Под действием изменения температур изменяются размеры промышленных и коммунальных изделий. Это касается труб, конструкций, оборудования и сооружений. При проектировании трубопровода должны учитываться любые перемещения, которые могут возникнуть из-за внешнего воздействия на него, в т.ч. его расширение из-за температурных перепадов. Трубы могут представлять реальную опасность для деталей трубопровода и другого оборудования, так как испытывают напряжение при изменениях температуры рабочей среды.

Основные способы компенсации

Существует несколько основных методов компенсации температурных деформаций:

1. Применяется эффект самокомпенсации, за счёт естественных изгибов и поворотов трассы;
2. Устанавливаются компенсаторы (сильфонные, П-образные, линзовые, сальниковые);
3. Устанавливаются металлорукава.

Тот или иной способ компенсации выбирается в зависимости от наличия или отсутствия других коммуникаций, ландшафтных особенностей местности, типа системы трубопроводов и других факторов.

Расчёт теплового расширения

На первом этапе решения вопроса компенсации температурного перемещения трубопровода вычисляют точное изменение длины системы. Расчёты ведутся в соответствии с условиями безопасности, которые предъявляются к трубопроводу.

При расчёте теплового расширения трубопровода применяется следующая формула:

∆L = a × L × ∆t

• a — коэффициент температурного расширения, выражается в мм/(м·°C);
• L — длина трубопровода в метрах (обычно измеряется длина между неподвижными опорами);
• ∆t — разница между максимальным и минимальным значениями температуры рабочей среды, выражается в °C.

Расчёт доступен каждому, и даже непрофессионал может легко его выполнить. Для того чтобы узнать коэффициент температурного расширения, необходимо обратиться к таблице линейного расширения труб. Коэффициенты различаются в зависимости от материала, использованного для производства труб.

Коэффициенты линейного расширения для различных материалов

• Чугун: 0,0104 мм/м·°C;
• Сталь нержавеющая: 0,011;
• Сталь чёрная и оцинкованная: 0,0115;
• Медь: 0,017;
• Латунь: 0,017;
• Алюминий: 0,023;
• Металлопластик: 0,026;
• Поливинилхлорид (PVC): 0,08;
• Полибутилен (PB): 0,13;
• Полипропилен (PP-R 80 PN10 и PN20): 0,15;
• Полипропилен (PP-R 80 PN25 алюминий): 0,03;
• Полипропилен (PP-R 80 PN20 стекловолокно): 0,035;
• Сшитый полиэтилен (PEX): 0,024.

Способы компенсации зависят от стойкости того или иного материала к температурному расширению. Например, трубопровод из полимерных материалов более подвержен температурному расширению, чем выполненный из стали. Поэтому способ компенсации полимерных труб будет отличаться от способа компенсации стальных.

Важно: коэффициенты линейного расширения, приведённые в таблице, являются усреднёнными, поэтому их нельзя использовать при расчёте для трубопроводов, изготовленных из других материалов. Допускается различие коэффициентов на 5%, так как результат зависит от метода расчёта и условий, при которых проводились исследования.

Пример расчёта

Исходные данные: диаметр прямолинейного участка трубопровода — 219 мм. Он произведён из чёрной углеродистой стали, его длина, 100 м. Минимальная температура t_min = −20 °C, максимальная t_max = 140 °C.

Расчёт выглядит следующим образом:

1. Определяем перепад температур: ∆t = 140 − (−20) = 160 °C;
2. Вычисляем изменение длины трубопровода: ∆L = 0,0115 × 160 × 100 = 184 мм.

Результат показывает, что длина трубопровода может меняться при данных значениях на 184 мм. Чтобы обеспечить бесперебойную работу трубопровода, необходим осевой сильфонный компенсатор, условный диаметр которого равен 200 мм.

Сильфонные компенсаторы

Рассмотрим способ компенсации расширения прямолинейных участков трубопровода посредством осевых сильфонных компенсаторов. Сильфонный компенсатор представляет собой гибкий гофрированный элемент, который воспринимает осевые, угловые и сдвиговые перемещения, возникающие при нагреве и охлаждении трубопровода.

Преимущества сильфонных компенсаторов:

• компактность и небольшие габариты;
• отсутствие необходимости в регулярном обслуживании;
• герметичность конструкции;
• возможность применения в широком диапазоне температур и давлений;
• долговечность при правильном подборе и монтаже.

Компенсация термического расширения, обязательный этап проектирования любого трубопровода, работающего в условиях переменных температур. Правильный расчёт удлинения труб и грамотный выбор компенсирующих устройств позволяют избежать разрушения труб, повреждения арматуры и оборудования, а также обеспечить долговечную и безопасную эксплуатацию всей системы. При выборе способа компенсации следует учитывать материал труб, протяжённость участков между неподвижными опорами, диапазон рабочих температур и особенности трассы.