Як уникнути пошкодження труб під час використання розширювачів?

Як теплове розширення впливає на цілісність труб під час використання розширювача

Фізика лінійного теплового розширення у поширених матеріалах для трубопроводів (сталь, мідь, ПВХ)

Усі трубопровідні матеріали, як правило, розширюються при підвищенні температури й стискаються при її зниженні — це відповідає базовому принципу, описаному рівнянням ΔL = αLΔT (тобто зміна довжини дорівнює коефіцієнту розширення, помноженому на початкову довжину та на зміну температури). Проте різні матеріали поводяться досить по-різному. Сталь збільшує свою довжину приблизно на 0,0000065 дюйма на кожен дюйм труби при підвищенні температури на 1 °F. Мідь не відстає значно: її коефіцієнт становить близько 0,0000090 дюйма на дюйм на градус Фаренгейта. А от полівінілхлорид (ПВХ) «стрибає» до приблизно 0,00003 дюйма на дюйм на градус, тобто його розтяжність майже в п’ять разів перевищує розтяжність сталі. Для наочності уявіть сталеву трубу завдовжки 100 футів, яку нагріли на 150 °F: вона справді подовжиться майже на 1,2 дюйма. Те саме завдовжки труба з ПВХ за аналогічних умов розшириться більше ніж на 5,4 дюйма. Ці різниці створюють серйозні точки напруження в місцях з’єднання різних матеріалів. Це особливо проблематично під час роботи з розширювачами, оскільки локальне нагрівання посилює такі переміщення. Виникаючі зусилля іноді досягають рівня понад 20 000 фунтів сил, що є далеко не беззначним чинником для інженерів, які проектують трубопровідні системи.

Чому неконтрольоване розширення призводить до напруження, неправильного положення та виходу з ладу з'єднань поблизу зон розширювачів

Коли тепловий рух обмежений, труби чинять надзвичайно велике зусилля на опори, фланці та з'єднання. Поблизу розширювачів — де циклічне нагрівання й охолодження концентрує механічні та теплові навантаження — переважають три типи виходу з ладу:

• Концентрація напруження у вигинах та зварних швах, перевищуючи межу текучості
• Кутове зміщення фланців, що призводить до прориву прокладок
• Роз'єднання дзвонових з'єднань у системах зі з'єднаннями «натискного типу», що призводить до протікання

Згідно з нещодавнім дослідженням Інституту Понемона (2023 р.), приблизно дві третини всіх аварій трубопроводів на промислових об’єктах насправді пов’язані з неналежним управлінням проблемами термічних напружень. Коли труби піддаються повторним циклам нагрівання та охолодження, це призводить до прискореного розвитку втоми матеріалу. Проблема посилюється в тих зонах, де труби або надто жорстко зафіксовані, або недостатньо правильно підтримуються. Наприклад, надмірне стискальне зусилля на тонкостінних трубах спричиняє їх випинання. З іншого боку, розтягуючі зусилля можуть спричиняти поширення тріщин у крихких матеріалах, таких як ПВХ. Якщо трубопровід недостатньо підтримується, такі напруження не залишаються локальними: вони передаються безпосередньо на інші компоненти обладнання — зокрема, на засувки, насоси та різні прилади. Це створює серйозні ризики так званих катастрофічних аварій фланців. Навіть стандартні за класом системи можуть повністю вийти з ладу при дивовижно низьких рівнях тиску — близько 740 psi — у разі тривалого впливу таких неконтрольованих зусиль.

Правильний вибір розширювача та кращі практики його встановлення

Підбір типу розширювача та профілю зусилля відповідно до матеріалу труби та товщини її стінки

Вибір відповідного розширювача зводиться, насамперед, до узгодження величини прикладеної сили з механічною міцністю труби. Стальні труби мають значно вищу межу міцності на розтяг порівняно з мідними або ПВХ-трубами, тому вони здатні витримувати більшу радіальну силу розширення. Однак не слід забувати й про товщину стінки, оскільки вона також відіграє вирішальну роль у цьому процесі. У разі тонкостінних систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря (HVAC) або легших промислових трубопроводів, як правило, необхідно обмежувати коефіцієнт розширення, щоб запобігти таким проблемам, як пом’ятання або овалізація. Щодо матеріалів: ПВХ стає досить крихким при температурах нижче 40 °F (приблизно 4 °C). Використання пневматичних розширювачів з тиском понад 800 psi з ПВХ-трубами фактично збільшує ймовірність поширення тріщин у матеріалі. Мідь поводиться інакше, оскільки вона більш пластична, що дозволяє досягати більшого переміщення без пошкоджень при застосуванні механічних розширювачів. При виконанні будь-якого проекту обов’язково перевірте кілька параметрів одночасно: конкретний клас матеріалу труби, деталі її графіка товщини стінки («wall schedule») та рекомендовані виробником значення крутного моменту. Це особливо важливо поблизу зварних з’єднань, де залишкові напруження від зварювання можуть сприяти більш легкому деформуванню труб під тиском.

