Прочностные характеристики труб часто учитывают при выборе их материала, профиля и параметров поперечного сечения. Сортамент данной продукции отечественного производства довольно подробно нормализован и исчерпывающе представлен в каталогах. Однако понятие «прочность труб», рассматриваемое слишком широко, далеко не всегда тождественно термину «эксплуатационная долговечность труб». Из-за этого случаются ошибки выбора номенклатуры трубного металлопроката, приводящие к серьёзным экономическим издержкам.
Всё ли определяют классы прочности труб
При подборе ассортимента проката во внимание принимают, прежде всего, его предназначение. И, если, например, для сортового металла, используемого в качестве элемента металлоконструкций или деталей промышленного оборудования, прочность будет главным фактором эксплуатационной долговечности, то с трубами дело обстоит не столь однозначно.
Если трубу предусматривают для строительства некоего внешнего сооружения, которое будет воспринимать заметные внешние нагрузки, то механическую прочность, твёрдость, деформационную стойкость и тому подобные свойства материала игнорировать нельзя. Ведь одним из ключевых обстоятельств выбора считается собственный вес 1 пог. метра изделия, а он для труб значительно ниже, чем для сплошных профилей проката с теми же габаритами сечения. Тогда классы прочности важны и полноценно рассматриваются проектировщиками.
Но, когда труба применяется как элемент магистрали в какой-либо инженерной коммуникации, и её основная задача – прокачивать под определённым давлением требуемое количество рабочей среды, на первый план выступают совсем иные параметры. К их числу относят, прежде всего, потери энергии, вызванные степенью турбулентности потока жидкости/газа. Меньшее, но также заметное влияние, оказывает продольная устойчивость изделия под действием постоянно изменяющихся внешних условий – гидроудара, остановки процесса прокачки и др. Здесь класс прочности трубы на долговечность практически не влияет.
Рассмотрим обе ситуации более подробно.
Труба как элемент повышенной жёсткости системы или конструкции
Основные внешние факторы – поперечные силы, воздействующие на изделие, которые являются причиной возникновения критических напряжений сдвига. Цель расчёта – определение прочности профильной трубы.
Группы прочности труб, изготавливаемых из стали, определяет ГОСТ 20295-85. Положениями этого стандарта руководствуются в следующих условиях:
- Объектами выбора являются преимущественно стальные сварные трубы, причём вид, способ получения шва и его конфигурация значения не имеют;
- Изделия будут использоваться в технических трубопроводах для транспортировки органических веществ – газа или нефти;
- Диапазон размеров сечений, в пересчёте на круглые трубы – от 159 до 820 мм;
- Все внешние швы снабжены усилительными рёбрами высотой от 0,5 до 3,0 мм.
Прочие характеристики – марку стали и режим термообработки - выбирают в зависимости от класса механической прочности. Принята буквенно-цифровая маркировка вида К_ХХ, где ХХ -значение временного сопротивления стали (в кг/мм2), из которой изготовлена труба:
|
Обозначение механической прочности материала |
Предел прочности трубы, МПа, не ниже |
Предел текучести, МПа, не ниже |
Допустимое относительное удлинение, не ниже |
|
К 34 |
333 |
206 |
0,24 |
|
К 38 |
372 |
235 |
0,22 |
|
К 42 |
412 |
245 |
0,21 |
|
К 50 |
485 |
343 |
0,20 |
|
К 52 |
510 |
353 |
0,20 |
|
К 58 |
539 |
372 |
0,20 |
|
К 60 |
488 |
412 |
0,16 |
Показатель ударной вязкости не нормируется, но должен быть не ниже значений, установленных соответствующими стандартами для материала трубы. Давление приёмных испытаний принимается не менее 90% от значений предела текучести, указанных в таблице.
Труба как элемент конструкции, минимизирующий гидравлическое сопротивление потока
Основные внешние факторы – изгибающие моменты, воздействующие на изделие. Поскольку момент сопротивления труб различных сечений – разный, то и напряжения изгиба также будут существенно отличаться. Цель расчёта – установить минимально допустимый коэффициент запаса прочности трубы.
Прочность стальной трубы, хотя и не становится основным фактором потерь энергии во время движения потока, косвенно влияет на потребление энергии. Определяющими показателями являются диаметр трубы и вероятность утечек. Более прочные трубы могут выдерживать увеличенные нагрузки, что может снизить потери на трение. Однако утечки в любой трубе, независимо от ее прочности, всегда будут увеличивать потребление энергии, требуя от насоса, поддерживающего давление потока, более интенсивной работы.
Коэффициент запаса прочности трубы определяет её способность выдерживать внутреннее давление и внешние силы, что диктует максимальный безопасный диаметр для данного применения. Трубы большего диаметра обычно снижают скорость перемещения жидкости или газа (при заданной скорости потока), что, в свою очередь, приводит к снижению потерь на трение.
Любой зазор между стенками стыкуемых труб становится причиной утечек, что приводит к потерям рабочей среды и потребует от насоса более интенсивной работы для поддержания желаемой скорости потока. Тем самым энергопотребление увеличивается.
Материал трубы и фитингов (отводов, клапанов и т.д.) также влияет на потери энергии, поскольку часто становятся причиной возрастания турбулентности рабочей среды и трения между отдельными слоями потока.
Количественно оценивает потери на трение в трубах уравнение Дарси-Вайсбаха. Оно учитывает такие факторы, как длина трубы, диаметр, скорость и коэффициент трения (связанный с шероховатостью поверхности и режимом потока). Чтобы свести к минимуму потери энергии, важно выбрать подходящие материалы и размеры труб, снизить количество фитингов и предусмотреть в трубопроводе правильные места для их установки.
Проектирование размеров поперечного сечения трубы, исходя из её прочности
Общие соображения
При расчете трубы на прочность критическим параметром, влияющим на расход и скорость рабочей среды, служит внешний диаметр трубы. Он определяет площадь поперечного сечения, доступную для прохождения жидкости или газа, при которой поперечное сечение не претерпевает необратимых изменений (деформаций).
Большие диаметры обеспечивают большую скорость потока, снижая скорость рабочей среды и, следовательно, минимизируя потери на трение. И наоборот, меньшие диаметры ограничивают поток, что приводит к увеличению скорости и увеличению потерь на трение. Выбор ограничений по диаметру (и соответственно – по наименьшей толщине стенки трубы) влияет не только на габариты трубопровода, но и на требования к насосам, поскольку насос должен работать как против инерции жидкости, так и против резистивных сил, создаваемых стенками трубы.
Соотношение между диаметром трубы и скоростью потока регулируется уравнением непрерывности. Согласно этой зависимости, произведение площади поперечного сечения на скорость остается постоянным для несжимаемой рабочей среды (большинство жидкостей – именно такие). Более высокие скорости в трубах меньшего размера приводят к увеличению потерь на трение из-за поверхностного контакта между жидкостью и стенками трубы.
Прочность труб на изгиб - это функция момента сопротивления её поперечного сечения, которая учитывает свойства материала и толщину стенки. При одной и той же площади проходного сечения наименьшим моментом сопротивления обладает круглая труба, а наибольшим – профильная (квадратная или прямоугольная).
Параметры, необходимые для расчёта
Для количественной оценки потерь на трение в трубах используют уравнение Дарси-Вайсбаха. Это уравнение включает в себя такие факторы, как диаметр трубы, длина, шероховатость и скорость жидкости. Поэтому оно обеспечивает всестороннее понимание потерь энергии, которые связаны с различными конфигурациями трубопроводов.
Длина трубы вносит еще один уровень сложности в проектирование систем транспортировки рабочих сред. Более длинные трубы увеличивают потери на трение и требуют повышенных напоров насоса для поддержания достаточного давления во всей системе. Для расчета потерь напора в трубах применяется уравнение Хейзена-Вильямса, которое учитывает такие переменные, как длина, диаметр и шероховатость трубы. Достижение оптимального баланса между диаметром и длиной трубы имеет решающее значение для минимизации энергопотребления и повышения эффективности насоса. Обычно производители насосного оборудования приводят паспортные системные кривые, которые графически отображают соотношение между напором насоса и расходом. Это позволяет определить наиболее подходящий насос для конкретной области применения.
Например, в системах распределения воды, где поддержание постоянного давления имеет первостепенное значение, характеристики насоса устанавливаются в зависимости от диаметра и длины трубы данной магистральной сети. Промышленные процессы могут включать транспортировку жидкостей с различной вязкостью, температурой и твердыми частицами, что требует точной настройки насоса.
Как определить наименьшую толщину стенки трубы, находящейся под внутренним давлением потока рабочей среды
При расчете прочности трубы на давление определяют минимальную толщину стенки трубы. Исходные параметры - расчетное давление, внешний диаметр трубы, допустимое напряжение материала (для труб повышенной прочности оно всегда больше), а также факторы сварки и коррозии.
Наиболее точные результаты для всех типов труб - тонкостенных и толстостенных даёт формула
t = (PD)/(2(SE+PY)), где:
t — требуемая толщина стенки;
P — внутреннее расчетное давление;
D — внешний диаметр трубы;
S — допустимое механическое напряжение материала трубы;
E — коэффициент соединения;
Y — коэффициент, связанный с температурой жидкости/газа.
Расчетное давление (P) - максимальное внутреннее давление, которое будет испытывать труба при нормальных условиях эксплуатации. При определении расчетного давления важно учитывать скачки и колебания давления. Внешний диаметр трубы (D) - это наружный её диаметр, включая толщину стенки. Допустимое напряжение (S) представляет собой максимальное напряжение, которое материал трубы может выдержать без остаточной деформации. Оно определяется на основе свойств материала (например, предела текучести, прочности на разрыв) и рабочей температуры. Коэффициент соединения (E) учитывает класс прочности электросварных труб. Норма составляет 1,0 для бесшовных труб и 0,7…0,9 - для сварных труб, в зависимости от процесса и качества сварки. Температурный фактор (Y) увеличивается с температурой, что потенциально может привести к уменьшению необходимой толщины стенки.
Из других величин выделяют:
- Припуск на коррозию; он добавляется к расчетной толщине стенки для учета коррозионных потерь материала в течение всего срока службы трубы;
- Допуск качества изготовления, учитывающий технологические различия в толщине стенки;
- Механические припуски, учитывающие, например, необходимость нарезки резьбы или канавок на изделии.
Полученное расчётом значение толщины стенки округляют до ближайшего большего числа, предусмотренного стандартом на выбранную продукцию.
Компания ЗАО "ТФД "Брок Инвест Сервис и К" всегда готово предложить своим клиентам богатый выбор трубного металлопроката от отечественных, проверенных, надежных производителей. В постоянно обновляемых каталогах обязательно найдутся изделия, необходимые именно вашему варианту.