CC BY
16
УДК 697.341
А. Г. Поздеев, Ю. А. Горинов, А. Н. Чемоданов, С. Я. Алибеков, Э. Р. Хайруллина
АРБОЛИТОВАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Ключевые слова: подводная прокладка теплопроводов, теплоизоляционно-балластное арболитовое покрытие, расчет
устойчивости.
Представлена схема и расчет устойчивости проложенных по дну водоема трубопроводов централизованного теплоснабжения, представляющих собой стальную трубу в защитном полиэтиленовом кожухе с межтрубным пространством, заполненным арболитом в качестве теплоизоляционно-балластного материала. Выведена зависимость устойчивости трубопровода от массы трубопроводной конструкции, действующих сил и воздействий.
Keywords: underwater laying heating pipes, heat-insulating coating wood-concrete ballast, stability calculation.
The paper under discussion covers the area of wood manufacturing and deals with a wood concrete. It's key idea is to consider a technique for obtaining and of the calculation district heating pipelines which on the lake bottom located.The engineering approach to the problem is based on the experimental method of research to suggest some innovative solutions by means of influence definition a factor on the pipeline stability. Special attention is paid to the conduit structure. The data obtained are backed up by the figures given to illustrate the main transformation processes. The material presented can open new prospects for further research studies. It seems to be interesting to those who work in the field of wood manufacturing.
Введение
Под устойчивым состоянием подводного трубопровода понимается такое состояние, при котором он будет находиться в покое в заранее заданном (проектом) положении при самой неблагоприятной комбинации нагрузок,
стремящихся вывести его из этого положения [1].
В общем случае такими нагрузками являются: выталкивающая Архимедова сила, горизонтальная и вертикальная составляющие гидродинамического воздействия потока. Для компенсации этих сил и воздействий используется собственная масса трубопроводной конструкции и заполняющего его перекачиваемого продукта, а также балластные устройства. Описание способов балластировки изложено в [2].
Расчет выполняется при самом неблагоприятном сочетании нагрузок, которое имеет место, когда трубопровод не заглублен, т.е. находится на дне водоема в траншее без засыпки грунтом. При обтекании потоком жидкости подводные трубопроводы подвергаются силовому воздействию потока и действию подъемной силы Архимеда. При положении, когда трубопровод уложен в подводную траншею, засыпан грунтом и заполнен транспортируемым продуктом, число нагрузок, снижающих устойчивость трубопровода, значительно уменьшается.
Расчет устойчивости подводного трубопровода
Силы, действующие на трубопровод: 1. Вес трубопроводной конструкции складывается из веса транспортируемого теплоносителя, стальной трубы, теплоизоляционно-балластного покрытия и полиэтиленовой трубы:
12 2 2 п^ = — я(р101 + р2 ф2 - D1 ) +
2 2 2 2 + р3 (Dз2 - D|) + р4 (^^ - D<2)) g
где п1 -коэффициент перегрузки по весу трубопровода и конструкции; -сила тяжести трубопроводной конструкции с теплоносителем и балластом; р^ -плотность теплоносителя; Р2 -
плотность материала стальной трубы; Р3 -плотность теплоизоляционно-балластного арболитового
покрытия; р4 - плотность материала защитной
полиэтиленовой оболочки; Dl -внутренний диаметр
стальной трубы; D2 -наружный диаметр стальной
трубы - внутренний диаметр теплоизоляционно-
балластного арболитового покрытия; Dз -
наружный диаметр теплоизоляционно-балластного арболитового покрытия - внутренний диаметр
защитной
полиэтиленовом
оболочки; D^ -
наружный диаметр защитной полиэтиленовой оболочки.
2. Выталкивающая сила Архимеда определяется по
1 2
формуле: ^ = — n2РgлD— (2)
где п2 -коэффициент перегрузки выталкивающей силы Архимеда; р - плотность воды водоема.
3. Сила трения трубопровода о грунт определяется по формуле: Fтp = fтp N (3) где /ТР -коэффициент трения поверхности трубы о грунт; N -реакция опоры.
4. Составляющие гидродинамического воздействия потока: сила лобового сопротивления и подъемная сила потока со скоростью V определяются по
формулам, в которой коэффициенты Сх, Су
характеризуют следующие виды сопротивлений:
сопротивление трения, обусловленное
касательными напряжениями, приложенными к
поверхности обтекаемого трубопровода;
сопротивление давления, обусловленное
нормальными напряжениями, приложенными к поверхности обтекаемого трубопровода:
Проекция сил на ось У:
- т, + Р. + N + Ру = 0
1 2 1 2 рх = ~СхРи °4;РУ =~СУРи В4
2
2
(4)
В общем виде уравнение условия равновесия для трубопроводной конструкции, помещенной в водоем:
т,г + РА + N + РТр + Рх + Ру = 0 (5)
Расчетная схема нагрузок и воздействий приведена на рис.1.
Рис. 1 - Расчетная схема нагрузок и воздействий на подводный трубопровод в траншее: а) общая схема размещения трубопровода на дне водоема; б) схема сил, действующих на трубопровод
Из уравнения (6) следует: ¥тр = РХ Из уравнения (7) следует: N = т, - ^^ - Ру
Проекция сил на ось Х: Ртр - Рх = 0
(6)
(7)
(8) (9)
Таким образом, устойчивость
трубопроводной конструкции в пространстве определяется из условия:
РХ <(т, - ¥а - Ру)/тр (10)
В общем случае условие устойчивости единицы длины трубопровода с учетом
коэффициента запаса устойчивости ку С имеет вид: РХ ■ ку.с. < (т, - ¥А - Ру)/ТР (11)
Левая половина уравнения представляет собой горизонтальную сдвигающую силу, а правая половина уравнения - силу трения трубы о грунт.
Авторы [1,3,4,5,6], обобщая результаты выполненных ими опытов и исследований, рекомендуют принимать:
• коэффициент лобового сопротивления Сх = 1,2 ;
• в практических расчетах при касании трубопровода дна коэффициент подъемной силы
Су = 0,6;
• коэффициент перегрузки по весу трубопроводной конструкции п1 для двухтрубной конструкции с заполнением межтрубного пространства цементно-песчаным раствором при диаметре трубы В < 600мм равен 1,00, для трубы В)600мм равен 0,95;
• коэффициент перегрузки выталкивающей силы Архимеда п2 при диаметре трубы В < 700мм для пресной воды равен 1,00, для трубы В > 700мм равен 1,05;
• донную скорость Удон потока 0,4 - 0,6 от поверхностной скорости Упов;
• коэффициент устойчивости кУС равен 1,10 при диаметре трубы В < 600мм и 1,15 при В)600мм;
• наибольшее значение коэффициента трения поверхности трубы о грунт /ТР равно tgфГр .
• наименьшее значение угла внутреннего трения
100
грунта примем для глины <Ргр = 18 ;
• средняя скорость течения потока принимается 5 км/ч.
Используя приведенные выше расчетные формулы и рекомендации по определению составляющих, выполнены расчеты устойчивости подводной конструкции трубопроводов,
представляющей собой стальную трубу в защитном полиэтиленовом кожухе с межтрубным пространством, заполненным арболитом в качестве теплоизоляционно-балластного материала
[7,8,9,10,11,12,13].
Необходимые для расчета данные о стальных электросварных трубах принимаются согласно [14],
а
б
о полиэтиленовых трубах, применяемых в качестве наружной защитной оболочки, принимаются согласно [15].
Толщина нанесенного на стальную трубу теплоизоляционно-балластного арболитового
покрытия определяется как разность между
внутренним диаметром полиэтиленовой трубы В3
и наружным диаметром стальной трубы В2 :
3 =
В3 - В2 2
(12)
С учетом этого, принимая теплоизоляционно-балластного 3
плотность материала
р = 1160кг / м^, определяем массу арболитового покрытия.
Массу транспортируемого теплоносителя для каждого типоразмера стальной трубы принимаем согласно [16].
По формулам (1) и (2) определяем вес трубопроводной конструкции и величину выталкивающей силы Архимеда с учетом коэффициентов перегрузки.
Результаты расчетов сведены в табл.1.
Таблица 1 - Расчет веса трубопроводной конструкции и силы Архимеда с учетом коэффициентов перегрузки
Условный Вес Сила Архимеда
диаметр трубопроводной с коэфф. п2,
стальной конструкции Н/п.м
трубы, мм с коэфф. п1, Н/п.м
50 206.42 150.9367
70 285.12 197.1418
80 354.79 249.5075
100 308.03 308.034
125 678.06 481.3031
150 838.95 603.7466
200 1349.10 970.4996
250 2098.28 1559.422
300 2594.18 1925.213
350 3196.75 2414.987
400 3638.18 2772.306
450 3992.02 3056.467
500 4712.57 3881.998
600 6006.60 5174.971
700 7454.30 6549.573
800 10992.85 9783.93
900 17903.63 16419.42
1000 18085.68 16419.42
1200 22435.17 20699.88
Используя формулы (3), (4), (9) выполним расчет устойчивости.
Как видно из табл.1,2 для всего ряда типоразмера труб условие отрицательной плавучести соблюдается, в то время как условие устойчивости подводной трубопроводной конструкции соблюдается только для
трубопроводов, имеющих условный диаметр стальной трубы Ду > 100 мм.
Таблица 2 - Результаты расчет устойчивости подводного трубопровода
Условный Горизонтальная Сила трения трубы
диаметр сдвигающая о грунт, Н/п.м.
стальной сила,
трубы, мм Н/п.м.
