Петли расширения стальных труб

Обзор

Петли расширения представляют собой предварительно изготовленные изгибы в трубопроводных системах, которые поглощают тепловое движение, вызванное изменениями температуры. Когда стальные трубы нагреваются, они расширяются линейно; без механизма компенсации это расширение создает разрушительные напоры в анкерных точках, фитингах и соединениях.

Три стандартные конфигурации петель расширения — это U-образные изгибы, Z-образные изгибы и L-образные изгибы, все из стандартных труб и колен. U-образные изгибы наиболее распространены и обычно размещаются посередине между двумя фиксированными анкерными точками. Размеры петли определяются диаметром трубы, общим линейным расширением и допустимыми пределами напряжений.

Основные формулы

Линейное тепловое расширение

$\Delta l = \alpha \cdot \Delta T \cdot L$

Ширина петли U-образного изгиба

$w = 0.015 \cdot \sqrt{\Delta l \cdot D}$

Общий сдвиг петли U-образного изгиба составляет $2w$, а общая длина петли — $5w$.

Сдвиг Z-образного изгиба

$w = 0.063 \cdot \sqrt{\Delta l \cdot D}$

Длина короткой ножки L-образного изгиба

$S_{\min} = 6.225 \cdot \sqrt{\frac{\Delta l}{25.4} \cdot \frac{D}{25.4}} \cdot 0.305$

В приведенных уравнениях $\Delta l$ и $D$ вводятся в миллиметрах; результат в метрах.

Переменные

Справочная таблица емкости расширения U-образного изгиба

В таблице ниже приведена приблизительная емкость расширения (мм) для распространенных размеров труб при различных ширинах петли.

Калькуляторы

Калькулятор теплового расширения

Размеры петли U-образного изгиба

Z-образный компенсатор расширения

L-образный компенсатор расширения

Практический пример: 50 мм паропровод

Стальная труба 50 мм, длиной 30 м, нагревается от 0 °C до 180 °C (типично для пара под давлением 10 бар). Коэффициент расширения стали: $12 \times 10^{-6}$ м/(м·К).

1. Линейное расширение: $\Delta l = 12 \times 10^{-6} \times 180 \times 30 \times 1000 = 64.8 \text{ mm}$

2. Ширина П-образной петли: $w = 0.015 \times \sqrt{64.8 \times 50} = 0.015 \times 56.92 = 0.85 \text{ m}$

3. Общие размеры петли:

   • Смещение ($2w$): 1,71 м
   • Длина ($5w$): 4,27 м

Исходная таблица-источник

В исходной таблице Engineering ToolBox ширина петли используется в качестве группового столбца, а значение ёмкости расширения — в качестве значения ячейки. Пустые ячейки в источнике сохраняются как пустые и здесь.

Интерактивная диаграмма ёмкости петли расширения

На исходной диаграмме ширина петли отложена по горизонтальной оси, ёмкость расширения — по вертикальной, а для каждого номинального размера трубы построена отдельная кривая. Пустые ячейки источника оставлены в виде пропусков, а не отложены как нулевые значения.

Исходная диаграмма производительности перерисована выше как интерактивная локальная диаграмма с использованием извлечённых табличных данных.

Инженерные заметки

• Расстояние между анкерами определяет величину расширения. Размещайте компенсационные петли примерно посередине между анкерами для равномерного распределения перемещения.
• Ориентация петли должна обеспечивать свободное перемещение в направлении расширения. Поддерживайте отводы петли для предотвращения провисания под весом, но допускайте поперечное перемещение.
• Стандартные отводы (90° или 45°) используются для изготовления петель; специальные фитинги не требуются.
• Z-образные изгибы подходят для трубопроводов с поперечными смещениями; требуемое смещение составляет примерно двойную ширину U-образного изгиба для того же расширения.
• L-образные изгибы менее эффективны, чем U-образные, и требуют большей длины участка для поглощения того же расширения.
• Значения в справочной таблице являются приблизительными. Для ответственных систем (высокое давление, высокая температура, большой диаметр) выполните детальный расчёт напряжений в соответствии с ASME B31.1 или B31.3.
• Типичные коэффициенты теплового расширения стали: углеродистая сталь ≈ 12 × 10⁻⁶ м/(м·К), нержавеющая сталь ≈ 17 × 10⁻⁶ м/(м·К). Применение нержавеющей стали требует более крупных петель при одинаковом изменении температуры.

Источники

• Компенсационные петли стальных трубопроводов — Engineering ToolBox