситуация с надземной прокладкой трубопровода. Для подземной прокладки существуют специальные сильфонные компенсаторы для газо- и нефтепроводов, их установка в определенных точках дает возможность обходиться без дорогих подземных железобетонных каналов. Таким образом, применение сильфонных компенсаторов экономит деньги и время без ущерба качества работы трубопроводов.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник

Adblock
detector