50 27.95 13.90
70 31.94 23.87
80 35.94 28.91
100 39.93 42.67
125 49.91 56.57
150 55.90 68.18
200 70.88 112.58
250 89.84 161.86
300 99.83 202.67
350 111.80 237.56
400 119.79 263.71
450 125.78 285.47
500 141.75 249.00
600 159.72 246.68
700 187.85 267.49
800 229.60 360.45
900 297.43 440.34
1000 297.43 499.51
1200 333.96 516.78
Выводы
1. Условие устойчивости подводной трубопроводной конструкции, состоящей из стальной трубы, помещенной в защитную полиэтиленовую оболочку с заполнением межтрубного пространства теплоизоляционно-балластным арболитовым материалом с плотностью 1160 кг/м3, соблюдается для трубопроводов, имеющих условный диаметр стальной трубы Ду > 100 мм.
2. При необходимости прокладки подводных трубопроводов Ду = 50, 70, 80 мм требуется дополнительная балластировка пригрузами весом более 14.05Н/п.м, 8.07Н/п.м, 7.03Н/п.м. соответственно.
3. Выполненные расчеты доказывают возможность применения трубопроводной конструкции, состоящей из стальной трубы в защитном полиэтиленовом кожухе с межтрубным пространством, заполненным арболитом [7] для прокладки теплопроводов по дну водоемов.
Литература
О.Б.
1. Бородавкин П.П., Березин В. Л., Шадрин Подводные трубопроводы. М., Недра, 1979. 415 с.
2. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 6-е изд., перераб. - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 472 с.: ил.
3 Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство). - М.: Недра, 1982. - 384 с.
4. Основания, фундаменты и подземные сооружения /М.И.Горбунов-Посадов, В.А.Ильичев, В.И.Крутов и др.; Под общ.ред Е.А.Сорчана и Ю.Г.Трофименкова. -М.: Стройиздат, 1985. - 480с.: ил. - (Справочник проектировщика).
5. Строительные конструкции нефтегазовых объектов: учебник /Ф.М.Мустафин, Ю Л.И.Быков, В.Н.Мохов и др. - СПб.: ООО «Недра», 2008. - 780 с.
6. П.И.Тугунов, В.Ф.Новоселов, А.А.Коршак, А.М.Шаммазов Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов.Изд. 2-е, переработанное. Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. - 658 с.
7. Пат. на ПМ РФ 122746 (2012)
8. Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г., Тимербаев Н.Ф., Левашко Л.И. Анализ современного состояния производства теплоизоляционных материалов и возможности создания новых материалов на основе отходов деревопереработки // Вестник Казанского технологического университета. - 2011, №8, 63-68 с.
9. Сафин Р.Г., Тимербаев Н.Ф., Степанов В.В., Хайруллина Э.Р. Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе древесного наполнителя // Вестник Казанского технологического университета Herald of Kazan Technological University. -2012, T. 15, №11, 90-92 с.
10. Сафин Р.Г., Игнатьева Г.И., Галлиев И.М. Исследование высоконаполненных древесно-
полимерных композиционных материалов, получаемых экструзивным методом // Вестник Казанского технологического университета Herald of Kazan Technological University. -2013, Т. 16, №2, 87-88 с.
11. Сафин Р.Г., Степанов В.В. , Хайруллина Э.Р., Шаяхметов Ф.Ф. Производство поризованной древесно-цементной смеси // Вестник Казанского Технологического Университета Herald of Kazan Technological University. - 2013, Т. 16, №13, 84-86 с.
12. Сафин Р.Г., Левашко Л.И., Филиппова Ф.М., Байгильдеева Е.И. Производство пористого теплоизоляционного материала на основе отходов деревообработки и пенополиуретана // Деревообрабатывающая промышленность. - 2013, №1, 15-18 с.
13. Сафин Р.Г., Садртдинов А.Р., Хуснуллин И.И. Энергозависимая установка непрерывной переработки древесных отходов // Вестник Казанского технологического университета Herald of Kazan Technological University. - 2013, Т. 16, №14, 181-182 с.
14. ГОСТ 10704-91 Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент. Стандартинформ. - М.2007. -7 с.
15. ГОСТ 18599-2001 Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия. Стандартинформ. - М.2008. - 111 с.
16. Николаев А.А. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. - М.: Стройиздат, 1965. - 359 с.
© А. Г. Поздеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. водных ресурсов Поволжского госуд. технол. ун-та, pozdeevaq@marstu.ru; Ю. А. Горинов - нач. цеха тепловых сетей МУП «Йошкар-Олинская ТЭЦ-1»; А. Н. Чемоданов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ДОП Поволжского госуд. технол. ун-та; С. Я. Алибеков - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ММ Поволжского госуд. технол. ун-та; Э. Р. Хайруллина - асп. каф. переработки древесных материалов КНИТУ.
