T ₁ = 70 градусов F

Напряжение вдоль продольной оси трубы тогда: x 10 ⁶ фунтов _f /дюймы ² )(6,33 x 10 ^-6 дюймов/дюйм-°F)(270°F-70°F)

= 194 315 фунтов _F /5,581 в ²

= 34 815 фунтов на кв. _f /in ² )

= 194 315 фунтов _f (нагрузка на анкер)

Если диаметр трубы равен 2, площадь равна 1,075 дюйма ² , сила реакции равна 37 фунтов. и результирующее осевое напряжение будет таким же, 34 815 фунтов на квадратный дюйм. Напряжение в этом простом случае зависит только от свойств материала и изменения температуры; однако нагрузки на анкер также зависят от размеров сечения трубы.

Таблица 1. Сравнение сил анкеровки для труб разного диаметра (только прямая труба)

Жесткое соединение с насосом или другим оборудованием ведет себя как анкер к точке. Гидравлический институт и API публикуют стандарты допустимых нагрузок на патрубки насосов, а производители другого оборудования будут иметь ограничения на нагрузки на разъемы. Теперь должно быть очевидно, что при проектировании любой системы, подверженной изменениям температуры, необходимо учитывать тепловое расширение в трубопроводных системах.

Снять напряжение

Теперь, когда у нас есть представление о величине напряжений и нагрузок на анкер в системе трубопроводов, есть несколько способов помочь в этой ситуации. Самый простой способ — воспользоваться естественной гибкостью трубы. Если это нецелесообразно, рассмотрите компенсаторы труб.

Трубы гнутся даже под собственным весом. Чем длиннее труба, тем легче ее согнуть. Если трубу согнуть в пределах ее предела упругости (без остаточной деформации), она будет вести себя как пружина и вернется к своей первоначальной форме после снятия нагрузки. Если отводы и анкеры в системе трубопроводов расположены таким образом, чтобы обеспечить движение, силы будут намного меньше, чем при прямолинейном участке. Рассмотрим рисунок 2 с пустой 6-дюймовой трубой.

Рисунок 2. Расположение пустой 6-дюймовой трубы и трех анкеров и результирующие нагрузки на анкеры Рис. 3. Расположение пустой 6-дюймовой трубы и двух анкеров и результирующие нагрузки на анкер

(собственный вес не включен)

Нагрузки и напряжения анкера намного меньше, чем в случае прямой трубы, но есть компромиссы. Альтернативная компоновка вводит крутящие нагрузки на анкеры. Трубы также перемещаются на 1,5 дюйма, что может быть неприемлемо для данной системы. Геометрия может повлиять на это расположение – если одна из сторон короче, силы и моменты будут выше. Расчет напряжений и нагрузок на анкер без компьютера также представляет собой сложную задачу. Расчеты гибкости труб были важной темой исследований в начале 20-х гг.0106- века, и несколько статей были посвящены этой теме до того, как программное обеспечение для анализа напряжений в трубах стало широко доступным.

Геометрия трубопроводной системы обычно определяет нагрузку на анкер; однако не каждое устройство трубопровода допускает естественный изгиб трубы. Примером может служить замкнутое пространство или туннель. В таких случаях необходимы компенсаторы труб. В компенсаторах могут использоваться сильфоны, шланги и оплетки, шаровые шарниры, гибкие муфты или скользящие механизмы. Все они имеют свои уникальные свойства, подходящие для данной системы.

Например, рассмотрим случай установки сильфонного компенсатора на нашем 6-дюймовом участке трубы. Если мы теперь рассмотрим, что труба заполнена, изолирована и находится под давлением 150 фунтов на квадратный дюйм, нагрузки на анкер рассчитываются как:

Начальная температура = 70 градусов по Фаренгейту

Рабочая температура = 270 градусов по Фаренгейту

Эффективная площадь сильфона = 40 в ² (по данным производителя – это площадь, рассчитанная по среднему диаметру гофр сильфона)

Испытательное давление = 150 фунтов на кв. дюйм

Рис. 4. Компенсатор

Ниже показано, что нагрузка на анкер представляет собой сумму осевого давления, усилия пружины и сил трения направляющих труб. Для этого примера:

Давление сильфона = 150 фунтов на кв. дюйм x 40 дюймов ²

= 6000 фунтов

Сила пружины сильфона = расчетное перемещение (1,5 дюйма) x жесткость пружины (555 фунтов/дюйм от производителя)

= 832,5 фунта

Сила трения = коэффициент трения (принимается равным 0,3) x вес полной трубы и изоляции (36,5 фунтов/фут x 100 футов)

= 1 095 фунтов

Общая нагрузка на анкер = 6 000 + 832,5 + 1 095

= 7 927,5 фунтов

Это по-прежнему значительная нагрузка на анкер, но намного меньше, чем для трубы без компенсатора. Если давление и температура позволяют, можно использовать компенсатор из шланга и оплетки. Нагрузки на анкер в этом случае будут значительно меньше.

Рис. 5. Гибкий петлевой компенсатор

Анкерные нагрузки, создаваемые гибким петлевым компенсатором, представляют собой просто перемещение, умноженное на жесткость пружины соединения. Используя предыдущий пример, нагрузка на анкер составляет:

Нагрузка на анкер = осевая жесткость пружины (60 фунтов/дюйм от производителя) x 1,5 при движении анкерные нагрузки. Показаны только силы, создаваемые компенсаторами.

Заключение

Важно помнить, что здесь представлены только два примера компенсаторов. Было бы неплохо потратить время и усилия, чтобы ознакомиться с преимуществами и ограничениями других доступных компенсаторов.

Изменения температуры вызовут нагрузку на трубы. Обойти это невозможно, но эффекты теплового расширения можно компенсировать путем тщательного размещения анкеров и правильного выбора компенсаторов.

Коэффициенты линейного теплового расширения

Связанные ресурсы: материалы

Коэффициенты линейного теплового расширения

Технические материалы
Теплопередача

к изменению температуры за счет теплопередачи.

Когда вещество нагревается, его частицы начинают больше двигаться и, таким образом, обычно сохраняют большее среднее расстояние. Материалы, которые сжимаются при повышении температуры, необычны; этот эффект ограничен по размеру и возникает только в ограниченных диапазонах температур (см. Примеры ниже). Степень расширения, деленная на изменение температуры, называется коэффициентом теплового расширения материала и обычно зависит от температуры.