При расчетах трубопроводов, одним из наиболее существенных воздействий является температурный перепад ΔT, который равен разности температуры стенок, при которой происходит замыкание стыков трубопровода Тмонт (монтажная температура) и температуры стенок в рабочем состоянии Траб (расчетная температура в рабочем состоянии):
ΔT=γt(Траб-Тмонт)
Коэффициент надежности для температурного перепада γt по всем действующим нормам расчета на прочность трубопроводов равен γt=1.0.
Следует иметь в виду, что если принимать абсолютно минимальное значение Тмонт и абсолютно максимальное значение Траб, то температурный перепад оказывается неоправданно завышен и ведет к нецелесообразным экономическим затратам на устройство большого количества температурных компенсаторов и т.д. (особенно это касается трубопроводов, защемленных в грунте). Поэтому при задании температурного перепада рекомендуется использовать не экстремальные значения температур, а температуры, действующие длительное время. А кратковременные превышения температуры рекомендуется рассматривать как кратковременные воздействия (по режиму ПДК/ПДКОН), при этом допускаемые напряжения принимаются выше (см. критерии прочности). Это же утверждение справедливо и для различных режимов работы с повышенной температурой, например пропаривание и т.д., которые также следует рассчитывать отдельно по режиму ПДК/ПДКОН.
К примеру, в трубопроводах тепловых сетей максимальная расчетная температура равна 1500С, но реально такие высокие температуры действуют весьма непродолжительное время. При графике 150-70ºC продолжительность действия температуры более 130ºC по данным ОАО "Мосэнерго" не превышает 10 суток в году, а 150 ºC – 30 часов в году, даже для магистральных теплопроводов большого диаметра. Для трубопроводов воздушной прокладки температурный перепад ΔT=(150-(-20))=170ºC достаточно легко воспринимается благодаря гибкости воздушных трубопроводных систем (здесь Тмонт=-20ºC поскольку производство работ по замыканию трубопровода и сварке стыков как правило не производят при температуре ниже -20ºC). Но для трубопроводов бесканальной прокладки такой перепад приводит к огромным напряжениям. Поэтому расчетную температуру в тепловых сетях воздушной прокладки принято принимать Траб=1500С, а для тепловых сетей бесканальной прокладки принимают Траб=1300С и температуру монтажа равную Тмонт=0ºC, предполагая что заварка стыков и засыпка не производятся при отрицательных температурах.
Температура монтажа - температура стенок трубы, соответствующая замыканию трубопровода или ее части в законченную систему. Температура монтажа равна:
Для трубопроводов без стартовых компенсаторов: средней по длине трубопровода температуре стенок (металла) в момент заварки последнего стыка, когда конструкция из разрезной превращается в неразрезную.
Для трубопроводов со стартовыми компенсаторами: средней по длине трубопровода температуре стенок (металла) перед началом предварительного нагрева трубопровода.
Как правило, температура монтажа заранее точно не известна, поэтому приходится принимать некоторое минимальное значение температуры окружающего воздуха в районе строительства, которая обеспечивает разумный запас прочности. При этом следует учитывать, что сварочные работы по замыканию трубопровода как правило не могут производиться при температуре окружающего воздуха ниже определенного уровня.
Монтажную температуру рекомендуется определять по следующей формуле
Тмонт = max(Тстроит, Твозд),
где
Тстроит - минимальное значение
температуры окружающего воздуха, при которой согласно требованиям
норм и руководящих документов допускается проведение соответствующих строительных
и сварочных работ на открытом воздухе. Значение Тстроит
как правило зависит от типа стали и толщины стенки и изменяется в пределах
от -20ºC до 0ºC.
Если при выполнении сварочных работ могут быть
использованы специальные укрытия или предварительный подогрев, то работы
могут производиться при температуре окружающего воздуха до
-50ºC. В этом случае Тмонт = Твозд.
Твозд - температура окружающего воздуха в момент замыкания трубопровода:
При наличии данных о календарном сроке замыкания трубопровода (заварки последнего стыка), порядке производства работ и др. Твозд рекомендуется уточнять в соответствии с данными СП Нагрузки и воздействия [1], п. 13.6.
При отсутствии данных о календарном сроке замыкания трубопровода для назначения Твозд рекомендуется принимать начальную температуру в холодное время года согласно СП Нагрузки и воздействия [1], п. 13.6.
Для трубопроводов бесканальной прокладки (кроме случая прокладки в открытой траншее) обычно принимают 0°С. Предполагается, что последний стык заваривается тогда, когда вся траншея засыпана, так что отрицательной температуры в стенках трубопровода быть не может. В случае замыкания трубопровода в открытой траншее, начальная температура определяется аналогично надземному трубопроводу.
В некоторых ситуациях, для снижения температурного
перепада, температура монтажа может приниматься выше. В этом случае в
проекте должна быть оговорка, что замыкание трубопровода не допускается
при температуре окружающего воздуха ниже Тмонт.