Запобігання надмірному розширенню: розрахунок безпечних меж зміщення згідно з ASME B31.1/B31.9

Надмірне розширення залишається однією з провідних причин виходу з ладу з'єднань у системах під тиском. Стандарти ASME B31.1 (трубопроводи для енергетичних установок) та B31.9 (трубопроводи для будівельних інженерних систем) визначають максимально допустиме розширення на основі матеріалу, температури та геометрії. Калібрування розширювачів відповідно до цих меж забезпечує, що деформація залишається в межах пружного діапазону й не призводить до залишкової деформації чи мікротріщин:

Післярозширення обов’язкова перевірка: лазерна профілометрія має підтверджувати, що внутрішній діаметр (ID) залишається в межах ±0,5 % від номінального значення. Відхилення понад цей поріг збільшують ризик витоку під циклічними термічними навантаженнями.

Стратегії підтримки та кріплення для захисту труб навколо розширювачів

Стратегічне розташування анкерів, направляючих пристроїв і ковзних опор для компенсації рухів, спричинених розширювачами

Ефективні системи підтримки справді компенсують теплове розширення протягом усього процесу використання компенсаторів, а не просто виступають як пасивні обмежувачі, а й активно розподіляють зусилля по всій системі. Анкерні опори сприймають тисковий зсув і запобігають будь-якому осьовому переміщенню в цих фіксованих точках. Напрямні обмежують бічне переміщення, одночасно дозволяючи певне поздовжнє (вперед/назад) переміщення. Ковзні опори призначені для компенсації очікуваного переміщення завдяки своїм низькотертям поверхням; їх зазвичай розташовують на відстані 4–10 діаметрів труби від з’єднань та зон розширення. Ці три компоненти добре взаємодіють між собою, щоб вирішити основні проблеми, з якими стикаються інженери на об’єкті: нагромадження напружень у зонах зварних швів, втрату вирівнювання з’єднань та бічне випинання труб під дією тиску.

Правильне розташування елементів вимагає врахування коефіцієнтів теплового розширення разом із загальною схемою розташування всієї системи замість використання приблизних оцінок відстаней. Основні опори призначені для запобігання провисанню та збереження правильного вирівнювання елементів під впливом власної ваги компонентів. Додаткові опори виконують свою функцію, зменшуючи вібрації та стримуючи неприємні резонансні частоти. Ізолюючі прокладки всередині затискних пристроїв також виконують важливу роль: вони запобігають прямому тертям металевих деталей одна об одну, що дозволяє вільно переміщатися вздовж осі, одночасно контролюючи сили, що виникають унаслідок теплового розширення. У місцях фіксації, де абсолютно заборонено будь-яке переміщення (наприклад, на вхідних патрубках насосів або фланцях клапанів), застосовують нерегульовані опори, які надійно фіксують усі елементи. Проте іноді на місці необхідна регулювання, тому виробники створюють версії опор, які можна налаштувати без шкоди для загальної ефективності роботи системи. Досвід галузі показує, що коли всі ці елементи правильно взаємодіють між собою, механічні та теплові напруження рівномірно розподіляються по всій конструкції. Такий інженерний підхід доведено значно подовжує термін служби обладнання: дані технічного обслуговування свідчать про покращення показників приблизно на 70 % протягом часу.

Часто задані питання

Яке значення має теплове розширення в трубопровідних системах?

Теплове розширення відіграє критичну роль у трубопровідних системах, оскільки воно може призводити до значного розширення або стискання труб під впливом змін температури, що спричиняє виникнення напружених ділянок, неправильного вирівнювання та потенційних структурних пошкоджень.

Чому ПВХ більш схильний до теплового розширення порівняно зі сталлю?

Коефіцієнт теплового розширення ПВХ вищий, ніж у сталі, тому при однаковій зміні температури ПВХ розширюється майже в п’ять разів сильніше. Це може призводити до більш виражених ефектів розширення ПВХ, особливо за високих температур.

Які існують методи зменшення впливу теплового розширення в трубах?

Правильний вибір компенсаторів, підбір типу компенсатора відповідно до матеріалу труби та товщини її стінки, а також стратегічне розташування систем підтримки та закріплення є ключовими методами управління та зменшення впливу теплового розширення.

Як уникнути надмірного розширення в системах під тиском?

Дотримуючись таких нормативних документів, як ASME B31.1/B31.9, та калібруючи розширювачі відповідно до встановлених меж матеріалу та температури, можна уникнути надмірного розширення, забезпечуючи, щоб деформація залишалася в межах пружного діапазону.