Проектировщикам

1. УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ТРУБОПРОВОДОВ

ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

1.1 Общие указания:

1.1.1 Выбор стеклопластиковых труб и изделий по диаметру должен осуществляться на основании гидравлического расчета, а по толщине стенки – на основании прочностного расчета с учетом конкретных условий для проектируемого трубопровода.

1.1.2 Расчет стеклопластиковых трубопроводов должен производиться таким образом, чтобы они выдержали все нагрузки с соответствующим коэффициентом безопасности. Трубы и изделия обычно проектируются на основе прогнозируемой прочности материала после 50 лет. При этом необходимо учитывать следующие обстоятельства:

- стеклопластиковые трубы выполнены из анизотропного материала, в котором упрочнение может быть ориентировано таким образом, чтобы получить максимальную прочность в направлении усилия;

- модуль упругости имеет тенденцию увеличиваться со временем;

- прочность на разрыв уменьшается в среднем на 30¸35% через 50 лет;

- явление ползучести становится заметным при нагрузках, превышающих 50% от критических, таким образом, коэффициент безопасности обязательно должен быть большим или равным 3;

- упругая деформация имеет тенденцию уменьшаться со временем, поэтому при расчете структур, в которых определяющим является газонепроницаемость, лучше в качестве меры предосторожности учитывать как главный фактор ползучесть, а не напряжения;

Расчет трубопроводов производится по предельным состояниям:

- по несущей способности (прочность и устойчивость);

- по деформациям (для трубопроводов, величина деформации которых может ограничить возможность их применения).

Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость следует производить на действие расчетных нагрузок. Метод определения расчетных нагрузок и воздействий и их сочетание надлежит принимать в соответствии со ДБН В.2.3-6-2002 и ДБН В.1.2-2:2006.

1.1.3 Параметры проектирования. Перед проектированием трубопровода из стеклопластиков должны быть определены следующие технические данные:

Гидравлические параметры:

- расход;

- максимальный рабочий напор и напор при гидроударе (при необходимости);

- отрицательный напор (если возможен);

- геометрия трассы (длина, перепады высот и т.д.);

- вид и количество фасонных изделий;

- рабочая температура, на входе и выходе;

- характеристики транспортируемой среды;

Внешние параметры:

- характеристики грунта;

- температурные характеристики внешней среды;

- уровень грунтовых вод;

- высота засыпки (максимальная и минимальная);

- предусмотренный материал обратной засыпки и уплотнение;

- нагрузки на наземные трубопроводы (во время укладки и после) или изгибающие нагрузки для надземных трубопроводов;

- затруднительный доступ к месту укладки, что может вызвать требования по ограничению длины труб и изделий.

 

1.2 Гидравлический расчет трубопроводов

Трубы и фасонные изделия из стеклопластиков благодаря гладкой внутренней поверхности, высокой коррозионной стойкости, отсутствию впитывания влаги, отсутствию образования химических и биологических отложений имеют отличные гидравлические характеристики. Это обычно позволяет снизить диаметр трубопровода по сравнению с традиционными материалами, а также значительно снизить затраты на перекачку продукта и эксплуатацию трубопровода. Значение абсолютной шероховатости внутренних поверхностей стеклопластиковых труб и изделий равно 0,2мкм. Долговременная абсолютная шероховатость – 0,25мкм. Если используются раструбно-шиповые соединения, то долговременная абсолютная шероховатость равна 0,3мкм.

Рекомендуемая скорость течения жидкости:

- чистая жидкость – 2,5¸3,5 м/с max

- жидкость с примесью твердых веществ – 1,5¸2,0 м/с max.

1.2.1 Расчет потерь напора для напорных трубопроводов.

Потери напора

Потери напора Н, м, на участке трубопровода определяются по формуле

, (1)

где:

L – расчетная длина участка трубопровода, м;

iТ – потери напора, вызванные гидравлическим сопротивлением единицы длины труб, м;

V – средняя по сечению скорость движения жидкости, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

– сумма коэффициентов гидравлических сопротивлений стыковых соединений, фасонных изделий, арматуры и т.д.

Потери напора НМ., м, в фасонных изделиях определяются по формуле:

, (2)

где коэффициент ζ принимается по таблице 1:

Таблица 1

Тип фасонного изделия

Коэффициент ζ

Отвод 90°, стандартный (радиус оси поворота равен 1,5 DN)

0,5

Отвод 90°, выполненный из труб одной склейкой под 45°

1,4

Отвод 90°, выполненный из труб двумя склейками

0,8

Отвод 90°, выполненный из труб тремя склейками

0,6

Отвод 45°, стандартный

0,3

Отвод 45°, выполненный из труб одной склейкой

0,5

Тройник, прямой поток

0,4

Тройник, поток, идущий к боковому патрубку

1,4

Тройник, поток, идущий от бокового патрубка

1,7

Переходники

при

=0,8

=0,5

Переходник понижающий

0,06

0,12

Переходник повышающий

0,07

0,28

 

Потери напора на единицу длины трубопровода iT, м/м, следует определять по формуле:

, (3)

где:

l – коэффициент гидравлического сопротивления;

d – внутренний диаметр трубопровода, м.

Коэффициент гидравлического сопротивления;

Коэффициент гидравлического сопротивления l с учетом гидравлического сопротивления стыковых соединений при транспортировании по трубопроводу воды с коэффициентом кинематической вязкости n = 1,3 × 10-6 м2/с определяется по формуле:

, (4)

где:

А1 и m – коэффициенты, принимаемые равными: А1 = 0,0146; m = 0,226.

Для жидкостей близких по характеристикам воде, в общем случае, справедливо:

где:

Re – число Рейнольдса, ;

К – долговременная абсолютная шероховатость стенок труб.

Для трубопроводов, транспортирующих жидкость с другим показателем коэффициента кинематической вязкости n, м2/с, коэффициент гидравлического сопротивления l следует определять из выражения:

, (5)

При проведении приближенных гидравлических расчетов следует пользоваться номограммой (Приложение Г).

 

1.2.2 Расчет гидравлического уклона для самотечных трубопроводов.

Уклон трубопровода iТР на участке длиной LТР определяется по формуле:

, (6)

где:

iМ.С. – гидравлический уклон, учитывающий местные гидравлические сопротивления в трубопроводе;

iТ – гидравлический уклон, учитывающий гидравлическое сопротивление труб в трубопроводе.

Гидравлический уклон

Гидравлический уклон iМ.С. определяется по формуле:

, (7)

где:

V – средняя по сечению скорость движения жидкости, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

S ζj – сумма коэффициентов, учитывающих местные сопротивления (стыки труб, вход-выход в колодец и т.п.), принимается по справочникам;

j – номер любого местного сопротивления.

Гидравлический уклон

Гидравлический уклон iТ определяют по формуле:

, (8)

где:

l - коэффициент гидравлического сопротивления трения;

R – гидравлический радиус, м

Средняя скорость V, м/с, определяется по формуле:

, (9)

где:

q – расход жидкости, м3/с;

w – живое сечение потока жидкости, м2.

Гидравлический радиус;

Гидравлический радиус R, м, и живое сечение потока w, м2, определяют с учетом внутреннего диаметра трубопровода d по следующим формулам:

, (10)

, (11)

где RS и Кw - коэффициенты, принимаемые в зависимости от наполнения трубопровода hS/d по таблице 2 (hS – заполнение трубы жидкостью).

 

Таблица 2

hS/d

Кw

RS

0,1

0,0409

-

0,2

0,1118

0,1206

0,3

0,1982

0,1709

0,4

0,2934

0,2142

0,5

0,3927

0,2500

0,6

0,4920

0,2776

0,7

0,5872

0,2962

0,8

0,6736

0,3042

0,9

0,7445

0,2980

1,0

0,7854

0,2500

 

Коэффициент трения:

Коэффициент трения lопределяют по формуле, для жидкостей с отличным от воды коэффициентом кинематической вязкости:

, (12)

Либо по формуле:

Для жидкостей близких по характеристикам воде,

где:

Re – число Рейнольдса, ;

К – долговременная абсолютная шероховатость стенок труб.

 

1.2.3 Гидравлический удар

Гидравлический удар или резкое повышение напора может иметь место как в самотечных, так и в напорных трубопроводах при внезапном изменении скорости потока. Причиной этого обычно является включение или выключение насосов, открытие или закрытие задвижек и т.п.

Величина волнового давления очень сильно зависит от окружного модуля упругости на растяжение и соотношения толщины стенки и диаметра трубы. Низкий модуль упругости стеклопластиковых труб дает более низкое расчетное волновое давление по сравнению со стальными трубами, имеющими более высокий модуль упругости, или более толстую стенку, или и то, и другое одновременно.

Параметром для вычисления значения максимального волнового давления является скорость волны, которая зависит от характеристик трубы и свойств потока жидкости.

Скорость волны:

Величина скорости волны с, м/с, определяется по формуле:

, (13)

где:

с – скорость волны, м/с;

К – объемный модуль упругости жидкости, Па (для воды при 0°С и атмосферном давлении К=1962 × 106Па);

r – удельный вес жидкости, кг/м3 (для воды r=1000кг/м3);

d – внутренний диаметр, мм;

Е – окружной модуль упругости трубы, Па;

t – толщина стенки трубы, мм.

Волновое давление:

Значение максимального (минимального) волнового давления вычисляется по следующей формуле:

, (14)

где:

DН – волновое давление, м;

DV – изменение скорости жидкости, м/с (принимается равным среднему значению скорости потока жидкости).

Обычно для стеклопластиковых труб принимаются следующие допущения:

PP < PN; PP + PB < 1,4 PN, (15)

где:

PP – рабочее давление;

PB – волновое давление;

PN – номинальное давление.

Это означает, что допустимое волновое давление, возникающее в стеклопластиковом трубопроводе, может превышать номинальное давление на 40%.

 

1.3 Расчет геометрических параметров трубы.

Геометрические параметры трубы (толщина и структура силового слоя) определяются по программе расчета, ориентированной на стандарты США ANSI/AWWA С 950-88.

Программа призвана обеспечить минимальную толщину силового слоя (т.е. минимальное количество материалов, а, следовательно, и стоимость) для заданных условий эксплуатации трубопровода и характеристик исходного сырья.

Каждому заданному значению структуры силового слоя соответствует расчетное номинальное внутреннее давление. Гидростатический расчет номинального внутреннего давления основан на долговременных испытаниях, проводимых в соответствии с ASTM D 2992, Процедура В. При этих испытаниях образцы труб подвергаются воздействию постоянного внутреннего давления разного уровня, и для каждого уровня давления измеряется время разрушения. Результаты испытаний анализируются с помощью метода наименьших квадратов. Долговременная гидростатическая прочность вычисляется на срок 50 лет.

Приближенно, номинальная толщина стенки трубы может быть определена по формуле:

, (16)

где:

tC.C. – номинальная толщина силового слоя стенки трубы, мм;

PP – рабочее давление, МПа;

d – внутренний диаметр трубы, мм;

sy – допускаемые окружные напряжения, принимаемые по таблице 2.

В зависимости от типа трубопровода (надземный, подземный и т.д.) и конкретных условий эксплуатации толщина и структура силового слоя проверяются соответствующими расчетами.

 

1.4 Анализ потери устойчивости

Труба должна быть рассчитана на минимальную толщину (исключая толщину лайнера), необходимую для сопротивления силам, вызывающим потерю устойчивости, которые могут возникнуть при эксплуатации трубы.

Критическое давление (потеря устойчивости) вычисляется по следующей формуле:

, (17)

, (18)

 

где:

PC – критическое давление (потеря устойчивости), МПа;

PCA – допускаемое давление (потеря устойчивости), МПа;

SF – коэффициент безопасности 2,5 для известных условий (3,0 для неопределенных условий);

tC.C. – толщина силового слоя, мм;

nhl, nlh– коэффициенты Пуассона;

R – средний радиус, мм;

Е0 – модуль упругости при растяжении в окружном направлении, МПа.

 

1.5 Теплоизоляция трубопроводов

Стеклопластиковые трубы производства завода «Полимер» предназначенные для систем отопления и горячего водоснабжения имеют теплоизоляционный слой из пенно полимерных материалов, либо из других материалов обладающих необходимыми свойствами для обеспечения требуемого уровне теплоизоляции.

