Самокомпенсирующиеся трубы и их роль в снижении уровня воздействия на окружающую среду
Д.т.н. Г.Х. Умеркин, заведующий лабораторией тепловых сетей, ОАО «ВНИПИэнергопром», г. Москва
В настоящее время имеется техническая возможность выпуска самокомпенсирующихся труб (СК-труб), представляющих собой спиральношовную трубу, в стенке которой сформированы винтовые гофры, расположенные эквидистантно сварному шву по всей длине кроме концевых участков. Расположение гофр согласовано со спиральношовным способом изготовления труб, что для сварных труб является единственным способом, обеспечивающим отсутствие мест пересечения гофр и сварных швов.
В отличие от существующих компенсаторных прокладок тепловых сетей (ТС) участки из СК-труб при эксплуатации компенсируются за счет винтовых гофр, обеспечивая равномерное по длине трубопровода восприятие температурных деформаций. Незначительная неравномерность имеет место только на концевых участках, где гофры отсутствуют. Однако длина этих участков на превышает 3% от общей длины труб и практически не влияет на распределение осевых деформаций. В результате при нагреве или охлаждении трубопровода любой протяженности с защемленными концами в местах стыковки труб практически отсутствуют подвижки трубопровода. Таким образом, проблема компенсации решается в пределах каждой трубы без сдвига ее концов. Это обстоятельство позволяет перейти к полностью бесканальным прокладкам ТС из СК-труб без устройства отдельных компенсаторов, промежуточных подвижных и неподвижных опор и тем самым повысить долговечность теплопроводов, а также снизить уровень воздействия на окружающий ее грунт.
СК-трубы можно производить на заводах с нанесенными на них защитными, антикоррозионными и теплоизоляционными покрытиями, что придаст им законченный технический вариант повышенной заводской готовности.
Выбор рациональных параметров винтовых гофр и характеристик жесткости труб.
Анализ влияния угла и продольной оси трубы на распределение усилий в защемленном трубопроводе при действии внутреннего давления и температурного перепада показал, что независимо от соотношений геометрических параметров труб, величин внутреннего давления и температуры нагрева применение труб с малыми углами нецелесообразно. При малых углах наклона гофра (45О и ниже) сохраняется высокий уровень нормальных к гофру усилий, определяющих напряженное состояние к гофре, и касательных усилий от действия внутреннего давления.
Экспериментально установлено и подтверждено практикой, что зона минимальных усилий, возникающих в гофре, определяется интервалом угла 55-70 О.
Следует отметить, что оптимальные углы формовки спиральношовных труб на промышленных станах находятся примерно в тех же пределах.
В понятие жесткости СК-труб входят величины коэффициента анизотропности и коэффициента снижения продольной жесткости.
Установлено, что при увеличении коэффициента анизотропности уровень максимальных напряжений в гофрах защемленного трубопровода снижается.
Учитывая, что в гладкостенном трубопроводе допускаемый температурный перепад составляет 80 ОС, можно полагать, что в СК-трубопроводе достаточно снизить жесткость трубы в 3 раза, чтобы продольные усилия остались в допустимых пределах, однако следует отметить, что характеристики жесткости оказывают также существенное влияние на продольную устойчивость трубопровода.
Установлено, что для СК-труб, работающих в режимах, установленных для ТС, наиболее благоприятным является снижение продольной жесткости в 3,5-5 раз.
Определение оптимальной геометрии винтовых гофр СК-труб
Геометрия гофра определяется его высотой, радиусами кривизны и видом кривой его очертания в меридиальном сечении. Форма гофра может быть задана одной или несколькими плавно сопряженными кривыми. Расчеты показали, что при нагружении СК-труб внутренним давлением и температурным перепадом самый низкий уровень напряжений возникает в гофре, меридиан составлен из сопряжения дуг окружностей равного радиуса. Геометрия такого гофра однозначно определяется его высотой и радиусом закругления.
