Obliczenia wytrzymałościowe sieci cieplnych i przewodów instalacyjnych

Spis treści

Przedmowa do Wydania II / 6
Przedmowa / 7

1. Obliczeniowy model rurociągu / 11
1.1. Opracowanie schematów elementów konstrukcyjnych / 12
1.2. Schematy oddziaływań zewnętrznych / 14
1.3. Charakterystyczne błędy przyjmowanych schematów / 17

2. Modelowanie podpór / 29
2.1. Definicje więzów / 29
2.2. Więzy jednokierunkowe i dwukierunkowe / 31
2.3. Unieruchomienie punktu w przestrzeni / 31
2.4. Obliczeniowe modele rzeczywistych konstrukcji podpór / 34
2.4.1. Podpora przegubowo-przesuwna (ruchoma) / 34
2.4.2. Podpora przegubowo-nieprzesuwna (nieruchoma) / 35
2.4.3. Podpora nieprzesuwna (sztywna) / 35
2.4.4. Kierująca podpora przegubowo-przesuwna (prowadnica) / 37
2.4.5. Ruchoma podpora z bocznymi ogranicznikami / 40
2.4.6. Sprężyste podpory i zawieszenia / 41
2.4.7. Podpory stałosiłowe / 45
2.5. Model rurociągu obsypanego gruntem / 49
2.6. Standardowe podpory przewodów w programach komputerowych / 50
2.7. Wnioski / 51

3. Modelowanie kompensatorów / 53
3.1. Element falisty – sylfon / 53
3.2. Konstrukcje kompensatorów na bazie sylfonu / 53
3.3. Modele obliczeniowe kompensatorów / 57
3.3.1. Więzy wewnętrzne / 57
3.3.2. Kompensatory osiowe / 59
3.3.3. Kompensatory przesuwne / 60
3.3.4. Kompensatory kątowe / 62
3.3.5. Kompensatory uniwersalne / 67
3.4. Dobór kompensatorów / 69
3.4.1. Standardowe kompensatory w programach komputerowych / 69
3.4.2. Dane do obliczania kompensatorów w programach komputerowych / 70
3.5. Uwagi końcowe / 71

4. Połączenia trójnikowe / 75
4.1. Dopuszczalne wartości ciśnienia w trójnikach / 75
4.2. Naprężenia spowodowane dodatkowymi obciążeniami / 78
4.3. Ograniczenia w projektowaniu odgałęzień związane z wykorzystaniem programów komputerowych / 83

5. Metody obliczania rurociągów / 85
5.1. Dopuszczalne naprężenia i ocena wytrzymałości / 85
5.2. Ogólne zasady korzystania z programów komputerowych / 91
5.3. Współczynniki wytrzymałości połączeń spawanych / 92
5.4. Sumaryczny dodatek do grubości ścianki / 92
5.5. Dopuszczalne obciążenia urządzeń technologicznych / 94
5.5.1. Dopuszczalne obciążenia króćców pomp / 94
5.5.2. Dopuszczalne obciążenia króćców aparatów wykonanych z blachy (wieże, zbiorniki, wymienniki ciepła) / 98
5.6. Szczegółowe problemy obliczania wytrzymałości magistralnych przewodów / 99

6. Podstawy projektowania rurociągów sieci cieplnych / 105
6.1. Zakres stosowania współczesnych preizolowanych konstrukcji sieci cieplnej / 105
6.2. Specyfika zachowania się przewodów obsypanych gruntem / 107
6.3. Zniszczenie termiczne i wytrzymałość zmęczeniowa / 111
6.4. Dopuszczalne osiowe naprężenia w wyniku nagrzania / 117
6.5. Ocena wytrzymałości przewodów w systemie programowym „Start” / 118
6.6. Korozja przewodów sieci cieplnych z powiększoną grubością ścianek / 121
6.7. Połączenia trójnikowe / 123
6.8. Nomogramy obliczeń bezkanałowych sieci cieplnych / 128
6.9. Zastosowanie stref kompensacyjnych / 133
6.10. Obciążenia obliczeniowe / 135
6.11. Zastosowanie kompensatorów jednorazowych i osiowych / 137
6.12. Wytrzymałość izolacji z pianki poliuretanowej i dopuszczalna głębokość układania / 141
6.13. Rzeczywista konstrukcja i model komputerowy / 144
6.14. Obliczanie wytrzymałości giętkich przewodów bezkanałowych sieci cieplnych / 150
6.15. Nomogramy dla sieci cieplnych tradycyjnych konstrukcji / 153
6.16. Odległości między podporami ruchomymi / 157

