Расчет трубопроводов

План 1. Введение 2. Применение 3. Классификация трубопроводов 4. Расчетная температура 5. Расчетные нагрузки

Введение Трубопровод – сооружение, предназначенное для транспортирования газообразных, жидких и твердых веществ и состоящее из плотно соединенных между собой труб, деталей трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, контрольно-измерительных приборов, средств управления, материалов и деталей тепловой и противокоррозионной изоляции. По назначению трубопроводы разделяют на магистральные, технологические, санитарно-технические и др. К технологическим относятся находящиеся в пределах промышленного предприятия или группы этих предприятий трубопроводы, по которым транспортируют различные вещества, в том числе сырье, полуфабрикаты, промежуточные и конечные продукты, отходы производства, необходимые для ведения технологического процесса или эксплуатации оборудования. К технологическим не относятся трубопроводы ливневой канализации, отопления производственных зданий и сооружений, питьевой воды и другого санитарно-технического назначения.

Технологические трубопроводы – одни из наиболее ответственных и металлоемких сооружений промышленного объекта. Технологические трубопроводы при эксплуатации испытывают значительные нагрузки под действием: давления (от глубокого вакуума до 320 МПа и выше) и температуры (от минус 253 до плюс 700 °С и более) транспортируемого вещества; силы тяжести труб, деталей, арматуры, транспортируемого вещества и теплоизоляции; теплового удлинения; вибрации, ветра и нагрузок давления грунта. Кроме того, на отдельных участках трубопровода могут возникать периодические нагрузки от неравномерного нагрева, защемления подвижных опор и повышенного трения в них. Протяженность трубопроводов промышленных объектов составляет многие сотни километров, общая масса - десятки тысяч тонн, а их стоимость составляет % стоимости всего оборудования. Технологические трубопроводы подвергаются коррозии и претерпевают периодические охлаждение и нагревание.

Применение В настоящих методических указаниях приводятся методы расчета на прочность элементов технологических стальных трубопроводов с диаметром до 1400 мм, предназначенных для транспортирования жидких и газообразных веществ с различными физико-химическими свойствами с давлением до 10 МПа и температурой от – 70 до °С. Настоящие методические указания не распространяются на технологические трубопроводы: котельных; электростанций; шахт; особого назначения (атомных установок, передвижных агрегатов, пневмотранспорта и пр.); ацетилена; кислорода; горючих газов давлением до 1,2 МПа (сжиженных – до 1,6 МПа) Классификация трубопроводов Трубопроводы в зависимости от физико-химических свойств и рабочих параметров транспортируемых веществ (давления и температуры) подразделяются на группы и категории, указанные в таблице Трубопроводы, транспортирующие вещества с рабочей температурой равной или превышающей температуру их самовоспламенения, или рабочей температурой ниже минус 40 °С, а также несовместимые с водой или кислородом воздуха при нормальных условиях, следует относить к I категории. При поверочных расчетах в зависимости от уровня температур и длительной прочности материала различают средне- и высокотемпературные трубопроводы. К высокотемпературным относятся трубопроводы: –из углеродистой и легированной не аустенитной стали при рабочей температуре свыше плюс 360 °С; –из легированной аустенитной стали при рабочей температуре свыше плюс 450 °С.

Классификация стальных технологических трубопроводов Группа трубопровода Транспортируемое вещество Расчетное давление P, МПа Расчетная температура t, °С Категория трубопровода Аа Вредные классы опасности 1 и 2 по ГОСТ –76 Независимо I Аб Вредные, класс опасности 3 по ГОСТ –76 Свыше 1,6Свыше 300 До 1,6До 300П Ба Взрыво – и пожароопасные: взрывоопасные вещества (ВВ), горючие (в том числе сжиженные) газы (ГГ) Свыше 2,5Свыше 300I До 2,5До 300П Бб Легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) Свыше 2,5Свыше 300I Свыше 1,6 до 2,5 Свыше 120 до 300 П До 1,6До 120III Бв Горючие жидкости (ГЖ), горючие вещества (ГВ) Свыше 6,3Свыше 350I Свыше 2,5 до 6,3 Свыше 250 до 350 П Свыше 1,6 до 2,5 Свыше 120 до 250 III до 1,6 до 120IV ВТрудногорючие (ТГ) и негорючие (НГ) Свыше 6,3 Свыше 350 до 450 П Свыше 2,5 до 6,3 Свыше 250 до 350 III Свыше 1,6 до 2,5 Свыше 120 до 250 IV До 1,6До 120V

