14. Metody układania rurociągów (na podstawie mat. firmy PRIM Lublin)
14.1 Wprowadzenie
14.2 Układ swobodny
14.3 Kompensatory dociskowe
14.4 Zimny montaż
14.5 Preheating
14.6 Wybór metody
14.1 Wprowadzenie
Sieć cieplną preizolowaną o wstępnie określonym przebiegu trasy w terenie, ułożoną bezpośrednio
w gruncie, możemy podzielić na pewną, skończoną, ilość odcinków. Dotychczas odcinki te, pod względem wytrzymałościowym, obejmowały fragmenty sieci między dwoma rzeczywistymi lub naturalnymi punktami stałymi – rysunek R-1. W chwili obecnej, dzięki wprowadzeniu podziału na klasy projektu, możemy stosować metody układania rurociągów w zależności od potrzeb. Możemy schemat z rysunku R-1 zastąpić na przykład schematem przedstawionym na rysunku R-2 gdzie podział następuje na odcinki między strefami całkowitego unieruchomienia rurociągów.
R-2. Metoda układania rurociągów z zastosowaniem zimnego montażu lub podgrzewu wstępnego i stref całkowitego unieruchomienia rurociągów.
Tak na prawdę to sytuacja w terenie zadecyduje czy zaprojektujemy rurociąg dostosowując go do naprężeń osiowych na poziomie Re/ γm, czy też zdecydujemy się na zastosowanie naprężeń dopuszczalnych na poziomie EαΔT. Zasadniczo występuje kilka metod układania rurociągów. Podstawowy podział między nimi przebiega w zależności od temperatury zasypywanego rurociągu.
Są rurociągi układane na zimno:
– układ swobodny o naprężeniach dopuszczalnych na poziomie Re/ γm, z samokompensacją
lub kompensatorami swobodnymi,
– tak zwany „zimny montaż” o naprężeniach dopuszczalnych na poziomie EαΔT
– rurociągi z naciągiem wstępnym – mechanicznym
– rurociągi z kompensatorami dociskowymi
oraz rurociągi układane na gorąco
– rurociągi z podgrzewem wstępnym gdzie zazwyczaj naprężenia dopuszczalne są na poziomie Re/ γm,
– rurociągi z naciągiem wstępnym – przy zastosowaniu kompensatorów jednorazowych.
W dalszej części przedstawiam najczęściej stosowane metody układania sieci cieplnych bezkanałowych.
14.2 UKŁAD SWOBODNY
Układ swobodny to inaczej układ o naprężeniach dopuszczalnych na poziomie Re/ γm,
z samokompensacją lub kompensatorami swobodnymi. Stosowany jest on wtedy kiedy konieczne jest
utrzymanie naprężeń osiowych na niskim poziomie a wprowadzenie naprężeń wstępnych w rurociąg, jest niemożliwe. Jedną z podstawowych zasad jakie należy przestrzegać to jest tak zwana odległość naturalnego punktu stałego od wolnego końca określona z wzoru:
to powoduje, że rozstaw wolnych końców nie może wynosić więcej niż
R-3. Wykres naprężeń osiowych w rurociągu układanym metodą z zastosowaniem układu swobodnego.
Dzięki temu uzyskujemy przedstawiony na rysunku R-3 schemat naprężeń osiowych. Oczywiście ciśnienie czynnika działa w tym wypadku na korzyść zwiększania długości lMAX co może skutkować przekroczeniem naprężeń dopuszczalnych w przypadku spadku ciśnienia i podchodząc obliczeniowo do sieci o wyższych średnicach należy taką możliwość przewidzieć. Wydłużenie wolnego końca obliczyć można wg wzoru:
Przy czym za wolny koniec należy uznać ramie samokompensacji lub kompensator osiowy – swobodny charakteryzujący się pracą w pełnym zakresie temperatur.
R-4. Zastosowanie rzeczywistego punktu stałego między kolanem kompensacyjnym a kompensatorem osiowym.
Oprócz omawianych przypadki, częstym układem jest
połączenie elementów jak na – rys R-4 – to znaczy, że występują kolejno po sobie kolano kompensacyjne oraz kompensator swobodny; przy czym spełnione muszą być warunki:
1 – odległość kompensatora od załamania (kolana) nie może wynosić mniej niż 12.0 m,
2 –odległość między kolanem i kompensatorem nie może być większa niż 4/3 lMAX,
3 – w przypadku stosowania szeregu kompensatorów swobodnych w celu zabezpieczenia układu
przed ich przemieszczaniem w gruncie (pełzanie kompensatorów) w stronę kolana kompensacyjnego, układ należy zabezpieczyć rzeczywistym punktem stałym. Usytuowanie pierwszego kompensatora w szeregu dobrać tak aby wielkość bloku betonowego punktu stałego była jak najmniejsza. Przedstawiona metoda układania, ze względu na preferowanie bezpieczeństwa konstrukcji, jest metodą sugerowaną do zastosowania przez dział techniczny PRIM.
14.3 KOMPENSATORY DOCISKOWE
W przypadku gdy do czynienia mamy z siecią cieplną która przez zdecydowaną część czasu pracuje przy pewnym przyroście temperatury, a okresowo zdarzają się skoki o +20°C do +30°C korzystnie jest zaprojektować układ wykorzystując odmienny sposób pracy kompensatora tzw. kompensator „dociskowy”. Pracę takiego kompensatora można podzielić na kilka etapów:
ETAP I – praca kompensatora w zakresie temperatury tp do ts jako kompensatora swobodnego
( swobodne przejmowanie zmian długości przewodu);
ETAP II – praca w zakresie temperatury > ts jako odcinka sztywnej rury stalowej (zmiana temperatury powoduje zmianę naprężeń);
ETAP III – ponowna praca w zakresie temperatury s jako kompensatora swobodnego.
Zainstalowany w kompensatorze mieszek, podczas wahań temperatury w zakresie poniżej ts, stale przejmuje zmiany długości rury przewodowej. W momencie osiągnięcia temperatury stabilizacji,
mieszek jest w stanie całkowitego „ściśnięcia” a króćce osłony mieszka stykają się czołowo.
Gdy temperatura osiągnie wartość tr>ts, przewód nie ma już możliwości odkształcania osiowego,
powstają naprężenia materiału od temperatury dając w rezultacie wzrost naprężeń osiowych w rurociągu. Podczas schładzania rurociągów zmiany wartości naprężeń przebiegają w odwrotnej kolejności. Wartość temperatury stabilizacji powinna znajdować się tuż pod wartością temperatury jaką
osiąga czynnik przez większość czasu pracy sieci.
R-5 i R-6
W przypadku zastosowania kompensatorów dociskowych dla sieci jak na – rysunek R-5 (bez rzeczywistych punktów stałych) stwarza się niekorzystne rozwiązanie ze względu na:
1 – małą zdolność przejmowania odkształceń w połączeniu z narzuconymi warunkami obliczeniowymi
przejmowania wydłużeń przez poszczególne elementy kompensacyjne (współpraca kolano-kompensator swobodny) odległość kompensatora od kolana będzie bardzo mała
2 – po przekroczeniu temperatury stabilizacji kolano zaczyna przejmować wydłużenia znacznie
większego odcinka niż odległość od kolana do kompensatora,
3 – przemieszczanie się kompensatorów w gruncie spowodowane zmianami temperatury w zakresie między trts, oraz zmiennymi warunkami otoczenia na odcinku zamontowania kompensatorów a co za tym idzie diametralną zmianę parametrów ich pracy które różnią się znacznie od parametrów obliczeniowych. Z tych powodów zaleca się, podczas stosowaniu kompensatorów dociskowych ustawionych w szeregu, oddzielanie ich od kolan kompensacyjnych rzeczywistymi punktami stałymi –
rysunek R-6.
14.4 ZIMNY MONTAŻ
Podstawą „zimnego montażu” jest możliwość zasypania rurociągu przed wprowadzeniem czynnika
grzewczego. W metodzie tej ograniczono do minimum stosowanie elementów kompensacyjnych.
Dopuszczalny przyrost naprężeń może być przyjęty wg zależności:
natomiast maksymalny przyrost temperatury
Krzywą stosowania charakteryzuje wykres
R-7 Krzywa zastosowania zimnego montażu.
W tabeli T-1 przedstawiono maksymalny przyrost temperatury i naprężeń w rurociągach preizolowanych
z rurą przewodową ze szwem, układanych metodą „zimnego montażu”. W przypadku rurociągów z rurami przewodowymi bez szwu zimny montaż możemy stosować w pełnym zakresie.
Jak wynika z tabeli zdecydowana większość sieci cieplnych w Polsce, o średnicy rury przewodowej od dn=400 mm, ze standardową grubością ścianki,
pracujących przy parametrach
130°C/70°C, 120°C/60°C lub zbliżonych, nie może być układana
z wykorzystaniem tej metody.
Metoda ta dopuszczona jest w pełnym zakresie dla rurociągów których projekty zakwalifikowano do klasy B.
Sieci centralnego ogrzewania pracujące na parametrach zasilania +85°C oraz wszystkie sieci ciepłej wody i cyrkulacji, mimo stosowania do
układania metody zimnego montażu zachowują poziom naprężeń dopuszczalnych w granicach Re/ m.
Rozkład naprężeń w tak ułożonym rurociągu przedstawia rysunek R-8.
Na odcinkach stosowania tej metody, w strefach unieruchomienia rurociągu należy stosować trójniki odgałęzienia ze wzmocnieniami. Dopuszczone jest stosowanie rur giętych. elastycznie i maszynowo oraz kolan o różnych kątach ugięcia. W przypadku kolan należy pamiętać, że ze względu na możliwość powstawania znacznych
naprężeń większych niż w metodzie z zastosowaniem układu swobodnego, następuje zdecydowanie większe wydłużenie na wolnych końcach które należy uwzględnić podczas doboru elementów kompensacyjnych – kolan oraz stref kompensacyjnych należy pamiętać, że stosowanie stref kompensacyjnych o znacznej grubości powoduje wzrost temperatury na powierzchni płaszcza osłonowego i degradację polietylenu, dlatego w przypadku „zimnego montażu” wskazane jest stosowanie przed łukami kompensacyjnymi
rzeczywistych punktów stałych w celu ograniczenia wielkości stref kompensacyjnych lub zastosowanie
obudów betonowych – nisz kompensacyjnych. Przy układaniu rurociągów tą metodą należy ograniczyć stosowanie ukosowania na połączeniach do wartości kątów przedstawionych w tabeli T-2. Układanie rurociągów tą metodą, naraża sieć cieplną na znaczne ryzyko zniszczenia, na skutek naruszenia stabilności przez prowadzone w pobliżu roboty ziemne związane z budową innego uzbrojenia
podziemnego.
R-8 Wykres naprężeń osiowych w rurociągu układanym metoda „zimnego montażu”
14.5 PREHEATING (PODGRZEW WSTĘPNY)
W sytuacji kiedy rurociąg sieci cieplnej przed zasypaniem zostanie poddany działaniu temperatury
w celu wywołania swobodnego przemieszczenia wolnych końców – mamy do czynienia z układaniem
sieci z wykorzystaniem metody „podgrzewu wstępnego”. Efekt tego jest taki, że po przykryciu rurociągów ziemią oraz ostudzeniu lub podgrzaniu uzyskamy średni poziom naprężeń. Przez zdecydowaną większość czasu pracy w sieci będą występowały naprężenia osiowe zbliżone do „0”.
Metoda ta pozawala uniknąć dużych pierwotnych wydłużeń (CHARAKTERYSTYCZNYCH NP. DLA „ZIMNEGO MONTAŻU”) z jednoczesnym zachowaniem niskiego poziomu naprężeń Re/ γm.
Minimalizowane jest także ryzyko lokalnego wyboczenia ścianki rury.
R-9 Wykres naprężeń w rurociągu układanym z preheatingiem.
Metoda ta, pozwala unikać zbędnych elementów kompensacyjnych dla dużych średnic rurociągów
które nie mogą być układane z zastosowaniem metody „zimnego montażu”. Stan naprężeń w rurociągu poddanym podgrzewowi wstępnemu przedstawia rysunek R-9. Z uwagi na znaczny wpływ ciężaru zespołu rury preizolowanej wypełnionego wodą w rozkład przemieszczeń rurociągów w odkrytych wykopach, do podgrzewu często stosuje się urządzenia elektryczne lub gorące powietrze.
Parametry wstępnego montażu można określić na dwa sposoby. Określić średnią temperaturę podgrzewu z zależności:
lub przyjmując założenie, że rurociągi w sieciach cieplnych w Polsce w zdecydowanej większości
czasu pracują na temperaturach niższych od maksymalnych czyli, że stan maksymalnych naprężeń osiowych osiągają rzadko i na krótko, można obliczyć
czyli jakie naprężenia należy wprowadzić w rurociąg w celu uzyskania efektu pracy rurociągu
z zachowaniem naprężeń dopuszczalnych na poziomie Re/ m przy osiągnięciu maksymalnej
temperatury pracy. Wychodząc z tych naprężeń można wyliczyć temperaturę podczas wstępnego
podgrzewu
Wskazane jest zaokrąglenie temperatury podgrzewu do 5o w górę (np. Tpw = 65o, a nie 61o )
Wydłużenie na wolnych końcach
Natomiast długość strefy poślizgu będzie różna odległości Imax obliczonej ze wzoru:
14.6 WYBÓR METODY
Każda z przedstawionych tutaj metod ma swoje plusy i minusy. W każdej z nich pojawiają się różne priorytety. Przykładowo zimny montaż ma wiele zalet dotyczących kosztów budowy i projektowania. Posiada zalety eksploatacyjne do których można zaliczyć zmniejszenie strat ciśnienia w rurociągach z tytułu zmniejszenia ilości oporów miejscowych i zmniejszenia długości sieci. Ale do jego wad można zaliczyć wysokie ryzyko awarii na skutek działania osób trzecich. W przypadku możliwości jego zastosowania dla sieci o małych i średnich średnicach, przy lokalnym zastosowaniu tych sieci a co za tym idzie niezbyt długich odcinkach prostych, udział korzyści ekonomicznych w stosunku do ryzyka jest nieznaczny. Metoda ta świetnie zdaje egzamin w terenach poza miejskich gdzie nie występuje zagrożenie z tytułu działania użytkowników innego uzbrojenia. Dlatego ważne jest aby projektant podejmując decyzję co do metody układania rurociągu kierował się zdrowym rozsądkiem a nie względami marketingowymi firm dostawczych. Subiektywnie patrząc najlepszą metodą układania rurociągu wydaje się metoda z zastosowaniem podgrzewu wstępnego. Pozwala ona uniknąć znacznych przemieszczeń wolnych końców, zmniejszyć liczbę elementów kompensacyjnych, ograniczyć grubość stref kompensacyjnych a jednocześnie utrzymać naprężenia osiowe na poziomie naprężeń dopuszczalnych równych Re/ m. Wadą tej metody jest konieczność utrzymania wykopów w stanie
niezasypanym do czasu stabilizacji temperatury w rurociągu podgrzewanym. Podgrzew wstępny można wykonywać także na fragmentach sieci co zdecydowanie poprawia jego notowania. Metoda ta świetnie zdaje egzamin we wszystkich terenach –miejskich jak i pozamiejskich. Kolejną metodą, możliwą do stosowania w każdych warunkach jest metoda z układem swobodnym. Pozwala ograniczyć poziom naprężeń z jednoczesnym lokalnym ich przekroczeniem (przyjęcie klasy projektu B). Wadą jest większa, niż w innych metodach, długość sieci a co za tym idzie wzrastają koszty tłoczenia czynnika. Metoda ta świetnie zdaje egzamin w terenach zurbanizowanych. W terenach pozamiejskich stosowana może być jej odmiana z kompensatorami osiowymi – swobodnymi bądź też dociskowymi.