Синявский Ю. В. Криогенные трубопроводы

Глава 3 СИЛОВОЙ РАСЧЕТ, КРЕПЛЕНИЕ И МАРКИРОВКА КРИОТРУБОПРОВОДОВ

3-1. Расчет криотрубопроводов на прочность

Спроектированный трубопровод должен быть проверен на прочность. При действии внутреннего избыточного давления и температуре окружающей среды толщина S стенки трубы (как прямой, так и гнутой с радиусом гиба не менее трех диаметров трубы) рассчитывается по [4, 9]:

,        (3-1)

где P - расчетное (рабочее) давление,
D_в - внутренний диаметр трубы,
[σ] - допустимое напряжение на растяжение для материала трубы при Т_ос,
φ - коэффициент прочности сварного (паяного) шва, принимаемый в соответствии с [9],
с - прибавка к расчетной S, равная минусовому допуску на толщину стенки соответствующей стандартной трубы.

Толщина стенки трубопровода, работающего при криогенных температурах, рассчитывается также по (3-1). Однако при этом необходимо учитывать следующее.

а) При расчете трубопроводов, жестко закрепленных с обоих концов и не имеющих компенсаторов линейных деформаций, значение допускаемого напряжения [σ] должно приниматься меньше на величину напряжения от температурных деформаций

,        (3-2)

где α - коэффициент линейного расширения материала трубы, Т - рабочая температура стенки трубы, Е - модуль упругости материала.

б) В процессе охлаждения трубопроводов, предназначенных для передачи криогенных жидкостей, в них могут возникнуть скачки давления, превышающего рабочее давление в 4÷5 раз. Поэтому трубопроводы для криогенных жидкостей, а также для паров при возможности попадания в них жидкости необходимо рассчитывать на пятикратное рабочее давление.

в) При установке на трубопроводе для криогенных жидкостей быстродействующих клапанов (вентилей) в нем возможны гидравлические удары, вызванные внезапным изменением расхода жидкости. Поэтому расчетное давление должно быть больше рабочего на величину ΔP. При скорости срабатывания клапана

,        (3-3)

где l - длина трубопровода,
а — скорость распространения волны сжатия.

Повышение давления в системе вследствие гидравлического удара составит

,        (3-4)

где ρ' - плотность жидкости,
Δw - изменение скорости течения жидкости.

При повышение давления равно

.        (3-5)

Скорость распространения волны сжатия зависит от скорости звука в жидкости, материала, толщины стенок диаметра трубы. Однако определяющей величиной остается скорость звука, поэтому в первом приближении при расчетах величину а можно принимать равной скорости звука в конкретной жидкости [8].

При действии наружного избыточного давления (трубопроводы вакуумных линий, наружные кожухи трубопроводов с вакуумной теплоизоляцией) толщина стенки трубы определяется по

,        (3-6)

где D_н — наружный диаметр трубы,
P_н — наружное избыточное давление.

Если избыточное давление равно атмосферному, то величина P_н принимается равной
0,2 МН/м². Формула (3-6) справедлива при

,        (3-7)

где σ_Т - предел текучести материала трубы при температуре окружающей среды (300K).

При несоблюдении условия (3-7) трубу необходимо проверить на допускаемое наружное давление P_нд по формуле:

.        (3-8)

Если по формуле (3-8) получается P_нд ≥ P_н , то необходимо использовать трубу с большей величиной S.

Паяные соединения, выполняемые внахлестку, проверяются на условие равнопрочности паяного шва на срез и трубы на разрыв:

,        (3-9)

где h — длина нахлестки, S — толщина стенки трубы, [σ] — допускаемое напряжение на растяжение материала трубы, [τ] — допускаемое напряжение припоя на срез.

Учитывая, что возможно не сплошное заполнение зазора припоем, длина нахлестки должна быть увеличена по отношению к расчетной величине h на 30-50%.

Следующая страница: 3-2. Крепление криотрубопроводов