Типы опор трубопроводов и определение усилий на опоры

Опоры в тепловых сетях устанавливают для восприятия усилий, возникающих в теплопроводах, и передачи их на несущие конструк­ции или грунт. В зависимости от назначения их подразделяют на подвижные (свободные) и неподвижные (мертвые).

Подвижные опоры предназначены для восприятия весовых нагрузок теплопровода и обеспечения свободного его перемещения при температурных деформациях. Устанавливают их при всех видах прокладки, кроме бесканальной, когда теплопроводы укладывают на утрамбованный слой песка, что обеспечивает более равномерную пе­редачу весовых нагрузок на грунт.

Теплопровод, лежащий на подвижных опорах, под действием ве­совых нагрузок (веса трубопровода с теплоносителем, изоляционной конструкцией и оборудованием и иногда ветровой нагрузки) прогиба­ется и в нем возникают изгибающие напряжения, значения которых зависят от расстояния (пролета) между опорами. В связи с этим ос­новной задачей расчета является определение максимально возможного пролета между опорами, при котором изгибающие напряжения не превышают допустимых значений, а также величины прогиба тепло­провода между опорами.

При расчете изгибающих напряжений и деформаций трубопровод, лежащий на свободных опорах, рассматривается как многопролетная балка. На рис. 8.20 приве­дена эпюра изгибающих моментов многопролетного трубопровода.

При равных пролетах и упругом изгибе максимальный изгибаю­щий момент, Н·м, возникающий на опоре, определяется по выра­жению

, (8.8)

Рис. 8.20. Эпюра изгибающих моментов многопро­летного трубопровода

откуда максимальные изгибающие напряжения на опоре, Па,

(8.9)

и максимальный пролет между подвижными опорами, м,

(8.10)

Где q — удельная нагрузка, определяемая в общем случае по формуле

(8.11)

Здесь — вертикальная удельная нагрузка от веса теплопровода, Н/м; — горизон­тальная удельная нагрузка от ветрового усилия, Н/м, возникающая только при над­земной прокладке.

Момент сопротивления трубы*

(8.12)

Где d_н и d_в — наружный и внутренний диаметр трубопровода, м.

При определении максимально возможного пролета между опора­ми по максимальным напряжениям, равным предельным (где — коэффициент прочности сварного шва, равный 0,7 1), обес­печивается коэффициент запаса прочности, равный примерно 2. Одна­ко на практике это может оказаться недостаточным, так как при просадке одной из опор расстояние между опорами увеличивается вдвое, а напряжения в 4 раза. В связи с этим в качестве расчетных максимальных напряжений обычно принимают . Величина прогиба трубопровода в середине пролета определяет­ся по формуле

, (8.13)

где Е — модуль упругости материала труб; I— центральный момент инерции трубы:

. (8.14)

На основании этих расчётов разработаны проектные нормативы по предельному расстоянию между подвижными опорами. Например, при прокладке в непроходных каналах со скользящими опорами на бетонных подушках эти нормативы следующие:

Условный диаметр трубы , мм
Пролёт между подвижными опорами, м
	2,5			3,5
4,5

Подвижные опоры в зависимости от способа прокладки и диаметров трубопроводов могут быть скользящие, катковые, подвесные и др. При подземной прокладке трубопроводов в непроходных каналах применяются только скользящие опоры на бетонных подушках, при надземной – катковые.

В скользящих опорах (рис. 8.21) происходит скольжение башмака (корпуса опоры), приваренного к трубопроводу, по металлической подкладке, заделанной в опорную бетонную или железобетонную подушку.

Рис. 8.21. Подвижные опоры трубопроводов и опорные подушки:

скользящие для труб по ГОСТ 14911-69; б-скользящие для труб по ТД серии 4.903-10; в – катковые для труб по ГОСТ 14097-77 и по ТД серии 4.903-10.

Неподвижные опоры предназначены для закрепления трубопровода в отдельных точках, разделения его на независимые по тем­пературным деформациям участки и для восприятия усилий, возни­кающих на этих участках, что устраняет возможность последователь­ного нарастания усилий и передачу их на оборудование и арматуру. Изготовляют эти опоры, как правило, из стали или железобетона.

Стальные неподвижные опоры (рис. 8.22, а и б) представляют собой обычно стальную несущую конструкцию (балку или швеллер), располагаемую между упорами, приваренными к трубе. Несущая кон­струкция защемляется в строительные конструкции камер, приварива­ется к мачтам, эстакадам и др.

Рис. 8.22. Неподвижные опоры:

а – стальной несущей конструкции; б – хомутовые; в – щитовые

Железобетонные неподвижные опоры обычно выполняют в виде щита (рис. 8.22, в), устанавливаемого при бесканальной прокладке на фундамент (бетонный камень) или защемляемого в основании и пе­рекрытии каналов и камер. С обеих сторон щитовой опоры к трубо­проводу приваривают опорные кольца (фланцы с косынками), через которые и передаются усилия. При этом щитовые опоры не требуют мощных фундаментов, так как усилия на них передаются центрально. При выполнении щитовых опор в каналах в них делают отверстия для пропуска воды и воздуха.