При проведении общего анализа влияния параметров высоты и радиуса закругления на напряженное состояние и жесткость труб с винтовыми гофрами было установлено, что в защемленном трубопроводе при воздействии температурного перепада с увеличением как высоты гофра, так и радиусов закруглений, напряжения в вершине гофра уменьшаются, а компенсирующая способность труб соответственно возрастает. Однако при нагружении трубопровода внутренним давлением кривая изменения напряжений от высоты гофра имеет минимум.
В трубопроводах, эксплуатируемых при температурах 150-170 ОС, необходимо обеспечить высокую компенсирующую способность, что может быть достигнуто не только путем изменения параметров геометрии гофров, но и за счет увеличения количества гофр на единицу длины трубы. Шаг гофр можно уменьшать, переходя к многозаходным гофрам, либо увеличивая угол формовки труб. Кроме того, при низких давлениях теплоносителя требуемый эффект можно обеспечить за счет снижения толщины стенки трубы.
Всесторонний анализ напряженно-деформированного состояния, продольной устойчивости и перемещения СК-труб, работающих при давлениях 1,6-5,5 МПа и температурных перепадах 100-170 ОС, с учетом технологических требований позволил найти рациональные конструктивные решения труб с винтовыми гофрами. На их основе составлена техническая характеристика труб (табл. 1), рекомендуемых для сооружения ТС.
Трубы с указанными в табл. 1 характеристиками были приняты для опытно-промышленного изготовления на стане спиральношовных труб Ждановского (Мариупольского) металлургического комбината.
Формовка СК-труб
СК-трубы, как и обычные спиральношовные, формуются путем сворачивания рулонной полосы по винтовой линии в цилиндрическую трубную заготовку с последующей двухсторонней сваркой винтового стыка.
Основное отличие технологии формовки СК-труб заключается в увеличенных углах формовки, которые определяются оптимальным углом наклона гофр, исходя из служебных характеристик СК-труб. Углы формовки остаются практически постоянными для труб различного диаметра и составляют 64-70 С. При изготовлении труб диаметром 630 мм на стане угол формовки составил 70 С.
В связи с возрастанием момента сопротивления сечения спрофилированной полосы по сравнению с плоской той же толщины формовка СК-труб становится более энергоемкой.
При формовке полосы в трубу имеют место следующие явления, связанные с несимметричностью сечения формуемой полосы:
* некоторое распрямление и, вследствие этого, уменьшение высоты гофр;
* искажение прямолинейных участков сечения полосы, вызывающих «бочкообразность» цилиндрических участков СК-труб между гофрами.
При необходимости этот эффект можно устранить дополнительным прижимом полосы в формующем устройстве (по линии изгиба полосы) у оснований или, что менее благоприятно, по вершинам гофр.
Следует отметить, что полученное искажение формы трубы имеет и положительные стороны, т.к. несколько улучшает одну из основных эксплуатационных характеристик - компенсирующую способность труб.
При формовке СК-труб имеет место искажение формы поперечного сечения гофра вследствие его «завала» в сторону наклона к оси трубы. При необходимости это явление можно компенсировать корректировкой калибровки валков.
Исследования механических свойств и микроструктуры металла в зоне гофр
На Ждановском (Мариупольском) металлургическом комбинате была изготовлена опытная партия СК-труб диаметром 630 мм, где для формообразования гофр использовалась четырехклетьевая профилегибочная машина. Пластическое деформирование металла в зоне гофров в этом случае было более существенным, чем при формовке гофров в семиклетьевой профилегибочной машине и достигло в вершине гофра 15%. Сравнительный анализ характеристик металла проводился по обоим вариантам труб.
Испытания проводились на стандартных образцах, которые вырезались в направлении образующей гофра в зонах вершины, основания и гладкой части трубы. Испытывались разрывные и ударные образцы. Испытания проводились по ГОСТ 1497-73 и 9454-78 при температуре -20 ОС, на механическое старение по ударной вязкости -согласно ГОСТ 7268-77 при температуре +20 ОС.