Материалы используемые для создания теплоизоляционного слоя имеют структуру с замкнутой ячейкой, закрытую пористость, имеющих коэффициент паропроницаемости менее 0,1 мг/(м×ч×Па), чем обеспечивается их пароизолирующее свойства.

Расчёт теплоизоляционного слоя и его проектирование производится согласно СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» и ПБ 10-573-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды».

 

1.5.1 Конструкция теплоизолированных труб

Термоизол.jpg

 

Труба стеклопластиковая внутренним диаметром DN

Толщина стенки e по ТУ У В.2.5.-25.2-32900322-004:2008

Толщина термоизолирующего слоя m рассчитывается согласно СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов», или пункта 7.5.2 настоящего руководства.

Толщина наружного защитного слоя для всех типов теплоизолированных трубопроводов 2,5мм.

1.5.2 Расчёт потерь температуры.

 

Расчёт потерь температуры производится по известной толщине термоизолирующего слоя рассчитанного согласно СНиП2.04.14

Потери теплоты в общем случае Вт/м:

где

- температура теплоносителя, °С;

- температура окружающей трубопровод среды, °С. При канальной прокладке по грунту принимается среднюю температуру наиболее холодной пятидневки в году, прибавляя к ней 4°С. При без канальной прокладке в грунте следует принимать среднюю за год температуру грунта на глубине заложения оси трубопровода. При прокладке на воздухе среднюю температуру наиболее холодной пятидневки в году, °С;

- суммарное термическое сопротивление системы, м2×°С/Вт;

Термическое сопротивление трубы

Термическое сопротивление изоляции

Термическое сопротивление защитного слоя

где

- наружный диаметр трубы, м; - внутренний диаметр трубы, м; - наружный диаметр изоляции, м; - внутренний диаметр изоляции, м; - наружный диаметр защитного слоя, м; - внутренний диаметр защитного слоя, м;

- теплопроводность материала слоя, Вт/(м·°С), - теплопроводность стеклопластика 0,35Вт/(м·°С), - теплопроводность материала теплоизоляции, на примере пенополиуретана 0,025Вт/(м·°С);

Термическое сопротивление грунта

тут - теплопроводность грунта по ГОСТ 5180-84 «Грунты. Метод лабораторного определения физических характеристик», Вт/(м·°С);

h- глубина заложения оси трубопровода, м;

Полная потеря теплоты, Вт:

где

q – рассчитанная выше потеря теплоты, Вт/м;

l – длинна трубопровода, м;

– коэффициент местных потерь теплоты, при полной изоляции трубопровода принимается равным 0,08, при отсутствии изоляции на стыках принимается равным 0,2.

Температура в конце участка

где

G – масса воды в 1-м метре трубы, кг;

c – теплоёмкость теплоносителя, для воды 0,00418 Дж/(кг·°С);

Альтернативная формула

тут e – основание натурального логарифма.

Расчищав температуру в конце участка можно сделать вывод о правильности расчёта толщины теплоизоляционного слоя.

 

1.6 Проектирование надземных трубопроводов

Существуют следующие методы укладки надземных стеклопластиковых трубопроводов:

- трубопроводы со свободными торцами – допускается перемещение на поворотах трубопровода;

- трубопроводы с фиксированными торцами – прочно закреплены во всех местах перемены направления трубопровода;

- комбинированные трубопроводы.

Надземные стеклопластиковые трубопроводы проектируются с учетом самых больших нагрузок, которые могут возникнуть при укладке и эксплуатации трубопровода. При расчете необходимо учитывать также нагрузки от оборудования; гидродинамический эффект, производимый внутренним давлением; влияние температурного удлинения, удлинения от давления; изгибные нагрузки, а также условия эксплуатации. Задвижки и другое вспомогательное оборудование должны иметь собственные опоры.

При проектировании надземных трубопроводов из стеклопластиковых труб следует учитывать некоторые особенности их свойств:

- по сравнению со стальными трубами осевой коэффициент линейного термического расширения в 2 раза больше, а осевой модуль упругости в 14 раз ниже, поэтому силы, возникающие на торцах стеклопластиковых труб, в 7 раз меньше по сравнению с такими же силами, возникающими в металлических трубопроводах;

- чувствительность наружного слоя к механическим повреждениям и истиранию;

- меньший в 3-4 раза, чем у стальных аналогов, вес.

Эти обстоятельства определяют длину пролета между опорами, конструкцию и размеры опор.

 

1.6.1 Терморасширение и термические нагрузки

Изменение длины трубы от изменения температуры в трубопроводах со свободными торцами определяется по формуле (19), а силы, возникающие на торцах трубы в трубопроводах с фиксированными торцами – по формуле (20).

(19)

, (20)

где: Dl – изменение длины, мм;

 

a - коэффициент терморасширения, 1,8´10-5 1/°С (при угле намотки 54°);

 

l – первоначальная длина трубы, мм;

 

DT = ТР – ТУ, °С;

 

ТР – расчетная температура, °С;

 

ТУ - температура укладки, °С;

 

F – нагрузка на торец от терморасширения, Н;

 

А – площадь поперечного сечения, мм2;

 

Е – продольный модуль упругости, МПа.

 

1.6.2 Длина пролета

При строительстве надземных стеклопластиковых трубопроводов используют три типа опор:

- неподвижные опоры (анкеры), которые предназначены для безусловного запрещения перемещений трубопровода во всех направлениях;

- продольно-подвижные или направляющие опоры, которые предназначены для запрещения перемещений во всех, кроме осевого, направлениях;

- свободные опоры, которые предназначены для запрещения перемещений только в вертикальной плоскости вниз.

Свободные опоры устанавливаются на участках, где определяющей является равномерно распределенная нагрузка от действия собственного веса трубопровода, веса транспортируемого продукта, теплоизоляции, снега и т.д.

Неподвижные опоры разделяют трубопровод на участки, в пределах которых продольные перемещения равны нулю. Из опыта монтажа и эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов в целях снижения перемещений от вибраций, гидроударов и т.д. неподвижные опоры устанавливают с интервалом 80¸100 метров.