7. Analiza i interpretacja wyników / 165
7.1. Rodzaje błędów / 165
7.2. Interpretacja wyników / 168
7.3. Analiza obciążeń i przemieszczeń / 170
7.4. Wnioski / 176

8. Niestandardowe pytania / 179
8.1. Dopuszczalne ugięcie – ważniejsza charakterystyka sztywności / 179
8.2. Wartość dopuszczalnego naprężenia podczas prób ciśnieniowych / 181
8.3. Dlaczego przyjęty według norm trójnik nie wytrzymuje ciśnienia w eksploatacji? / 182
8.4. W jakich przypadkach normy ograniczają możliwość oceny wytrzymałości trójników? / 186

Literatura / 189
Literatura uzupełniająca / 194
Załącznik / 195

Przedmowa do Wydania II

Minęło już ponad 10 lat od ukazania się I wydania tej książki. Czas ten potwierdził słuszność decyzji podjętej przez Autorów o przygotowaniu publikacji „Obliczenia wytrzymałościowe sieci cieplnych i przewodów instalacyjnych”. Monografia porusza wciąż aktualną tematykę z zakresu obliczeń wytrzymałościowych i hydraulicznych sieci cieplnych, instalacji sanitarnych i technologicznych, a także trwałości rurociągów, gdzie występują zmienne warunki pracy.

Popularność monografii stała się także sprawdzianem pomysłów, jak i logicznego powiązania między sobą podstaw teoretycznych i praktycznych, obliczeniowych metod w zakresie projektowania, konstruowania oraz eksploatacji użytkowanych w zmiennych warunkach cieplnych systemów rurociągowych. Każdy rozdział o charakterze praktycznym zawiera liczne przykłady obliczeń.

Dlatego książka cieszy się dużą popularnością nie tylko wśród studentów Politechniki Koszalińskiej, ale także na innych uczelniach technicznych oraz w środowisku projektantów i wykonawców instalacji oraz systemów budowlanych.

Jednak nie tylko wyczerpanie nakładu I wydania spowodowało prace Autorów nad niniejszym II wydaniem. Każdy dział nauki i techniki wciąż się rozwija. Podstawy teoretyczne mechaniki budowli i wytrzymałości materiałów pozostały raczej niezmienne. Opracowuje się jednak nowe metody obliczeń komputerowych i statystycznych, wciąż gromadzone są dane badań doświadczalnych, pojawiają się nowe rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe, ukazuje się nowa literatura źródłowa. Nie bez znaczenia są także zmieniające się normy i przepisy budowlane.

Zadaniem Autorów było uwzględnienie niezbędnych zmian, nie zaburzając ogólnego układu monografii i logicznego powiązania przedstawianych w niej treści. Usunięto zauważone błędy i poprawiono wygląd rysunków. Mamy nadzieję, że sprostaliśmy temu wezwaniu.

Pani Redaktor Naczelnej Wydawnictwa Politechniki Koszalińskiej Agnieszce Czajkowskiej serdecznie dziękujemy za możliwość nowego wydania monografii i prowadzenie całego procesu wydawniczego.

Autorzy

Przedmowa

Obliczanie wytrzymałości i sztywności rurociągów o różnym przeznaczeniu jest bardzo odpowiedzialnym zadaniem działalności inżynierskiej. Zależna od tego koszty i niezawodność zaopatrzenia ludności lub procesów technologicznych w różne media. Często w nierozerwalny dla nas sposób związane z tym jest nasze bezpieczeństwo, a niekiedy i samo życie. Jednym z najbardziej skomplikowanych zagadnień inżynierskich jest projektowanie przewodów sieci cieplnych, zwłaszcza transportujących czynnik grzejny o wysokich parametrach lub wysokoprężną parę wodną.

Do takich obliczeń tradycyjnie wykorzystywane są ogólne zasady mechaniki budowli. Metody te są dobrze znane specjalistom zajmującym się projektowaniem konstrukcji budowlanych. Dla studentów kierunku „Budownictwo” i projektantów opracowano wiele programów dydaktycznych, podręczników, poradników i skryptów.

Posiadanie wiedzy w zakresie mechaniki budowli niewątpliwie ułatwia rozwiązywanie zagadnień konstruowania rurociągów, jednak występuje w tym zakresie sporo specyficznych różnic, które nie są charakterystyczne dla konstrukcji budowlanych. Rurociąg jednocześnie jest naczyniem ciśnieniowym i konstrukcją budowlaną, która sami przyjmuje oddziaływujące na nią obciążenia a zarazem przekazuje je na podpory i inne konstrukcje budowlane. Wynikająca z tego różnica jest na tyle duża, że można śmiało mówić o specjalnym dziale wiedzy pod tytułem „Mechanika rurociągów”.

Można z przykrością stwierdzić, że obecna sytuacja w zakresie konstruowania rurociągów pozostawia wiele do życzenia – specjalistów o takim profilu dzisiaj praktycznie się nie kształci. Brakuje odpowiednich podręczników, programów dydaktycznych i poradników. Konstruowaniem rurociągów zajmują się inżynierowie różnego profilu (sądząc po kierunku wykształcenia) – mechanicy, technolodzy, specjaliści techniki cieplnej i inżynierii środowiska, itp. Doświadczenie i wiedzę z reguły nabywa się w pracy, od starszych kolegów na zasadzie „Rób, jak ja”. Bagaż teoretyczny w takim przypadku jest znikomy, ponieważ taka wiedza ograniczona jest w większości przypadków umiejętnościami wykorzystania nomogramów i prostych wzorów, pozyskiwanych z różnych źródeł, i nie zawsze w pełni wiarygodnych.

Wydawałoby się, że możliwości techniki komputerowej powinny w znacznym stopniu ułatwić pracę projektanta – inżyniera, czy konstruktora rurociągu, ponieważ programy komputerowe umożliwiają prowadzenie obliczeń wytrzymałościowych złożonych konstrukcji przestrzennych. Jednak w rzeczywistości nie zawsze tak jest. Żeby w sposób właściwy wykorzystać program komputerowy niezbędna jest gruntowna wiedza teoretyczna. Niniejsza monografia ma na celu wypełnić wymienione wyżej luki i w pewnym sensie zainicjować nowy nurt w kierunku podwyższenia kwalifikacji inżynierów zajmujących się projektowaniem sieci cieplnych i rurociągów technologicznych.

Z doświadczenia autorów wynika, że najtrudniejszymi zagadnieniami projektowania rurociągów sieci cieplnych oraz instalacji sanitarnych i technologicznych są:
– opracowanie schematu realnej konstrukcji rurociągu;
– prawidłowy wybór modelu obliczeniowego;
– inżynierska analiza wyników obliczeń;
– podjęcie decyzji o potrzebnych środkach, pozwalających zmniejszyć obliczeniowe obciążenia i naprężenia.

Jeśli po przestudiowaniu niniejszej monografii Czytelnik potrafi odpowiedzieć na poniżej przedstawiony zbiór pytań, to można uznać, że osiągnięty został cel książki:

1. Na czym polega różnica między modelem obliczeniowym a rzeczywistą konstrukcją obciążonego rurociągu?
2. Na czym polega różnica między sztywną („martwą”) a przegubowo nieruchomą podporą oraz którą z tych podpór korzystniej jest przyjąć, oceniając wytrzymałość rurociągu?
3. Jak zdefiniować pojęcia obliczeniowej temperatury oraz temperatury montażowej, niezbędnych w obliczeniu kompensacji wydłużeń termicznych?
4. Jaki model obliczeniowy wykorzystuje się określając grubość ścianki przewodu sieci cieplnej?
5. Czy jest sumaryczny dodatek do obliczeniowej grubości ścianki przewodu sieci cieplnej?
6. Jak określa się dopuszczalne ugięcie rurociągu sieci cieplnej, układanego w różny sposób?
7. Czym jest krocze i magistrala w trójniku zakrzywionym?
8. Jak zdefiniować pojęcie podatności na uszkodzenia i jednostkę jej miary?
9. Czy przewód wykonany z tego samego materiału może mieć różne dopuszczalne naprężenia?
10. Na czym polega różnica między kompensatorem kątowym (obrotowym) a przesuwnym?

Ze względu na poruszane w monografii zagadnienia, można podzielić ją na trzy części:

1. W rozdziałach 1–4 szczegółowo omówiono teoretyczne podstawy konstruowania rurociągów, począwszy od opracowania modelu obliczeniowego, ustalenia obciążeń, aż do pokazania, że układ rurociągów składa się z przewodów, konstrukcji budowlanych, kompensatorów, a także rozmaitych podpór i zamocowań w tym układzie.
2. W rozdziałach 5 i 6, w oparciu o powyższe podstawy teoretyczne, przedstawiono kolejno: zasady konstruowania rurociągów o przeznaczeniu technologicznym, a także przewodów sieci cieplnych, jako jednego z najtrudniejszych elementów projektowania w ciepłownictwie.
3. W rozdziałach 7 i 8 omówiono zagadnienia, które są szczególnie ważne po zakończeniu wykonywania obliczeń inżynierskich, zwłaszcza kiedy wykonuje się je przy pomocy programów komputerowych, a projektant widzi tylko „martwe” wydruki wyników obliczeń. Jest to przyczyną zagadnień dotyczących analizy uzyskanych wyników, a niekiedy pozbawionych sensu fizycznego. Następnie przedstawiono rozwiązania zagadnień nietypowych, ponieważ żaden program komputerowy, nawet najbardziej zaawansowany, nie może objąć całej rozmaitości możliwych układów, a doświadczenie projektanta w tym przypadku jest nie do zastąpienia.

Przy opracowaniu monografii autorzy starali się zachować równowagę w przekazaniu informacji między podejściem teoretycznym a ich praktycznym zastosowaniem. Dlatego w książce nie zabrakło przykładów obliczeniowych, rozwiązań rozpatrywanych zagadnień, zamieszczono również tabele danych niezbędnych do obliczeń. Szczególną uwagę zwrócono na zastosowanie programów komputerowych służących do konstruowania i projektowania rurociągów o różnym przeznaczeniu.

Podczas opracowania książki z dziedziny budownictwa i inżynierii środowiska trudno jest nadążyć za bardzo szybkim postępem technicznym w tym zakresie, zmianami norm i przepisów oraz opracowaniem coraz to nowszych programów komputerowych. Dlatego zamieszczone w książce dane z zakresu materiałoznawstwa mają charakter doradczy i ilustracyjny, a zastosowane programy demonstrują ogólne możliwości, jakie stwarza obecnie technika komputerowa.

Monografia przeznaczona jest dla bardzo szerokiego grona czytelników: specjalistów zajmujących się projektowaniem, budową i eksploatacją rurociągów technologicznych, instalacyjnych i magistralnych oraz sieci cieplnych.

Książka wypełni także poważny brak w literaturze źródłowej dla studentów kierunku Inżynieria Środowiska, Energetyka Cieplna i pokrewnych kierunków inżynierskich i magisterskich. Może ona służyć jako podręcznik przedmiotów „Sieci i Centrale Cieplne”, „Sieci i Instalacje sanitarne”, „Instalacje gazowe”, „Ogrzewnictwo”, „Wentylacja i Klimatyzacja”, jak również stanowić pomoc dla uczniów szkół zawodowych i techników uczących się przedmiotów zawodowych związanych z wykorzystaniem różnego rodzaju układów rurociągowych.

Wyrazy podziękowania autorzy składają opiniodawcom: Panu Prof. dr hab. inż. Tomaszowi Z. Błaszczyńskiemu i Panu Prof. dr hab. inż. Anatolijowi Wołkowowi za wnikliwą i pouczającą recenzję.

Na słowa wdzięczności zasługują także studenci Politechniki Koszalińskiej i współpraca z nią Uniwersytetu Budownictwa i Architektury w Sankt Petersburgu. Ścisła współpraca ze środowiskiem studenckim była bardzo przydatna, zarówno w opracowaniu książki, jak i doskonaleniu procesu dydaktycznego.

Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie