Какое давление выдерживают стальные трубы?
Редакция E-metall Опубликовано 2021-03-07
При проектировании любой трубопроводной системы производят расчет ее номинального давления, предусматривают дополнительный запас прочности для ситуаций, в которых нагрузки могут повышаться, например: гидравлические удары или аварии. В зависимости от полученных величин подбирают трубный прокат и арматуру, которые могут эксплуатироваться в данных условиях на протяжении всего нормативного срока.
Для организации трубопроводов с небольшими гидравлическими нагрузками и самотечных систем подходят пластиковые трубы. Их применяют для ливневок, канализации, части внутридомовой разводки ХВС и ГВС в температурном режиме до 70 С⁰. Во всех остальных случаях самым надежным материалом является сталь.
Среди эксплуатационных характеристик стальных труб можно выделить основные:
- Высокая прочность;
- Стойкость к внутренним и внешним нагрузкам;
- Термостойкость;
- Невысокое тепловое расширение;
- Средний срок службы 10 лет, с использованием антикоррозийных покрытий — до 30;
- Широкий сортамент.
В различных трубопроводных системах устанавливают нормативы давления. В коммунальных сетях оно невысокое, но неправильный подбор трубы может привести к разрывам или протечкам. В промышленных и магистральных трубопроводах нагрузки гораздо выше, а транспортируемые вещества опаснее, каждая протечка наносит значительный финансовый и экологический ущерб.
Виды стальных труб
Способность выдерживать нагрузки зависит от вида трубного проката. Стальные трубы изготавливают по типовым параметрам с заданными свойствами, соответствующими их типу и классу. За исключением профильных изделий, которые применяют в строительстве, весь сортамент проходит гидравлические испытания. Максимальное давление, которое выдерживает стальная труба, зависит от ряда характеристик:
- Сварные: прямошовные, спиралешовные, холоднокатаные, горячекатаные;
- Бесшовные: холоднокатаные, горячекатаные, цельнотянутые.
- Малые — до 114 мм;
- Средние — 114-530 мм;
- Большие — более 530 мм.
- Особотонкостенные;
- Токостенные;
- Толстостенные;
- Ососботолстостенные.
- Углеродистые — прочные трубы общего назначения и для промышленных систем;
- Легированные — трубопроводы специального назначения: коррозионностойкие, термостойкие, криогенные, радиоактивные.
- Степень гладкости поверхности;
- Металлические покрытия: цинк, хром;
- Полимерные покрытия.
Механический запас прочности зависит от сочетания таких факторов как давление, температура и агрессивность транспортируемого вещества. Например, в тепловых сетях износ оборудования происходит быстрее. Подбор изделий осуществляют с учетом действующих нагрузок, как правило, это толстостенные горячекатаные изделия. В газопроводах давление рассчитывают исходя из постоянного сжатия и расширения среды.
Какое давление выдерживают стальные трубы
Предельное давление стальной бесшовной трубы определяется по формуле: P = (2 х S хT)/(DхSF)
- P – давление жидкости;
- T – толщина стенки в дюймах;
- D – наружный диаметр трубы (дюйм);
- SF – коэффициент безопасности;
- S – запас прочности металла.
В зависимости от назначения изделий устанавливают нормативы допустимого давления, например для ВГП (ГОСТ 3262-75) предусмотрено три норматива Рр: 25 кгс/см², 32 кгс/см² и 50 кгс/см² по требованию потребителя. Этого достаточно для организации распределительных коммунальных сетей.
Допустимое давление складывается из нескольких величин:
- Рабочее давление среды на стенки трубопровода;
- Резкое увеличение при срабатывании предохранительных клапанов или других регулирующих устройств.
Параметры Рр, допустимого напряжения в слоях металла указывают в технической документации каждого вида изделий. Гидравлические испытания проводят согласно регламенту ГОСТ 3845-2017. Каждый экземпляр герметизируют, наполняют испытательной средой (водой или другой жидкостью) и выдерживают в течение установленного времени. При появлении протечек, продукция выбраковывается.
Сварной шов является наиболее уязвимым местом трубы, его прочность меньше показателей основного металла, кроме этого он быстрее подвергается коррозийный изменениям. Для сетей с высокими внутренними нагрузками выбирают бесшовные изделия.
Кроме этого, действует следующее правило:
- Чем больше диаметр, а значит объем среды, тем ниже запас прочности;
- Чем больше толщина стенки, тем выше стойкость к давлению.
В нормативных документах обычно указывают условные значения, например, действительные при температуре 20 С⁰. Но трубопроводы редко прокладывают в подобных условиях, поэтому дополнительно производят ряд вычислений.
Термические воздействия для трубопроводов с Рр 100-320 МПа вычисляют согласно ГОСТ 55600-2013 с учетом на износа, технологических погрешностей, минимальной толщины стенок согласно допускам по разностенности.
Со временем напор внутри сети падает. Это связано с увеличением сопротивления потоку. Новая и гладкая труба обладает высокой пропускной способностью, но по мере накопления осадочных отложений, формирования корродирующих слоев возрастает трение, а гидравлические потери растут. При увеличении давления среды, сопротивление растет в прогрессии.