При разработке монтажной схемы тепловых сетей неподвижные опоры устанавливают на выходе из источника тепла, на входе и вы­ходе ЦТП, насосных подстанций и т.п. для снятия усилий на обору­дование и арматуру; в местах ответвлений для устранения взаимного влияния участков, идущих в перпендикулярных направлениях; на поворотах трассы для устранения влияния изгибающих и крутящих момен­тов, возникающих при естественной компенсации. В результате указан­ной расстановки неподвижных опор трасса тепловых сетей разбивается на прямолинейные участки, имеющие различные длины и диаметры тру­бопроводов. Для каждого из этих участков выбирают тип и требуемое число компенсаторов, в зависимости от которого определяется и число промежуточных неподвижных опор (на одно меньше, чем компенса­торов).

Предельные по условиям прочности расстояния между неподвижными опорами принимают в зависимости от диаметра трубопровода и компенсирующей способности компенсаторов. Например при подземной прокладке в непроходимых каналах с П-образными компенсаторами эти расстояния равны:

Условный диаметр трубы , мм
25…32	40…50		80…100
125…150	175…250	300…350	400…450
Расстояния между неподвижными опорами, м

При расчёте строительных конструкций необходимо определить усилия, действующие на опоры.

Подвижные опоры воспринимают вертикальные весовые усилия и осевые усилия, обусловленные силами трения скольжения.

Вертикальное усилие, Н, равно

(8.15)

где q_в – вертикальная удельная нагрузка от веса трубопровода, воды и термоизоляции, Н/м; l – пролёт между подвижными опорами, м.

Расчётные весовые характеристики теплопроводов следующие:

Диаметр трубопровода dн×S, мм	38×2,5	45×2,5	57×3,0	76×3,0
89×3,5	108×4,0	133×4,0	159×4,5
194×5,0	219×6,0	273×7,0	325×8,0
Сила тяжести 1м трубы с водой и термоизол, Н/м		79,8	125,5	167,5
210,9

Горизонтальное осевое усилие Н, равно

, (8.16)

где μ – коэффициент трения скольжения; для скользящих опор принимается μ=0,3.

На неподвижные опоры в общем случае действуют вертикальные и горизонтальные усилия. Вертикальные усилия определяют так же, как и для подвижных опор.

Горизонтальные усилия на неподвижные опоры обусловливаются реакцией компенсаторов и участков естественной компенсации, реак­цией от сил трения в подвижных опорах или в грунте при беска­нальной прокладке и неуравновешенными силами внутреннего давле­ния, Эти усилия могут суммироваться и вычитаться или уравнове­шиваться (частично или полностью) вследствие взаимной компен­сации.

Результирующие горизонтальные осевые усилия на промежуточные не­подвижные опоры 1 (рис. 8.23) находят как разницу суммарных сил по обе стороны опоры. При этом для повышения запаса прочно­сти (например, при неравномерном прогреве в период пуска) мень­шую сумму сил принимают с коэффициентом 0,7

, (8.17)

при равенстве сумм сил с обеих сторон в качестве расчетной при­нимается одна из сумм с коэффициентом 0,3, т. е.

. (8.18)

В неподвижных опорах, устанавливаемых на поворотах и ответвлениях (рис. 8.23, б, опора 2), учитывают и боковую сумму сил S₃, а резуль­тирующее усилие находят геометрическим сложением векторов дей­ствующих сил.

Неуравновешенные силы внутреннего давления возникают вслед­ствие разности давлений или площадей сечений. В симметричных по обе стороны неподвижной опоры участках одинакового диаметра они взаимно уравновеши­ваются (компенсируются). При этом неподвижные опоры, на которые не действуют силы внутреннего давления, принято называть разгру­женными (опора 1), а при наличии их — неразгруженными (опора 6).

Результирующее горизонтальное усилие на концевую неподвиж­ную опору (рис. 8.23, а) определяется как сумма сил, действующих с одной стороны:

, (8.19)

Рис. 8.23. Схемы действия горизонтальных усилий на неподвижные опоры с осевыми усилиями (а); с боковыми усилиями (б);

1 – разгруженная опора; 2 –опора с боковым усилием; 3 – П-образный компенсатор; 4 – задвижка; 5 – заглушка; 6– концевая неразгруженная опора.

где — реакция компенсатора; — реакция от сил трения в подвижных опорах или в грунте; — неуравновешенная сила внутреннего давления.

Реакция от сил трения в подвижных опорах равна, Н,

. (8.20)

Максимальное значение неуравновешенной силы внутреннего дав­ления на опоре 6 определяют по формуле:

где р_раб и — рабочее давление теплоносителя, Па, и площадь сечения трубопрово­да, м²; например, площадь сечения затвора задвижки при ее закрытии.

Задание 6. Рассчитать усилия, действующие на неподвижную опору Н2 в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис 8.24.

Рис. 8.24. Расчетная схема определения усилия на неподвижную опору

Заданы: диаметр трубопровода D; расстояние между неподвижными опорами 2L; пролет между подвижными опорами l; сила упругой деформации компенсатора ; подвижные опоры – скользящие; компенсаторы – П – образные.

Исходные данные для выполнения задания приведены в табл 8.2.

Таблица 8.2.

Числовые данные к заданию 6

Последняя цифра шифра	Dу,мм	L, м	Pк,кН	Последняя цифра шифра	Dу,мм	L, м	Pк,кН
			1,7 0,4 1,3 7,0 0,5				4,0 6,0 1,2 10,0 2,5