Шаровые шарнирные соединения для антисейсмической защиты внутренних водопроводных сетей зданий

Edward W. Pantode Jr.

Безопасность и надежность трубопроводов как гражданского, так и промышленного назначения обеспечиваются, в том числе использованием таких устройств, как шаровые шарнирные соединения, которые могут компенсировать возможные подвижки элементов трубопроводных сетей.

Как правило, на этапах проектирования и строительства трубопроводных сетей все перемещения, обусловленные тепловым расширением, предсказуемы и контролируются посредством соответствующей системы опорных конструкций и традиционных компенсаторов.

Смещения, происходящие вследствие сейсмических явлений, напротив, сами по себе случайны и представляют задачу, решить которую может отнюдь не каждый инженер-специалист.

Первичные множественные смещения, вызванные сейсмической деятельностью, наблюдаются чаще всего на горизонтальной плоскости, параллельной земной поверхности, в сочетании с движениями гораздо более мелкими и потому менее существенными по вертикали. Зачастую именно эти мелкие вертикальные смещения игнорируются на этапе проектирования сетей.

Сочетание множественных горизонтальных и вертикальных подвижек должно лежать в основе разработки трубопроводных сетей, проектируемых для так называемых сейсмически опасных участков. Масштабы сейсмических смещений варьируются от сантиметров до нескольких дециметров в зависимости от силы землетрясения, близости к его эпицентру и жесткости конструкций конкретного здания.

Рисунок 1. (увеличить) Аксонометрическая схема поворотного участка трубопровода по вертикали, узел с тремя шаровыми шарнирными соединениями	Рисунок 2. (увеличить) Угол изгиба в вертикальном сечении поворотного участка с шаровым шарнирным узлом

Сейсмические смещения на участках трубопроводов можно компенсировать различными способами. Это могут быть подвески и антивибрационные опорные стойки, амортизаторы, гибкие муфтовые соединения, эластичные соединительные муфты, шаровые шарнирные соединения. Как правило, там, где возможны землетрясения умеренной силы, используются компенсаторы соответствующих типоразмеров. Для защиты от двухуровневых смещений применяются гибкие муфтовые соединения.

На самом деле смещение на нескольких уровнях, вызванное сейсмическими явлениями, производит на трубопровод силовое воздействие попеременно в форме скручивания и сгибания с комбинированным действием пар сил.

Такое воздействие является первопричиной выхода из строя гибких соединений. По этой причине методику их использования требуется основательно пересмотреть.

Напротив, шаровое шарнирное соединение гарантирует максимальную гибкость в случае, если конструкция испытывает разнонаправленное сейсмическое воздействие, в силу отличной сопротивляемости действию скручивающего момента обеспечивая безопасную и надежную работу сетей.

Для каждого изменения направления на магистральной линии требуется не меньше двух шаровых шарнирных соединения – причем только для горизонтальных поворотных участков. При этом существуют узлы с шестью шаровыми шарнирными соединениями для компенсации разнонаправленного воздействия повышенной силы.

Ниже приводится описание трубопроводных соединительных узлов, которые принято считать стандартными, т. е. с двумя-тремя шаровыми шарнирными соединениями.

Проектирование

Не представляя по сути особых проблем, проектирование узлов с шаровыми шарнирными соединениями имеет критическое значение в деле обеспечения безопасности и бесперебойной работы сетей. В основе этого лежат следующие параметры:

- сила землетрясения и направление всех значимых смещений (сейсмических либо тепловых), которые могут воздействовать на сеть;

- материалы, используемые для строительства сети, рабочее давление и температура, назначение рабочей жидкости;

- подробная информация о площадях, отводимых под прокладку и опорные конструкции для шаровых шарнирных соединений.

Рекомендуется следующее общее решение – узел на три шаровых соединения, два из которых монтируются на линии, перпендикулярной основной плоскости поворотного участка. Например, рассмотрим стандартный случай, где X и Z представляют два измерения, определяющих горизонтальную плоскость поворотного участка, а Y – направление, ему перпендикулярное.

Рисунок 3. (увеличить) Аксонометрическая схема поворотного участка трубопровода по вертикали, узел с двумя шаровыми шарнирными соединениями	Рисунок 4. (увеличить) На ординате коэффициент Е, учитывающий угол изгиба 90 % (рис. 2)

Два шаровых шарнира устанавливаются по линии перпендикулярной плоскости X-Z, как показано на рис. 1. Поворотный участок, для которого проектируется соединение, следует направить по-возможности в нейтральном направлении с углом поворота вертикального участка трубопровода стояка в пределах расчетного углового отклонения (рис. 2).

Поворотный участок на два шаровых шарнира

В случае простой смены направления только в плоскости соединение с двумя шаровыми шарнирами, как правило, обеспечивает достаточную гибкость и компенсирует умеренные смещения.

Нужно только убедиться, что имеющееся пространство достаточно для необходимого удлинения части стояка между соединениями.

Внеплоскостные толчки, обусловленные сейсмическими явлениями (учитывать которые в процессе проектирования необходимо в любом случае), оказывают здесь несущественное влияние и поглощаются изгибом шаровых шарниров, при этом нагрузка на анкерные узлы не будет избыточна.

Длина промежуточной части стояка между шаровыми шарнирами определяется, естественно, предельно допустимым углом изгиба в плоскости поворотного участка.

Рисунок 5. (увеличить) Вид поворотного участка трубопровода по вертикали с двумя шаровыми шарнирами (такое решение не рекомендуется)	Рисунок 6. (увеличить) Стандартное решение соединения из трех шаровых шарниров

В случае, рассматриваемом на рис. 3, длина части стояка:

где E_m – коэффициент умножения для поворотных участков трубопровода с двумя шаровыми шарнирами (рис. 4).

В этой связи следует подчеркнуть, что в расчетах силы от сейсмического воздействия по горизонтали обычно считаются равными магнитуде в обоих главных направлениях (оси X и Z).

На рис. 5 представлен еще один вариант расположения соединений на поворотном участке трубопровода, где один шаровой шарнир установлен на стояке, а второй – на горизонтальном участке. В этом случае, если происходят многонаправленные смещения, участок выдерживает предельные нагрузки. Правда, в плане громоздкости решение не самое идеальное.

Ведь длина части стояка L по меньшей мере в 4 раза больше длины части стояка на схеме 3. Схему 5 можно, таким образом, рекомендовать только для поворотных участков перпендикулярных плоскости самого трубопровода.

Длина стояков трубопровода на схеме 5 варьируется не только по типу сейсмического воздействия, но и в зависимости от диаметра трубопровода.

Ограничением является не столько гибкость шаровых шарнирных соединений, сколько жесткость самого трубопровода и отвода.

Рисунок 7. (увеличить) График для определения коэффициентов Em1 и Em2, учитывающих угол изгбиба 90 % (рис. 2)	Рисунок 8. (увеличить) Пример стандартного соединения на три шаровых шарнира. Длина стояков L рассчитывается по схеме рис. 7.

При желании минимизировать длину части стояка можно путем тщательного компьютерного анализа с учетом его сопротивляемости изгибу.

Поворотный участок на три шаровых шарнира

При проектировании системы, рассчитанной на значительные смещения в горизонтальной плоскости и множественное воздействие по вертикали, на каждом поворотном участке сети рекомендуется ставить три шаровых шарнирных соединения. Именно дополнительный третий шаровой шарнир повышает гибкость системы и в значительной степени сокращает нагрузку на конечные точки сети (рис. 6).

В данном случае стояк с двумя шарнирами ориентирован перпендикулярно плоскости, где требуется наибольшее отклонение от направления трубопровода.

Минимальное расстояние между шаровыми шарнирами определяется поворотами e и y. Они зависят от угла изгиба шарового шарнира (рис. 6). В рассматриваемом примере длина стволов:

и

где E_m1 и E_m2 – коэффициенты умножения (рис. 7).

Еще один пример использования трех шаровых шарниров представлен на рис. 8. Здесь параметры гибкости аналогичны рассмотренным в примере (рис. 6). Однако данное решение рекомендуется только в случаях, когда воздействие на вертикальные секции трубопровода не менее сильное либо больше, чем горизонтальное воздействие.

Рисунок 9. (увеличить) Пример соединения на три шаровых шарнира в горизонтальной плоскости	Рисунок 10. (увеличить) График для определения коэффициента Е для соединений в горизонтальной плоскости (рис.9) на основе значения абсциссы, составляющего угол изгиба 90 % (рис.2)

Решения, аналогичные показанным на схемах 6 и 8, могут применяться для горизонтальных участков (рис. 9).

В этом случае воздействие в направлении y идет перпендикулярно плоскости трубопровода. Такое решение предназначено для сетей, находящихся в зоне возможного сейсмического воздействия в трех измерениях, которое требует увеличения длины участков стояков между шаровыми шарнирами. Здесь L определяется зависимостью:

где E_m – коэффициент умножения (рис. 10).

Еще одно решение организации поворотного участка трубопровода с тремя шаровыми шарнирами называется колено. Осевая линия каждого из трех шарниров ориентирована перпендикулярно плоскости, которая может подвергаться наибольшим смещениям вследствие воздействия сейсмических волн.

Основное преимущество такого решения состоит в более эффективном поглощении сейсмических воздействий при минимальной длине стояка. Такие воздействия поглощаются простым вращением шарниров.

Опорные конструкции

Разумеется, использование шаровых шарнирных соединений на водопроводных сетях должно сопровождаться пунктуальным соблюдением самых жестких стандартов их тангажа. Имеется в виду, что трассировка и расположение опорных конструкций должны соответствовать динамике возможных воздействий и соответствующих смещений.

К примеру, при невозможности обеспечить необходимые интервалы между шаровыми шарнирными соединениями можно увеличить число промежуточных опорных стоек при условии, что сами опоры не будут препятствовать возможным смещениям элементов сети.

Во избежание повреждений и в целях обеспечения бесперебойной работы сети рекомендуется тщательный анализ параметров сопротивляемости воздействиям, обусловленным изгибом и скручиванием трубопровода.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI № 3, 2002.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.