Как узнать толщину стенки трубы

При строительстве и обустройстве дома трубы не всегда используются для транспортировки жидкостей или газов. Часто они выступают как строительный материал — для создания каркаса различных построек, опор для навесов и т.д. При определении параметров систем и сооружений необходимо высчитать разные характеристики ее составляющих. В данном случае сам процесс называют расчет трубы, а включает он в себя как измерения, так и вычисления.

Для чего нужны расчеты параметров труб

В современном строительстве используются не только стальные или оцинкованные трубы. Выбор уже довольно широк — ПВХ, полиэтилен (ПНД и ПВД), полипропилен, металлопластк, гофрированная нержавейка. Они хороши тем, что имеют не такую большую массу, как стальные аналоги. Тем не менее, при транспортировке полимерных изделий в больших объемах знать их массу желательно — чтобы понять, какая машина нужна. Вес металлических труб еще важнее — доставку считают по тоннажу. Так что этот параметр желательно контролировать.

То, что нельзя измерить, можно рассчитать

Знать площадь наружной поверхности трубы надо для закупки краски и теплоизоляционных материалов. Красят только стальные изделия, ведь они подвержены коррозии в отличие от полимерных. Вот и приходится защищать поверхность от воздействия агрессивных сред. Используют их чаще для строительства заборов, каркасов для хозпостроек (гаражей, сараев, беседок, бытовок), так что условия эксплуатации — тяжелы, защита необходима, потому все каркасы требуют окраски. Вот тут и потребуется площадь окрашиваемой поверхности — наружная площадь трубы.

При сооружении системы водоснабжения частного дома или дачи, трубы прокладывают от источника воды (колодца или скважины) до дома — под землей. И все равно, чтобы они не замерзли, требуется утепление. Рассчитать количество утеплителя можно зная площадь наружной поверхности трубопровода. Только в этом случае надо брать материал с солидным запасом — стыки должны перекрываться с солидным запасом.

Сечение трубы необходимо для определения пропускной способности — сможет ли данное изделие провести требуемое количество жидкости или газа. Этот же параметр часто нужен при выборе диаметра труб для отопления и водопровода, расчета производительности насоса и т.д.

Внутренний и наружный диаметр, толщина стенки, радиус

Трубы — специфический продукт. Они имеют внутренний и наружный диаметр, так как стенка у них толстая, ее толщина зависит от типа трубы и материала из которого она изготовлена. В технических характеристиках чаще указывают наружный диаметр и толщину стенки.

Внутренний и наружный диаметр трубы, толщина стенки

Имея эти два значения, легко высчитать внутренний диаметр — от наружного отнять удвоенную толщину стенки: d = D — 2*S. Если у вас наружный диаметр 32 мм, толщина стенки 3 мм, то внутренний диаметр будет: 32 мм — 2 * 3 мм = 26 мм.

Если же наоборот, имеется внутренний диаметр и толщина стенки, а нужен наружный — к имеющемуся значению добавляем удвоенную толщину стеки.

С радиусами (обозначаются буквой R) еще проще — это половина от диаметра: R = 1/2 D. Например, найдем радиус трубы диаметром 32 мм. Просто 32 делим на два, получаем 16 мм.

Измерения штангенциркулем более точные

Что делать, если технических данных трубы нет? Измерять. Если особая точность не нужна, подойдет и обычная линейка, для более точных измерений лучше использовать штангенциркуль.

Расчет площади поверхности трубы

Труба представляет собой очень длинный цилиндр, и площадь поверхность трубы рассчитывается как площадь цилиндра. Для вычислений потребуется радиус (внутренний или наружный — зависит от того, какую поверхность вам надо рассчитать) и длина отрезка, который вам необходим.

Формула расчета боковой поверхности трубы

Чтобы найти боковую площадь цилиндра, перемножаем радиус и длину, полученное значение умножаем на два, а потом — на число «Пи», получаем искомую величину. При желании можно рассчитать поверхность одного метра, ее потом можно умножать на нужную длину.

Для примера рассчитаем наружную поверхность куска трубы длиной 5 метров, с диаметром 12 см. Для начала высчитаем диаметр: делим диаметр на 2, получаем 6 см. Теперь все величины надо привести к одним единицам измерения. Так как площадь считается в квадратных метрах, то сантиметры переводим в метры. 6 см = 0,06 м. Дальше подставляем все в формулу: S = 2 * 3,14 * 0,06 * 5 = 1,884 м2. Если округлить, получится 1,9 м2.

Расчет веса

С расчетом веса трубы все просто: надо знать, сколько весит погонный метр, затем эту величину умножить на длину в метрах. Вес круглых стальных труб есть в справочниках, так как этот вид металлопроката стандартизован. Масса одного погонного метра зависит от диаметра и толщины стенки. Один момент: стандартный вес дан для стали плотностью 7,85 г/см2 — это тот вид, который рекомендован ГОСТом.

Таблица веса круглых стальных труб

В таблице Д — наружный диаметр, условный проход — внутренний диаметр, И еще один важный момент: указана масса обычных стального проката, оцинкованные на 3% тяжелее.

