Устройство скользящих опор трубопроводов

Опора трубопровода — конструктивный элемент, защищающий трубу от повреждений в месте контакта с опорной конструкцией и служащий для удержания трубопровода в проектном положении. Опоры служат для восприятия действующих на трубопровод нагрузок и их передачи на строительные конструкции. В некоторых случаях опоры применяют для устранения вибраций, и регулирования усилий и напряжений в трубопроводе [1] .

Содержание

Терминологическая неопределенность [ править | править код ]

Для обозначения предмета настоящей статьи основная часть источников оперирует термином «опора». Другие [2] [3] применяют термин «опорная часть», используя термин «опора» для определения строительной конструкции от фундамента до трубопровода. В настоящей статье термин «опора» обозначает конструктивный элемент трубопровода, определяемый требованиями ГОСТ 22130-86.

Назначение и конструкция [ править | править код ]

По назначению опоры чаще всего делят на подвижные [4] и неподвижные [5] , но многие конструктивные типы опор применяются как для подвижного, так и неподвижного закрепления трубопровода [6] .

Под неподвижными опорами обычно понимают шарнирно-неподвижные и абсолютно-неподвижные («мёртвые») опоры. Первые препятствуют линейным перемещениям трубопровода, вторые — линейным и угловым [1] .

Подвижная опора обеспечивает проектное положение трубопровода и расчётное перемещение относительно опорной конструкции с заданными характеристиками подвижности (см. ниже). Подвеска трубопровода — подвесная опора с местом крепления к опорной конструкции, расположенным выше оси трубопровода.

Для обозначения конструктивных типов опор применяются сокращенные наименования. Наиболее распространенные обозначения:

• ВП — вертикальных трубопроводов приварная (опора);
• КН — катковая направляющая;
• КП — корпусная приварная;
• КХ — корпусная хомутовая;
• ОПБ — опора подвижная бескорпусная;
• ОПП — опора подвижная приварная;
• ОПХ — опора подвижная хомутовая;
• ПГ — подвеска с одной тягой, регулируемой гайками;
• ПГ2у — подвеска с двумя тягами, регулируемыми гайками, и опорной балкой из угловой стали;
• ПГ2ш — подвеска с двумя тягами, регулируемыми гайками, и опорной балкой из швеллеров;
• ПГВ — подвеска с двумя тягами, регулируемыми гайками для вертикальных трубопроводов;
• ПМ — подвеска с одной тягой, регулируемой муфтой;
• ПМ2у — подвеска с двумя тягами, регулируемыми муфтами, и опорной балкой из угловой стали;
• ПМ2ш — подвеска с двумя тягами, регулируемыми муфтами, и опорной балкой из швеллеров;
• ПМВ — подвеска с двумя тягами, регулируемыми гайками для вертикальных трубопроводов;
• ТО — трубчатая крутоизогнутых отводов;
• ТП — тавровая приварная;
• ТР — трубчатая;
• ТХ — тавровая хомутовая;
• УП — уголковая приварная;
• ХБ — хомутовая бескорпусная;
• ШП — швеллерная приварная.

Области применения, конструктивное исполнение и характеристики опор регламентируются нормативными документами.