Длина пролета (расстояние между двумя соседними опорами) ограничена следующим:

- максимальная осевая деформация не должна превышать допустимое значение;

- средний прогиб пролета должен быть меньше 1/500 длины пролета.

Максимальное расстояние между опорами для трубопроводов из стеклопластика приведено в таблицах 3.

Таблица 5.

Максимальное расстояние между опорами (м) при 40°С и номинальном давлении PN (МПа)

DN, мм

PN = 0,6

PN = 1,0

PN = 1,6

PN = 2,0

PN = 2,5

80

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

100

3,3

3,3

3,3

3,3

3,3

150

3,6

3,6

3,6

3,6

3,6

200

3,5

3,5

3,5

3,7

3,9

250

3,9

3,9

3,9

4,2

4,5

300

4,0

4,3

4,6

4,9

5,2

350

4,4

4,9

5,6

6,0

6,3

400

5,0

5,5

6,2

6,5

6,8

500

5,8

6,3

7,0

7,4

7,2

700

6,2

6,7

7,3

8,0

 

800

6,6

6,9

7,7

 

 

1000

7,2

7,4

 

 

 

1200

8,1

9,0

 

 

 

1400

9,0

10,0

 

 

 

1600

10,0

10,0

 

 

 

Максимальное расстояние между опорами (м) при 120°С и номинальном давлении PN (МПа)

DN, мм

PN = 0,6

PN = 1,0

PN = 1,6

PN = 2,0

PN = 2,5

80

2,7

2,7

2,7

2,7

2,7

100

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

150

3,2

3,2

3,2

3,2

3,2

200

3,1

3,1

3,1

3,4

3,6

250

3,5

3,5

3,5

3,7

4,0

300

3,5

3,9

4,2

4,4

4,6

350

3,9

4,4

5,0

5,3

5,4

400

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

500

5,0

5,6

6,0

6,5

7,0

700

5,4

6,0

6,6

7,2

 

800

5,9

6,4

7,0

 

 

1000

6,2

6,8

 

 

1200

6,8

7,3

 

 

1400

7,2

8,0

 

 

1600

8,0

8,4

 

 

Если желаемая длина пролета отличается от указанных в таблицах 5, 6, то необходимо провести расчет трубопровода согласно общим правилам строительной механики. При этом трубопровод следует рассматривать как упругий стержень, у которого при приложении нагрузки поперечное сечение остается плоским и сохраняет свою круговую форму, а модуль упругости зависит как от продолжительности действия нагрузки, так и от температуры.

Когда удельный вес транспортируемой по трубопроводу жидкости выше удельного веса воды, стандартная длина пролета между опорами (таблицы 5, 6) должна быть уменьшена в соответствии со следующим соотношением:

, (21)

где:

L – длина пролета, м;

LCT – стандартная длина пролета, м;

J – корректирующий коэффициент удельного веса, принимаемый по таблице 7.

Таблица 5.

Удельный вес жидкости, кг/м3

Корректирующий коэффициент, J

1000

1,00

1250

0,90

1500

0,85

1800

0,80

 

1.6.3 Компенсация продольных перемещений

Компенсация продольных перемещений трубопровода должна осуществляться, как правило, за счет использования раструбно-шиповых соединений, либо за счет самокомпенсации отдельных участков трубопровода. Компенсирующая способность раструбно-шиповых соединений представлена в таблице 7а.

Для трубопроводов систем горячего водоснабжения и отопления, а также для трубопроводов с фланцевыми и резьбовыми соединениями компенсация температурных удлинений должна осуществляться осевыми или П – образными компенсаторами

Компенсирующая способность раструбно-шиповых соединений (мм). Таблица 5а.

* “+” - при удлинении труб.

“–” - при укорачивании труб.

 

Расчет П-образного компенсатора проводится по формуле:

, (22)

где:

Н – длина компенсатора (перпендикулярно оси трубопровода), мм;

К – коэффициент, принимается =3 (для направленной консольной балки);

DL – изменение длины участка трубопровода, мм;

Е1 – продольный модуль упругости, МПа;

Dвнешн. – наружный диаметр трубопровода, мм;

s1 – остаточное осевое напряжение, s1 = (sдоп - sР.), МПа;

sдоп. – допускаемое осевое напряжение, МПа;

sР – напряжение от рабочего давления, МПа.

 

Ширина компенсатора (параллельно оси трубопровода) обычно принимается равной двум длинам Н.

Изменение направления трубопровода под углом 90° обеспечивает такую же компенсацию продольных перемещений, что и П-образный компенсатор, при условии, что первая после поворота трубопровода опора расположена на расстоянии Н, которое определяется по формуле:

, (23)

где:

Н – длина от места перемены направления до первой опоры, мм;

DL – изменение длины участка трубопровода, мм;

Е1 – продольный модуль упругости, МПа;

Dвнеш. – наружный диаметр трубопровода, мм;

s1– остаточное осевое напряжение, s1 = (sдоп - sР.), МПа;

sдоп. – допускаемое осевое напряжение, МПа;

sР – напряжение от рабочего давления, МПа.

В случае применения сильфоных компенсаторов число компенсаторов на участке трубопровода определяется согласно формуле:

где:

n – число компенсаторов;

DL – изменение длины участка трубопровода, мм;

– изменение длинны компенсируемое одним компенсатором выбранного типа.

 

1.6.4 Типовые решения конструкций опор.

Конструкция опор надземных трубопроводов из стеклопластиков и методы их сооружения должны обеспечивать проектное положение трубопроводов в процессе эксплуатации.

Конструкцию неподвижных, продольно-подвижных и свободных опор (в том числе подвесок) необходимо выбирать в соответствии с нормативными документами, разработанными для трубопроводов из полимерных материалов, в частности – с СН 478-80. При этом следует придерживаться следующих основных правил проектирования опор для стеклопластиковых трубопроводов:

- избегать точечного или линейного приложения опорных усилий к трубе;

- избегать фрикционного износа труб в опорах (при температурных перемещениях, вибрациях и т.д.);

- площадь контакта должна быть достаточной, чтобы давление на трубу не превышало 0,6МПа;

- опоры должны располагаться таким образом, чтобы радиус упругого изгиба трубы не превышал допустимого значения;

- между трубой и опорой необходимо всегда устанавливать прокладки толщиной (5¸10)мм из эластичного материала, например, резины, полиэтилена, поливинилхлорида и т.д.

