Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

При монтаже бытовых трубопроводов расчет не выполняют, так как для этих целей применяют стандартные трубы, прочности которых вполне достаточно, чтобы выдержать давление воды, газа и пр. А вот строить промышленные магистрали без определенного расчета в большинстве случаев опасно, так как это может привести к быстрому выходу из строя системы и другим неприятным последствиям.

В данной статье мы рассмотрим основы того, как выполняется расчет прочности трубы, а также некоторых других параметров, которые необходимо знать, прежде чем построить конструкцию.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Промышленный трубопровод

Расчет прочности

Надо сказать, что расчет прочности трубы нужен не только для того, чтобы магистраль была надежной. Это также позволит избежать перерасхода средств, ведь излишняя прочность приведет к удорожанию строительства. Поэтому проектирование является не менее важным этапом строительства трубопровода, чем его монтаж.

Итак, данный расчет подразумевает определение нескольких основных параметров:

  • Внутренний диаметр трубы в зависимости от скорости потока транспортируемой жидкости;
  • Внутренний диаметр в зависимости от гидравлического сопротивления;
  • Толщина стенок.

Каждый параметр определяется по определенным формулам, с которыми мы ознакомимся ниже.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Внутренний диаметр трубы

Расчет внутреннего диаметра

Определить оптимальный внутренний диаметр трубы при заданной скорости протекания жидкости в трубопроводе и ее расходе можно своими руками по формуле – D=4Q3600vπy м, где:

  • Q — расход жидкости, измеряется в мг/ч.
  • v — скорость протекания жидкости в трубопроводе, измеряется в м/сек.
  • y — удельный вес жидкости при заданных параметрах, измеряется в кг/м3. Данное значение принимается по справочникам.

Скорость движения разных жидкостей и газов определенны расчетами, а также подтверждены практическими опытами. Поэтому, при расчетах можно воспользоваться следующими данными:

Для воды и всевозможных маловязких жидкостей (таких как ацетон, спирт, слабые растворы щелочей и кислот, бензин и пр.) 15 — 30 м/сек
Для газов высокого давления и перегретого пара 30-60 м/сек
Для насыщенного пара и сжатого воздуха 20 — 40 м/сек

Из приведенной выше формулы следует, что диаметр сечения трубопровода зависит от скорости протекания жидкости. Чем она выше, тем проходное сечение должно быть меньше, соответственно, ниже будут и затраты на строительство конструкции.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Промышленный паропровод

Гидравлическое сопротивление

При движении жидкости или газа по трубопроводу обязательно возникает сопротивление в результате трения транспортируемого продукта о стенки трубы и всевозможные преграды в системе. Это сопротивление называют гидравлическим. Чем выше скорость протекания жидкости и ее плотность, тем больше гидравлическое сопротивление.

Диаметр трубопровода можно определить по заданной потере напора.

Инструкция по выполнению данного расчета выглядит следующим образом – D=ξL∆p∙y∙v2g кгс/см2, где:

  • ∆p = P1-Р2 — заданная либо допускаемая потеря давления между начальной и конечной точкой трубопровода, измеряется в кгс/см2.
  • L — длина магистрали.
  • ξ — коэффициент гидравлического сопротивления, может составлять 0,02—0,04.
  • g — ускорение силы тяжести, которое равняется 9,81м/сек.

Конечно, данный расчет позволяет определить потерю давления в прямой трубе. Что касается определения этого показателя арматуры и фасонных частей, то его находят по потере давления на прямом участке трубы соответствующего диаметра и с эквивалентной длиной.

Эквивалентной длиной называют прямой участок трубы, гидравлическое сопротивление которого равняется сопротивлению фасонной части при равных прочих условиях.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

На фото — сварной отвод Ду=150

К примеру, сопротивление секционного сварного отвода Ду=150 будет равняться сопротивлению в прямой трубе длиной 29 м. Сопротивление проходного вентиля Ду=150 равняется сопротивлению в трубе длиной 50 м.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Основные параметры трубы

Толщина стенки

Основным параметром трубы, который влияет на прочность, является толщина стенки.

Этот показатель зависит от нескольких факторов:

  • Внутреннего и наружного давления, оказываемого на трубу;
  • Диаметра трубопровода;
  • Материала, из которого выполнена труба и его коррозионной стойкости.

На большинство трубопроводов воздействует лишь внутреннее давление. Внешнему же давлению подвержены вакуумные трубопроводы, а также системы с рубашками, предназначенные для обогрева паром легко застывающих или кристаллизирующихся продуктов.

Толщину стенок стальных труб, на которые воздействует внутреннее избыточное давление, определяют расчетом на прочность и добавкой толщины, которая отводится на износ от коррозии.

Для этого используется следующая формула – S= Sp-C,

  • Sp — расчетная толщина, измеряемая в мм.
  • С — прибавка на коррозию. Как правило она составляет 2-5 мм (для среднеагрессивных сред).

Расчетную толщину стенки можно получить по следующей формуле — Sp=pDн230σдопφ+P мм, где:

  • p —избыточное внутреннее давление в трубе, кгс/см2.
  • Dн— наружный диаметр трубопровода.
  • σдоп — допустимое напряжение на разрыв, сгс/мм2. Данный показатель можно определить по справочникам, в зависимости от температуры транспортируемой жидкости и марки стали.
  • φ — коэффициент прочности сварного шва. Если труба бесшовная, то коэффициент φ=1. Для сварных труб этот показатель может составлять 0,6—0,8, в зависимости от типа сварного шва и вида сварки.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Ремонт трубопровода

Обратите внимание!
При монтаже трубопровода, а также в случае его ремонта, нельзя устанавливать отдельные случайные детали, выполненные из непроверенного или неизвестного материала, так как это может привести к аварии в системе.

Надо сказать, что при расчете трубопроводов уделяют внимание не только толщине труб, но и самому материалу. К примеру, если температура, при которой будет эксплуатироваться система, составляет менее 450 градусов по Цельсию, то используют трубы, выполненные из стали марки 20.

Читайте также »   Обноска фундамента: начинаем строительство

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Трубы из стали 12Х1МФ

Если температура транспортируемого продукта в системе будет высокой, то выбирают сталь 12Х1МФ. Это позволяет использовать трубопровод с более тонкими стенками. Соответственно, от толщины стенок во многом зависит и цена конструкции.

Устойчивость трубопровода

При расчете магистралей помимо прочности трубопровода важным параметром является его устойчивость в продольном направлении.

Данный расчет выполняют из условия — S≤mNкр, где

  • S — продольное эквивалентное осевое усилие в сечении системы.
  • m — коэффициент условий работы системы. Данное значение находится в справочной литературе.
  • Nкр – критическое продольное усилие, при котором трубопровод теряет продольную устойчивость. Данное значение необходимо определять согласно существующим правилам строительной механики, с учетом изначального искривления системы, наличия балласта, который закрепляет трубопровод, и характеристик грунта. На обводненных участках необходимо также учитывать гидростатическое воздействие воды.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Изгиб магистрали

Обратите внимание!
Продольную устойчивость необходимо проверять для криволинейных участков в плоскости изгиба магистрали.
На прямолинейных участках продольную устойчивость подземных участков нужно проверять в вертикальной плоскости, радиус начальной кривизны при этом принимается равным 5000 м.

Продольное эквивалентное осевое усилие следует определять в зависимости от расчетных нагрузок и воздействий с учетом поперечных и продольных перемещений магистрали.

Выполняется расчет по следующей формуле —

S=100 [(0,5- μ)σкц+αE∆t]F

  • α — коэффициент линейного расширения материала трубы;
  • E — переменный параметр упругости;
  • ∆t — температурный расчетный перепад;
  • σкц — кольцевые напряжения от внутреннего расчетного давления;
  • F – площадь поперечного сечения трубопроводной магистрали.

Обратите внимание!
При определении устойчивости надземных магистралей, необходимо произвести расчет анкерных опор, арочных систем, анкерных висячих опор и прочих элементов конструкции на возможность сдвига и опрокидывания.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Трубы прочности К55

Классы прочности стальных труб

Чтобы после выполнения всех необходимых расчетов прочности трубопровода легче было подобрать подходящие трубы, были введены классы прочности труб. В данном случае прочность изделий оценивается сопротивлением металла при растяжении.

Группа прочности труб обозначается буквой «К» и нормативным значением в кгс/мм2 от 34 до 65. К примеру, газопроводы в районах средней полосы, с учетом средней температуры окружающей среды около 0 градусов по Цельсию и рабочего давления в системе в 5,4 МПа, выполняют из труб класса прочности K52.

В условиях Крайнего Севера, где средняя температура составляет -20 градусов по Цельсию и рабочее давление в системе планируется в 7,4Мпа, выполняют газопроводы из труб класса прочности К55-К60.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Монтаж трубы газопровода класса прочности К60

Расчет массы трубы

В большинстве случаев при расчете системы может потребоваться значение массы труб, к примеру, чтобы соотнести его с несущей способностью опор или просто спрогнозировать расходы на транспортировку.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Опоры трубопровода подбираются в соответствии с массой труб

Правда, для этого нет необходимости вычислять математическим методом, сколько весит конкретный отрезок той или иной трубы, так как справочная информация содержит точный вес погонного метра самых разных видов труб.

Достаточно лишь знать следующую информацию:

  • Материал трубы;
  • Внешний диаметр;
  • Толщину стенок и пр.

После того как вес одного погонного метра будет известен, это значение надо умножить на количество погонных метров.

Как выполняется расчет трубы на прочность и другие важные параметры

Схема определения площади верхней поверхности трубы

Площадь внешней поверхности

При монтаже разных магистралей может потребоваться их утепление, гидроизоляция, покраска и пр. Для этого необходимо определить площадь трубопровода, что позволит посчитать количество материала. Чтобы выполнить данный расчет, надо длину окружности наружного сечения умножить на длину трубы.

Формула определения окружности выглядит следующим образом — L=πD. Длину отрезка трубы обозначим как H.

В таком случае площадь наружной окружности трубы будет выглядеть следующим образом — St=πDH м2, где:

  • St — площадь поверхности трубы, которая измеряется в метрах квадратных.
  • π — Число «пи», которое всегда равняется 3,14;
  • D — внешний диаметр;
  • H — как уже было сказано выше, обозначает длину трубы в метрах.

К примеру, имеется труба длиной 5 метров и диаметров 30 см. Ее площадь поверхности равняется St=πDH=3,14*0,3*5=4,71 квадратных метров.

На основе вышеприведенных формул также можно выполнить расчет объема трубопровода и площадь внутренних его стенок. Для этого надо лишь изменить в расчетах величину внешнего диаметра на величину внутреннего. Все эти параметры могут потребоваться при монтаже бытового трубопровода.

Вывод

Мы рассмотрели основы того, как выполняется расчет трубопроводов на прочность и устойчивость. Конечно, при монтаже промышленных магистралей выполняется гораздо более сложное проектирование, которое подразумевает ряд других действий, поэтому данную работу выполняют исключительно профессионалы. Однако, при устройстве бытовых системы, все необходимые значения можно узнать и самостоятельно.

Из видео в этой статье можно получить дополнительную информацию по данной теме.

Понравилась статья? Подписывайтесь на наш канал Яндекс.Дзен

Ремонт квартир в Можайске © 2020. Все права защищены.