* внутреннего давления на входе и выходе;
* продольного перемещения свободных концов трубопровода;
* поперечного перемещения в 3-х сечениях;
* угловых перемещений на концах трубопровода;
* смещение опор в направлении продольной оси трубопровода;
* деформации в стенке трубопровода. Внутреннее давление фиксировалось манометрами с ценой деления 0,05 МПа, продольные перемещения концов участков трубопровода относительно неподвижных опор, а также смещение самих опор определялось при помощи прогибомеров, поперечные и угловые перемещения - при помощи индикаторов часового типа и прогибомеров. Напряженно-деформированное состояние СК-труб в процессе испытаний определялось с помощью тензометрии.
При испытаниях установлено, что:
1. смещение неподвижных опор практически отсутствует (?lоп?2 мм);
2. искривление оси трубопровода в вертикальной плоскости не наблюдалось;
3. максимальные поперечные перемещения по всей длине трубопровода не превысили 5 мм;
4. применяемое устройство для защемления трубы от поворота в неподвижной опоре практически обеспечивает отсутствие угловых перемещений трубопровода (?lуг<5 мм).
Анализ напряженно-деформированного состояния трубы со свободой продольных перемещений под давлением показывает, что максимальное главное напряжение равно 24,8 МПа в гладкостенной трубе-вставке действует вдоль оси, смещенной относительно оси трубы на угол 21О, его величина на 2% больше кольцевого напряжения равного 24,3 МПа.
Как указывалось выше, предварительное напряжение СК-труб осуществлялось путем нагружения трубопровода внутренним давлением, которое обеспечило требуемое удлинение.
Как в гладком, так и в гофрированном трубопроводе введение предварительных напряжений позволяет вдвое увеличить допустимый эксплуатационный температурный перепад, но за счет высокой компенсирующей способности гофрированных труб допустимый перепад температур в них значительно выше, чем в обычных.
Это позволяет в некоторых случаях задавать предварительные удлинения трубопровода, превышающие удлинение от рабочего нагрева, что снимает сжатие, полностью обеспечивая работу трубопровода при растягивающих усилиях. Тем самым может быть исключена опасность общей потери устойчивости «горячего» трубопровода, что повысит надежность его эксплуатации.
После введения предварительного нагружения напряженно-деформированное состояние защемленного трубопровода имели значения, приведенные в табл. 2.
Усилия и крутящий момент, действующие на неподвижные опоры при этом, приведены в табл. 3.
С целью изучения стабильности состояния введенного предварительного напряжения в 1987 г., после двух сезонов эксплуатации была произведена разрезка СК-трубопровода вблизи неподвижных опор.
Результаты измерений приведены в табл. 4.
Таким образом, суммарное удлинение разрезанного трубопровода составило 93 мм, что на 18 мм больше исходного удлинения трубопровода в момент защемления. Видно, что величина удлинения близка по величине к первоначальной.
Анализ полученных результатов свидетельствует, что наиболее вероятной причиной изменения величины предварительного удлинения трубопровода является разница температур защемления и разрезки, т.к. зафиксированное увеличение отсеченного участка трубопровода (L=210 м) эквивалентно имевшему место температурному перепаду при защемлении и разрезке, составляющему 7 ОC.
Прогнозирование эксплуатационного ресурса СК-труб
Задача определения эксплуатационного ресурса СК-труб связана с необходимостью оценки их долговечности и конкурентоспособности.
При этом необходимо учитывать, что для ТС характерен как стационарный, так и нестационарный режим эксплуатации. Наибольший интерес в нашем случае представляет нестационарный режим. На этом основании была проведена оценка ресурса с позицией малоциклового сопротивления и установлен допустимый для них уровень эксплуатационных нагрузок, обеспечивающих требуемую долговечность, эта задача решалась в три этапа. На первом -проводились исследования напряженно-деформированного: температурного перепада и внутреннего давления. Цель исследования - выявление зон максимальных деформаций при упругом и упругопластическом деформировании, оценка величин деформации при статическом и повторном нагружении, а также изучение характера перераспределения их с числом циклов. На втором этапе произведен анализ действительной эксплуатационной нагруженности теплопроводов, учитывающей характер и параметры циклических нагрузок, действующих на трубопровод за весь период эксплуатации.
На основании результатов исследований, полученных на предыдущих этапах и, определив характеристики сопротивления материала различных зон натуральных труб циклическому деформированию и разрушению, была проведена расчетная оценка долговечности конструкции. Напряженно-деформированное состояние СК-труб при раздельном и совместном воздействии внутреннего давления и температурного перепада, а также осевой силы и крутящего момента определялось расчетными и экспериментальными методами для условий статического нагружения.
При статическом нагружении теоретический анализ производился на основе серии расчетов, выполненных по методу, который позволяет определить напряженно-деформированное состояние СК-труб, представляющих собой тонкостенную оболочку с нарушенной осевой симметрией.
При этом труба рассматривалась как бесконечная оболочка напряженно-деформированное состояние и геометрия которой обладает винтовой симметрией, т.е. напряжения и деформации не изменяются вдоль винтовых линий, соответствующих гофру. Введение некоторых дополнительных условий позволило свести расчет тонкой трубы к расчету соответствующей оболочки вращения с замкнутым гофром. В упругой постановке метод применим для всех возможных вариантов нагружения и закрепления трубопроводов, включая реальные трассовые условия: жесткое защемление концов трубопровода в неподвижных опорах, обеспечивающее отсутствие общих продольных и общих угловых деформаций.
Третий вариант представляет нагружение осевой силой, вызывающей общие продольные деформации, равные по абсолютной величине деформации свободного трубопровода при нагреве на 100ОC или имитирующей перемещение в гофрах, аналогичные перемещениям при нагреве в трассовых условиях.
Анализ расчетных данных показывает, что наиболее нагруженными элементами конструкции являются гофры, для которых характерно моментное напряженное состояние. В отличие от обычной гладкостенной трубы, где главные напряжения совпадают с ее главными осями, в трубе с винтовыми гофрами направление и величина главных напряжений несколько отличаются от кольцевых и продольных. Поворот главных осей при нагреве и внутреннем давлении происходит во взаимно противоположных направлениях. труба металла гофр механический
При воздействии положительного температурного перепада максимальными являются напряжения сжатия, возникающие на внутренней поверхности вершины гофра в направлении, близком нормальному оси гофра, угол между напряжением сжатия и напряжения на внутренней поверхности составляет 13О, разность значений 5,1%. В гладкой части трубы максимальные главные напряжения сжатия превышают продольные на 17%.
При нагружении внутренним давлением максимальными являются напряжения, возникающие на наружной поверхности основания гофра в направлении близком к кольцевому.
Учитывая, что расчетные значения нагрузочных параметров ТС приняты по температуре 150 ОC и 1,6 МПа по давлению можно заключить, что для теплопровода наиболее опасным является напряжение перепада температур, а максимальные напряжения находятся на внутренней поверхности вершины гофра.
Совместное воздействие положительного температурного перепада и внутреннего давления благоприятно, т.к. изгибающие напряжения в гофрах от этих нагрузок имеют противоположные знаки.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния СК-труб вупругопластической области при малоцикловом нагружении перепадом температур, а также нагрузкой, имитирующей его осевую нагрузку, позволили установить:
1. диаграмма деформирования материала в зоне гофр за пределами упругости после 10-15 циклов стабилизируется с некоторым снижением разности деформации (для натурных труб примерно на 7%); в зоне максимальных деформаций на внутренней поверхности вершины гофра наблюдается нагружение близкое к жесткому;
2. по результатам испытаний стандартных образцов, вырезанных из натурных труб, построена экспериментальная кривая усталости для наиболее характерных зон гофра и гладкой части трубы; при испытаниях образцов существенного влияния на долговечность пластического деформирования металла при гофрообразовании и формовке трубы не обнаружено;
3. с использованием деформационно-кинетического критерия малоцикловой прочности, а также линейного правила суммирования повреждений, проведена оценка долговечности трубопровода из СК-труб, изготовленных на Ждановском (Мариупольском) металлургическом комбинате, которая свидетельствует о наличии 3-кратного запаса по отношению к установленному 30-летнему сроку эксплуатации;
4. определенный запас долговечности натурных СК-труб при использовании экспериментальной кривой усталости значительно (примерно в 10 раз) превышает указанный трехкратный, что указывает на целесообразность повышения параметров нагрузки теплопроводов или на корректировку геометрии гофров таким образом, чтобы обеспечить требуемый запас долговечности при минимальных металло-затратах.