Расчетная температура Физические и механические характеристики сталей следует определять по расчетной температуре. Расчетную температуру стенки трубопровода следует принимать равной рабочей температуре транспортируемого вещества в соответствии с проектной документацией. При отрицательной рабочей температуре за расчетную температуру следует принимать 20 °С и при выборе материала учитывать допустимую для него минимальную температуру Расчетные нагрузки Расчет на прочность следует производить по расчетному давлению P с последующей проверкой на действие дополнительных нагрузок, а также с проверкой на выносливость. Расчетное давление следует принимать равным рабочему давлению в соответствии с проектной документацией. Расчетные дополнительные нагрузки и соответствующие им коэффициенты перегрузок следует принимать по СНиП –85. Для дополнительных нагрузок, не приведенных в СНиП –85, коэффициент перегрузки принимают равным 1,2. Коэффициент перегрузки для внутреннего давления следует принимать равным 1,0.

Гидравлический расчет простого трубопровода производится с помощью уравнения Бернулли: Здесь h1-2 – потери напора (энергии) на преодоление всех видов гидравлического сопротивления, приходящиеся на единицу веса движущейся жидкости. ht – потери напора на трение по длине потока, Σhм – суммарные потери напора на местном сопротивлении Потери напора на трение по длине потока определяются по формуле Дарси-Вейсбаха где L –длина трубопровода, d -диаметр участка трубопровода, v - средняя скорость течения жидкости, λ -коэффициент гидравлического сопротивления, в общем случае зависящий от числа Рейнольдса (Re=v*d/ν), и относительной эквивалентной шероховатости труб (Δ/d). Значения эквивалентной шероховатости Δ внутренней поверхности различных труб представлены в таблице 2. А зависимости коэффициента гидравлического сопротивления λ от числа Re и относительной шероховатости Δ/d приведены в таблице 3. Если режим движения ламинарный, то для труб некруглого сечения коэффициент гидравлического сопротивления λ определяется по частным для каждого случая формулам (табл. 4). При развитом турбулентном течении с достаточной степенью точности при определении λ можно пользоваться формулами для круглой трубы с заменой диаметра d на 4 гидравлических радиуса потока Rг (d=4Rг) Rг =w/c, где w– площадь «живого» сечения потока, c- «смоченный» его периметр (периметр «живого» сечения по контакту жидкость – твердое тело)

Потери напора в местных сопротивлениях определяются по формуле Вейсбаха Где ς– коэффициент местного сопротивления, зависящий от конфигурации местного сопротивления и числа Рейнольдса. При развитом турбулентном режиме ς= const, что позволяет ввести в расчеты понятие эквивалентной длины местного сопротивления Lэкв, т.е. такой длины прямого трубопровода, для которого ht = hм. В этом случае потери напора в местных сопротивлениях учитываются тем, что к реальной длине трубопровода прибавляется сумма их эквивалентных длин Lпр =L + Lэкв, где Lпр – приведенная длина трубопровода. Зависимость потерь напора h1-2 от расхода называется характеристикой трубопровода. Если движение жидкости в трубопроводе обеспечивается центробежным насосом, то для определения расхода в системе насос – трубопровод строится характеристика трубопровода h =h(Q) с учетом разности отметок z (h1-2 + z при z1 z2) накладывается на напорную характеристику насоса H=H(Q), которая приводится в паспортных данных насоса (см. рис.). Точка пересечения этих кривых указывает на максимально возможный расход в системе.

Значения коэффициентов эквивалентной шероховатости для труб из различных материалов Группа Материалы, вид и состояние трубы*10 -2, мм 1. Давленые или тянутые трубы Давленые или тянутые трубы (стеклянные, свинцовые, латунные, медные, цинковые, оловянные, алюминиевые, никелированные и пр.) 0,10 2. Стальные трубы Бесшовные стальные трубы высшего качества изготовления 1,0 Новые и чистые стальные трубы 6,0 Стальные трубы, не подверженные коррозии 15,0 Стальные трубы, подверженные коррозии 20,0 Стальные трубы сильно заржавевшие 200 Очищенные стальные трубы Чугунные трубы Новые черные чугунные трубы 25 Обыкновенные водопроводные чугунные трубы, бывшие в употреблении 100 Старые заржавленные чугунные трубы 150 Очень старые, шероховатые, заржавленные чугунные трубы с отложениями Бетонные, каменные и асбоцементные трубы Новые асбоцементные трубы 4 Очень тщательно изготовленные трубы из чистого цемента 15 Обыкновенные чистые бетонные трубы 50