Как избежать повреждения труб при использовании расширителей?

Как тепловое расширение влияет на целостность труб при использовании расширителя

Физика линейного теплового расширения в распространенных материалах для трубопроводов (сталь, медь, ПВХ)

Все материалы для трубопроводов, как правило, расширяются при повышении температуры и сжимаются при её понижении — это следует из базового принципа, описываемого уравнением ΔL = αLΔT (то есть изменение длины равно коэффициенту линейного расширения, умноженному на исходную длину и на изменение температуры). Однако различные материалы ведут себя по-разному. Сталь удлиняется примерно на 0,0000065 дюйма на каждый дюйм трубы при повышении температуры на 1 °F. Медь находится недалеко от стали — около 0,0000090 дюйма на дюйм на градус. А вот ПВХ демонстрирует резкий скачок — примерно 0,00003 дюйма на дюйм на градус, то есть его растяжимость почти в пять раз превышает таковую у стали. Для наглядности: стальная труба длиной 100 футов при нагреве на 150 °F удлинится почти на 1,2 дюйма. Та же длина трубы из ПВХ в аналогичных условиях расширится более чем на 5,4 дюйма. Такие различия создают серьёзные точки концентрации напряжений в местах соединения различных материалов. Эта проблема особенно обостряется при эксплуатации трубопроводов с использованием расширительных устройств, поскольку локальное повышение температуры усиливает данные перемещения. Результирующие усилия порой достигают значений свыше 20 000 фунтов силы — величина, которую инженеры, проектирующие трубопроводные системы, никак не могут игнорировать.

Почему неконтролируемое расширение вызывает напряжение, нарушение соосности и разрушение соединений в зонах компенсаторов

Когда тепловое перемещение ограничено, трубы оказывают чрезвычайное усилие на опоры, фланцы и соединения. Вблизи компенсаторов — где циклическое нагревание и охлаждение концентрируют механические и тепловые нагрузки — преобладают три вида разрушений:

• Концентрация напряжений в изгибах и сварных швах, превышающих предел текучести
• Угловое смещение фланцев, приводящее к выбросу прокладок
• Отделение колокольчатого соединения в системах с соединениями типа «push-fit», вызывающее утечки

Согласно недавнему исследованию Института Понемона за 2023 год, примерно две трети всех аварий трубопроводов на промышленных объектах обусловлены неудовлетворительным управлением проблемами термических напряжений. При многократных циклах нагрева и охлаждения трубопроводов ускоряется развитие усталостных повреждений. Проблема усугубляется в зонах, где трубы либо чрезмерно жёстко закреплены, либо недостаточно надёжно поддержаны. Например, при чрезмерном сжимающем усилии тонкостенные трубы склонны к потере устойчивости (выпучиванию). С другой стороны, растягивающие усилия могут вызывать распространение трещин в хрупких материалах, таких как ПВХ. Если трубопровод недостаточно надёжно закреплён, такие напряжения не остаются локальными: они передаются непосредственно на другие компоненты оборудования — арматуру, насосы и различные измерительные приборы. Это создаёт серьёзные риски так называемых катастрофических разрушений фланцев. Даже стандартные по классу прочности системы могут полностью выйти из строя при удивительно низких уровнях давления — около 740 psi — при длительном воздействии этих неконтролируемых сил.

Правильный выбор и установка расширительных устройств: передовые методы

Соответствие типа расширительного устройства и профиля усилия материалу трубы и толщине ее стенки

Выбор подходящего расширителя в конечном итоге сводится к согласованию величины прикладываемого усилия с механической прочностью трубы. У стальных труб предел прочности при растяжении значительно выше, чем у медных или ПВХ-труб, поэтому они способны выдерживать большее радиальное расширяющее усилие. Однако не следует забывать и о толщине стенки, поскольку она играет чрезвычайно важную роль во всём этом процессе. Для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) с тонкостенными трубами или более лёгких промышленных трубопроводов, как правило, требуется поддерживать низкие коэффициенты расширения, чтобы предотвратить такие проблемы, как выпучивание или овализация. Что касается материалов, то ПВХ становится довольно хрупким при температурах ниже 40 градусов по Фаренгейту (примерно 4 °C). Применение пневматических расширителей с давлением свыше 800 psi в сочетании с ПВХ повышает вероятность распространения трещин по материалу. Медь же ведёт себя иначе: благодаря своей повышенной пластичности она допускает большие перемещения без повреждений при использовании механических расширителей. При выполнении любого проекта необходимо комплексно проверить несколько параметров: конкретный сорт материала трубы, данные о её толщине стенки (график «schedule»), а также рекомендованные производителем значения крутящего момента. Это особенно важно в зонах сварных соединений, где остаточные напряжения от сварки могут повысить склонность труб к деформации под действием давления.