Нормативный документ	Область применения	Типы опор
ГОСТ 14911-82 (не действующий в РФ)	Стальные подвижные опоры стальных технологических трубопроводов различного назначения с наружным диаметром от 18 до 1620 мм, транспортирующие рабочую среду температурой от 0 до плюс 450°С и давлением до 10 МПа.	ОПП1, ОПП2, ОПП3, ОПХ1, ОПХ2, ОПХ3, ОПБ1, ОПБ2
ГОСТ 16127-78 (не действующий в РФ)	Подвески стальных трубопроводов различного назначения с условным проходом от 25 до 500 мм, транспортирующих рабочую среду с температурой от 0 до 450°С и давлением до 100 кг/см2.	ПГ, ПМ, ПМ2ш, ПГ2у, ПМ2у, ПГВ, ПМВ
ОСТ 108.275.24-80	Опоры трубопроводов ТЭС и АЭС из бесшовных и электросварных труб из сталей разных марок наружным диаметром от 57 до 1420 мм, работающих под давлением 0,98-37,3 МПа с температурой рабочей среды 145-560°С; из .	Все типы
ОСТ 24.125.154-01	Опоры скользящие трубопроводов ТЭС и АЭС из хромомолибденованадиевых сталей наружным диаметром от 57 до 920 мм с температурой рабочей среды до 560°С; из углеродистой и кремнемаганцевистых сталей наружным диаметром от 57 до 820 мм с температурой рабочей среды до 440°С; из сталей аустенитного класса наружным диаметром от 57 до 325 мм с температурой рабочей среды до 440°С.	Хомутовые опоры без различения на типы
ОСТ 36 94-83	Стальные подвижные опоры стальных технологических трубопроводов различного назначения с наружным диаметром от 18 до 1620 мм, транспортирующие рабочую среду температурой от 0 до плюс 450°С и давлением до 10 МПа.	Те же, что и в ГОСТ 14911-82
ОСТ 36 104-83	Стальные подвижные опоры стальных хладопроводов с наружным диаметром от 133 до 760 мм, транспортирующие рабочую среду температурой от минус 70°С до плюс 10°С и давлением до 9.81 МПа.	Хомутовые опоры без различения на типы
ОСТ 36-146-88	Стальные подвижные и неподвижные опоры стальных технологических трубопроводов с наружным диаметром от 57 до 1420 мм, транспортирующие рабочую среду давлением до 10 МПа.	ТП, ТХ, КП, КХ, ТП, ШП, УП, ХБ, ТО, ВП, КН
ТУ 1468-002-92040088-2011	Опоры, подвесные системы и блочно-модульные конструкции для технологических, магистральных и промысловых трубопроводов диаметрами от 18 до 1620 мм с рабочим давлением до 32 МПа	Опоры обвязки газоперекачивающих аппаратов, магистральных трубопроводов, технологических трубопроводов.
ТУ 1468-012-04698606-14 (взамен утратившего силу ТУ 3680-001-04698606-04)	Стальные подвижные опоры стальных технологических трубопроводов различного назначения с наружным диаметром от 18 до 1620 мм, транспортирующие рабочую среду температурой от 0 до плюс 450°С и давлением до 10 МПа при температуре окружающей среды до минус 70°С.	Те же, что и в ОСТ 36-146-88, ГОСТ 14911-82, ОСТ 36 94-83, Серия 4.903-10 Выпуски 4 и 5
ТУ 1468-001-00151756-2015	Узлы опорные скольжения низкого трения для технологических трубопроводов, трубопроводов пара и горячей воды условным диаметром от 100 до 1400 мм, транспортирующих рабочую среду температурой от 0 до плюс 450°С и давлением до 10 МПа при температуре окружающей среды до минус 70°С с коэффициентом трения – не более 0,06.	Те же, что и в ОСТ 36-146-88, ОСТ 24.125.154-156
Серия 4.903-10 Выпуск 4	Неподвижные опоры для трубопроводов тепловых сетей с наружным диаметром от 57 до 1420 мм.	Т3-Т12, Т44, Т46
Серия 4.903-10 Выпуск 5	Подвижные (скользящие, катковые и шариковые) опоры для трубопроводов тепловых сетей с наружным диаметром от 32 до 1420 мм.	Т13-Т21, Т43
Серия 4.903-10 Выпуск 6	Подвесные (жесткие и пружинные) опоры для трубопроводов тепловых сетей с наружным диаметром от 32 до 1420 мм.	Т22-Т29, Т41, Т42
Т-ММ-26-99	Подвижные, неподвижные и подвесные опоры для стальных трубопроводов условным диаметром от 15 до 1000 мм, транспортирующих рабочую среду температурой от 0 до минус 150°С и давлением до 10 МПа при температуре окружающей среды не ниже минус 50°С.	ОСС, ОНС, ПС
НТС 65-06	Подвижные и направляющие опоры для трубопроводов тепловых сетей канальной прокладки условным диаметром от 100 до 1000 мм в пенополиуретановой изоляции с полиэтиленовой оболочкой.	ПО, НПО

Практически все конструктивные типы опор трубопроводов допускают применение их в качестве неподвижных. Исключение составляют катковые, шариковые опоры, узлы опорные по ТУ 1468-001-00151756-2015 и вертикально подвижные опоры. Ряд конструктивных решений в различных нормативных документах сходны до неразличимости. В более поздние нормативные документы многие "новые" конструктивные типы опор введены без ссылок на предшествующие НТД. [7] .

Характеристики подвижности [ править | править код ]

Подвижные опорные части должны выполнять одновременно несколько функций. Прежде всего, они передают усилия опорной реакции трубы на несущую конструкцию. Желательно, чтобы место приложения вертикальной составляющей опорной реакции не изменялось. В противном случае приходится усложнять решение несущей конструкции. Кроме того, конструкция опорной части должна обеспечивать такое опирание трубы, чтобы напряжения в стенках последней были минимальными [8] .

Необходимость в подвижности опор вызывается перемещением трубопровода под действием теплового расширения. Неподвижные опоры передают продольные нагрузки от трубопровода анкерным несущим конструкциям. Подвижные опоры устанавливают на промежуточные несущие конструкции, предназначенные для передачи вертикальных нагрузок. Горизонтальные нагрузки на промежуточные несущие конструкции пропорциональны коэффициенту трения в подвижных опорах трубопровода.

Горизонтальная подвижность [ править | править код ]

Продольно-подвижные опоры (катковые и скользящие направляющие) обеспечивают перемещения трубопровода вдоль оси. Шариковые и скользящие опоры обеспечивают подвижность, как в продольном, так и в поперечном к оси трубопровода направлении.

Расчётная сила трения одного трубопровода по опоре определяется умножением расчётной вертикальной нагрузки от этого трубопровода на коэффициент трения, принимаемый равным в опорных частях [9] :

• скользящих «сталь по стали» — 0,3;
• катковых — вдоль оси трубопровода — 0,1; не вдоль оси — 0,3;
• скользящих «сталь по бетону» — 0,5;
• скользящих «сталь по фторопласту» — 0,1.

Детальные исследования сил сопротивления перемещениям в скользящих опорах «сталь по стали» показали, что среднее значение коэффициента трения находится в пределах 0,5—0,6, а максимальное может превышать 0,7. При испытаниях было отмечено, что башмак опирается на опорный лист крайне неравномерно; это приводит к возникновению больших контактных напряжений, что вызывает царапание, задиры металла и, естественно, сильно увеличивает сопротивление сдвигу [10] .

Специально поставленные эксперименты показали, что при проектном положении катка величина коэффициента трения составляет 0,01—0,03 — это на порядок ниже нормируемого (0,1). Ржавление и засорение опорного листа песком приводит к увеличению коэффициента трения до 0,04—0,08. Перекос и упор в направляющие не приводит к остановке катка или проворачиванию его на месте; каток продолжает перемещаться относительно опорного листа, но коэффициент трения возрастает до 0,1—0,17 [11] .

Коэффициент трения фторопласта-4 в паре с твердым контртелом изменяется от исчезающе малых значений до 0,3. Значение коэффициента трения увеличивается с увеличением скорости скольжения, уменьшении давления и снижении температуры. При скорости скольжения не более 1 мм/с, давлении в пределах 100—400 кг/см 2 и интервале температур от минус 60°С до 40°С в литературе указывается диапазон изменения значений коэффициента трения 0,008—0,15 [12] . ТУ 1468-001-00151756-2015 ограничивает коэффициент трения в узлах опорных скольжения низкого трения (УОСНТ) величиной 0,06 при любых эксплуатационных нагрузках.

Вертикальная подвижность [ править | править код ]

В технологических трубопроводных системах, которым свойственно не только горизонтальное, но и вертикальное расположение трубопроводов, тепловое расширение приводит к перемещениям трубопровода в вертикальном направлении. Вертикальная подвижность обеспечивается пружинными упругими опорами переменного усилия и опорами постоянного усилия.

Пружины упругих опор регулируются так, чтобы в рабочем состоянии трубопровода опоры воспринимали собственный вес трубопровода (с изоляцией и продуктом). На практике это требование сводится к обеспечению нулевых прогибов от веса в горячем трубопроводе [13] . В упругих опорах вертикальная сила меняется пропорционально перемещению грузонесущей части.

Основным элементом одного из распространенных типов опор постоянного усилия является рычажно-пружинный механизм, который обеспечивает незначительное изменение величины сжатия пружины в определённом интервале перемещений [14] . Другие конструктивные решения опор постоянного усилия основаны на использовании дополнительных пружин, действующих на грузонесущую часть через кулачки и рычаги с криволинейными поверхностями. Дополнительное воздействие приводит к выравниванию линейной характеристики основной пружины: грузонесущая сила в определённом диапазоне перемещений грузонесущей части становится постоянной.

Контроль состояния и предотвращение аварийности [ править | править код ]

В 2019 году российские учёные из Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ) Сибирского отделения РАН разработали технологию, позволяющую с помощью изучения акустических шумов следить за состоянием опор трубопроводов. Данный метод подходит также для оценки надежности опор мостов и строительных балок [15] . Изучение акустических шумов, снимаемых со стенок трубопровода, позволяет отслеживать возможное ослабление опорных конструкций, по которым проложен трубопровод, и своевременно предотвращать возможные аварии. Метод, разработанный российскими учёными, позволяет определить снижение устойчивости опор на самой ранней стадии [16] . Метод основан на измерении акустических характеристик в пролётах труб с помощью вертикального геофона и одноканальных цифровых регистраторов. Методика анализа проста, дёшева и не требует существенных затрат вычислительных мощностей [17] .

Опора и подвеска — это специальные конструкции, изготовляются из стали. Трубопроводы создают различные осевые напряжения. Воспринять эти силы, основная задача применяемых металлоконструкций. Они используются при монтаже различных типов трубопроводов, применяемых на атомных станциях, при передачи нефтепродуктов, газа, а также в сфере ЖКХ.

Воспринять эти силы, основная задача применяемых металлоконструкций. Они используются при монтаже различных типов трубопроводов, применяемых на атомных станциях, при передачи нефтепродуктов, газа, а также в сфере ЖКХ.

Разновидности опор по применению

• Неподвижные опоры. Этот вид опор характерезуется жестким креплением к трубе. Сами крепления, привариваются к опорной площадке.
• Подвижные опоры. Эта разновидность, крепиться непосредственно на трубопроводе, при этом, фиксация с опорной площадкой отсутствует. Такое крепление, позволяет трубопроводу двигаться вдоль своей оси, а так же в поперечном направлении.
• Скользящие опоры, представляют собой разновидность подвижных опор, позволяющих двигаться трубопроводу по всем направлениям.

Наиболее распространёнными и часто применяемыми опорами, являются скользящие.

Особенности

Главное отличие скользящих опор от неподвижных, заключается в том, что они могут принимать на себя как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки. При этом, износ трубопровода, минимизирован.

Классификация

Данные элементы трубопроводов используются в зависимости от технологии установки и конструктивных особенностей:

Корпусные хомутовые изделия

Они могут быть представлены как подвижными, так и неподвижные опорами трубопроводов. Их можно разделить на элементы с хомутом плоского и круглого типа. Первый тип, применяется только для стальных конструкций. Опоры с круглым хомутом, можно применять как для стальных, так и для изолированных трубопроводов. Также к данном типу изделий относят бугельные опоры,имеющие рёбра жесткости.

Корпусная приварная опора

Характерезуется простым монтажом. Кроме того, она отличается невысокой стоимостью. Применяется преимущественно для конструкций из стали. Она может быть как неподвижной, так и скользящей

Щитовые

Такие опоры, применяются для закрепления вертикальных участков. Их монтаж производится с помощью сварки. Чаще всего применяются там, где нужны прохождение через стену. Их относят к неподвижным опорам.

Крутоизогнутые опоры

Они устанавливается под изгиб трубопровода. Могут быть и мобильные, и неподвижные. Также применяются в качестве крепления оборудования.

Бескорпусные

К ним относятся неподвижные и подвижные опоры трубопроводов. Последние характерезуются свободным перемещением конструкций, первые соединяются с основанием с помощью сварки. Такие изделия ещё называют хомутовыми направляющими.

Прокладка и монтаж трубопроводов — сложная инженерная задача. Характеристики и расположение опорных конструкций, принимающих на себя нагрузку от трубопровода вместе с транспортируемым веществом, имеют большое значение для надёжной работы системы. Важным элементом этой системы является скользящая опора под трубопроводы, которая поддерживает трубу, позволяя ей перемещаться вдоль и поперёк своей оси.

Предназначение конструкций

Трубопроводные системы являются оптимальным способом доставки на перерабатывающие предприятия таких видов сырья, как газ и нефть. При этом способе важна надёжность системы. Необходимо серьёзно подходить к безопасности. Наличие скользящих опорных конструкций увеличивает безопасность эксплуатации в целом.

Конструкции поддерживают трубопроводную систему, воспринимают статические нагрузки от массы труб и заполняющих их технологических продуктов (весовая нагрузка). Эти нагрузки должны распределяться по всей длине трубопровода равномерно, чтобы не допускать повышенных напряжений в отдельных участках. Ещё происходит изменение линейных размеров, связанное с изменением температуры окружающей среды и температуры транспортируемого вещества.

При прокачке трубопроводные системы могут испытывать крутящие моменты, поперечные и вибрационные нагрузки. Опорные конструкции предназначены для того, чтобы воспринимать и перераспределять эти нагрузки. По применению различают следующие виды:

1. Неподвижные. Исключают перемещение трубы. Элементы привариваются к опорной поверхности.
2. Подвижные. Закрепляются на трубе и могут перемещаться относительно опорной площадки, обеспечивая необходимые расчётные параметры.
3. Скользящие опоры под трубопроводы — это один из видов подвижных опорных конструкций. Они обеспечивают продольное перемещение труб, а также поперечные перемещения на заданное расстояние.

Элементами конструкций являются скользящие и катковые опоры, крепёжные детали, хомуты.

Виды скользящих опор

Скользящие опоры обычно изготавливаются из металла. Основные части опорных конструкций — основание, стойки и полукруглый держатель (ложемент). Для основания используется швеллер или уголок. Имеется несколько видов опор:

1. Опора скользящая хомутовая для трубопроводов. Труба крепится к опоре хомутами. Под основание подкладывают прокладки, защищающие изоляционное покрытие.
2. Шариковая. Применяется в трубопроводах для компенсации поперечного движения.
3. Роликовая. Позволяет движение вдоль продольной оси в случаях температурного расширения и сжатия.
4. Диэлектрическая. Паронитовые прокладки под основанием труб защищают трубопровод от блуждающих токов.
5. На металлических кронштейнах. Обеспечивает перемещение трубы в направлении, заданном конструктивно.

Скользящие опоры трубопроводов — способ решить часть проблем, связанных с усадкой, но не только их.

Опорные конструкции поддерживают трубопровод и принимают на себя вертикальные нагрузки. Опоры этого типа привариваются к трубе, чтобы уменьшить стирание поверхности трубы при смещениях. Если этого не сделать, то в зазор между трубой и опорой смогут попадать абразивные частицы и пыль. Это приведёт к истончению стенки трубы, что может вызвать аварию.

Применение в хозяйственной деятельности

Скользящие опоры защищают изоляционное покрытие трубопроводов и значительно увеличивают срок службы системы. Они применяются в трубопроводных системах, транспортирующих продукцию различных отраслей:

1. В нефтяной и газовой промышленности.
2. В магистральном теплоснабжении.
3. В жилищно-коммунальном хозяйстве.
4. На промышленных предприятиях.
5. При создании инженерных коммуникаций с необходимостью продольного перемещения трубы.
6. Обслуживают АЭС и ТЭЦ.

Области применения разных видов регламентированы нормативными документами, где указаны способы использования различных конструкций, чертежи, нормы и стандарты их применения.

Установка скользящих опорных конструкций

Расстояние между скользящими опорами определяется в соответствии с предназначением трубопроводных систем и на основании расчётов на прочность и прогиб. Величина пролёта определяется в зависимости от способа прокладки, параметров транспортируемого вещества и диаметра трубопровода. Учитываются весовые, ветровые и другие внешние нагрузки. Монтаж подвижных опор производится перед протягиванием труб в футляры. Это делается для того, чтобы не нанести повреждения заводской изоляции. Для уменьшения трения на соприкасающиеся поверхности наносится графитовая смазка. Участки повреждённой при сварке изоляции закрашиваются.

Важность применения скользящих опорных конструкций доказана теорией и практикой проектирования и эксплуатации огромного числа работающих трубопроводов. Накоплен большой опыт применения, создано много нормативных документов, упрощающих проектирование трубопроводных систем. Но важность задачи требует внимательного отношения и квалифицированного подхода.