Неподвижная опора может выполняться в виде хомута, закрепленного на неподвижном кронштейне. Хомут охватывает трубу и располагается между двумя стеклопластиковыми бандажами, прочно скрепленными с трубой. Бандажи могут выполняться на заводе-изготовителе в процессе изготовления трубы, либо намоткой на наружную поверхность трубы стекломатериалов, пропитанных связующим с последующей полимеризацией, на месте монтажа. Толщина бандажа должна быть больше толщины хомута, а ширина бандажа определяется в зависимости от диаметра трубопровода, рабочего давления, условий эксплуатации и примерно равна ширине стыкового клеевого соединения для данных значений диаметров и давлений.

Не допускается фрикционный зажим для запрещения осевых перемещений. В качестве неподвижных опор можно использовать насосы, вентили, задвижки, имеющие собственную неподвижную опору.

Продольно-подвижные опоры могут быть выполнены в виде хомута, крепление которого к основанию допускает осевое перемещение трубы. Хомут контактирует с трубой через эластичную защитную прокладку, которая должна быть шире хомута на 30¸50мм. Боковые усилия можно принять равными примерно 20% от продольных нагрузок от термического удлинения.

Свободные опоры и подвески должны охватывать трубу не менее чем на 120° и не допускать истирание трубы.

 

1.7. Проектирование подземных трубопроводов.

Подземные и наземные (в насыпи) стеклопластиковые трубопроводы следует проверять на прочность, деформативность, общую устойчивость в продольном направлении и против всплытия.

Поскольку в силу своих механических характеристик стеклопластиковые трубы считаются гибкими, на поведение трубопроводов, уложенных в землю, существенно влияет взаимодействие с грунтом, который оказывает сопротивление поперечным и продольным перемещениям и, следовательно, в значительной степени определяет напряженно – деформированное состояние и устойчивость трубопровода.

Вертикальные нагрузки (засыпанный сверху грунт, движение транспорта и столб воды) определяют деформацию в зависимости от состава грунта, от утрамбовки грунта вокруг трубы и характеристик трубы.

На рисунке 1 показано распределение нагрузок и реакции грунта, вызывающих деформацию трубы.

рис1

Рис.1 Распределение нагрузок и реакции грунта

На деформацию трубы влияют главным образом следующие параметры:

- окружной изгибный модуль упругости;

- геометрия поперечного сечения стенки трубы.

Указанные параметры определяют кольцевую жесткость трубы, вычисляемую по формуле:

, (24)

где:S – кольцевая жесткость, Па;

Е – окружной изгибный модуль упругости, Па, (см. п.6.5 таблица 2);

i – момент инерции, выражаемый по формуле , мм3;

t – толщина стенки трубы, мм;

D – диаметр трубы, мм.

 

1.7.1. Расчет подземных стеклопластиковых трубопроводов.

Для проведения расчета подземного (наземного в насыпи) трубопровода необходимо установить значения следующих условий и параметров:

- номинальный диаметр трубопровода, DN;

- рабочее давление, Рр;

- давление волны (при гидроударе), РВ;

- параметры грунта на глубине укладки;

- удельный вес грунта, gГ;

- глубина засыпки, мин/мах;

- нагрузки от транспорта, Р;

- давление внутреннего вакуума, Рвак;

- средняя температура эксплуатации и диапазон температур;

- толщина силового слоя стенки, t;

- толщина лайнера, tL;

- окружной модуль упругости на растяжение, Ео;

- основа гидростатического расчета, HDB;

- окружной модуль упругости на изгиб, Е;

- минимальная жесткость трубы, F/∆у;

- долговременная изгибная прочность, Sизг;

- коэффициенты Пуассона, nhl ; nlh ;

Параметры грунта на глубине укладки, необходимые для проведения расчета, содержат следующие данные:

- коэффициент прогиба, Кх; (см. табл. 8)

- модуль реакции грунта, Е¢ (см. табл. 11)

- коэффициент запаздывания прогиба, DI (см. ниже)

Процедура расчета:

Нормативные документы по расчету трубопроводов разрешают пользоваться двумя различными процедурами, основанными на напряжениях или на деформациях. В настоящем документе представлена процедура расчета на основании деформаций.

Процедура расчета включает следующие шаги:

1) Проверить рабочее давление РP.

Рабочее давление не должно превышать номинальное давление (РP £ PN).

2) Проверить волновое давление РВ.

Максимальное давление (с учетом гидроудара) не должно превышать 1,4 номинального

давления (РP+ РВ£1,4 PN).

3) Проверить, что внешние нагрузки (грунт и движение транспорта) не вызовут долговременного уменьшения вертикального диаметра более чем на 5%.

Это условие выражается следующим образом:

; % (25)

где:

DI – коэффициент запаздывания прогиба, d/р.

(После засыпки грунт с течением времени продолжает утрамбовываться. Фактор запаздывания прогиба переводит мгновенный прогиб трубы в прогиб после многих лет эксплуатации. Для небольших глубин укладки со средним или высоким уровнем уплотняемости DI=2,0; для небольшого уровня уплотняемости - DI=1,5).

WC – вертикальная нагрузка от грунта на трубу, Н/мм;

, (26)

где: gг – удельный вес грунта, Н/мм3;

Н – глубина укладки по отношению к низу трубы, мм;

Dнар – наружный диаметр трубы, мм.

WD – динамическая нагрузка на трубу, Н/м

, (27)

СД – коэффициент динамических нагрузок (d/р), основанный на величинах D, Н и ожидаемом количестве проезжающего транспорта:

в случае нагрузки от одного колеса:

, (28)

- в случае двух проезжающих грузовиков (ширина оси - 1,8 м, между колесами – 1,0 м):

, (29)

где:

R – радиус трубы, м;

D – диаметр трубы, м;

Н – засыпка грунтом, м.