Некоторые результаты эксплуатационных проверок опытных прокладок тепловых сетей с СК-трубами
Из опытной партии СК-труб, изготовленных на Ждановском (Мариупольском) металлургическом комбинате, были проложены опытно-промышленные участки в гг. Минске (1985 г.), Ленинграде (ныне г. Санкт-Петербург - прим. ред.) (1986 г.).
В 1987 г. после двух лет эксплуатации был произведен контрольный осмотр опытно-промышленного участка в г. Минске.
Выводы комиссии: на подающей трубе заметных очагов коррозии не обнаружено, внутренняя поверхность труб имеет светло-коричневый цвет; на обратном трубопроводе защитный антикоррозионный алюминиевый слой сохранился.
В акте комиссии, производившей испытания опытно-промышленного участка из СК-труб в г. Минске, констатируется:
* температурные испытания при максимальной нагрузке (140 ОC) к повреждениям не привели;
* угловых и поперечных перемещений по всей длине трубопровода не отмечено;
* смещение неподвижных опор не превысило 5 мм при нагреве до 100 ОC;
* максимальный прогиб посредине пролета не превысил 0,8 мм (меньше допустимых величин);
* максимальная деформация при 140 ОC не превысила 0,1%;
* расхождение расчетных и экспериментальных максимальных деформаций в вершине гофра составляет 3,2%;
* коррозионные язвы, каверны и т.д. внутри труб отсутствуют;
* на наружной поверхности признаков коррозии не обнаружено.
В 1992 г. по истечении 7 лет эксплуатации на этом же участке в г. Минске снова были обследованы участки теплопровода с СК-трубами.
Выводы комиссии:
* подтверждены полученные ранее данные о 3-кратном запасе долговечности СК-труб по отношению к прогнозируемому 30-летнему сроку эксплуатации;
* существенных изменений циклических свойств конструкционного материала не обнаружено;
* при визуальном осмотре локальных следов коррозии не обнаружено, измерение толщины стенок образцов также свидетельствуют о коррозионной стойкости СК-труб;
* изменение коррозионных потенциалов образцов, вырезанных из СК-труб показали, что поверхность является практически эквипотенциальной;
* металлографические исследования показали, что максимальная глубина коррозии СК-труб после 7 лет эксплуатации не превысила 0,025 мм.
В 1986 г. трест Ленгазтеплострой впервые в мировой практике построил два участка беска-нально проложенных теплопроводов с СК-трубами, изоляция труб выполнена на изоляционно-сварочном заводе треста Ленгазтеплострой, изоляционный слой - армопенобетон.
В 1989 г. был произведен осмотр этих ТС из СК-труб.
Выводы комиссии:
* опытно-промышленный участок ТС успешно выдержал испытания на повышенное давление (2,0 и 1,6 МПа) и температурные (при 150 ОC и 70 ОC) в 1987, 1988 и 1989 гг.;
* адгезия армопенобетона к СК-трубе хорошая, в т.ч. в зоне гофр, растрескивания и отслоения изоляции не наблюдалось;
* трубопровод в хорошем состоянии к дальнейшей эксплуатации пригоден.
Выводы
1. Установлено, что конструкция СК-труб с нанесением в заводских условиях теплогидро-изоляционного покрытия, представляющая собой законченные модули, может монтироваться бесканальным, канальным или надземным способом.
2. Проведены контрольные испытания опытно-промышленных участков с СК-трубами в гг. Минске и Ленинграде в условиях канальной и бесканальной прокладки, которые подтвердили самокомпенсацию температурных деформаций при отсутствии общих продольных перемещений трубопровода и смещения неподвижных опор.