Открытые системы теплоснабжения

Подготовка к отопительному сезону считается успешной в части гидравлических испытаний оборудования и трубопроводов, если во время их проведения и при осмотре не обнаруживаются течи жидкости и разрывы металла. Система считается выдержавшей опрессовку, если во время работы падение давления оставалось в пределах, объясняемых колебаниями давления за счет изменения температуры жидкости, а после завершения испытания не выявлены видимые остаточные деформации.

2. Гидроиспытание  тепловых сетей

Гидравлические испытания предназначены  для определения фактических  гидравлических характеристик новой  сети и оборудования пунктов или  изменения этих характеристик в  процессе эксплуатации. При гидравлических испытаниях одновременно измеряют давление, расход и температуру теплоносителя  в характерных точках (места изменения  диаметров, расходов воды, сетевые перемычки) сети.

В сильно разветвленных сетях для  уменьшения точек замеров допускается  отключать мелкие ответвления. В  контрольных точках устанавливают  образцовые манометры, ртутные термометры с ценой деления 1°С и нормальные измерительные диафрагмы. Испытания проводят при отключенных тепловых пунктах на максимальных и сокращенных до 80% от максимальных расходах воды. Циркуляция воды в сетях и ответвлениях обеспечивается включением концевых перемычек. Тепловые испытания проводят с целью определения фактических потерь тепла в сетях и сопоставления их с расчетными и нормативными значениями. Необходимость тепловых испытаний диктуется естественным разрушением тепловой изоляции, замены ее на отдельных участках, а также изменениями конструкций. Испытания проводят в конце отопительного сезона, когда вся конструкция теплопровода и прилегающий грунт прогреты достаточно равномерно, что гарантирует получение стабильных результатов. Перед испытаниями восстанавливают разрушенную изоляцию, осушают камеры и каналы, проверяют работу дренажных устройств. Испытания выполняют на всей длине сети или отдельных участках и ответвлениях. Тепловые пункты потребителей отключают, циркуляцию воды производят через перемычки.

Во время испытаний замеряют расходы и температуры теплоносителя  в начале и конце исследуемого участка подающего и обратного  трубопроводов. Устанавливают устойчивый режим циркуляции, при котором  снимают несколько показаний  через 10 мин. Испытания на максимальную температуру теплоносителя проводят с целью контроля надежности конструкции, работы компенсаторов, смещения опор, для определения действительных напряжений и деформаций наиболее нагруженных  элементов сети. Данные испытания  используют для оценки степени старения металла, длительное время работавшего  при высоких давлениях и температурах. Испытания проводят раз в два года в конце отопительного сезона при отключенных потребителях с циркуляцией теплоносителя через концевые перемычки. В период испытания температура теплоносителя повышается со скоростью 30°С в час, в концевых точках сети максимальная температура выдерживается не менее 30 мин.

По мере разогрева трубопроводов  через определенные интервалы времени  замеряют перемещения фиксированных  точек на трубах, плеч П-образных и  стаканов сальниковых компенсаторов. Фактические перемещения элементов  сети сравнивают с расчетными и по ним устанавливают действительные напряжения в характерных точках. Если разность расчетных и фактических удлинений трубопроводов превышает 25% расчетного удлинения, то должны быть предприняты поиски мест защемления труб, просадки или сдвига неподвижных опор и других причин, вызвавших это различие.

Основными причинами повреждений  являются:

- капель от протечек сверху - 34,4%;

- некачественная сетевая вода - 21%;

- подтопление трубопровода - 16,3%.

Основными типами повреждений трубопроводов  тепловых сетей являются свищи и  разрывы от внутренней и наружной коррозии. На основании полученных данных отметим, что от 73 до 96% повреждений  элементов было выявлено в ходе проведения гидравлических испытаний по 12 районам  тепловых сетей.

Результаты поверочных расчетов элементов, входящих в состав трубопроводов  тепловых сетей.

В качестве критически нагруженных  и ответственных элементов трубопроводов  тепловой сети при обосновании условий  и параметров проведения гидравлических испытаний с учетом условий предельного  нагружения и коррозионного износа рассматривались сильфонные компенсаторы, секторные колена с разным числом секторов и неуравновешенные по нагрузке узлы закрепления трубопроводов  в неподвижных опорах.

Для разгрузки сильфонных компенсаторов  от действия изгибающих моментов применяется  специальная расстановка элементов  опорно-подвесной системы (ОПС). Поэтому  основным нагружающим фактором для  сильфонных компенсаторов является внутреннее давление.

Испытания сильфонных компенсаторов  проводились при максимальном давлении гидравлических испытаний, которое для Ду= 100-500 мм составляет 30 кгс/см², для Ду=600-800 мм - 26 кгс/см² и для Ду=900-1400 мм-24 кгс/см².

Из проведенных расчетов следует, что при числе циклов проведения гидравлических испытаний - 2 раза в год, наихудшие характеристики циклического нагружения имеют компенсаторы с Ду=100 мм. Но и у них циклическая прочность обеспечивается при более чем 3000 циклов нагружения.

Повреждения секторных колен весьма опасны своими последствиями - возможностью раскрытия сечения на значительной длине. Как колена, так и элементы опорной системы имеют зоны местной концентрации напряжений. Количественная оценка этих напряжений в литературе отсутствует.

Рассматривались секторные колена с угловыми размерами единичного сектора 22,5° и углом поворота 90°, образованные пересечениями секторов, вырезанных из прямолинейных труб. Полное число секторов в таком колене может равняться 3 или 5 в зависимости от того, выполнены ли сектора, прилегающие к прямолинейным участкам из самих этих же участков (трехсекторные колена) или являются отдельными полусекторами с углом 11,25°.

Анализ полученных данных показал, что из колен, имеющих номинальную  толщину стенки:

- наименее надежными являются секторные колена, изготовленные из стали 10;

- в ряде случаев прочность секторных колен при проведении гидравлических испытаний помимо величины давления обусловлена правильностью расположения опор относительно колен; при корректном расположении опор условия прочности могут быть обеспечены и при более высоком давлении гидравлических испытаний, при отклонении от норм проектирования - давление гидравлических испытаний должно быть снижено;

- при неудовлетворительном состоянии ОПС при увеличенных межпролетных интервалах, вызванных повреждением отдельных опор, проведение гидравлических испытаний может быть причиной повреждения колен за несколько циклов приложения нагрузки; в силу этого одним из обязательных условий проведения гидравлических испытаний должно быть положительное заключение о текущем состоянии ОПС;

- с учетом возможного коррозионного утонения стенок трубопроводов действующие напряжения повышаются примерно на 15% на каждый миллиметр утонения; из этого следует, что необходимо связывать информацию о состоянии ОПС перед проведением гидроопрессовок с надежностью колен и прямолинейных участков трубопроводов.

Неподвижные и скользящие опоры. Зоны установки неподвижных и скользящих опор характеризуются местными напряжениями, которые создаются совместным действием  внутреннего давления и изгибающего  момента от массовой распределенной нагрузки. Эти особенности напряженного состояния связаны с присоединением к трубопроводу жестких конструктивных элементов, препятствующих свободным  деформациям. Присоединенные элементы могут быть несколькими ребрами  жесткости (в неподвижных опорах) и узлами присоединения к трубопроводу опорных частей скользящих опор.

На основании проведенных расчетов и полученных данных следует, что  при отсутствии коррозионного утонения все варианты типоразмеров (за исключением  труб ∅1220×9 мм и ∅1420×10 мм, изготовленных из стали 10) удовлетворяют условиям прочности для всех рассмотренных типов сталей (10, 20 и 20К, ВСт3, 17ГС, 17Г1С, 16ГС). При наличии коррозионного утонения стенки трубы, действующие напряжения в ней будут повышаться на 10-15% на каждый миллиметр утонения. Из этого следует, что все типоразмеры труб (начиная с типоразмера ∅820×8 мм), вне зависимости от типа металла, из которого они изготовлены, при проведении гидравлических испытаний попадают в зону риска. Поэтому давление гидравлических испытаний для них должно быть дополнительно (помимо оценки состояния ОПС) обусловлено результатами толщинометрии в наиболее нагруженных зонах.

Оценка дополнительных силовых  факторов, действующих на неуравновешенные неподвижные опоры в процессе эксплуатации трубопроводов тепловых сетей. Поскольку трубопровод представляет собой единое целое, реактивные усилия, возникающие во всех коленах (за счет поворота потока воды), передаются и на неподвижные опоры.

Как показали расчеты реактивного  усилия для различных типоразмеров трубопроводов, усилия в каждом из колен  могут быть достаточно велики.

Значительно большие усилия динамического характера развиваются в элементах трубопроводов (гибах и запорных органах) при разгоне и остановке потока воды, например, в момент пуска трубопровода в эксплуатацию или его останове, а также при аварийных режимах прекращения циркуляции. Эти усилия передаются на точки закрепления трубопровода, расположенные в непосредственной близости от запорных органов. Наихудший случай - экстремально быстрая (аварийная) остановка потока, когда на элементы трубопровода одновременно действуют внутреннее давление, а также динамические и компенсационные усилия. В этом случае нагрузки на неподвижные опоры, примыкающие к задвижкам, оказываются значительно больше проектных значений.

Для численной оценки динамических воздействий на колена и неподвижные  опоры необходимо знать скорость изменения расхода воды, что, в  свою очередь, определяется скоростью  работы приводов запорной арматуры и  расходными характеристиками этой арматуры.

При проектировании неподвижных опор следует учитывать как динамические, так и реактивные усилия.

Оценка силовых факторов, действующих  на неподвижные опоры в процессе проведения гидроиспытаний. Рассмотрим трубопровод, состоящий из нескольких участков, разделенных неподвижными опорами, а также запорные органы, предназначенные для схемных  переключений и отделения одних  участков от других при проведении гидравлических испытаний. Обычные прочностные расчеты трубопровода выполняются для участков, заключенных между краевыми закреплениями (неподвижными опорами). Этого достаточно для определения усилий самокомпенсации, приходящихся на узлы закреплений. Если участков, ограниченных неподвижными опорами, несколько, то компенсационные усилия в смежных неподвижных закреплениях складываются, взаимно уменьшая друг друга. При этом наибольшие компенсационные усилия возникают в тех узлах закреплений, которые являются концевыми или расположены в месте крутого поворота трубопровода тепловой сети.

Условия проведения гидравлических испытаний создают иную расчетную схему. Ее особенностью является появление на участках трубопровода дополнительных распорных усилий, связанных с односторонним воздействием внутреннего давления на запорные органы, играющие в этом случае роль донышек. Эти усилия преобразуются во внутренние силовые факторы (усилия и изгибающие моменты), действующие на прилегающие к задвижкам неподвижные опоры. Если задвижка расположена в непосредственной близости от неподвижной опоры (как это обычно делается), то основные распорные усилия будут приходиться на нее. При удовлетворительном состоянии строительных конструкций этих опор дополнительные силовые факторы не получат дальнейшего распространения по трубопроводу. При неудовлетворительном состоянии строительных конструкций этих закреплений, распространение усилий по трубопроводу продолжится до следующих неподвижных опор, что может вызвать неуравновешенные усилия уже в них.

Наихудшим является случай наличия  осевых конструктивных зазоров (люфтов) в неподвижных опорах, установленных  рядом с запорными органами. В  этом случае возможно существенное перераспределение  усилий между несколькими неподвижными опорами, причем наибольшая нагрузка придется на ту из них, которая имеет минимальные  люфты. Таким образом, узлы неподвижных  опор, расположенные в непосредственной близости от задвижек, должны иметь  минимальные люфты в осевом направлении.

Для корректного определения дополнительных нагрузок, приходящихся на строительные конструкции неподвижных опор, необходимо выполнять специальные прочностные  расчеты участков трубопровода, прилегающих  к задвижкам. В этих расчетах должны учитываться особенности проведения гидравлических испытаний, в частности - конфигурация участков, величины холодных натягов, выполненных на рассматриваемом и соседних участках, температура проведения гидравлических испытаний, а также сосредоточенная нагрузка от действия распорного усилия.

Анализ связи между результатами прочностных расчетов и статистикой  повреждаемости рассмотренных элементов.

Преобладание повреждений прямолинейных  участков над прочими элементами трубопроводов легко объяснимо  их доминирующей протяженностью и гораздо  большей вероятностью попасть в  неблагоприятные внешние условия, чем у остальных элементов.

Учитывая малую линейную протяженность  колен и их относительно небольшое  количество на трубопроводах, соотношение  повреждаемости колен с повреждаемостью  прямолинейных участков также вполне закономерно и указывает на преобладающее  влияние фактора коррозии.

Сравнивая количество повреждений  в зонах установки скользящих и неподвижных опор, также можно  заключить, что статистические данные и для этих элементов также  вполне закономерны: количество скользящих опор на сетевых трубопроводах примерно на порядок больше, чем неподвижных  опор, что и показывает статистика повреждаемости.

Количество скользящих опор в составе  трубопроводов тепловых сетей существенно  больше, чем колен, однако количество повреждений в них примерно одинаково. Но суммарные геометрические размеры  зон, подверженных коррозионному влиянию  в этих элементах, примерно одинаковы, что и выражается в примерно одинаковом количестве повреждений.

Более высокий уровень напряжений от внутреннего давления и компенсационных усилий, действующих в коленах (по сравнению с напряжениями в зонах установки скользящих и неподвижных опор), не является таким же значимым фактором, как коррозия. Анализ полученных данных показал, что даже для трубопроводов из стали 10 коррозионное утонение глубиной до 2 мм не приводит к выходу действующих напряжений при гидравлических испытаниях в область пластичности (за исключением трубопроводов типоразмеров ∅1220×9 мм и ∅1420×10 мм).