Покупателям


Температурные напряжения в трубопроводах и их компенсация

Наземные трубопроводы нефтебаз подвержены деформациям, связанным с изменениями температуры перекачиваемого нефтепродукта и атмосферного воздуха.

Длина l трубопровода, свободно лежащего на опорах, при изменении его температуры на ΔТ изменяется на величину Δl, равную

Δl=αL·l·ΔТ

где αL— коэффициент линейного расширения металла, для стали αL= 1,2х10-5 1/К.

При температурных деформациях в нем возникают термические напряжения растяжения или сжатия, определяемые по формуле

σT=E·αL·ΔТ

где Е — модуль упругости материала трубы, для стали Е = 2,1х105 МПа

В результате возникновения термических напряжений участок трубы, защемленный между неподвижными опорами, действует на них с силой

FLT ·S

где S — площадь поперечного сечения металла трубы.

Выполним оценку величины FL. Пусть имеется трубопровод диаметром 325 мм с толщиной стенки 9 мм. Разность между температурой замыкания его стыков при строительстве и температурой трубы в процессе эксплуатации составляет 5 градусов.

Для указанных условий:

1 - 0087(1)

σT=2.1·105·1.2·10-5·5=12.6 МПа

FL=12.6·106·9.89·10-4=12460 H

Поскольку резервуар, например, также является неподвижной опорой трубопровода, то под действием силы FL он может быть поврежден (особенно, если ΔТ составляет, например, 20 градусов).

При подземной прокладке трубопроводов сила трения трубы о грунт частично или полностью компенсирует усилие, возникающее вследствие температурных деформаций. Величина данной силы равна

1 - 0087

где μтр — коэффициент трения трубы о грунт, = 0,4-0,5; Ргр — давление грунта на трубопровод, Ргр =nгр · γгр·hср;nгр — коэффициент надежности по нагрузке от веса грунта, пгр = 1,2; γгр — удельный вес грунта; hср — средняя глубина заложения трубопровода.

Приравняв величины FL и Fтр , легко найти минимальную длину трубопровода lmin, обеспечивающую полную компенсацию температурных напряжений

1 - 0087 (2)

Пример. Пусть рассмотренный выше трубопровод проложен подземно в суглинке (γгр =19 000 Н/м3) на глубине — 1 м. В этом случае

Pгр=1,2·19000·1=22800 Н

Соответственно, находим (полагая μтр =0,5) 

lmin=12460/(0.5·22800·3.14·0.325)=1.11м.

Таким образом, при подземной прокладке технологических трубопроводов температурные деформации практически полностью компенсируются их трением о грунт.

Для уменьшения усилий, с которыми наземный трубопровод при температурных деформациях воздействует на объекты нефтебаз (неподвижные опоры, резервуары, насосы и др.), применяют самокомпенсирующую прокладку труб, либо специальные устройства — компенсаторы.

При самокомпенсирующей прокладке конфигурация технологических трубопроводов такова, что позволяет им изгибаться при температурных деформациях, снижая тем самым величину продольной силы.

image83

Схема самокомпенсирующей прокладки технологических трубопроводов: а — угловой участок; б — ^-образный участок; 1 — резервуар; 2 — трубопровод после укладки; 3 — трубопровод, подвергшийся температурным деформациям; 4 — насос

Компенсаторы, применяемые на нефтебазах, бывают линзовые, сальниковые и гнутые.

Линзовые компенсаторы используют на трубопроводах с условным диаметром от 100 до 1200 мм, рассчитанных на давление до 0,6 МПа. Компенсаторы выпускают одно-, двух-, трехи четырехлинзовыми.

image84

Линзовый компенсатор: а — однолинзовый; б — четырехлинзовый. 1 — патрубок; 2 — полулинза; 3 — стакан; 4 фланец; 5 — дренажная трубка

Компенсирующая способность одной линзы составляет от 7 до 16 мм. Достоинствами линзовых компенсаторов являются герметичность и относительно небольшие размеры. Однако применяются они ограниченно ввиду малой компенсирующей способности и низкого допускаемого давления.

Сальниковые компенсаторы  состоят из стального или чугунного корпуса и перемещающегося в нем стакана.

image85

Сальниковый компенсатор

Уплотнение между корпусом и стаканом обеспечивается сальником. Для его набивки используют асбестовый прографиченный шнур или термостойкую резину. Сальниковые компенсаторы бывают односторонними и двухсторонними. Их используют на трубопроводах с условным диаметром от 100 до 1000 мм, рассчитанных на давление до 1,6 МПа. Достоинством сальниковых компенсаторов является их относительно большая компенсирующая способность (от 150 до 500 мм). Однако они недостаточно герметичны и требуют постоянного надзора за состоянием уплотнения сальников.

Гнутые П-образные компенсаторы  получили наибольшее распространение на нефтебазах.

image86

П-образный компенсатор

Их наружный диаметр, толщину стенки и марку стали принимают такими же, как и у самого технологического трубопровода. Размеры П-образного компенсатора характеризуются вылетом плеча LK, шириной плеча вк, радиусом гнутья RK, а также длинами прямых вставок соответственно вылета L'к и плеча в'к. Расчет длины плеча П-образного компенсатора выполняется по формуле

image87

где [σ] — допустимое напряжение материала труб; т2 — соотношение длины вылета и ширины плеча компенсатора

Техническим специалистам