Предотвращение чрезмерного расширения: расчет допустимых пределов перемещения в соответствии с ASME B31.1/B31.9

Чрезмерное расширение по-прежнему является одной из основных причин разрушения соединений в системах под давлением. Стандарты ASME B31.1 (трубопроводы для энергетических установок) и B31.9 (трубопроводы зданий и систем жизнеобеспечения) определяют максимально допустимое расширение в зависимости от материала, температуры и геометрии. Калибровка расширительных устройств в соответствии с этими пределами обеспечивает, что деформация остаётся в пределах упругой области и исключает возникновение остаточной деформации или микротрещин:

Проверка после расширения является обязательной: лазерная профилометрия должна подтверждать, что внутренний диаметр (ID) остается в пределах ±0,5 % от номинального значения. Отклонения за пределы этого порога повышают риск утечек при циклических тепловых нагрузках.

Стратегии поддержки и крепления для защиты труб вокруг расширительных устройств

Стратегическое размещение анкеров, направляющих устройств и скользящих опор для компенсации перемещений, вызванных расширительными устройствами

Хорошие системы поддержки фактически компенсируют тепловое расширение на протяжении всего процесса эксплуатации компенсаторов, действуя не просто как пассивные ограничители, а активно распределяя нагрузки по всей системе. Анкерные опоры воспринимают осевое давление и предотвращают любое осевое перемещение в этих фиксированных точках. Направляющие опоры ограничивают боковое перемещение, одновременно допуская некоторое продольное (вперёд/назад) перемещение. Скользящие опоры предназначены для компенсации ожидаемых перемещений за счёт своих низкофрикционных поверхностей; их обычно устанавливают на расстоянии от 4 до 10 диаметров трубы от соединений и зон расширения. Эти три компонента совместно эффективно решают основные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры на объекте: накопление напряжений в зонах сварных швов, смещение соединений из положения выравнивания и поперечное выпучивание труб под действием давления.

Правильное размещение требует учета коэффициентов теплового расширения, а также особенностей общей компоновки системы, а не использования приблизительных оценок зазоров. Основные опоры предназначены для предотвращения провисания и обеспечения соосности элементов под действием собственного веса компонентов. Второстепенные опоры выполняют свою функцию, снижая вибрации и подавляя нежелательные резонансные частоты. Изолирующие прокладки внутри зажимного оборудования также выполняют важную задачу: они исключают прямой контакт металлических деталей друг с другом, позволяя элементам свободно перемещаться вдоль оси, одновременно контролируя силы, возникающие при тепловом расширении. В точках фиксации, где абсолютно недопустимо какое-либо перемещение — например, на всасывающих патрубках насосов или фланцах клапанов — применяются не регулируемые опоры, обеспечивающие жёсткую фиксацию. Однако в ряде случаев требуется корректировка на месте монтажа, поэтому производители выпускают регулируемые версии, которые можно настраивать без ущерба для общей эксплуатационной надёжности. Практика отрасли показывает, что при правильном взаимодействии всех этих элементов механические и термические напряжения равномерно распределяются по всей системе. Такой инженерный подход доказал свою эффективность в значительном увеличении срока службы оборудования: данные технического обслуживания свидетельствуют о повышении ресурса примерно на 70% в течение эксплуатационного периода.

Часто задаваемые вопросы

Каково значение теплового расширения в трубопроводных системах?

Тепловое расширение играет критически важную роль в трубопроводных системах, поскольку оно может вызывать значительное расширение или сжатие труб при изменении температуры, что приводит к возникновению зон напряжения, нарушению соосности и потенциальным структурным разрушениям.

Почему ПВХ более подвержен тепловому расширению по сравнению со сталью?

Коэффициент теплового расширения ПВХ выше, чем у стали, поэтому при одинаковом изменении температуры ПВХ расширяется почти в пять раз сильнее. Это может приводить к более выраженным эффектам расширения у ПВХ, особенно при высоких температурах.

Какие методы применяются для снижения влияния теплового расширения в трубах?

Правильный выбор компенсаторов, подбор типа компенсатора в соответствии с материалом трубы и толщиной её стенки, а также стратегическое размещение опорных и анкерных систем являются ключевыми методами управления и снижения воздействия теплового расширения.

Как избежать чрезмерного расширения в системах под давлением?

Соблюдение таких нормативных документов, как ASME B31.1/B31.9, и калибровка расширителей в соответствии с заданными пределами для материалов и температур позволяют избежать чрезмерного расширения, обеспечивая, что деформация остаётся в пределах упругой области.