Р – нагрузка от колеса, Н;

If - коэффициент сопротивления удару, d/р;

(0£ If £0,5)

Кх – коэффициент прогиба (d/р); отражает уровень поддержки, оказываемой грунтом дну трубы, при этом на грунт распространяется реакция дна (Кх принимается по таблице 8).

 

Таблица 6

Коэффициент прогиба

r – средний радиус трубы, мм.

Еi – коэффициент жесткости, мм2 Н/мм;

Коэффициент жесткости Еi определяется проведением теста нагружения параллельными пластинами (в соответствии с АSTMD2412) и вычисляется следующим образом:

, (30)

где:

F – нагрузка на единицу длины, Н/мм;

∆у – вертикальный прогиб трубы, мм;

r– средний радиус трубы, мм.

 

Минимальная жесткость трубы (F/∆у) определяется при прогибе 5%. Жесткость (S, см. формулу 24) показывает способность трубы выдерживать внешние нагрузки от грунта, движения транспорта и давления от вакуума.

Е¢ - модуль реакции грунта, МПа (см. табл. 11).

Величины Ка, ∆а выбираются в соответствии с таблицей 9, где указаны условия, при которых обеспечивается 95% вероятность того, что реальный прогиб будет равен или меньше рассчитанной величины.

Таблица 7.

Значения Ка, Dа.

4) Проверить смешанные нагрузки.

Максимальная деформация от смешанных нагрузок составляет:

, (31)

где:

rc – приводящий коэффициент, при Рр £ 36 Н/мм2;

Df – коэффициент формы (d/р), устанавливает соотношение между прогибом трубы и изгибной деформацией. Он выбирается по таблице 10 на основании данных по жесткости трубы, по свойствам обратно засыпанного в зону трубы материала и утрамбовке, свойствам первоначального грунта и уровню прогиба.

Таблица 8

 

5) Проверить устойчивость.

Сумма внешних нагрузок должна быть равна или меньше допускаемого по устойчивости давления. Допускаемое по устойчивости давление gдопопределяется следующим уравнением:

gдоп (32)

где:

FS – коэффициент безопасности, 2,5 d/р;

В¢ - эмпирический коэффициент упругой опоры,

RB – коэффициент плавучести воды, ; 0£hB£h;

hB – высота столба воды сверху от трубы, м;

 

h – высота грунта сверху от трубы, м;

 

Е¢ - модуль реакции грунта, МПа (см.табл.11);

 

S – кольцевая жесткость трубы, МПа.

 

Уравнение (25) справедливо при следующих условиях:

- без внутреннего вакуума 0,6£h£24,4 м;

- с внутренним вакуумом 1,2£h£24,4 м.

Если внутренний вакуум появляется при 0,6£h£1,2 м, то gдопопределяется по формуле:

gдоп , (33)

где:

n – количество долей, образуемых при потере устойчивости, ³2;

nhl – коэффициент Пуассона, продольное влияние окружных напряжений;

nlh – коэффициент Пуассона, кольцевое влияние продольных напряжений.

L – расстояние между кольцевыми ребрами жесткости. Для труб без ребер L

расстояние между соединениями (раструбы, фланцы, склейки и т.д.), мм;

D – диаметр трубы, мм;

t – толщина стенки трубы, мм.

 

Чтобы удовлетворить требованиям устойчивости при укладке обычной трубы, должно выполняться следующие уравнение:

gдоп , (34)

где:

gВ – удельный вес воды,

hВ – высота столба воды сверху от трубы, м;

RB – коэффициент плавучести воды;

Рвак – давление внутреннего вакуума;

WС – вертикальная нагрузка от грунта на трубу (см. ранее), Н/мм.

Если учитываются и динамические нагрузки, то требование устойчивости выражается следующим образом:

gдоп, (35)

где:

WД – динамическая нагрузка на трубу (см. ранее).

Одновременно приложенный внутренний вакуум и временные динамические нагрузки обычно не учитываются.

6) Проверить плавучесть.

Если водяной столб находится на уровне земли, необходимо сделать проверку, чтобы исключить явление плавучести.

Нагрузка от веса почвы должна быть выше подъемной силы (Fпод):

, (36)

где:

- подъемная сила (плавучесть);

- вес грунта над трубой;

Wтр - вес трубы;

WВ – вес жидкости внутри трубы;

Dвнеш – наружный диаметр трубы;

gГ– удельный вес сухого грунта;

RВ – коэффициент плавучести воды (см.ранее);

hВ – высота столба воды над трубой;

h – высота грунта над трубой;

gВ – удельный вес воды;

SF– коэффициент 1,5

Рекомендуемые значения модуля реакции грунта Е¢, используемого в предыдущих расчетах приведены в таблице 9.

Таблица 11

Средние значения модулей реакции грунта Е¢

(для среднего первоначального прогиба гибкой трубы).

1.7.2 Анкерные блоки.

В случае укладки напорного трубопровода с раструбно-шиповыми соединениями (не препятствующими осевым перемещениям стыкуемых элементов) необходимо предусматривать установку упорных блоков (анкерных блоков) в местах поворотов, тройников, глухих фланцев и т.п.

В трубопроводах использующих стыковые клеевые соединения, фланцевые или раструбно-шиповые соединения со стопором, упорные блоки целесообразно использовать лишь при высоких значениях внутреннего максимального давления (Рр³1,5 МПа), однако при этом реакции рассчитанные согласно этому пункту должны полностью компенсироваться грунтом.

Анкерные блоки могут быть трех типов:

- гравитационного типа;

- противодействующего типа;

- смешанного типа.

Примечание:

1. Анкерные блоки никогда не должны жестко зажимать сечение трубы, они должны иметь форму, позволяющую трубе прогибаться под действием нагрузки от грунта.

2. Контакт блока со стеклопластиковой трубой должен осуществляться через резиновую прокладку толщиной 5÷10 мм.

3. Для каждого типа анкерного блока необходимо тщательно утрамбовывать окружающий блок грунт и стабилизировать, при необходимости, землю снизу от них.

 

Гравитационные анкерные блоки.

Гравитационные анкерные блоки делают таким образом, чтобы их собственный вес мог противостоять силе давления. Гравитационные анкерные блоки используют силу трения между ними и окружающим грунтом, они размещаются там, где параметры грунта гарантируют наличие сил трения.

