Коэффициент линейного расширения стальной трубы

Тепловое расширение трубопроводов

Под действием изменения температур изменяется размер промышленных и коммунальных изделий. Это касается труб, конструкций, оборудования и сооружений. Далее будет рассмотрен вопрос компенсации сжатия и теплового расширения.

При проектировании трубопровода должны учитываться любые перемещения, которые могут возникнуть из-за внешнего воздействия на него, в т.ч. его расширения из-за температурных перепадов. Трубы могут представлять реальную опасность для деталей трубопровода и другого оборудования, т.к. испытывают напряжение при изменениях температуры рабочей среды.

Существует 3 основных метода компенсации перемещений трубопровода:

1. Применяется эффект самокомпенсации
2. Устанавливается компенсатор
3. Устанавливаются металлорукава

Тот или иной способ компенсации выбирается в зависимости от наличия или отсутствия других коммуникаций, ландшафтных особенностей местности, типа системы трубопроводов и т.д.

Рассмотрим способ компенсации расширения прямолинейных участков трубопровода посредством осевых сильфонных компенсаторов.

Расчеты

На первом этапе решения вопроса компенсации температурного перемещения трубопровода вычисляют точное изменение длины системы трубопровода. Расчеты ведутся в соответствии с условиями безопасности, которые предъявляются к трубопроводу.

При расчете теплового расширения трубопровода применяется следующая формула:

В качестве коэффициента температурного расширения используется значение а, которое выражается в мм/(м о С).

За длину трубопровода принимается значение L, выражаемое в м. Обычно измеряется длина между неподвижными опорами.

Показатель ∆t обозначает разницу значений между максимальным значением температуры рабочей среды и минимальным, выражается в о С.

Расчет доступен каждому и даже не профессионал может легко сделать его.

Для того чтобы узнать коэффициент температурного расширения необходимо обратиться к таблице линейного расширения труб. Коэффициенты различаются в зависимости от используемого для производства труб материала.

Коэффициент линейного расширения, мм/м °С

Сталь черная и оцинкованная

Полипропилен (PP-R 80 PN10 и PN20)

Полипропилен (PP-R 80 PN25 алюминий)

Полипропилен (PP-R 80 PN20 стекловолокно)

Сшитый полиэтилен (PEX)

Способы компенсации зависят от стойкости того или иного материала температурному расширению. Например, трубопровод из полимерных материалов более подвержен температурному расширению, чем выполненный из стали. Поэтому способ компенсации полимерных труб будет отличаться от способа компенсации стальных.

Коэффициенты линейного расширения, приведенные в таблице, являются усредненными и поэтому их нельзя использовать при расчете для трубопроводов, изготовленных из других материалов. Допускается различие коэффициентов на 5%, т.к. результат зависит от метода расчета и условий, при которых проводились исследования.

Рассмотрим пример:

Исходные данные: диаметр прямолинейного участка трубопровода 219 мм. Он произведен из черной углеродистой стали, ее длина 100м. t_min = -20 о С и t_{max =} 140 о С.

Расчет выглядит следующим образом: ∆t = 140 — (-20) = 160 о С. Далее вычисляем изменение длины трубопровода, расчет следующий: ∆L = 0,0115 х 160 х 100 = 184мм.

Результат показывает, что длина трубопровода может меняться при данных значениях на 184мм. Чтобы обеспечить бесперебойную работу трубопровода, необходим осевой сильфонный компенсатор, условный диаметр которого равен 200мм, а компенсирующая способность — 200 мм (КСО 200-16-200).

Если значение теплового расширения трубопровода (∆L) будет больше, чем имеющиеся компенсирующие способности компенсаторов, то длину трубопровода уменьшают пропорционально компенсирующей способности и подбирают соответствующий сильфонный компенсатор.