Анализ проведенных испытаний показал:
* пластическое деформирование металла в зоне гофра вызвало увеличение предела текучести металла до 17% и некоторое повышение временного сопротивления до 3%;
* ударная вязкость металла в зоне гофра уменьшилась, в вершине примерно на 20%;
* микроструктура металла в зоне гофров не претерпела существенных изменений, так микроструктура при степени деформации зоны гофра, равной 15%, и микроструктура металла образцов из исходной заготовки оказалась одинаковой - феррито-перлитовой. Перлит располагается по границам зерен, балл зерна сохраняется на уровне 8,9, в вершине гофра зерна феррита имеют несколько вытянутую форму.
Из всех рассмотренных характеристик наиболее существенно изменились в зоне гофра пластические свойства металла.
Относительное удлинение в вершине гофра по сравнению с исходным состоянием уменьшилось: при вытяжке 15% - примерно в 2 раза; при вытяжке 10% - в 1,4 раза. Величина относительного удлинения в первом случае оказалась ниже нормы, установленной ТУ; во втором случае - при максимальной вытяжке 10% средние значения относительного удлинения находятся в пределах нормы.
Следует отметить, что восстановление пластических свойств металла может быть обеспечено посредством термообработки: местной -зон гофр, либо общей - всей трубы. Термообработка труб - необходимая операция технологического процесса нанесения антикоррозионных покрытий на внутреннюю и наружную поверхность труб в заводских условиях, например, при эмалировании или алюминировании труб послужат одновременно улучшению физико-механических характеристик СК-труб.
Строительство и испытание опытно-промышленных участков тепловых сетей из СК-труб
В 1984 г. Белорусским отделением ВНИПИ-энергопром по заданию Минскэнерго была разработана рабочая документация на строительство ТС из СК-труб диаметром 630x7 на трассе Чижовка - Автозавод.
В рабочей документации предусмотрено дополнительно:
* установка в точке излома трассы сборно-разборной неподвижной опоры;
* для возможности осмотра трассы в условиях эксплуатации и проведения контрольных замеров возведение тоннеля 20 м;
* установка новых видов промежуточных опор двух типов: опоры для восприятия вертикальных нагрузок без крепления к строительным конструкциям с шагом 5 м и направляющей опоры для обеспечения продольной устойчивости с ограничителями поперечных перемещений трубопровода, с шагом установки - 20 м;
* монтаж нового вида неподвижной опоры каркасного типа прямоугольного сечения для ограничения угловых перемещений и восприятия крутящего момента;
* введение предварительного растяжения внутренним давлением для увеличения компенсирующей способности СК-труб.
В качестве теплоизоляционного слоя принята минеральная вата с покровным слоем из ла-костеклоткани. Антикоррозионное покрытие каркаса - БТ-177.
СК-трубы были уложены параллельно на расстоянии 1,1 м друг от друга (прямая и обратная), длина каждой нитки - 418 м, концы ограничены неподвижными опорами, посредине участка, в вершине вертикального угла поворота трассы, трубопровод ограничен от вертикальных перемещений опорой.
При проведении испытаний опытного участка ставилась задача практически изучить работоспособность СК-труб при воздействиях нагрева и внутреннего давления в условиях протяженного трубопровода при различных вариантах закрепления его в неподвижных опорах.
Программа исследований предусматривала:
* исследование напряженно-деформированного состояния СК-труб;
* определение действительной компенсирующей способности и характеристик жесткости труб;
* проверку продольной устойчивости СК-труб;
* определение усилий, действующих на опоры;
* оценку возможности и отработку нового метода введения предварительного напряжения, исследование его стабильности после сезонов;
* проверку методов расчета трубопровода из СК-труб при различных условиях закрепления и видов нагружения.
Испытания СК-трубопровода под действием внутреннего давления проводилось в два этапа:
1. нагружением внутренним давлением до 2,5 МПа открытого трубопровода со свободными концами;
2. нагружением внутренним давлением до 2,5 МПа при жестком защемлении его концов в неподвижных опорах.
На первом этапе испытаний на концах участка обеспечивалась свобода продольных перемещений и ограничивался поворот, концы труб были заглушены. Нагружение проводилось гидропрессом при температуре наружного воздуха 10-14 ОC. Давление повышалось до 2,5 МПа ступенчато с интервалом 0,5 МПа, также ступенчато производился сброс нагрузки.
В процессе проводились измерения: