Как да се избегне повреждане на тръбите при използване на разширители?

Как термичното разширение влияе върху цялостността на тръбите по време на използване на експандер

Физиката на линейното термично разширение в често срещани тръбни материали (стомана, мед, ПВЦ)

Всички материали за тръби имат тенденция да се разширяват при повишаване на температурата и да се свиват при намаляване, според основен принцип, описан от уравнението ΔL = αLΔT (което по същество означава промяна в дължината, равна на коефициента на разширение, умножен по първоначалната дължина и по промяната в температурата). Въпреки това различните материали се държат доста различно. Стъклото се удължава приблизително с 0,0000065 инча за всеки инч тръба при повишаване на температурата с 1 градус по Фаренхайт. Медта не отстъпва много — около 0,0000090 инча на инч на градус. Но погледнете ПВЦ: там разширението достига приблизително 0,00003 инча на инч на градус, което прави този материал почти пет пъти по-еластичен от стоманата. За да си представим мащаба на това явление, представете си стоманена тръба с дължина 100 фута, нагрята с 150 градуса по Фаренхайт — тя ще се удължи с около 1,2 инча. Същата дължина ПВЦ тръба при подобни условия ще се разшири с повече от 5,4 инча. Тези разлики създават сериозни точки на напрежение навсякъде, където се съединяват различни материали. Това става особено проблематично по време на операции с експандери, тъй като локалното натрупване на топлина усилва тези движения. Резултиращите сили понякога могат да достигнат стойности над 20 000 паунда, което е напълно значим фактор за инженерите, проектиращи тръбни системи.

Защо неконтролираното разширение предизвиква напрежение, несъосаност и повреда на съединенията в зоните около експандерите

Когато топлинното движение е ограничено, тръбите прилагат екстремни сили върху крепежните елементи, фланци и съединения. В зоните около експандерите — където цикличното нагряване и охлаждане концентрират механични и топлинни натоварвания — преобладават три вида повреди:

• Концентрация на напрежението в завоите и заварките, надвишаваща границата на текучест
• Ъглова несъосаност на фланците, водеща до избиване на уплътнителните пръстени
• Отделяне на звънцови съединения в системите с бутови съединения, предизвикващи течове

Според скорошно проучване на Института Понеон от 2023 г. около две трети от всички повреди на тръби в промишлени обекти всъщност се дължат на лошото управление на проблемите, свързани с термичното напрежение. Когато тръбите изпитват повтарящи се цикли на загряване и охлаждане, това води до по-бързо развитие на умора. Проблемът се засилва в зони, където тръбите са или прекалено здраво закрепени, или недостатъчно подпомогнати. Например, при прекалено голяма компресионна сила върху тръби с тънки стени те имат тенденция да се огънат. От друга страна, растящите сили могат да предизвикат разпространяване на пукнатини в крехки материали като ПВЦ. Ако тръбопроводът не е достатъчно подкрепен, тези напрежения не остават локални — те се предават директно към други компоненти на оборудването, като например фланци, помпи и различни измервателни уреди. Това създава сериозни рискове за това, което инженерите наричат „катастрофални повреди на фланците“. Дори стандартно класифицираните системи могат напълно да се повредят при изненадващо ниски нива на налягане — около 740 psi — при продължително въздействие на тези неконтролирани сили.

Правилни практики за избор и инсталиране на експандери

Съвместяване на типа експандер и профила на прилаганата сила с материала на тръбата и дебелината на стената ѝ

Изборът на подходящ разширител всъщност се свежда до съгласуване на прилаганата сила с механичната устойчивост, която тръбата може да поеме. Стомните тръби имат значително по-висока здравина на опън в сравнение с медните или ПВЦ тръби, поради което могат да поемат по-голяма радиална разширена сила. Но не забравяйте и дебелината на стената, тъй като тя играе изключително важна роля в целия този процес. За тези системи за отопление, вентилация и климатизация (ОВК) с тънки стени или по-леки промишлени тръбни приложения обикновено е необходимо да поддържаме ниски коефициенти на разширение, за да се предотвратят проблеми като огъване или овалност. Като говорим за материали, ПВЦ става доста крехък при температури под 40 градуса по Фаренхайт (което е около 4 градуса по Целзий). Използването на пневматични разширители с налягане над 800 psi с ПВЦ всъщност увеличава вероятността от разпространяване на пукнатини в материала. Медта обаче се държи по-различно, тъй като е по-пластична и позволява по-голямо преместване без повреждения при използване на механични разширители. При работа по всеки проект е необходимо да проверите едновременно няколко неща: конкретния клас на използвания тръбен материал, подробностите за графика на дебелината на стената и препоръчителните от производителя спецификации за въртящ момент. Това става особено важно около заварените връзки, където остатъчните напрежения от заварката могат да направят тръбите по-податливи на деформация под налягане.

Избягване на прекомерно разширение: Изчисляване на безопасни граници на преместване според ASME B31.1/B31.9

Прекомерното разширение продължава да е водещата причина за повреда на съединенията в системи под налягане. ASME B31.1 (Енергийни тръбопроводи) и B31.9 (Тръбопроводи за сградни инсталации) определят максимално допустимото разширение въз основа на материала, температурата и геометрията. Калибрирането на разширителите спрямо тези граници гарантира, че деформацията остава в еластичния диапазон и се избягва постоянната деформация или микропукнатините:

Потвърждаването след разширяване е задължително: лазерната профилометрия трябва да потвърди, че вътрешният диаметър (ID) остава в рамките на ±0,5 % от номиналната стойност. Отклоненията извън този праг увеличават риска от течове при циклични термични натоварвания.

Стратегии за поддържане и крепене, които защитават тръбите около разширителите

Стратегично разполагане на крепежни елементи, водачи и плъзгащи се опори за абсорбиране на движението, предизвикано от разширителите

Добре проектираните системи за поддържане всъщност компенсират термичното разширение през целия процес на използване на компенсатори, като не изпълняват само пасивна устойчива функция, а активно разпределят силите по цялата система. Котвите поемат налягането от тласъка и предотвратяват всякакво осево преместване в тези фиксирани точки. Ръководните елементи ограничават страничното преместване, но все пак позволяват известно напред-назад движение. Плъзгащите се опори са предназначени да поемат очакваното преместване чрез своите повърхности с ниско триене и обикновено се монтират на разстояние от 4 до 10 диаметъра на тръбата от съединенията и зоните за разширение. Тези три компонента работят заедно доста ефективно, за да решат основните проблеми, с които инженерите се сблъскват на обекта: натрупване на напрежения в точките на заваряване, съединения, които излизат от правилно положение, и тръби, които се огъват странично под налягане.

Правилното разположение изисква анализ на коефициентите на термично разширение заедно с общото подреждане на цялата система, а не приблизителни оценки за разстоянията. Основните опори имат за цел да предотвратят провисването и да осигуряват правилно подравняване при въздействието на собствената тежест на компонентите. Второстепенните опори допринасят за намаляване на вибрациите и контролиране на нежеланите резонансни честоти. Изолационните подложки вътре в стегнатите елементи също изпълняват важна функция: те предотвратяват директното триене между металните части, което позволява свободно движение по оста, но при това осигурява контрол върху силите, генерирани от термичното разширение. За фиксирани точки, при които е абсолютно недопустимо каквото и да било движение — например входовете на помпи или фланците на клапани — използваме неадаптивни опори, които здраво закрепват всичко. Понякога обаче са необходими корекции на място, затова производителите предлагат версии, които могат да се настройват без ущърб за общата ефективност. Опитът от практиката в отрасъла показва, че когато всички тези елементи работят синхронно и правилно, механичните и термичните напрежения се разпределят равномерно по цялата инсталация. Този инженерен подход е доказал своята ефективност за значително удължаване на експлоатационния живот на оборудването, като записите за поддръжка сочат подобрение от около 70 % с течение на времето.

Често задавани въпроси

Какво е значението на термичното разширение в тръбопроводните системи?

Термичното разширение играе критична роля в тръбопроводните системи, тъй като може да предизвика значително разширяване или свиване на тръбите при промяна на температурата, което води до възникване на напрегнати участъци, несъосоставеност и потенциални структурни повреди.

Защо ПВХ е по-податлив на термично разширение в сравнение със стомана?

Коефициентът на термично разширение на ПВХ е по-висок в сравнение с този на стоманата, поради което при еднаква промяна на температурата ПВХ се разширява почти пет пъти повече. Това може да доведе до по-изразени ефекти от разширението при ПВХ, особено при високи температури.

Какви са някои методи за намаляване на ефектите от термичното разширение в тръбите?

Правилният подбор на компенсатори, съгласуване на типа компенсатор с материала и дебелината на стената на тръбата, както и стратегическото разполагане на системи за подпира и крепене са ключови методи за управление и намаляване на ефектите от термичното разширение.

Как може да се избегне прекомерното разширение в системи под налягане?

Чрез спазване на насоки като ASME B31.1/B31.9 и калибриране на експандерите според определените граници за материал и температура може да се избегне прекомерното разширяване, което гарантира, че деформацията остава в еластичния диапазон.