В некоторых документах (сводах правил) и справочниках имеются указания
по учету температуры наиболее холодной пятидневки или абсолютной
минимальной температуры. Нужно иметь в виду, что эти температуры используются,
как правило, для выбора материалов труб и изделий для трубопроводов, расположенных
на открытом воздухе или в не отапливаемых помещениях, когда важны такие
характеристики металла, как твердость, хладноломкость и т.п. Обычно монтажные
работы при таких температурах не ведутся и к температуре монтажа Тмонт
они не имеют прямого отношения.
Исходные данные: город - Санкт-Петербург. Сталь углеродистая с содержанием углерода не более 0.24%. Расчетная температура в рабочем состоянии равна Траб=150°С.
Определим монтажную (начальную) температуру Тмонт.
Если монтажные работы ведутся без специальных укрытий и предварительного подогрева свариваемых стыков, то согласно СНиП 3.05.03-85 сварку разрешается производить:
при температуре наружного воздуха до -20°С для труб из углеродистой стали с содержанием углерода не более 0.24% (независимо от толщины стенки труб), а также труб из низколегированной стали с толщиной стенки не более 10 мм;
при температуре наружного воздуха до -10°С для труб из углеродистой стали с содержанием углерода свыше 0.24%, а также труб из низколегированной стали с толщиной стенки свыше 10 мм.
Следовательно Тстроит = -20°С.
Согласно п. 13.6 [1] t0с = 0.2tVII + 0.8tI = 0.2·15 + 0.8·(-10) = -5°С.
Температурный перепад с учетом коэффициента надежности согласно п. 13.8 [1] должен быть равен Δt = 1.1(Траб - t0с) = 1.1(150 - (-5)) = 1.1·155 = 170.5 °С (169.4)
Отсюда Твозд = Траб - Δt = 150 - 170.5 = - 20.5°С.
Монтажную (начальную) температуру принимаем Тмонт = max(Тстроит, Твозд) = max(-20, -20.5) = -20°С
Расчетная температура - это средняя по длине участка температура стенок (металла) в рабочем состоянии Траб. Часто принимается равной расчетной температуре продукта.
Если продукт имеет температуру, близкую к максимальной температуре окружающего воздуха (холодный трубопровод), то расчетную температуру рекомендуется принимать с учетом максимальной температуры окружающего воздуха и нагрева стенок от возможного прямого воздействия солнечных лучей, то есть наибольшую из из двух значений:
Траб=max(Тпродукта,Тсеч),
где
Тпродукта - расчетная температура продукта. Рекомендуется принимать равной температуре, превышение которой происходит не чаще 30 суток в году. Например для тепловых сетей это 150ºC
Тсеч - средняя температура по сечению трубы в теплый период года. Может оказаться определяющей для холодных трубопроводов. Рекомендации по определению такой температуры приводятся ниже.
Тсеч принимается равной максимальной средней температуре по сечению трубы в теплый период года. Принимается, например, как tw согласно СП Нагрузки и воздействия [1], п. 13.3.
При этом, для трубопроводов с теплоизоляцией рекомендуется не учитывать суточные колебания температуры и воздействие солнечной радиации (θ1=0 и θ4=0). Для трубопроводов без теплоизоляции, но защищенных от воздействия прямых солнечных лучей рекомендуется не учитывать воздействие солнечной радиации (θ4=0).
Рассмотрим пример вычисления максимальной температуры п. 13.3:
tw=1.1∙(tew+θ1+θ4)
tew - средняя суточная температура наружного воздуха в теплое время года. Например tew=tVII+ΔVII=30+6=360С
θ1 - приращения средних по сечению трубы температур от суточных колебаний температуры наружного воздуха, θ1=80С
θ4 - приращение средней по сечению трубы температуры от солнечной радиации (от воздействия прямых солнечных лучей).
1.1 - коэффициент надежности для климатических воздействий согласно п. 13.8 [1]
Для трубопроводов без теплоизоляции, не защищенных от воздействия прямых солнечных лучей:
θ4=0.05∙ρ∙Smax∙k
ρ - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности трубы. Например для стального листа, окрашенного в темный красный цвет ρ=0.8,
Smax - максимальное значение суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации на горизонтальную поверхность, Вт/м2. Например, для 38 гр. с. ш., Smax=987 Вт/м2,
k - для металла принимается равным k=0.7
Таким образом:
θ4=0.05∙ρ∙Smax∙k=0.05∙0.8∙942∙0.7=26.4 0С
Окончательно, получаем расчетную температуру
tw=1.1∙(tew+θ1+θ4)=1.1∙(36+8+26.4)=77.5 0С
Соответственно, если расчетная температура продукта Тпродукта меньше чем 77.5 0С, то в запас прочности целесообразно принять Траб=77.5 0С
Цель испытаний обычно сводится к проверке герметичности стыковых соединений, т.е. к проверке качества монтажных работ. Если испытания проводятся водой (гидроиспытания), то температура наружного воздуха должна быть положительной, чтобы исключить замерзание воды. В большинстве случаев расчетная температура при испытаниях принимается +20°С.
1. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия