Menu

Projektowanie zmian kierunku sieci

13.1. KOLANA
Projektując dowolną sieć cieplną łączącą dwa punkty w terenie, wcześniej czy później, staniemy przed koniecznością zastosowania zmiany kierunku trasy sieci. Biorąc pod uwagę specyfikę pracy sieci cieplnych, nie jest to tylko zwykła zmiana kierunku. Wydłużanie się dwóch odcinków rurociągu
spotykających się w jednym punkcie powoduje powstawanie odkształceń. Odkształcenia te obejmują nie tylko sam element z którego wykonana jest zmiana kierunku trasy rurociągu ale także fragmenty przylegających do załamania odcinków prostych. Odkształcenia te powodują powstawanie naprężeń
w ściance rurociągu, których wielkość jest uzależniona między innymi od:
- wielkości średnicy rury stalowej,
- grubości jej ścianki,
- kąta załamania,
- promienia gięcia,
- zmiany temperatury,
- ciśnienia,
czy też
- sprężystości podłoża.
Projektując konkretną sieć o zadanych parametrach i przepustowości, w przypadku załamań trasy, mamy wpływ na dobór grubości ścianki rury, długości odcinków przylegających do załamania, promień gięcia oraz podatność podłoża. Naszym zadaniem jest takie dobranie tych wielkości aby w ściance rury przewodowej nie powstawały naprężenia które spowodują szybkie uszkodzenie rurociągu – mówiąc inaczej musimy zapewnić kompensację odkształceń rurociągów powstających w miejscach zmiany kierunku trasy. Z obliczeń wynika, że bardzo duży udział w koncentracji naprężeń ma geometria układu
a zwłaszcza zastosowany kąt załamania, który zwyczajowo liczony jest jako odchylenie przedłużenia
trasy sieci od kierunku prostoliniowego. Ponadto wynika także, że najwłaściwszym dla potrzeb zabezpieczania rurociągów przed wzrostem naprężeń jest kąt załamania trasy sieci o wielkości
jak najbardziej zbliżonej do 90
°. Elementami, które w systemach rurociągów preizolowanych, umożliwiają dokonanie zmiany kierunku trasy sieci o wielkość zbliżoną do 90° są kolana. Oczywistym jest, że nie da się połączyć dwóch punktów w terenie stosując tylko 90° załamania trasy. Jednak należy się liczyć z tym, że wraz ze zmniejszaniem się kąta załamania, znacznie zaczynają wzrastać odkształcenia rurociągów a co za tym idzie także naprężenia w ściance rury przewodowej. Biorąc to pod uwagę podczas rozwiązywania pojawiających się problemów ze zmianami kierunków trasy należy stosować kolana, bądź układy kolan, których kąty gięcia są zbliżone do 90°. Praktyka wykazuje, że stosowanie kolan o kącie gięcia < 45° staje się zarzewiem przyszłych awarii, dlatego do zmiany kierunku trasy sieci cieplnej należy używać kolan o zakresie kątów gięcia od 60-90°. W wyjątkowych przypadkach, przy krótkich obustronnie odcinkach rurociągów, dopuszcza się stosowanie kolan od 45- 60°, uznając je za elementy kompensujące odkształcenia rurociągów. Jednak stosowanie takich kolan należy uzasadnić obliczeniowo.

13.2 STREFY KOMPENSACYJNE.


Odkształcający się w pobliżu załamania trasy rurociąg stalowy, preizolowany ułożony bezpośrednio
w gruncie, oddziałuje na całe swoje otoczenie tzn. zgodnie z zasadą systemu zwartego wszystkie siły
występujące w rurociągu przenoszone są bezpośrednio na otoczenie. Można przyjąć że podstawowym otoczeniem takiego rurociągu stalowego jest pianka poliuretanowa, płaszcz osłonowy, zasypka piaskowa oraz grunt rodzimy. Na całej długości a zwłaszcza w miejscu załamania trasy można przedstawić skutki odkształceń rurociągu stalowego jako zestaw 4 sprężyn z których każda charakteryzuje się inną sprężystością (rysunek).

 

Siła „N”, będąca wypadkową wszystkich sił osiowych działających na rurociąg powoduje powolne odkształcenie (zgniatanie) poszczególnych sprężyn. Każda z tych sprężyn ugnie się w innym stopniu zależnym od zależnym od jego sprężystości. Każde ugięcie spowoduje przemieszczenie się rury stalowej w kierunku gruntu rodzimego. W pewnym zakresie ugnie się sama rura stalowa. Ugną się, chociaż każdy ośrodek inaczej, izolacja z pianki poliuretanowej (PUR), płaszcz osłonowy HDPE oraz łoże piaskowe.
W tak przedstawionym układzie najbardziej podatnym na zniszczenie ośrodkiem jest pianka poliuretanowa (PUR). Siła wypadkowa powoduje powstawanie naprężeń
ściskających w piance, które często przekraczają
wartości dopuszczalne, określone jako 50 % wytrzymałości na ściskanie. Po przekroczeniu dopuszczalnych naprężeń ściskających w krótkim czasie dochodzi do zniszczenia struktury poliuretanowej, pogorszenia się jej właściwości cieplnych a co za tym idzie, szybszego starzenia się płaszcza osłonowego, skutkującego pogorszeniem się izolacyjności przeciw wilgociowej. Czyli mówiąc krótko do zniszczenia zwartości systemu preizolowanego oraz uszkodzenia rurociągów. Sposobem pozwalającym zaradzić temu jest wstawienie w układ sprężyn dodatkowej sprężyny która przejmie od poliuretanu rolę najsłabszego ogniwa.

Sprężynę tą nazywamy potocznie „strefą kompensacyjną” a wykonuje się ją z poliuretanowych lub polietylenowych poduszek. Poduszki te układamy wszędzie tam gdzie istnieje
możliwość przekroczenia dopuszczalnych naprężeń
ściskających w piance poliuretanowej (PUR). Całkowita grubość okładziny z poduszek powinna być dostosowana do wypadkowej przemieszczenia kolana kompensacyjnego – rysunek  poniżej.

     

 Przy czym przemieszczenie kolana obliczyć można z wzorów (jak wyżej), to znaczy, że dla:

Dla kolan kompensacyjnych 90° grubość poduszek ma się tak do wydłużenia liczonego po osi rurociągu jak 2:3 tj na 80 mm wydłużenia potrzeba jest 120 mm poduszek piankowych. Grubość poduszek można redukować oddalając się od kolana kompensacyjnego. Należy pamiętać, że dla sieci wysokoparametrowej i dla poduszek układanych obok rurociągu preizolowanego, ze względu na możliwość podniesienia się temperatury płaszcza osłonowego do temperatury ponad +50°C, grubość warstwy poduszek nie może przekroczyć 120 mm – rysunek  4. Z tego samego względu w przypadku owinięcia rurociągów poduszkami grubość otuliny nie może przekroczyć 100 mm – rysunek  5.

 

W przypadku znacznych przemieszczeń kolan kompensacyjnych należy rozpatrzeć możliwość zastosowania innych układów kompensacyjnych, kompensatorów osiowych lub wybudowania kanałowych nisz kompensacyjnych. Zwrócić należy uwagę projektantów, że stosowanie takich nisz jest rzeczą normalną, korzystną dla rurociągów i nie należy tego utożsamiać z przejawami „wstecznictwa” inżynierskiego. Strefy kompensacyjne są potrzebne także w przypadku usytuowania trójnika odgałęzienia w miejscu znacznych przemieszczeń rurociągu głównego, które to przemieszczenia mogą rzutować na naprężenia ściskające w rurociągach odgałęzienia. Przy projektowaniu rurociągów ze zmianą średnicy, także element redukcji, powinien być obłożony strefą kompensacyjną.

13.3 ZAŁAMANIA NIEKOMPENSACYJNE.


W ofercie produktowej istnieje możliwość wykonania krótkich elementów prefabrykowanych – łuki lub inaczej kolana - o kącie gięcia od 5° do 90° z gradacją co 5° . Jednak nie wszystkie one będą spełniały warunki kolan kompensacyjnych i nie wszystkie będzie można uznać za samodzielne elementy kompensujące odkształcenia rurociągów. Do zmiany kierunku trasy sieci cieplnej należy używać kolan o zakresie kątów gięcia od 60° do 90°, a warunkowo dopuszcza się stosowanie kolan od 45° do 60°, uznając je za elementy kompensujące  odkształcenia rurociągów po uprzednim uzasadnieniu obliczeniowym.

Rys. 6 zabezpieczenie załamania trasy rzeczywistym punktem stałym PS.

Rys. 7 Zabezpieczenie załamania trasy układem kompensacyjnym.

Pozostałe załamania trasy, czyli te od 5° do 60°,
stosując na trasie projektowanej sieci należy
zabezpieczyć przed niszczącym oddziaływaniem
odkształceń rurociągów. Jednym ze sposobów zabezpieczenia załamania niekompensacyjnego jest zastosowanie rzeczywistych punktów stałych – rysunek 7.
Usytuowanie takiego punktu stałego w stosunku do innych urządzeń kompensacyjnych powinno być takie aby wielkość bloku betonowego była jak najmniejsza.
Innymi metodami zabezpieczenia załamań
niekompensacyjnych jest stworzenie zastępczego układu kompensacyjnego, złożonego często z kilku kolan kompensacyjnych – rysunek 7 lub kilku kompensacyjnych i jednego niekompensacyjnego – rysunek 8.

 

Rys. 8a i b Zabezpieczenie załamania trasy układem kompensacyjnym  z zastosowaniem łuku niekompensacyjnego

Jeszcze inną metodą jest połączenie obu metod uprzednio wymienionych tj stworzenie układu
opartego na kolanach kompensacyjnych i punkcie stałym – rysunek 9.

Rys.9 Zabezpieczenie załamania trasy przy zastosowaniu kolana kompensacyjnego i rzeczywistego punktu stałego PS

Z uwagi na znaczne przemieszczenia rurociągów
nawet przy niewielkich wydłużeniach rzeczywistych
stosowanie załamań niekompensacyjnych bez
jakichkolwiek zabezpieczeń stanowi podstawę
większości awarii spowodowanych geometrią
projektowanej sieci.

 

13.4 UKOSOWANIE

 
W przypadku niewielkich odchyleń kątowych, kiedy mamy do czynienia z rurociągami klasy A w pełnym zakresie czy z rurociągami klasy B i C w strefie poślizgu, można dokonywać korekty zmiany kierunku trasy projektowanej sieci cieplnej poprzez ukosowanie na połączeniach spawanych. Wielkość ukosowania nie może przekroczyć 3
° na 1 połączeniu spawanym – rysunek 10.

Rys.10

Odchylenia niewielkie można wykonywać poprzez
zmienną grubość spoiny, przy czym musi ona być zgodna
z warunkami dotyczącymi spawania rurociągów.
Innym sposobem na wykonanie ukosowania jest
przycinanie spawanych końców rurociągów, przy czym warunkiem jest aby cięcie nie było wykonywane
przy użyciu palnika acetylenowo – tlenowego. Cięcie winno być wykonane mechanicznie. Zaleca się aby ukosowanie wykonywane było, co najmniej, co 20 krotność średnicy nominalnej rurociągu – rysunek 11.

Rys.11

W przypadku stosowania ukosowania w sieciach
cieplnych z zastosowanymi kompensatorami
osiowymi – swobodnymi – należy zachować
odległość pierwszego ukosowania minimum 12 m od
pierwszej spoiny kompensatora. W rurociągach klasy B w odcinkach zahamowanych dla sieci wysokoparametrowych nie dopuszcza się stosowania ukosowania. W tabeli T-1 przedstawiono dopuszczalne ukosowanie  w odcinkach całkowicie zahamowanych w zależności od występującej różnicy temperatur.

13.5 STOSOWANIE RUR GIĘTYCH

W przypadku odchyleń kątowych różnych wielkości, których wykonanie może zostać rozłożone
na znacznym odcinku sieci można dokonywać korekty zmiany kierunku trasy projektowanej sieci
cieplnej poprzez zastosowanie rur giętych – rysunek 12.

Rys.13 Wykorzystanie rur giętych do ominięcia przeszkody w planie, w tym przypadku drzewa. 

Stosowanie rur giętych nie musi ograniczać się do wpasowywania sieci w łuk drogi ale może być bardzo
przydatne podczas omijania przeszkód występujących na powierzchni jak i pod powierzchnią terenu – rysunek 13.
Możliwe jest stosowanie rur giętych w dwojaki sposób:
- gięcie elastyczne rur połączonych na budowie
- zastosowanie prefabrykowanych rur giętych u producenta

Ze względu na parametry rury stalowej, stosowanie rur giętych elastycznie, ogranicza się do
wyginania pospawanych ze sobą prostych odcinków rurociągu przy czym należy pamiętać, że bezpieczny minimalny promień gięcia nie może być mniejszy od wyliczonego z wzoru


 


a dla rur giętych mechanicznie na budowie


gdzie
E - moduł Younga dla stali [N/mm2],

ReT - granica plastyczności stali [N/mm2],
da - średnica rury stalowej [m],
RE - promień gięcia elastycznego rury stalowej [m].
RM - promień gięcia mechanicznego rur o średnicy
do da=88,9 mm [m].

 

Tabela 2

W tabeli 2 przedstawiono obliczeniowe
promienie gięcia i odpowiadające im kąty wygięcia, dla rurociągów o średnicy do da=88,9 mm.
Stosując gięte rury preizolowane należy zwrócić uwagę na możliwość zgniatania pianki poliuretanowej.
Parcie rurociągu rysunek 14 i 15, na otoczenie można wyznaczyć z wzoru

gdzie:     

 

Rys.14 Schemat oddziaływań rury giętej w gruncie

 

co daje

 

Naprężenia ściskające w piance giętej rury preizolowanej można wyznaczyć z zależności

 

 

co po przekształceniu i podstawieniu naprężeń dopuszczalnych dla rurociągów klasy A w wielkości σd=190 N/mm2 otrzymamy wzór na minimalny promień gięcia rury preizolowanej.

 

 

Oczywiście dla wyznaczenia minimalnego promienia gięcia rury preizolowanej rurociągów klasy B należy przyjąć inną wartość naprężeń dopuszczalnych. Kąt wygięcia rury – rysunek R-5 – można obliczyć z wzoru


co dla 12 metrowej rury daje


W powyższych wzorach

q – parcie rurociągu [kN/m],

R - promień gięcia rury [m],
F - siła osiowa [kN],
t - grubość ścianki rury stalowej [mm]
da - średnica zewnętrzna rury stalowej [mm]!,
A - powierzchnia przekroju ścianki rury stalowej [mm2],
- naprężenia panując w rozpatrywanym przekroju [N/mm2],
RG - promień gięcia rury prefabrykowanej [m],
L - długość łuku [m].


W tabeli 3 przedstawiono minimalne promienie gięcia elastycznego rur oraz odpowiadające im kąty
wygięcia oraz minimalne promienie gięcia rur prefabrykowanych i odpowiadające im kąty wygięcia .

Tabela 3

 

Uwaga!
Nie dopuszcza się stosowania gięcia rur do pokonywania przeszkód w pionie w przypadku rurociągów kwalifikujących się do klasy B i C.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});