Необходимо учитывать водный столб, так как он снижает вес анкерного блока. Необходимо выбирать соответствующий коэффициент трения бетон/грунт в зависимости от типа грунта и других условий.

Схема гравитационного анкерного блока приведена на рисунке 2.

рис2

Рис. 2. Схема гравитационного анкерного блока

Противодействующие анкерные блоки.

Противодействующие анкерные блоки используются, когда грунт имеет стабильные характеристики (каменистый грунт, утрамбованная жесткая почва). В частности, требуется, чтобы глубина засыпки сверху от трубы была не менее 1 м. Такие анкерные блоки работают при возникновении пассивной реакции грунта, поэтому они должны быть плотно прижаты к вертикальной стенке нетронутого грунта.

 

Анкерные блоки смешанного (гравитационно-противодействующего) типа.

Блоки такого типа используются в случае частично стабильных грунтов, когда возможно одновременно использовать характеристики как гравитационных, так и противодействующих анкерных блоков.

Схема анкерного блока смешанного типа приведена на рис.3.

рис3

Рис.3. Схема анкерного блока смешанного (гравитационно-противодействующего) типа.

 

Типовые схемы установки анкерных блоков.

На рисунке 4 представлены некоторые типовые схемы установки анкерных блоков, которые используются во время укладки подземного трубопровода из стеклопластиковых труб.

рис4

Рис.4. Типовые схемы установки анкерных блоков.

Линейные анкерные блоки используются при необходимости блокирования осевых перемещений длинных прямолинейных участков подземных трубопроводов с раструбно-шиповыми соединениями.

Анкерные блоки могут помещаться под трубой и присоединяться с ней с помощью хомутов (рис.4.). Линейный анкерный блок может быть изготовлен из «тощего» бетона (50÷70 кг/м3), который стекает в соответствии с естественным углом трения (рис.4.). В обоих случаях, в местах контакта трубы с блоком должен быть проложен защитный материал, дерево, либо резина.

 

Расчет анкерных блоков.

Сила, действующая в направлении биссектрисы колена (см. рис. 2) определяется по формуле:

, (37)

где:

РИ – давление при испытании трубопровода, Н/мм2;

А – площадь сечения потока, мм2;

b – угол отклонения потока.

Сила, действующая в направлении потока, входящего в особую точку (редукция, тройник, глухой фланец и т.д.) определяется по формуле:

, (38)

где:

РИ – давление при испытании трубопровода, Н/мм2;

А – площадь сечения потока большего диаметра, мм2;

А1 – площадь сечения потока меньшего диаметра, мм2; ( А1=0 в случае тройников или глухих фланцев).

Параметры грунта, необходимые для расчета анкерных блоков представлены в таблице 12.

Таблица 10

Параметры грунта

 

Пассивная реакция грунта на анкерный блок определяется по формуле:

, (39)

где:

ТГ – реакция грунта, Н;

gГ – удельный вес грунта, Н/м3;

Н1 – расстояние от уровня земли до основания анкерного блока, м;

Н2 – расстояние от уровня земли до верха анкерного блока, м;

В – ширина анкерного блока, находящегося в контакте с нетронутым или хорошо утрамбованным

грунтом, м;

a - внутренний угол трения.

 

Пример расчета анкерного блока.

Схема анкерного блока, установленного в месте поворота потока подземного трубопровода представлена на рисунке 5.

рис5

Рис.5. Схема для расчёта анкерного блока.

Данные трубопровода:

Диаметр трубы, DN – 500 мм;

Рабочее давление РР – 1,0 Н/мм2;

Давление при испытании РИ – 1,5 Н/мм2;

Угол отклонения потока, b = 90°;

Засыпка грунта над трубой, h – 1,5 м.

Параметры грунта:

Сухой грунт без когезии;

Угол трения, a - 40°;

Удельный вес, gГ – 16000 н/м3;

Коэффициент трения, f – 0,7 (бетон/грунт).

 

Процедура расчета включает следующие шаги:

Вычисление осевой силы F, H.

,

где:

РИ – давление при испытании, Н/мм2;

r – радиус сечения трубы, мм;

b – угол отклонения потока, град.

 

Вычисление пассивной реакции грунта, ТП, Н:

Вычисление силы трения бетон/ грунт, Тf, Н:

,

где:

Vб – объем бетонного блока, м3;

gб – 24,5 Н/м3;

VГ – объем грунта над бетонным блоком, м3;

gГ – 16,0 Н/м3;

f – 0,7

Равновесие опор.

Необходимо убедиться в том, что сумма пассивной реакции грунта (ТГ) и силы трения (Тf) больше, чем осевая сила (F):

.

Также необходимо убедиться в том, что напряжение бетона от осевой силы меньше допустимой величины.

 

1.8 Проектирование канальных трубопроводов

При проектирование трубопроводов проложенных в непроходных каналах следует руководствоваться альбомом типовых конструкции и деталей зданий и сооружений cерия 4.904-66 «Прокладка трубопроводов водяных тепловых сетей в непроходных каналах», и настоящим руководством.

7.8.1 Типовые размеры

В общем случае типовые размеры для канальной прокладки труб выбираются ориентируясь на следующее соотношения:

КаналПоперёк.jpg

Расстояние между осями труб, в случае прокладки двух труб в канале, не менее D=2…2,5DN

Ширина опоры под трубой C=1.5DN

Расстояние от оси трубы до стенки канала E=1,5DN

Расстояние от дна канала до оси трубы B=1,5DN

Высота канала A=2,5DN

Ширина канала M=2,5DN

КаналВдоль.jpg

Длинна опоры под трубой K=1.5DN

Ширина хомута P=0,8DN

Расстояние между опорами L и их расположение определяется согласно пункта 7.5 настоящих условий, количество креплений на каждый отрезок трубы не должно быть мене двух.

 

1.9 Указания по проектированию трубопроводов для особых условий эксплуатации.

Проектирование и прокладку трубопроводов в вечномерзлых грунтах следует производить с учетом требований ДБН Д.2.2.25, СНиП 1.02.07, СНиП 2.02.04.

