Оптимизация нагрузок на трубопроводные системы Часть III
Силы реакции гидравлического давления
Давление в трубе вызывает ее расширение во всех направлениях, даже если величина давления относительно мала. Линейное расширение находится в прямой зависимости от площади, на которую воздействует давления. Площадь, в свою очередь, зависит от диаметра трубы (трубы большего диаметра испытывают большее воздействие).
Если в системе присутствуют клапаны, концентрические и эксцентрические переходы, фланцы или специальные фитинги, внутренний диаметр которых больше внутреннего диаметра труб, проектировщик должен учитывать области трубопровода имеющие максимальный внутренний диаметр. Изменению размеров под влиянием гидравлического давления подвержены даже чугунные и стальные трубы. Любые элементы трубопроводной арматуры также попадают под воздействие этих сил.
Особенности конструктивных элементов, удерживающих трубы, также оказывают влияние на величину нагрузок. К примеру, если труба, соединенная посредством фланца с патрубком насоса, жестко закреплена в осевом направлении только с одной стороны (со стороны насоса), линейное расширение трубы окажет минимальное усилие на насос. Но и в этом случае конструктору необходимо учитывать сопротивление трения скольжения, возникающее во второй (поддерживающей) опоре со стороны противоположной насосу.
К сожалению, на практике такие варианты встречаются достаточно редко. Гораздо чаще трубопровод на небольшом участке перед насосом имеет изгиб, реализованный с помощью концентрических и эксцентрических переходов. Также нередки ситуации, когда труба крепится к резервуару, проходит через стену или поворачивает вниз в пол. Способность таких конструкций противостоять линейным расширениям обычно намного больше чем у насоса.
Чем жестче участок трубопровода в осевом направлении, тем труднее ему создавать компенсирующую реакцию на гидростатическое давление. Гибкие системы наоборот чаще создают более высокие силы реакции, способные сдержать избыточные нагрузки на насос.
Сделать систему более гибкой в осевом направлении можно за счет использования резиновых компенсаторов, фитингов без упорных стержней или гибких шлангов, если рабочее давление это позволяет. В этом случае осевые смещения можно если не свести к нулю, то, как минимум добиться вполне приемлемой величины. Важно чтобы опорные стержни, компенсирующие смещение в осевом направлении, располагались максимально близко к фланцам всасывающего и напорного патрубков насоса. Компенсирующие звенья также желательно располагать на участке трубопровода наиболее близком к насосу.
В случае невозможности реализации подобных решений необходимо произвести расчеты, учитывая площадь поперечных сечений труб, компонентов трубопроводной арматуры, таких как фланцы или фитинги, концентрические и эксцентрические переходы, а также модуль упругости материалов, из которых они изготовлены. Нагрузки, возникающие вследствие изменения гидравлического давления на корпус насоса и опорную плиту основания не должны превышать заданной величины с учетом коэффициента запаса прочности в периоды, когда давление в системе достигает максимального значения.