Температурное = тепловое линейное удлинение трубопроводов из различных материалов. Удлинение («расширение») труб при нагреве. Чугун, сталь, медь, латунь, алюминий, металлополимерные, ПП, ПВХ, ПЭ, прочие

Температурное = тепловое линейное удлинение трубопроводов из различных материалов. Удлинение («расширение») труб при нагреве. Чугун, сталь, медь, латунь, алюминий, металлополимерные, ПП (PP), ПВХ, ПЭ (PEX), полибутилен. Таблица.

Для точных вычислений, естестенно, следует пользоваться более сложными моделями: (Коэффициенты теплового расширения), но для практических целей значительно удобней пользоваться ориентировочной табличкой:

Таблица. Практические величины теплового линейного удлинения труб из различных материалов при нагреве на 50°C в диапазоне температур -50/+100 °C

Температурное линейное удлинение трубопроводов из различных материалов. Удлинение («расширение») труб при нагреве. Чугун, сталь, медь, латунь, алюминий, металлополимерные, ПП (PP), ПВХ, ПЭ (PEX), полибутилен. Таблица.

Материал трубы	Линейное удлинение на 100 погонных метров трубы при нагреве на 50°C
Чугун	52 мм	5,2 см	0,052 м
Сталь нержавеющая	55 мм	5,5 см	0,055 м
Сталь углеродистая	58 мм	5,8 см	0,058 м
Медь	85 мм	8,5 см	0,085 м
Латунь	95 мм	9,5 см	0,095 м
Алюминий	115 мм	11,5 см	0,115 м
Металлополимерные трубы	130 мм	13 см	0,13 м
Полипропилен с алюминием	150 мм	15 см	0,15 м
Полипропилен армированный	310 мм	31 см	0,31 м
ПВХ (PVC) поливинилхлорид	400 мм	40 см	0,4 м
Полипропилен без армирования	650 мм	65 см	0,65 м
Полибутилен (PB)	750 мм	75 см	0,75 м
Полиэтилен, ПЭ, (PEX)	1000 мм	100 см	1 м

Ну и для совсем уж эстетов:) , рисунок:

Консультации и техническая
поддержка сайта: Zavarka Team

Коэффициент линейного расширения стальной трубы

Планируя монтаж трубопровода, необходимо учитывать коэффициент линейного расширения материала (КЛР). Это физическая величина, отражающая изменение размеров тела при увеличении температуры (на 1К) и постоянном давлении. Материалы, из которых изготавливают трубы, обладают фиксированными значениями линейного расширения, что упрощает проектирование.

Параметры распространенных материалов

Для прокладки канализации применяются в основном металлические трубы, поскольку они обладают большей устойчивостью к влиянию внешней среды и повышенной общей долговечностью в сравнении с ПВХ и ПП. Сравним основные показатели популярных материалов.

Чугун – коэффициент линейного расширения составляет 0,0104 мм/м. При нагреве на 50 о С каждые 100 м трубы увеличатся на 52 мм.

Нержавеющая сталь – КЛР равняется 0, 012 мм/м. Реальное удлинение составит 55 мм на 100 м трубы.

Медь – линейное расширение составляет около 0,017 мм/м. При нагреве 100 трубы удлинится на 85 мм.

Как видим, наиболее стойким к влиянию нагрева остается чугун – его КЛР приближен к показателям высококачественного бетона (линейное расширение 0,011 мм/м). Если при проектировании магистрали проигнорировать способность материалов к удлинению, готовый трубопровод при сезонных колебаниях температуры быстро потребует ремонта. Так, возникают трещины на швах, разгерметизация стыков, деформация системы, срыв креплений.

Нарастающие напряжения провоцируют громкий шум, снижается пропускная способность магистрали. Это особенно критично в случае прокладки сточной системы на предприятии или в многоквартирном доме. При малой протяженности канализации и ее размещении в условиях минимального колебания температуры коэффициентом линейного удлинения можно пренебречь. В остальных случаях избежать негативных последствий теплого расширения можно несколькими способами.

Самокомпенсация – подходит для достаточно упругих материалов и позволяет достичь снижения нагрузки на трубопровод за счет поворотных участков. Использование эффекта позволяет сэкономить на дополнительных материалах, создании специализированных опорных конструкций. В этом случае во время монтажа мастер должен обеспечить должную подвижность поворотных участков без риска разгерметизации системы. Если этого эффекта недостаточно для устранения напряжений, дополнительно используется второй метод.

Установка компенсаторов – наряду с этими приспособлениями, требуется монтаж чередующихся скользящих и неподвижных опор. Способ подходит для трубопроводов с большими прямыми участками или при недостаточном эффекте самокомпенсации. В большинстве случаев оправдана установка сильфонных компенсаторов, которые дешевле и практичнее П-образных приспособлений или устройства железобетонного канала.

Монтаж металлорукава – наиболее дорогостоящий и сложный способ, который обычно не используется в отношении канализационных магистралей. Позволяет компенсировать значительное тепловое удлинение на прямых участках трубы или при поворотах магистрали на 90-180 градусов.

Дополнительно рекомендуется использование умеренно жестких (обрезиненных) креплений, отсутствие ограничителей по торцам трубы, использование компенсирующих петель. Оптимальный способ предотвращения напряжений из-за нагрева трубы выбирается, исходя из способа прокладки, максимальных температурных колебаний, прочих факторов.

От чего зависит удлинение труб: методология расчета

Степень теплового удлинения магистрали зависит от нескольких основных факторов: максимальной температуры теплоносителя, условий окружающей среды в момент монтажа и при эксплуатации трубопровода. При этом учитываются длина прямого отрезка, КТР. Указанные значения отражаются в формуле, которая позволяет определить увеличение размеров для конкретной системы. В случае с литейным чугуном необходимо использовать такие расчеты:

ΔL=L*α*ΔT ΔL = изменение длины в мм, где:

L = длина трубы в м;

α = коэффициент линейного удлинения;

ΔТ = разница температур Tmax-Tmin.

Например: Длина трубы = 50 метров Tmax = +40°С Tmin = +4°C. Температура при установке = +25°С Δт (тепло) = (+40) – (+4) = +36°С ΔL = 50*0,015*36 =27 мм. Именно столько составит удлинение трубы на отрезке в 50 м.

Рекомендации по проектированию и монтажу трубопровода

На схеме расположения трубопровода необходимо предварительно отметить места монтажа неподвижных опор с учетом естественной компенсации теплового удлинения соединениями и отводами. Необходимо определить, достаточно ли свойств системы для гашения напряжений между жесткими креплениями. Если нет, следует продумать расположение осевых сильфонных компенсаторов. Необходимо заранее определить количество и расположение скользящих опор.

Компенсаторы актуально монтировать между неподвижными опорами, которые разделяют трубопровод на участки, расширяющиеся независимо друг от друга. Помните, что амплитуда возможного движения трубы перпендикулярно стене определяется расстоянием магистрали до нее. При монтаже вертикальных участков максимальный промежуток между опорами должен составлять 1 м (при наружном диаметре изделия до 35 мм) или 1,5 м (при большем наружном диаметре). Для любой запирающей или распределительной арматуры должны быть предусмотрены собственные жесткие крепления, предотвращающие передачу дополнительных напряжений на трубы.

Вывод

Литейный чугун остается наиболее надежным материалом для прокладки сточной системы в жилых постройках, производственных, административных и офисных зданиях. Он подвержен тепловому расширению гораздо меньше, чем другие популярные материалы. Это означает, что компенсировать увеличение длины изделия будет проще и дешевле, нежели в случае со сталью или дорогостоящей медью. Подобрать чугунные трубы и фитинги можно в нашем каталоге продукции от самого популярного бренда России.

Онлайн расчет температурного линейного расширения материалов, металлов, камней, пластиков

Если данный калькулятор был для Вас полезным, пожалуйста нажмите на одну или несколько социальных кнопочек. Благодарим за Ваш большой вклад в поддержку нашего проекта. Желаем Вам крепкого здоровья, счастья, успехов в профессиональной деятельности и дальнейшего процветания Вашего бизнеса. Огромное спасибо.

