Неподвижные опоры трубопроводов: типы, расчет, установка

Неподвижные опоры нужны для конструкций, которые обладают большим весом. Трубопровод при их помощи фиксируется в определенном положении. За счет этого происходит распределение температурных удлинений и выравнивание сил, действующих на ось.

Большое значение имеют правильные расчеты количества опор, так как от этого зависит срок службы трубопровода. На выбор материала изготовления влияет тип материала трубопровода. Подробнее о назначении, проектировании и монтаже неподвижных опор трубопровода читайте в нашей статье.

Особенности неподвижных опор трубопровода

Значение температурного напряжения в трубах зависит от точности расположения креплений неподвижных опор по всей оси трубопровода. Чтобы уменьшить возможность возникновения температурных изменений и тем самым увеличить срок службы сооружения, необходимо еще на этапе проектирования учесть последовательную расстановку неподвижных опор трубопроводов по магистрали и выполнить нужные расчеты на прочность.

Благодаря такому виду опор исключаются вертикальная и горизонтальная нагрузки на неподвижную опору трубопровода. Вертикальная складывается из массы материала конструкции трассы, изоляции и самого продукта, перебрасываемого по нему.

Горизонтальная нагрузка включает:

• температурные перемещения;
• силу трения;
• вибрации;
• осевое давление.

Неподвижные опоры трубопроводов в основном монтируют при строении наземных или подземных бесканальных теплосетей.

Типы неподвижных опор трубопроводов

Данные опоры теплопроводов можно разделить на:

• хомутовые опоры – одно- или двуххомутовые;
• лобовые;
• щитовые.

Чтобы выбрать опору, нужно рассчитать осевые нагрузки, предустановленные для будущего трубопровода.

Неподвижные опоры под трубопроводы изготавливают из стали или свинца. Выбирают материал в соответствии с тем, из какого металла выполнен трубопровод. Если данная опора используется в теплосетях, то не забывайте проверять, установил ли завод-изготовитель электроизоляционные прокладки, чтобы защитить опору от блуждающих токов, возникающих в результате эксплуатации сооружений из труб.

В соответствии с присутствующими усилиями, неподвижные опоры можно распределить на неразгруженные и разгруженные.

Неразгруженная опора – это база, которая принимает и распределяет осевое напряжение, возникающее при давлении силы тяжести на продукт теплоносителя. Такое напряжение может достигать высоких значений из-за диаметра трубы. Применяется в основном для тепловых сетей с сальниковыми компенсаторами.

Разгруженная опора – это основа, независимая от напряжений, возникающих при давлении силы тяжести на продукт теплоносителя. Обычно используются для тепловых сетей с гибкими компенсаторами или для сетей с самостоятельной компенсацией.

Неподвижные щитовые опоры трубопроводов производят в двух вариантах: обычном или усиленном. Выбирают щитовую опору на основании рассчитанных нагрузок.

Неподвижные опоры вертикальных и горизонтальных трубопроводов используются с приварными упорами. При увеличенном осевом напряжении в теплосетях применяют скобообразные опоры с хомутами.

Основные элементы конструкции неподвижной опоры в ППУ изоляции:

• стальной соединительный патрубок;
• кожух защитный;
• несущая плита.

Внешняя оболочка патрубков бывает полиэтиленовой и стальной. Последнюю получают навивкой полосы из стали.

Несущую плиту и защитный кожух (или стакан) для защиты от коррозии покрывают полиэтиленом, или (в редких случаях) дисперсным полимерным покрытием.

Патрубки имеют стандартные значения длины:

• 1 300 мм;
• 1 500 мм;
• 1 800 мм;
• 2 000 мм.

Предельные значения диаметра патрубков – от 32 до 1 020 мм, а толщины стенки – от 2 до 11 мм. Патрубки соединительные производят из углеродистой или легированной трубы. Имеют внешний слой теплоизоляции. Для центральной полосы применяют стандартную толщину такого слоя, а для районов Крайнего Севера – увеличенную.

Толщину несущей плиты неподвижной опоры в ППУ изоляции выбирают от 16 мм до 60 мм в соответствии с особенностями соединительных патрубков, которые установлены в ней. Минимальная величина несущей способности плиты – 3,2 т, максимальная – 500 т.

Защитный кожух неподвижной опоры в ППУ изоляции производят из толстостенной трубы и приваривают его к несущим плитам. Он необходим для исключения деформации соединительных патрубков путем разделения на них давления.

Расчет неподвижных опор

В функционировании трубопровода опоры очень важны. Ошибки в их размещении, неправильном подборе конструкции или некачественном монтаже могут спровоцировать серьезные аварийные ситуации. Важно при установке опор сверять их высоту и расположение по всей трассе, а также контролировать, чтобы на них была осуществлена нагрузка.

Чтобы избежать беспорядочных просадок или лишних изгибающих напряжений, при бесканальной прокладке не устанавливают свободные опоры под трубопроводом. В данном случае трубы должны размещаться на нетронутом грунте или плотно уложенном слое песка.

