Cevni vodovi Katedra za termotehniku Prof. Dr Franc Kosi, dipl. maš. ing.,
[email protected], kabinet 134/3 LITERATURA: Markoski M: Cevni vodovi, Mašinski fakultet, Beograd, 2006. Lekcija AT-13 13.
POLAGANJE CEVOVODA
13.1. Načini polaganja cevovoda Zavisno od potreba i mogućnosti, cevovodi se mogu polagati na više načina: 1. podzemno – bezkanalno – kada se cevovodi direktno ukopavaju u tlo; 2. podzemno – u prolaznim ili neprolaznim (obično armirano-betonskim kanalima); 3. nadzemno – kada se cevovod oslanja po celoj dužini na površinu tla koje je prethodno poravnato, a po potrebi i posebno pripremljeno; 4. nadzemno – na stubovima i mostovima; 5. nadzemno – na niskim temeljima; 6. nadzemno – po metodi „okačene niti“. Kod polaganja cevi u podzemnim kanalima, kao i kod nadzemnog polaganja, cevi se obično oslanjaju mestimično; rastojanje između dva susedna oslonca naziva se rasponom. Međutim, po potrebi, najčešće kod pojedinih plastičnih i olovnih cevovoda, primenjuje se i kontinualno oslanjanje cevi, pri čemu se cevovod polaže u posebno izvedeno korito po celoj njegovoj dužini. Podzemno bezkanalno polaganje cevi primenjuje se uvek kada je to moguće s obzirom na konkretne uslove duž trase i racionalno sa stanovišta eksploatacije. Podzemno kanalsko polaganje cevi primenjuje se u slučajevima kada je potrebno cevi skloniti u tlo (na pr.: gradske mreže), a istovremeno – iz tehničkih razloga – nije pogodno primeniti direktno ukopavanje (na pr.: zbog velikih temperaturskih dilatacija). Da li će kanali biti prolazni, zavisi od ekspoatacionih zahteva (čest pristup radi održavanja i drugih intervencija). Kanalsko polaganje cevi je skupo i zato se izbegava gde je god to moguće. Najjevtinije je nadzemno bezkanalno polaganje cevi po površini zemlje (primenjuje se najčešće za specijalne privremene cevovode), a zatim nadzemno na niskom temeljima. Međutim, veoma često, zbog nedostatka prostora i obezbeđenje saobraćajnica ispod cevovoda, primenjuje se oslanjanje cevi na stubovima, odnosno cevnim mostovima. Proračun opterećenje cevi, oslonaca i noseće konstrukcije je u načelu isti u svim slučajevima kada se cevovod oslanja mestimično, osim u slučaju direktnog ukopavanja cevi u tlo. 13.2.
Spoljna mehanička opterećenja cevovoda
Spoljni mehanički uticaji očituju se uglavnom preko dejstva sila vetra i seizmičkih sila; po svom karakteru tu pripadaju i sile ukupne težine deonica zajedno sa armaturom, satelitskim cevovodima i sl., izolacijom, fluidom u cevima, kao i težine od snega. Sila težine transportovanog fluida uzima se ovde u obzir, pošto se obično ne obuhvata proračunom sila usled delvanja transportovanog fluida na cevovod. Sila težine i sile vetra napadaju horizontalne deonice cevovoda u ravnima upravnim na njegovu osu i uglavnom stvaraju momente savijanja cevovoda. Pri tome, za dimenzionisanje raspona između dva oslonca treba znati dozvoljene napone usled savijanja, dozvoljene ugibe, ukupno opterećenje cevovoda po jedinici dužine, kao i eventualna koncentrisana opterećenja duž raspona. 1
13.2.1. Opterećenja usled vetra Jedinično dužinsko opterećenje od vetra iznosi:
q qv = K o ⋅ D ⋅ 1v4 10
(13.1)
gde su:
Ko
-
q1v
-
D
-
koeficijent oblika; za usamljeni poprečno opstrujavani cilindar Ko = 0,9 dinamički pritisak vetra; zavisi od usvojene brzine vetra i barometarskog stanja vazduha; usvaja se prema propisima za građevinske konstrukcije u zavisnosti od geografskog položaja mesta objekta i relativne visine cevovoda iznad tla, kao i zaklonjenosti cevovoda drugim objektima (zgradama i sl.); za datu brzinu vetra uv i gustinu vazduha ρv biće qv = ρv ⋅ uv2 2 , N/m2 spoljašnji prečnik izolacione konstrukcije cevovoda, cm
13.2.2. Težinska opterećenja Ukupno težinsko opterećenje po jedinici dužine iznosi:
qT = qc + qi + qf + qs + qo
(13.2)
gde su:
qT
-
ukupno težinsko opterećenje, N/m
qc
-
sopstvena težina cevi, N/m
qi
-
težina kompletne izolacione konstrukcije, N/m
qf
-
težina transportovanog fluida ili težina fluida kojim se vrši hidraulička proba na pritisak; od ova dva opterećenja usvaja se veće, N/m
qs
-
težinsko opterećenje od snega, N/m
qo
-
ostala težinska opterećenja, N/m
Težinsko opterećenje od snega izračunava se prema izrazu:
q qs = D ⋅ 1s4 10
(13.3)
gde su:
q1s
-
specifično težinsko opterećenje od snega; usvaja se prema propisima za građevinske kontrukcije na tom području, N/cm2
Ds
-
spoljašnji prečnik izolacione konstrukcije cevovoda, cm
Kada je više cevi jedna uz drugu usvaja se umesto Ds veličina poluzbira osnih rastojanja do dve susedne cevi Ds′ :
Ds′ =
1 ⋅ ( s1 + s2 ) , 2
(13.4)
1 ⋅ ( Ds + s ) 2
(13.5)
a za cev na kraju
Ds′ = gde je s – osno rastojanje krajnje i dokrajnje cevi.
Ovde treba napomenuti da se za cevovode kojima se transportuju gasoviti fluidi ne uzima jednovremeno opterećenje od snega i fluida za hidrauličko ispitivanje, pošto se smatra da ta dva 2
opterećenja nikad ne nastaju u isto vreme (hidraulička proba se ne vrši kada je cevovod zavejan). Izuzetak može biti kada postoji realna opasnost da se parovod ispuni kondenzatom. Ukupno opterećenje po jedinici dužine iznosi:
q = qv 2 + qT 2 13.3.
(13.6)
Određivanje raspona između dva susedna oslonca
Cevovod se razmatra kao višerasponska greda. Pri ravnomernom kontinualnom opterećenju q , maksimalni moment savijanja koji opterećuje cev javlja se na mestu gde je cev oslonjena (sl. 13.1):
q ⋅ l2 12
Mmax =
(13.7)
Slika 13.1 Momenti savijanja duž trase cevovoda gde su:
q
-
ukupno opterećenje po jedinici dužine, N/cm
l
-
raspon između dva susedna oslonca, m
Na sredini raspona biće moment savijanja:
q ⋅ l2 24
Msr =
(13.8)
Kada ne postoje dodatna koncentrisana opterećenja, na rastojanju od lo = 0,2 ⋅ l , sa obe strane oslonca, moment savijanja je ravan nuli, pa je na tim mestima najbolje postavljati prirubnice i zavarene spojeve. Raspon između oslonaca određuje se na osnovu dozvoljenih napona:
l = 12 ⋅ σ doz ⋅
W q
(13.9)
gde su:
W
-
otporni moment inercije poprečnog preseka cevi cevovoda, cm3
σ doz
-
dozvoljeni napon; ako postoji opasnost od sleganja oslonaca usvaja se dozvoljeni napon σ doz′ = (1 4 ) ⋅ σ doz , što omogućava da i pri sleganju svakog drugog oslonca bude σ < σ doz .
W =
(
π ⋅ D4 − d 4
)
32 ⋅ D
(13.10)
gde su D i d spoljašnji i unutrašnji prečnik cevi, respektivno. 3
Posle toga proverava se da li je veličina ugiba na sredini raspona cevi u dozvoljenim granicama:
y=
q ⋅ l4 384 ⋅ E ⋅ I
(13.11)
gde su:
E I
-
modul elastičnosti materijala cevi, N/m2
-
moment inercije poprečnog preseka cevi cevovoda, cm3
I=
(
π ⋅ D4 − d 4
)
64
(13.12)
Ukupni naponi koji opterećuju cev dobijaju se superpozicijom napona od unutrašnjeg pritiska, kompenzacije i/ili samo kompenzacije termičkih dilatacija i spoljašnjih opterećenja. 13.4. Opterećenja oslonaca cevovoda
13.4.1. Sile koje opterećuju pokretne oslonce Pokretne oslonce cevovoda, tačnije rečeno, noseću konstrukciju na mestu pokretnog oslonca, opterećuju:
u vertikalnom pravcu: sva težinska opterećenja od dva susedna poluraspona (sl. 13.2a). U slučajevima kada postoji opasnost od sleganja noseće konstrukcije može se usvojiti da jedan pokretni oslonac prenosi na noseću konstrukciju težinsko opterećenje od dva susedna raspona (pretpostavlja se sleganje svakog drugog oslonca), (sl. 13.2.b).
u horizontalnoj ravni – u pravcu pomeranja cevovoda: sila otpora pomeranja oslonca u smeru suprotno od pomeranja. Zavisno od vrste osloca to može biti: sila trenja klizanja (kod kliznih oslonaca), otpor kotrljanja (kod kotrljajnih oslonaca na valjcima ili kuglicama), sila smicanja (kod oslonaca sa elastičnom podloškom) itd.
u horizontalnoj ravni – upravno na osu cevovoda: sila pritiska vetra
Slika 13.2 Opterećenja oslonaca od težinskih opterećenja Pošto je sila otpora pomeranja oslonca u pravcu upravnom na osu cevi dovoljno velika, svaki klizni oslonac po pravilu prenosi silu pritiska vetra od dva susedna poluraspona (odnosno dva susedna raspona – kada pretpostavljamo sleganje svakog drugog pokretnog oslonca). Pokretni oslonci obično ne prenose na noseću konstrukciju nikakve momente, jer je zazor u vođicama (kada ih ima) oslonaca dovoljno veliki da oni ne sprečavaju zakretanje cevovoda na mestu oslonca, pošto su ta zakretanja veoma mala.
4
13.4.2. Sile koje opterećuju nepokretne oslonce U odnosu na pokretne, nepokretni oslonci prenose na noseću konstrukciju znatno veće sile. Pošto su nepokretni oslonci najčešće uklješteni, oni osim sila prenose na noseću konstrukciju i određene momente, koji zavise od stepena uklještenosti oslonaca i konfiguracije cevovoda. Prema uzroku nastanka, sile koje se preko neokretnih oslonaca mogu prenositi na noseću konstrukciju najčešće delimo na: A.
Sile od mehaničkog delovanja transportovanog fluida
Kada su na cevovodu ugrađeni neuravnoteženi teleskopski kompenzatori (NTK – sl. 13.3a) ili neuravnoteženi sočivasti kompenzatori (NSK – sl. 13.3b), nepokretne oslonce NO opterećuju uglavnom neuravnotežene sile unutrašnjeg natpritiska (podpritiska), pošto su sile nastale zbog promene količine kretanja transportovanog fluida najčešće zanemarljive.
Slika 13.3 Opterećenja nepokretnih oslonaca silama unutrašnjeg pritiska kod primene: a) neuravnoteženi teleskopski -, b) neuravnoteženih sočivasti -, c) U – kompenzator Na slici 13.3.a prikazan je slučaj kada su usled primene neuravnoteženog teleskopskog kompenzatora nepokretni oslonci NO2 i NO3 opterećeni silama unutrašnjeg natpritiska Fpx koje se međusobno ne mogu uravnotežiti. Sa druge strane, sile Fpy u „y“ pravcu se međusobno poništavaju kao unutrašnje sile (preko pripadajućih deonica u „y“ pravcu). 5
Na slici 13.3.b prikazan je drugi slučaj, sa neuravnoteženim sočivastim kompenzatorom NSK, kada se, takođe, sile od unutrašnjeg natpritiska Fpx i Fpxs ne mogu uravnotežiti na samom cevovodu već opterećuju oslonce NO2 odnosno NO3. Uprošćenja radi, komponente sila nastale zbog promene količine kretanja na primerima „a“ i „b“ zanemarene su. Kada se unutrašnje sile poništavaju („zatvaraju“) po parovima na samom cevovodu, ne opterećuju nepokretne oslonce slika 13.3.c). Zbog ovakvog „zatvaranja“ unutrašnjih sila U – kompenzatori cevovoda imaju velike prednosti nad neuravnoteženim sočivastim i teleskopskim kompenzatorima. Kada se tome doda još i jednostavnost izrade i niska cena, jasno je zašto se U – kompenzatori najčešće ugrađuju (praktično uvek kada za to postoje ugradbene mogućnosti). B.
Sile koje nastaju pri kompenzaciji temperaturskih dilatacija cevovoda
To su ili reakcije kompenzatora: elastičnih, teleskopskih, U – kompenzatora ili pak sile od samokompenzacije date deonice cevovoda. C.
Sile otpora pomeranja pokretnih oslonaca
Slika 13.4 Otpori pomernja pokretnih oslonaca Sile otpora pomeranja pokretnih oslonaca na deonicama cevovoda od posmatranog nepokretnog oslonca, pa do mesta kompenzacije (do kompenzatora sl.13.4.a), odnosno samokompenzacije temperaturskih dilatacija (na pr. kolena na sl.13.4.b) takođe opterećuju taj nepokretni oslonac: da bi elemenat cevi neposredno u blizini nepokretnog oslonca mogao da dilatira ka kompenzatoru, ili mestu samokompenzacije, mora da savlada sve otpore na usputnim pokretnim osloncima. Otpori pomeranja kliznih i kotrljajućih pokretnih oslonaca mogu se vremenom neravnomerno menjati duž trase u širokim granicama (zbog korozije i zaribavanja). Stoga se može desiti da identični i jednako opterećeni pokretni oslonci imaju različite otpore pomeranja, pa da se na nepokretnim osloncima, koji bi zbog simetrije morali biti rasterećeni, ipak pojavi, pri sabiranju otpora sa leve i desne strane oslonca, znatna rezultantna sila. Zato se preporučuje da se pre sabiranja sila otpora pomeranja sa leve i desne strane nepokretnog oslonca manja sila umanji za oko 30%. D.
Težinska opterećenja i sle usled delovanja vetra
Ove sile opterećuju nepokretne oslonce isto kao i pokretne i određuju se na identičan način kao i kod pokretnih oslonaca.
Rezultujuća opterećenja nepokretnih oslonaca Kod određivanja komponenata rezultujuće sile koja opterećuje nepokretni oslonac treba, pri konačnom sabiranju svih sila koje deluju sa leve i desne strane oslonca, strogo paziti na njihove smerove delovanja. Ukupan moment uklještenja dobija se sabiranjem momenata savijanja sa leve i desne strane oslonca, pri čemu takođe treba paziti na smerove njihovog delovanja. 6