Таблица максимального давления нержавеющих труб
| Диаметр | Толщина | AISI 304-321,316Ti кг/см 2 | AISI 304L- 316L кг/см 2 | Диаметр | Толщина | AISI 304-321,316Ti кг/см 2 | AISI304L- 316L кг/см 2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 15 | 1 | 116 | 96 | 60,3 | 3,2 | 92 | 77 |
| 16 | 1 | 109 | 90 | 60,3 | 3,6 | 104 | 86 |
| 16 | 1,5 | 163 | 135 | 70 | 1,5 | 37 | 31 |
| 17,2 | 1,65 | 167 | 139 | 70 | 2 | 50 | 41 |
| 17,2 | 2 | 203 | 168 | 76,1 | 1,65 | 38 | 31 |
| 18 | 1 | 97 | 80 | 76,1 | 2 | 46 | 38 |
| 18 | 1,5 | 145 | 120 | 76,1 | 2,6 | 60 | 49 |
| 19,05 | 1 | 91 | 76 | 76,1 | 2,9 | 66 | 55 |
| 19,05 | 1,25 | 114 | 95 | 76,1 | 3,2 | 73 | 61 |
| 19,05 | 1,65 | 151 | 125 | 76,1 | 3,6 | 82 | 68 |
| 20 | 1 | 87 | 72 | 83 | 1,5 | 31 | 26 |
| 20 | 1,5 | 131 | 108 | 84 | 2 | 41 | 34 |
| 21,3 | 1,65 | 135 | 112 | 88,9 | 1,65 | 32 | 27 |
| 21,3 | 2 | 164 | 136 | 88,9 | 2 | 39 | 33 |
| 21,3 | 2,6 | 213 | 176 | 88,9 | 2,6 | 51 | 42 |
| 22 | 1 | 79 | 66 | 88,9 | 2,9 | 57 | 47 |
| 22 | 1,5 | 119 | 99 | 88,9 | 3,2 | 63 | 52 |
| 25,4 | 1 | 69 | 57 | 88,9 | 3,6 | 71 | 59 |
| 25,4 | 1,25 | 86 | 71 | 88,9 | 4 | 78 | 65 |
| 25,4 | 1,65 | 113 | 94 | 101,6 | 1,65 | 28 | 23 |
| 26,9 | 1,65 | 107 | 89 | 101,6 | 2 | 34 | 28 |
| 26,9 | 2 | 130 | 107 | 101,6 | 3 | 51 | 43 |
| 26,9 | 2,6 | 168 | 140 | 103 | 1,5 | 25 | 21 |
| 28 | 1 | 62 | 52 | 104 | 2 | 34 | 28 |
| 28 | 1,5 | 93 | 77 | 114,3 | 1,65 | 25 | 21 |
| 30 | 1 | 58 | 48 | 114,3 | 2 | 30 | 25 |
| 30 | 1,5 | 87 | 72 | 114,3 | 2,6 | 40 | 33 |
| 32 | 1 | 54 | 45 | 114,3 | 2,9 | 44 | 37 |
| 32 | 1,5 | 82 | 68 | 114,3 | 3,2 | 49 | 40 |
| 33,7 | 1,65 | 85 | 71 | 114,3 | 3,6 | 55 | 46 |
| 33,7 | 2 | 103 | 86 | 114,3 | 4 | 61 | 51 |
| 33,7 | 2,9 | 150 | 124 | 129 | 2 | 27 | 22 |
| 33,7 | 3,2 | 165 | 137 | 139,7 | 2 | 25 | 21 |
| 34 | 1 | 51 | 43 | 139,7 | 2,6 | 32 | 27 |
| 34 | 1,5 | 77 | 64 | 139,7 | 3 | 37 | 31 |
| 38 | 1 | 46 | 38 | 139,7 | 4 | 50 | 41 |
| 38 | 1,5 | 69 | 57 | 154 | 2 | 23 | 19 |
| 40 | 1 | 44 | 36 | 156 | 3 | 34 | 28 |
| 40 | 1,5 | 66 | 54 | 168,3 | 2 | 21 | 17 |
| 42,4 | 1,65 | 68 | 56 | 168,3 | 2,6 | 27 | 22 |
| 42,4 | 2 | 82 | 68 | 168,3 | 3 | 31 | 26 |
| 42,4 | 2,6 | 107 | 89 | 168,3 | 3,6 | 37 | 31 |
| 42,4 | 2,9 | 119 | 99 | 168,3 | 4 | 41 | 34 |
| 42,4 | 3,2 | 132 | 109 | 204 | 2 | 17 | 14 |
| 44,5 | 1,5 | 59 | 49 | 205 | 2,5 | 21 | 18 |
| 44,5 | 2 | 78 | 65 | 206 | 3 | 25 | 21 |
| 48,3 | 1,65 | 60 | 49 | 219,1 | 2 | 16 | 13 |
| 48,3 | 2 | 72 | 60 | 219,1 | 2,6 | 21 | 17 |
| 48,3 | 2,6 | 94 | 78 | 219,1 | 3 | 24 | 20 |
| 48,3 | 2,9 | 105 | 87 | 219,1 | 3,6 | 29 | 24 |
| 48,3 | 3,2 | 115 | 96 | 219,1 | 4 | 32 | 26 |
| 50 | 1,5 | 52 | 43 | 254 | 2 | 14 | 11 |
| 50 | 2 | 70 | 58 | 256 | 3 | 20 | 17 |
| 53 | 1,5 | 49 | 41 | 273 | 2 | 13 | 11 |
| 54 | 2 | 65 | 54 | 273 | 2,6 | 17 | 14 |
| 60,3 | 1,65 | 48 | 40 | 273 | 3 | 19 | 16 |
| 60,3 | 2 | 58 | 48 | 273 | 3,6 | 23 | 19 |
| 60,3 | 2,6 | 75 | 62 | 273 | 4 | 26 | 21 |
| 60,3 | 2,9 | 84 | 69 |
Как правильно подобрать трубы
При выборе изделий следует учитывать давление, поддерживаемое в системе. Например для внутридомовых сетей ХВС действует норматив до 6 бар, ГВС — до 4,5 бар. В частных домах нормативы рассчитывают индивидуально, оно может достигать 10 бар, но большая часть оборудования предназначена для максимальных нагрузок не более 6,5.
В проекте инженерной сети учитывают ряд других показателей:
- Зависимость Рр от диаметра труб;
- Гидравлические потери при изгибах, установке запорных и регулирующих устройств;
- Количество точек разбора;
- Мощность насосного оборудования;
- Другие параметры условий эксплуатации.
Для повышения технических характеристик трубного проката применяют специальные сплавы, например легированные молибденом, антикоррозийные покрытия, предотвращающие формирование отложений. проектирование и подбор материалов согласно действующим стандартам обеспечивает максимальный срок службы и ремонтопригодность трубопроводных систем.
Коэффициент запаса прочности трубы
Коэффициент запаса прочности трубы – очень важная и часто используемая величина. По ГОСТ ИСО 12162-2006: «Величина, со значением более единицы, которая учитывает условия эксплуатации труб и соединительных элементов, не вошедшие в определение MRS . Проще говоря, коэффициент запаса представляет собой множитель, который учитывается при расчете физико-механических свойств полипропиленовых труб и фитингов.
Какие величины запаса прочности в зависимости от материала?
Данная классификация применяется для всех труб из пластика, в том числе, водопровода, полива, фильтрации, отопления, транспортировки технических жидкостей и растворов. Коэффициент запаса прочности используется для расчетов величинами, не менее тех, которые указаны в таблице:
| Материал | Коэффициент запаса прочности (С) |
|---|---|
| PE | 1.25 |
| PE-X | 1.25 |
| PP-H | 1.6 |
| PP-B, PP-R | 1.25 |
| PB | 1.25 |
| PVC-U | 1.6 |
| PVC-U | 1.6 |
При этом берутся только модели труб из термопластов, сопоставимых типоразмеров, а также в схожих условиях применения.
Как видно из таблицы, коэффициент запаса зависит от типа полимера, также на него может влиять рабочая температура транспортируемой жидкости, температура окружающей среды, дополнительные нагрузки в виде давления, вибрации, влияния магнитов и прочие факторы. Чем сложнее система, чем выше требования надежности, тем большее значение коэффициента запаса используется в расчетах. При проектировании трубопроводов используется следующая классификация:
- Класс 1 – в него вошли РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB, PVC-C;
- Класс 2 – РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB, PVC-C;
- Класс 3 – PVC-C, РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB;
- класс 4 – РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB;
- класс 5 – РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB;
- класс «ХВ» — для РЕ и PVC-U.
К примеру, для класса 2 принимается:
- Рабочая температура – 70 °C;
- Длительность при рабочей температуре (в годах) – 49;
- Максимальная температура – 80 °C;
- Длительность при максимальной температуре (в годах) – 1;
- Температура аварии – 95 °C;
- Время до аварии (часов) – 100.
При расчете аварийных величин, длительности эксплуатации учитываются коэффициенты запаса.
Величина коэффициента запаса может получаться путем расчетов, либо проведения экспериментов или испытаний. При проведении испытаний учитываются:
- Получаемые величины напряжения и уровень деформации образцов (систем, участков трубопроводов);
- Полученные величины максимальных нагрузок до разрушения образцов;
- Получаемые расчеты для участков трубопроводов, отдельных элементов и систем.
Важно понимать, что коэффициент запаса принимается в зависимости от условий эксплуатации, назначения систем трубопровода, требуемых технических характеристик системы. Минимальные значения допустимых коэффициентов запаса должны обеспечить заданный уровень надежности и безаварийности, поэтому рассчитываются отдельно для каждого участка с разными условиями внешней среды, температуры транспортируемой жидкости и прочих параметров. Если требуемая надежность не обеспечивается, тогда либо уменьшаются рабочие характеристики, либо проектируется система с учетом условий эксплуатации (применяются другие системы трубопроводов, иные диаметры, специальные решения).