Таблица веса профилированной трубы квадратного сечения

Как высчитать площадь поперечного сечения

Формула нахождения площади сечения круглой трубы

Если труба круглая, площадь сечения считать надо по формуле площади круга: S = π*R 2 . Где R — радиус (внутренний), π — 3,14. Итого, надо возвести радиус в квадрат и умножить его на 3,14.

Например, площадь сечения трубы диаметром 90 мм. Находим радиус — 90 мм / 2 = 45 мм. В сантиметрах это 4,5 см. Возводим в квадрат: 4,5 * 4,5 = 2,025 см 2 , подставляем в формулу S = 2 * 20,25 см 2 = 40,5 см 2 .

Площадь сечения профилированной трубы считается по формуле площади прямоугольника: S = a * b, где a и b — длины сторон прямоугольника. Если считать сечение профиля 40 х 50 мм, получим S = 40 мм * 50 мм = 2000 мм 2 или 20 см 2 или 0,002 м 2 .

Как рассчитать объем воды в трубопроводе

При организации системы отопления бывает нужен такой параметр, как объем воды, которая поместится в трубе. Это необходимо при расчете количества теплоносителя в системе. Для данного случая нужна формула объема цилиндра.

Формула расчета объема воды в трубе

Тут есть два пути: сначала высчитать площадь сечения (описано выше) и ее умножить на длину трубопровода. Если считать все по формуле, нужен будет внутренний радиус и общая длинна трубопровода. Рассчитаем сколько воды поместится в системе из 32 миллиметровых труб длиной 30 метров.

Сначала переведем миллиметры в метры: 32 мм = 0,032 м, находим радиус (делим пополам) — 0,016 м. Подставляем в формулу V = 3,14 * 0,016 2 * 30 м = 0,0241 м 3 . Получилось = чуть больше двух сотых кубометра. Но мы привыкли объем системы измерять литрами. Чтобы кубометры перевести в литры, надо умножить полученную цифру на 1000. Получается 24,1 литра.

Подземные трубопроводы следует проверять на прочность, деформативность и общую устойчивость в продольном направлении и против всплытия.

Толщину стенки трубы находят исходя из нормативного значения временного сопротивления на разрыв, диаметра трубы и рабочего давления с использованием предусмотренных нормами коэффициентов.

Расчетную толщину стенки труб δ, см следует определять по формуле:

где n — коэффициент перегрузки;

Р — внутреннее давление в трубопроводе, МПа;

D_н — наружный диаметр трубопровода, см;

R₁ — расчетное сопротивление металла труб растяжению, МПа.

Расчетные сопротивления материала труб растяжению и сжатию

R₁ и R₂, МПа определяются по формулам:

;

,

где m — коэффициент условий работы трубопровода;

k₁, k₂-коэффициенты надежности по материалу;

k_н — коэффициент надежности по назначению трубопровода.

Коэффициент условий работы трубопровода принимаем равным m=0,75.

Коэффициенты надежности по материалу принимаем k₁=1,34; k₂=1,15.

Коэффициент надежности по назначению трубопровода выбираем равным k_н=1,0

Вычисляем сопротивления материала труб растяжению и сжатию соответственно по формулам (2) и (3)

;

Определяем толщину стенки по формуле (1)

Принимаем предварительное значение толщины стенки δ=12 мм.

Внутренний диаметр трубопровода D_вн вычисляется по зависимости

Продольное осевое напряжение от расчётных нагрузок и воздействий

σ_пр.N, МПа определяем по формуле

где α – коэффициент линейного расширения, град -1 ,α=0,000012 град -1 ;

Е – модуль упругости материала трубы, МПа, Е=206000 МПа;

∆t – расчётный температурный перепад, ˚С, ∆t =55˚С;

μ_пл –коэффициент поперечной деформации Пуассона пластической стадии

работы металла, μ_пл=0,3.

Коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб Ψ₁, определяется по формуле

.

Подставляем значения в формулу (6) и вычисляем коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб

Расчётная толщина стенки с учётом влияния осевых сжимающих напряжений определяется по зависимости

Принимаем значение толщины стенки δ=12 мм.

Проверка трубопровода на прочность производится по условию

,

где Ψ₂ – коэффициент, учитывающий двухосное напряжённое состояние металла труб.

Коэффициент Ψ₂ определяем по формуле

где σ_кц – кольцевые напряжения от расчётного внутреннего давления, МПа.

Кольцевые напряжения σ_кц, МПа определяем по формуле

Подставляем полученный результат в формулу (9) и находим коэффициент

Определяем максимальное значение отрицательного температурного перепада ∆t_{_},˚С по формуле

Определяем максимальное значение положительного температурного перепада ∆t₊, ˚С по формуле

Рассчитываем условие прочности (8)

69,4 н _кц, МПа по формуле

Коэффициент Ψ₃, учитывающий двухосное напряжённое состояние металла труб определяем по формуле

Минимальный радиус изгиба оси трубопровода ρ, см определяем по зависимости

где μ_упр – коэффициент упругости металла трубы, равный μ_упр=0,3.

Подставляем значения в формулу (15) и рассчитываем минимальный радиус изгиба оси трубопровода

Минимально допустимый радиус упругого изгиба должен быть не менее ρ≥1200D_н. Принимаем для дальнейших расчётов минимальный радиус упругого изгиба оси трубопровода ρ=1500 м. [6]

Положительное значение продольного напряжения от нормативных нагрузок и воздействий σ н _пр(+), МПа определяем по формуле

Отрицательное значение продольного напряжения от нормативных нагрузок и воздействий σ н _пр(-), МПа определяем по формуле

Принимаем в расчёте большее по модулю значение из σ н _пр(+) и σ н _пр(-), т.е. σ = -133,6 МПа. Так как принятое значение напряжения меньше ноля, то уточнённое значение коэффициента Ψ₃=0,485.

Проводим проверку трубопровода на недопустимые пластические деформации по условиям

Постановка задачи:Определить толщину стенки трубы участка магистрального трубопровода с наружным диаметром D_н. Исходные данные для расчета: категория участка, внутреннее давление – р, марка стали, температура стенки трубы при эксплуатации – t_э, температура фиксации расчетной схемы трубопровода – t_ф, коэффициент надежности по материалу трубы – k₁. Рассчитать нагрузки на трубопровод: от веса трубы, веса продукта (нефть и газ), напряжения от упругого изгиба (радиус упругого изгиба R=1000 D_н). Плотность нефти принять равной r. Исходные данные приведены в табл. 3.1.

Расчетную толщину стенки трубопровода δ, мм, следует определять по формуле (3.1)

При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять из условия

(3.2)

где n — коэффициент надежности по нагруз­ке — внутреннему рабочему давле­нию в трубопроводе, принимаемый: для газопроводов — 1.1, для нефтепроводов — 1.15; p – рабочее давление, МПа; D_н — наружный диаметр трубы, мм; R₁ – расчетное сопротивление растяжению металла труб, МПа; ψ₁ — коэффициент, учитывающий двух­осное напряженное состояние труб

(3.3)

где нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб, принимается равным пределу прочности s_вр по прил. 5, МПа; m – коэффициент условий работы трубопровода принимаемый по прил. 2; k₁ , k_н – коэффициенты надежности, соответственно, по материалу и по назначению трубопровода, принимаемые k₁ — табл. 3.1, k_н по прил. 3.

(3.4)

где σ_пр.N — продольное осевое сжимающее нап­ряжение, МПа.

(3.5)

где α, Е, μ – физические характеристики стали, принимаемые по прил. 6; Δt – температурный перепад, 0 С, Δt= t_э – t_ф ; D_вн – диаметр внутренний, мм, с толщиной стенки δ_н, принятой в первом приближении, D_вн = D_н –2 δ_н.

Увеличение толщины стенки при наличии продоль­ных осевых сжимающих напряжений по сравнению с величиной, полученной по первой формуле, должно быть обосновано технико-экономическим расчетом, учитывающим конструктивные решения и темпера­туру транспортируемого продукта.

Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляется до ближайшего бóльшего значе­ния, предусмотренного государственными стандар­тами или техническими условиями на трубы.

Пример 1. Определить толщину стенки трубы участка магистрального газопровода диаметром D_н = 1220 мм. Иходные данные для расчета: категория участка — III, внутреннее давление – р = 5,5 МПа, марка стали – 17Г1С-У (Волжский трубный завод), температура стенки трубы при эксплуатации – t_э = 8 0 С, температура фиксации расчетной схемы трубопровода – t_ф = -40 0 С, коэффициент надежности по материалу трубы – k₁ = 1,4. Рассчитать нагрузки на трубопровод: от веса трубы, веса продукта (нефть и газ), напряжения от упругого изгиба (радиус упругого изгиба R=1000 D_н). Плотность нефти принять равной r. Исходные данные приведены в табл. 3.1.

Расчет толщины стенки

Нормативное сопротивления растяжению (сжатию) металла труб (для стали 17Г1С-У) равно s_вр =588 МПа (прил. 5); коэффициент условий работы трубопровода принимаемый m = 0,9 (прил. 2); коэффициент надежности по назначению трубопровода k_н = 1,05 (прил. 3), тогда расчетное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб

(МПа)

Коэффициент надежности по нагруз­ке — внутреннему рабочему давле­нию в трубопроводе n = 1,1.

Расчетная толщина стенки трубопровода

(мм)

Физические характеристики стали α = 1,2·10 -5 , Е = 2,1·10 5 , μ = 0,3

Продольное осевое сжимающее нап­ряжение, МПа

Коэффициент, учитывающий двух­осное напряженное состояние труб

Толщина стенки с учетом продольных осевых сжимающих напряжений

(мм)

Принимаем толщину стенки равной 11 мм.

Исходные данные для расчета (задача 1)

Дата добавления: 2017-01-28 ; просмотров: 3234 | Нарушение авторских прав