Необходимость в тепловых компенсаторах в трубопроводных системах возникает из-за тенденции трубы расширяться или сжиматься из-за изменений температуры материала трубы. Это расширение может быть направлено либо в определенное место (например, в компенсационный шов), закрепив трубу вдали от шва и позволив ей расширяться/перемещаться в направлении шва, либо позволяя трубе двигаться по всей ее длине в обоих направлениях. .
Для систем трубопроводов из полипропилена (PP-R и RP (RCT)) альтернативой этому подходу является ограничение длины трубы таким образом, чтобы она не могла расширяться или сжиматься. Обычно это не вариант для стальных труб, потому что силы, развиваемые в стальных трубах, намного выше (примерно в 300 раз), чем в PP-R или RP (RCT). Например, при изменении температуры на 100°F отрезок трубы Faser Aquatherm SDR 100 длиной 11 футов расширится на 2.3 дюйма, тогда как стальная труба сортамента 40 расширится на 1.0 дюйм. Для трубы с номинальным диаметром 8 дюймов это соответствует осевому усилию приблизительно 201,600 4,800 фунтов силы для стальной трубы, в то время как для трубы Aquatherm осевое усилие составляет всего 7.4 3,400 фунтов силы для SDR 11; 2,180 фунтов силы для SDR 17.6 и XNUMX фунтов силы для SDR XNUMX.
Для заглубленной трубы сила трения на границе между грунтом и поверхностью трубы будет удерживать трубу до тех пор, пока осевая сила, создаваемая тепловым расширением, не станет достаточной для преодоления силы трения. Как только это произойдет, труба начнет двигаться в почве. Сила трения может быть рассчитана по модифицированному уравнению Кулона, основанному на работе Potyondy (1961) 1 .
Гдеp = π (ODp) / 2 Lp, фут 2 ; площадь поверхности трубы, опирающейся на грунт
C = сцепление грунта, фунт/фут 2
ƒ c = константа пропорциональности, основанная на испытаниях на сдвиг границы раздела поверхности и грунта
Lp = Длина трубы, фут.
ODp = Внешний диаметр трубы, фут.
Вт = 2 Втe + Wp + Ww , фунт/фут; нормальная сила на единицу длины
We = Вертикальная нагрузка на верхнюю и нижнюю поверхности (призматическая нагрузка), фунт/фут
Wp = Вес трубы, фунт/фут
Ww = вес воды в трубе, фунт/фут
Значения для ƒ c, ƒØ и Ø приведены в таблице ниже, взяты из AWWA M23, Таблица 4-12 2 .
| 1 Таблица 1 – Свойства грунтов, используемых для подстилки | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Группа почвы* | fc | С, фунт/фут 2 | fØ | Ø, град | |||
| ГВ и ЮЗ | 0.7 | 35 | |||||
| ВОП и СП | 0.7 | 31 | |||||
| ГМ и СМ | 0.6 | 30 | |||||
| ГК и СК | 0.2 | 225 | 0.6 | 25 | |||
| CL | 0.3 | 250 | 0.5 | 20 | |||
| ML | 0.5 | 29 | |||||
| *Группа почвы согласно ASTM D2487 (таблица 4-6) | |||||||
Минимальная сила трения по уравнению (1) будет иметь место, когда сцепление грунта незначительное или отсутствует (C~0), низкая плотность грунта (W~100 lb/ft 3 ) и (ƒØ Ø) минимальна. Как видно из Таблицы 1, критерию наименьшей силы трения соответствуют илистый гравий (GM) или илистый песок (SM).
Использование этой наихудшей нагрузки грунта для участка трубы Aquatherm SDR 13 PP-R длиной 4 футов (7.4 м) приводит к силе трения 5,634 XNUMX фунта.f на глубине захоронения 1 фут. Это намного выше осевой силы, вызванной тепловым расширением (4,800 фунтовf для СПЗ 7.4; 3,400 фунтовf для SDR 11 и 2,180 фунтовf для SDR 17.6) и будет легко ограничивать движение трубы. Обратите внимание, что при глубине залегания 3 фута эта сила трения увеличивается до 16,350 XNUMX фунтов.f над этим же участком трубопровода.
На любой глубине заложения сила трения значительно ниже осевой силы, развиваемой в стальной трубе (201,600 XNUMX фунтов).f) и, как таковая, стальная труба будет расширяться и потребует использования компенсаторов для компенсации расширения.
Последний вопрос заключается в том, не вызовет ли такое ограничение трубопровода Aquatherm какое-либо повреждение самого материала трубы. Осевое напряжение в стенке трубы из-за ограничения будет составлять 210 фунтов на квадратный дюйм. Долгосрочная экстраполированная прочность материала трубы составляет 575 фунтов на квадратный дюйм при 180°F 3 .
Также стоит отметить, что в работе, проведенной Аламом и Аллоушем 4, фактическая сила трения, сдерживающая движение трубы, в ходе лабораторных испытаний оказалась хорошо согласующейся с Потенди для связных и мелкозернистых грунтов и выше расчетной для крупнозернистого материала и гороха. гравий (т.е. более консервативный).
1 Потенди Дж. Г. Кожное трение между различными грунтами и строительными материалами // Геотехника. XI, № 1961, стр. 4-339.
2 Трубы из ПВХ – проектирование и монтаж, Руководство AWWA M23, 2-е изд., Американская ассоциация водопроводных сооружений.
3 ISO 15874-2003, Системы пластиковых трубопроводов для систем горячего и холодного водоснабжения. Полипропилен (ПП).
4 Алам, С., Аллуш, Е. Н., 2010 г., Экспериментальное исследование коэффициентов трения трубы о грунт для труб из ПВХ, заглубленных в грунт, Трубопроводы, 2010 г.: Восхождение на новые вершины надежности инфраструктуры – Rnew, Rehab и Reinvest, 2010 г. ASCE
Как учесть расширение трубы в водопроводной системе
Термическое расширение и сжатие характерны для всех материалов трубопроводов. По мере повышения или понижения температуры воды и окружающей среды длина трубы будет колебаться. Чем дольше пробег, тем значительнее изменение.
В водопроводных системах, если это расширение и сжатие не учтено при проектировании системы, это может привести к сжимающим нагрузкам на трубы и фитинги. Со временем это напряжение может ослабить трубу, что приведет к утечкам и преждевременному ремонту трубы.
К счастью, тепловое расширение и сжатие можно легко предотвратить с помощью отклоняющих механизмов.
Почему работают механизмы отклонения
Трубопровод из ХПВХ является гибким, что означает, что до определенного момента он может безопасно изгибаться без каких-либо повреждений. Механизмы отклонения используют преимущества этой гибкости и позволяют трубе двигаться внутри системы, ограничивая нагрузку на материал.
Как отклонить тепловое расширение
Перепад температур – это диапазон, которому будет подвергаться труба. Другими словами, разница между самой холодной и самой горячей трубой будет от времени установки до срока ее службы. Если изменение температуры составляет более -1°C, водопроводная система должна иметь отклоняющие конфигурации.
В зависимости от пространства вокруг трубопроводной системы существует четыре механизма отклонения напряжения расширения:
- Петли расширения
- Расширение смещения
- Изменения направления
- Деформационные швы
Петли расширения
Компенсационные петли для трубопроводов являются предпочтительным выбором для большинства сантехников.
- U-образная форма расположена посередине трубы, а ее центр закреплен скобой.
- Каждая сторона участка трубы, входящего в «U», подвешена подвеской или направляющей, что позволяет трубе двигаться вперед и назад.
По мере изменения длины входящей трубы отверстие «U» сужается или расширяется по мере необходимости. Две стороны буквы «U» достаточно гибкие, чтобы обеспечить это движение. Длина сторон определяется длиной участка трубы.
На приведенной выше анимации L представляет собой общую длину петли, где 2/5L представляет собой каждую вертикальную часть, а 1/5L представляет собой горизонтальное поперечное сечение, в котором размещается ограничитель.
Расширение смещения
Смещения на расширение используются, когда труба должна проходить мимо стационарных конструкций. По мере расширения трубы верхние и нижние колена будут вдавливаться внутрь, в результате чего вертикальная длина отклоняется вправо. При сокращении вертикальная труба наклоняется влево.
На изображении выше L представляет собой общую длину смещения от подвески или направляющей на одном конце до противоположного. 1/4L означает расстояние от подвески или направляющей до ближайшего колена. 1/2L представляет собой перпендикулярный участок трубы.
Изменения в направлении
Все трубопроводные системы, естественно, включают изменения направления, которые также можно использовать в качестве механизмов отклонения. В конце длинного участка трубы угловой отвод и прилегающая к нему труба допускают некоторое перемещение.
Используя изображение выше, L представляет собой расстояние от колена до подвески или направляющей.
Температурный шов
Этот механизм часто используется в узких, закрытых помещениях, где трудно включить компенсационную петлю или смещение. Действуя как амортизатор, компенсаторы позволяют трубе свободно перемещаться внутри другой трубы, сохраняя при этом необходимое уплотнение. Однако это более дорогой вариант и часто используется в крайнем случае.
Рекомендации по конфигурации отклонения
При учете теплового расширения и сжатия важно следовать передовым методам, в том числе:
- Компенсационные петли должны состоять из прямой трубы и колен 90°, склеенных вместе растворителем.
- Избегайте ограничения естественного движения трубы в направлении расширения и сжатия.
- Всегда оставляйте достаточное расстояние между локтями и вешалками/ограничителями.
- Всегда сверяйтесь с местными нормами и инструкциями производителя.
Рассчитайте размеры расширительного контура для вашей системы трубопроводов
Калькулятор расширения трубы Flowguard из ХПВХ — это бесплатный инструмент, помогающий сантехникам рассчитать линейное расширение трубы и получить необходимые размеры для компенсационного контура. Нажмите ниже, чтобы получить доступ к калькулятору.
Если у вас есть вопросы или вы хотите узнать больше о трубах и фитингах FlowGuard, свяжитесь с одним из наших консультантов по трубопроводным системам.