Больше интересного

Какими качествами должна обладать сантехническая дверь или же дверь в ванную комнату.

В этой статье рассматривается ковровая плитка. Её достоинства и недостатки.

Краткий обзор строительных материалов применяемых в современном строительстве

Расчет температурного линейного расширения

Так же, как и здание после строительства может дать «усадку», некоторые материалы, напротив, со временем увеличиваются или удлиняются. Это явление в физике называется тепловым расширением, потому что возникает оно по мере того, как на твердое тело воздействует высокая температура. Оно становится причиной увеличения площади, поэтому фактор расширения необходимо принимать во внимание при строительстве автомагистралей и зданий.

К примеру, при возведении дома с железобетонными элементами в климатических условиях, близким к тропическим или южным, строители могут не учесть вероятность линейного расширения. Впоследствии увеличенные металлические конструкции могут привести к повреждению других механизмов и преждевременному разрушению всей конструкции.

Подобный пример можно привести и при строительстве железнодорожных рельс. Нагреваясь под прямыми лучами солнечного света, молекулы металла расширяются и удлиняются. В холодное время года рельсы напротив, укорачиваются. Хотя это сложно заметить невооруженным взглядом, с целью безопасности нужно учитывать это при строительстве с применением не только металла, но и камня, даже пластика.

Как определить температурное линейное расширение

Чтобы избежать негативных последствий расширения материалов, используются специальные термометры. Они чувствительны к малейшим изменениям температуры. Но лучше предусмотреть возможные изменения и перестраховаться еще на стадии планирования производства. Для этого разработан онлайн-калькулятор, который моментально демонстрирует:

• коэффициент линейного теплового расширения;
• удлинение по осям Х, Y и Z;
• величину, на которую удлиняется материал при заданной температуре.

Все, что нужно сделать для этого – выбрать из выпадающего списка нужный материал, выбрать его параметры: толщину, дину и ширину. Если нужно конкретно узнать его состояние при той или иной температуре, можете выбрать и эту функцию на сайте. Отметим, расчеты проводятся относительно начальной температуры материала 0°C. Ответы выдаются на анализе коэффициентов линейного теплового расширения, и расчетам, которые уже проведены и запрограммированы на сайте. Система реагирует на изменения и самостоятельно выполняет подсчет.

Какие материалы чаще всего подвергаются расширению

Прежде всего, это – металлы: алюминий, купрум, медь. Среди камней можно отметить гранит базальт, кварцит и даже кирпич. Аналогично на высокие температуры реагируют дерево, сложные штукатурки и стекло. Из вышеперечисленных материалов наименьший коэффициент теплового расширения имеют:

• клинкерный и стеновой кирпич;
• дерево;
• штукатурка;
• базальт;
• стеновой кирпич.

Для сравнения, наибольший показатель – у алюминия, стали и меди. К примеру, КТЛР алюминия составляет 24•10-6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали. Поэтому монтаж трубопровода невозможен без предварительных расчетов, особенно если планируется использовать алюминиевые трубы для горячего водоснабжения или отопления. Изменение длины трубопровода при перепадах температуры определяется по формуле

dL = a • l • (tmax – tc), мм, где:

• а – КТЛР материала, из которого изготовлена труба или другое изделие;
• tmax – наибольшая температура, которой достигает теплоноситель;
• tс — температура окружающей среды на момент установки конструкции;
• l — длина трубопровода.

Также есть специально составленные таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения различных материалов. Но прибегать к ним и сложным расчетам не обязательно, если под рукой есть интернет и безошибочное решение можно получить с помощью калькулятора за считанные минуты.

Линейное расширение при монтаже трубопроводов из полипропиленовых труб

Пластиковые трубы имеют множество преимуществ перед металлическими, однако пластиковая трубопроводная арматура имеет свои особенности, которые нужно учитывать при проектировании и монтаже внутридомовых инженерных систем. Речь идет о температурном или линейном расширении.

Что такое линейное расширение

Линейное расширение – это увеличение длины трубопровода при воздействии температуры теплоносителя и окружающей среды в силу физических свойств полимеров, которые обусловливают изменения структуры материала под воздействием перепадов температуры.

Полипропилен имеет достаточно высокий коэффициент температурного расширения, и при нагреве рабочей среды до 70 °С может увеличиваться в длину до 1,5-1,7 см. Это необходимо учитывать при проектировании и монтаже систем горячего водоснабжения и отопления, т.к. в противном случае это приведет к деформации, срыву креплений, завоздушиванию и снижению теплоотдачи батарей.

Если выполнить монтаж инженерной системы без учета этой особенности полимера, это может привести к деформации и неисправностям в работе трубопровода, особенно при установке системы большой длины (от 10 м).

На практике линейное расширение выглядит как сдвиг участка трубопровода: трубы в местах поворотов и фланцевых соединений словно отклоняются от вертикальной оси приблизительно на 1,5-1,7 см.

Ошибки в проектировании, когда специалист забывает учесть коэффициент температурного расширения (КТР), часто приводят к отклонению трубы от заданной оси, из-за чего участок трубопровода выглядит волнообразным.

Отсутствие специальных компенсирующих элементов приводит к тому, что трубы начинают прогибаться, провисать и деформироваться, что существенно снижает срок эксплуатации.

Для расчета необходимой длины трубопровода, а также мест установки компенсаторов используется специальная формула. В ней учитывается температура окружающей и рабочей среды, тип материала (армированный/неармированный полипропилен), длина участка. Полученный коэффициент переводят в сантиметры и добавляют к расчетной длине трубопровода.

Это важно! Расчет коэффициента температурного расширения актуален только для систем горячего водоснабжения и отопления, где вода нагревается до 70 °С и выше. Полипропиленовые трубы в системе холодного водоснабжения практически не меняют физических свойств, поэтому этот параметр брать во внимание при монтаже не нужно.

Зависимость структуры материала от воздействия температуры

Следует отличать максимальную температуру, которую могут выдержать ПП-трубы, от их реальных физических свойств. Несмотря на то, что производитель указывает показатель температуры плавления полипропилена 170 °С, на самом деле полипропиленовые изделия начинают размягчаться уже при 135-140 °С.

Установка таких труб без учета температурного расширения – это не просто риск деформации. Последствия ошибок в проектировании инженерных систем могут быть значительные:

• происходит срыв крепежных элементов;
• на деформированном участке скапливается воздух, снижающий пропускную способность системы (т.н. завоздушивание);
• температура радиаторов и стояков снижается, система работает менее эффективно;
• трубы лопаются, возникают утечка теплоносителя.

Важно! Для монтажа инженерных систем используются неармированные и армированные ПП-трубы. Вторые имеют дополнительный слой, который защищает внешний слой полимера от перегрева. Благодаря этому снижается коэффициент температурного расширения трубы, но полностью он не нивелируется.

У армированных полипропиленовых труб КТР меньше, но его все равно нужно учитывать.

Усредненные показатели коэффициент температурного расширения:

• неармированные – 0,15 мм/мК;
• армированные металлом – 0,03 мм/мК;
• армированные стекловолокном – 0,035 мм/мК.

На деле коэффициент температурного расширения для неармированных ПП-труб 0,15 мм выглядит как удлинение участка на 1 см на каждый метр трубопровода, если температура рабочей среды достигнет 70°С.

Внимание! Это не означает, что труба длиной 5 м удлинится на 5 см при запуске горячей воды. В системах горячего водоснабжения температура воды составляет максимум 65°С, следовательно коэффициент расширения также будет меньше.

Но, в конечном счете, при расчете длины инженерной системы нужно учитывать реальные температурные показатели. Для системы отопления длина трубы может увеличиться на 5 см и более.

Расчет коэффициента расширения для различных видов труб

Существует формула для расчета расширения полипропиленовых труб при нагреве, позволяющая определить, насколько увеличится длина трубопровода:

• Д — искомая длина участка после нагрева;
• к — коэффициент температурного расширения;
• ДТ — проектная длина трубопровода в метрах;
• t – разница температур между воздухом в помещении и теплоносителем.

Например, для установки системы отопления протяженностью 10 метров и проектной температурой теплоносителя 90 °С будут использоваться армированные алюминием полипропиленовые трубы.

Температура в комнате во время монтажа составляет 25 °С. Используя формулу, можно определить длину участка после нагрева: 0,03*(90-25)*10 = 19,5 мм.

То есть к трубопроводу из армированного полипропилена протяженностью в 10 м при проектировании необходимо еще добавить запас длины 1,95 см.

Монтаж с учетом показателя линейного расширения

При монтаже трубопровода для горячего водоснабжения и отопления (в т.ч. системы «теплый пол») обязательно нужно учитывать удлинение трубы в результате воздействия высокой температуры.

Оптимальный выбор изделий для установки трубопровода – армированные трубы со стекловолоконным или алюминиевым внутренним слоем. Армирование — слой фольги или стекловолокна — поглощает часть тепловой энергии от теплоносителя и сокращает коэффициент температурного расширения полимера. Благодаря этому потребность в компенсации физических изменений будет также снижена.

Правила монтажа труб с учетом линейного расширения:

• между трубопроводом и стеной в помещении необходимо оставить небольшой зазор, т.к. трубы могут отклоняться от своей оси при нагреве и идти волнообразно;
• особенно важно оставить небольшие зазоры в углах помещений, где трубы соединяются поворотными муфтами или фланцами;
• на длинных участках трубопровода устанавливают специальные компенсаторы линейного расширения, которые одновременно фиксируют трубопровод в своей плоскости, но позволяют ей смещаться по направлению монтажа;
• желательно снизить количество жестких стыков, чтобы обеспечить гибкость трубопроводу.

В некоторых системах горячего водоснабжения и отопления на базе армированных и неармированных изделий можно увидеть различные способы т.н. самокомпенсации температурного расширения за счет упругой деформации полипропилена.

Чаще всего используются петлеобразные компенсирующие участки – кольцевые повороты с подвижной фиксацией на стене. Петля, полученная в результате такой установки, сжимается и расширяется при нагревании/остывании теплоносителя, не влияя на положение и геометрию трубопровода на остальных участках.

Компенсаторы расширения труб

Кроме самокомпенсации, предотвратить деформацию труб в результате температурного расширения можно с помощью дополнительных приспособлений – механических компенсаторов. Они устанавливаются на Г- и П-образных участках трубопроводов и представляют собой скользящие опоры, через которые проходит труба.

Специальные компенсаторы расширения делятся на несколько типов:

1. Осевые (сильфонные) – приспособления в виде двух фланцев, между которыми находится пружина, компенсирующая сжатие и расширение участка трубопровода. Крепятся неподвижно к опоре.
2. Сдвиговые – используются для компенсации осевого отклонения участка трубопровода при температурном расширении.
3. Поворотные – устанавливаются на участках поворота магистрали для уменьшения деформации.
4. Универсальные – объединяют расширения во всех направлениях, компенсируя поворот, сдвиг и сжатие трубы.

Компенсатор Козлова

Существует также новый вид устройства, названный в честь своего разработчика – компенсатор Козлова. Это более компактное устройство, внешне напоминающее участок трубопровода из полипропилена.

Внутри компенсатора находится пружина, которая поглощает энергию расширения труб в пределах участка, сжимаясь при нагреве воды и расширяясь при остывании. Преимущество компенсатора Козлова перед другими видами приспособлений – более легкий и простой монтаж, а также сокращение расхода арматуры.

В отличие от петлеобразного участка, при монтаже компенсатора Козлова достаточно соединить участок труб фланцевым или сварным способом.