Изгибающее напряжение, появляющееся в трубопроводе, и стрела прогиба зависят от расстояния между неподвижными опорами трубопроводов. Например, очень часто в трубопроводах с сальниковыми компенсаторами на этапе проектирования рассчитаны максимальные промежутки между такими компенсаторами и опорами. Расстояния, рекомендованные для трубопровода, проложенного в канальных подземных помещениях:

Максимальные расстояния в бесканальных трубопроводах подбираются на основании расчетов. При вычислениях изгибающего напряжения и возможного искривления трубопровода, проложенного на свободных опорах, применяется многопролетная балка. Обратим внимание на усилия и напряжения, появляющиеся в трубах.

Возьмем такие обозначения:

М – силовой момент, Н*м;

QB – вертикальное усилие, Н;

Qr – горизонтальное усилие, Н;

qв – удельная вертикальная нагрузка на единицу длины, H/m;

qr – удельная горизонтальная нагрузка на единицу длины, H/m;

N – горизонтальное воздействие на опоре, Н.

Величина предельного изгибающего напряжения в многопролетном трубопроводе, возникающего на неподвижной опоре, вычисляют по формуле:

M0 = ql2 / l2 (9.11),

где q – удельная нагрузка на единицу длины трубопровода, Н/м;

l – длина пролета между опорами, м.

Удельную нагрузку можно вычислить по формуле:

Q = √qb2 + qr2 (9.12),

где qb – вертикальная удельная нагрузка, подразумевающая вес трубопровода с теплоносителем и тепловой изоляцией;

qr – горизонтальная удельная нагрузка, подразумевающая силу ветра.

qr = k × (w2 / 2) × (ρ × dи) (9.13),

где w – скорость ветра, м/с;

ρ – плотность воздуха, кг/м3;

dи – наружный диаметр изоляции трубы, м;

k – аэродинамический коэффициент, выбирают от 1,4 до 1,6.

Ветровое усилие учитывают исключительно в надземных трубопроводах открытой установки.

Изгибающее напряжение, появляющееся в середине пролета, вычисляют по формуле:

Mn = ql2 / 24 (9.14).

Изгибающее напряжение равно 0 при расстоянии от опоры 0,2l.

Предельный прогиб возникает в середине пролета.

Стрелу прогиба трубы рассчитываем следующим образом:

Ν = ql4 / 384EJ (9.15).

Основываясь на расчете (9.11), можно вычислить пролет между свободными опорами:

Mo=ql4 / 12=ϭ4W (9.16), откуда l = √(12ϭ4W/q) (9.17).

Установка неподвижных опор

Монтаж неподвижных опор трубопроводов выполняется на основании из железобетона, а расположение опор рассчитывается проектом. При установке отдельных деталей опор необходимо следовать СНиП 3.05.05-84, где подробно расписаны разрешающие погрешности и отклонения от проекта.

Например, отклонение положения элемента трубы, проложенной внутри помещения, не допускается выше показателя +5 (-5) мм или +10 (-10) мм для неподвижных опор, которые установлены на наружных трубопроводах.

На основании данных нормативов допустимый уклон составляет 0,001, если другое значение не указано в проекте. Для водопровода и теплосети существуют особенные требования по размещению опор касательно сварочных стыков – интервал 5 см или 20 см.

Установка неподвижных опор трубопроводов в ППУ изоляции происходит на следующих конструкциях:

• на стойках из железобетона или на металлических стойках на открытой местности;
• на стеновых или потолочных кронштейнах из металла – в тоннелях трубопровода.

Чтобы защитить при установке неподвижную опору от влаги используют:

• пенополиуретановую оболочку;
• термоусадочную ленту.

К трубопроводу и основанию неподвижной опоры привариваются или прикрепляются хомутами специальные компенсаторы. Они монтируются между соседними опорами, чтобы происходили температурные удлинения данной трубомагистрали.

Неподвижные щитовые опоры трубопроводов по нормали МВН 1329-60 очень часто проектируют для подземных теплосетей при бесканальной прокладке.

В данном случае осевое напряжение на ж/б плиту создается приварными фланцами, усиленными ребрами жесткости. После окончательной установки трубопровода и приваривания упоров плиты необходимо забетонировать.

Осевая нагрузка воздействует на щитовую опору и из-за изменений близлежащего грунта может передвигать ее, особенно сразу после установки трубопровода, когда почва не достигла еще нужной плотности. Но такая ситуация не влияет на положительную работу трубопровода, главное, чтобы передвижения не превзошли величину в 40–50 мм. Поэтому щитовые опоры не принято считать совершенно недвижимыми.

Неподвижные опоры металлоконструкции в подземных помещениях, в которых опоры крепятся на стойки или балки, могут быть податливыми.

Но стоит помнить, что перемещения опор сверх меры не допускаются. Особенно это касается труб с сальниковыми компенсаторами. Что может спровоцировать серьезнейшие аварийные ситуации. Связывают это с тем, что при сильном перемещении трубопровода в направлении оси сальниковые компенсаторы могут вырваться из краев трубы. При использовании сальниковых компенсаторов на неподвижных опорах трубы должны быть повышенной жесткости.

Не стоит забывать, что дополнительная горизонтальная нагрузка возникает у опор, которые установлены на поворотах, при переходе диаметра или на конце трубопровода.

Главная функция, которую несут опоры трубопроводов, – закрепление магистрали в нужном положении. Также под влиянием температурных изменений эти конструкции не допускают деформации коммуникаций.