Проектирование и прокладку трубопроводов в просадочных и пучинистых грунтах следует производить с учетом требований ДБН Д.2.2.25 и СНиП 2.02.01.

Проектирование переходов через водные преграды и болота следует производить с учетом требований ДБН Д.2.2.25, СН 550.

Проектирование переходов через железные и автомобильные дороги следует осуществлять с учетом требований ДБН Д.2.2.25 , ДБН В.2.3-14, СН 478, СН 550.

 

1.9.1 Трубопроводы для сейсмически опасных условий эксплуатации

Для сейсмически опасных условий эксплуатации следует проводить оценку стойкости трубопроводов из стеклопластиков. Сейсмическое воздействие распространяется в трехмерном пространстве во всех направлениях, но только два из них (вертикальное и параллельное трубопроводу) оказывают реальное влияние.

Сейсмическое воздействие в вертикальном направлении выражается в большей нагрузке от почвы на трубу. Перемещение почвы вдоль трубопровода определяет, в силу трения между почвой и трубопроводом, раскрытие соединений трубопровода, если они раструбно-шиповые с двойным кольцевым уплотнением, или осевое напряжение, если соединения раструбно-шиповые с двойным кольцевым уплотнением и стопором.

Расчет сейсмического ускорения:

Вертикальное и горизонтальное ускорение определяют по формулам:

, (40)

, (41)

где: dB – вертикальное ускорение, м/с2;

dГ – горизонтальное ускорение, м/с2;

m – безразмерный коэффициент, обычно =2;

С – коэффициент сейсмической интенсивности, ();

I – коэффициент сейсмической защиты, обычно =1,2;

R – ответный коэффициент структуры;

g – гравитационное ускорение, 9,81м/с2;

S – сейсмический уровень (S³2), обычно =9.

R (ответный коэффициент) является функцией фундаментального периода Т0 колебаний структуры вдоль рассматриваемого направления:

когда Т0 > 0,8 S R = 0,862 / T00,667

когда Т0 < 0,8 S R = 1

В случае неопределенности Т0 величина R принимается равной 1 (максимальное значение).

Вертикальное и горизонтальное ускорения равны:

dВ = 2 ´ (9-2)/100 ´ 1,2 ´g = 0,17 g = 1,65 м/с2;

dГ = 1 ´ (9-2)/100 ´ 1,2 ´g = 0,084 g = 0,82 м/с2;

Ускорение во время сейсмического воздействия составляет:

Вертикальное действие: dB + g = 11,5 м/с2;

Горизонтальное действие: dB = 0,08 g = 0,82 м/с2.

 

Проверка устойчивости трубы во время сейсмического воздействия:

Вертикальное действие увеличивает вес грунта и динамические нагрузки на трубопровод. Это выражается в уменьшении коэффициента безопасности потери устойчивости.

Проверка устойчивости производится при значениях, предусмотренных расчетом, по следующим формулам:

, (42)

, (43)

, (44)

где: gкр – критическое давление, Н/мм2;

gвнеш. – внешние нагрузки, Н/мм2;

FS – коэффициент безопасности, =2,5;

RB – коэффициент плавучести воды (см. ф. 32);

B¢– эмпирический коэффициент упругой опоры (см. ф. 32);

E¢ – модуль реакции грунта (см. табл. 11);

S – кольцевая жесткость трубы, Па (см. ф. 24);

WC – вертикальная нагрузка от грунта на трубу (см. ф. 26);

WD – динамическая нагрузка на трубу (см. ф. 27);

D – диаметр трубы;

dB – вертикальное ускорение;

g – гравитационное ускорение.

 

Сейсмическая деформация грунта.

Для определения сейсмического действия в направлении, параллельном трубе, необходимо учитывать деформацию грунта во время землетрясения:

 

, (45)

 

где:

Тg – период сейсмической волны, с;

– горизонтальное ускорение, м/с2;

VC – скорость распространения сейсмической волны, м/с.

 

Осевая деформация трубы

Раструбно-шиповое соединение с двойным кольцевым уплотнением и стопором передает осевые напряжения, поэтому при использовании таких соединений необходимо определить осевую деформацию труб вследствие сейсмического воздействия, приплюсовать осевую деформацию из-за рабочего давления и убедиться в том, что общая деформация не превышает допустимую величину.

Для трубопроводов, использующих раструбно-шиповые соединения без стопора, необходимо определить осевую деформацию из-за сейсмического воздействия, а затем проверить, не вызывает ли данная деформация раскрытия раструбно-шипового соединения (выскальзывание шипового конца из раструба).

 

1.9.2 Проектирование трубопроводов для транспортирования абразивных сред

Как правило, при транспортировании абразивных сред сталкиваются со следующим механизмом воздействия среды на обычные трубы:

- абразивный унос внутреннего слоя трубы, в том числе окисных пленок, частично защищающих стенку трубы от распространения коррозии;

- химическая коррозия внутренней поверхности трубы, т.к. обычно абразивные среды бывают агрессивными.

Обычно эти воздействия взаимно усиливают друг друга.

Трубы из стеклопластика, изготавливаемые по ТУ У В.2.5.-25.2-32900322-004:2008, на внутренней поверхности имеют абразивно-стойкий и не подвергающийся коррозии лайнер, что позволяет транспортировать абразивные и высоко коррозионные среды. В качестве примера ниже приведены рекомендуемые скорости транспортирования некоторых абразивных сред, используемых на заводах по обессериванию газов:

Известняковые взвеси (от 10 до 15% твердых частиц по весу)

Максимальная скорость £ 2,6 м/с

Размер частиц 85% < 90 микрон

13% < 150 микрон

1,5% < 200 микрон

0,5% < 300 микрон

 

Гипсовые взвеси (от 35 до 50% твердых частиц по весу)

Максимальная скорость £2,0 м/с

Размер частиц 60 микрон (средний размер)

150 микрон (максимальный размер частиц)

Известняковые взвеси (35% твердых частиц по весу)

Максимальная скорость £2,8 м/с

Размер частицы 95% < 70 микрон

5% < 150 микрон

Когда абразивное воздействие возможно и снаружи трубопровода, необходимо иметь такой же слой лайнера на наружной поверхности трубы.