Сортамент и основные характеристики круглых труб

Разнообразные профили трубного металлопроката широко распространены в промышленности, строительстве, архитектуре, городском коммунальном хозяйстве. Применение находят они и в быту. Правильный выбор сортамента и размеров трубы круглого поперечного сечения проводят в два этапа. Вначале устанавливают массовые и технологические характеристики проката. Затем из номенклатуры труб рассчитывают ожидаемую оценку прочности и коррозионной стойкости продукции, учитывая условия её эксплуатации.

 Классификация стальных профилей круглого поперечного сечения

Рассматриваемый прокат различают по следующим параметрам:

1. По технологии производства. Данные изделия можно получать прокаткой на станах (в горячем и холодном состоянии), волочением на круглых оправках, прессованием через круглые фильеры, а также свёрткой из металлических лент или полос с последующей электрической или газопламенной сваркой. Соответственно говорят о катаных, тянутых, прессованных и сварных трубах.
2. По размерам поперечного сечения – с постоянным или переменным (раструбные соединения) сечением.
3. По исходным материалам.
4. По точности размеров.

Наибольшей прочностью обладают бесшовные трубы. Их, в свою очередь, можно подразделить на:

• Горячекатаные бесшовные.
• Холоднотянутые (горячее волочение в современном металлургическом производстве не применяется).
• Горяче- и холоднопрессованные.
• Прецизионные стальные особо высокой точности.

*

Трубы стальные бесшовные показывают хорошую работоспособность в напорных трубопроводах и газопроводах магистральных линий.

Сварные стальные трубы технологически проще в производстве, и требуют для изготовления меньших энергозатрат.

Они различаются:

• Способом сварки (пламенная, электрическая, сварка сопротивлением).
• Направлением относительного перемещения сварочной головки (только применительно к электросварным заготовкам!) – по прямой или по спирали.

*

Сваренная стальная труба формируется путем сварки стальной пластины, свёрнутой в трубчатую форму при помощи шва, который проходит вдоль всего изделия. Такие профили находят применение в магистральных водопроводах среднего давления, во внутренних газопроводах, системах отопления и кондиционирования, а также в качестве корпуса при прокладке электрических сетей.

Для трубного стального проката отечественного производства действуют следующие стандарты:

• ГОСТ 8732-78, который устанавливает технические требования к бесшовным трубам горячего деформирования.
• ГОСТ 10705-91, касающийся электросварных прямошовных труб.
• ГОСТ 3262-75, определяющий сортамент и технические требования к стальным круглым трубам, предназначенным для монтажа водопроводных сетей.
• ГОСТ 10704-91, нормы которого распространяются на тонкостенный трубный прокат (см. рис. 8).
• ГОСТ 20295-85, где представлены типоразмеры круглых труб для магистральных трубопроводов.

Некоторые из специальных видов профилей, в частности, бурильные или нержавеющие трубы, производятся по отраслевым стандартам и ТУ. Отечественный сортамент круглых стальных труб – метрический, сортамент зарубежных – часто дюймовый.

Основные геометрические характеристики сечения трубного металлопроката

*

Для оценки эксплуатационных возможностей круглых труб значение имеют такие параметры сечения как круговой момент сопротивления, момент инерции и радиус инерции.

Под моментом сопротивления W, мм³, понимают силовой фактор, который вызывается внутренними нагрузками, возникающими в трубе, подвергаемой внешним упругим деформациям. В сопротивлении материалов данный параметр зависит от момента инерции плоского сечения I, мм⁴, и от расстояния между внешней внешним диаметром и осью трубы e, мм:

 W = I/e

Момент сопротивления характеризует способность сечения противостоять внешним силовым факторам. Для кольца (плоской фигуры, определяющей сечение обычной, не тонкостенной, круглой трубы) момент сопротивления не зависит от направления координат, и устанавливается по зависимости

 W = πD³/32 (1-с⁴),

где:

• D – внешний диаметр профиля, мм;
• с = d/D – соотношение внутреннего d и внешнего D диаметров сечения.

Трубный профиль характеризуется более высоким моментом сопротивления. Это позволяет ему успешнее справляться с внешними силовыми факторами, чем, например, сплошной профиль с той же площадью поперечного сечения. Поэтому такие трубы применяются в таких механических и гидравлических системах, которые в процессе эксплуатации подвергаются значительным напряжениям изгиба. Нередко эти напряжения изменяются по знаку и времени.

Момент инерции – это термин, используемый для измерения или количественного определения количества массы, расположенной на наиболее удалённых между собой точках объекта. Момент инерции симметричного сечения рассчитывается относительно гипотетической оси вращения, и поэтому будет одинаковым как для оси х, так и для оси у. В данном случае, выбрав ось вращения кольца, момент инерции его сечения будет равен

 I = πD⁴/64(1 – с⁴)

Момент инерции считается энергетическим свойством сечения: при расчете, сколько энергии будет храниться во вращающемся объекте, энергия пропорциональна моменту инерции. Таким образом всегда стараются выбирать ось вращения и форму объекта, которая обеспечила бы наибольший момент инерции при максимально запасённой энергии. Для кольца это условие выполняется автоматически. Поэтому с прочностной точки зрения момент инерции кольца представляет собой максимальное противодействие объекта при попытке развернуть его вдоль оси.

Радиус инерции i представляет собой расстояние от оси поворота кольцевого сечения до точки, в которой сконцентрирована масса материала этого кольца. Радиус инерции определяется по формуле i = (I/F)^0,5, где F – площадь сечения. Радиус инерции характеризует гибкость и устойчивость трубы под действием внешних нагрузок. Рассмотренные характеристики учитываются в расчётах на жёсткость при кручении. Соответствующие формулы сведены в таблицу:

Примечание! Тонкостенными трубами считаются такие, для которых выполняется соотношение D/t > 40, либо профили с толщиной стенки менее 1,5 мм.

*

Материалы

Для производства рассматриваемой продукции используются:

1. Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050-90.
2. Конструкционные легированные стали по ГОСТ 4543-91 (за исключением тех, которые содержат повышенный процент цинка — элемента, повышающего хрупкость).
3. Нержавеющие стали по ГОСТ 5632-89.
4. Некоторые марки строительных сталей по ГОСТ 27772-2015.

Выбор материала определяется ограничениями соответствующего стандарта и условиями эксплуатации трубопровода. Например, при прокачке химически агрессивных сред, при работе в повышенной влажности или при прокладке подземных коммуникаций трубы обязательно должны подвергаться противокоррозионной обработке. Из-за усложняющихся требований эксплуатационников сортамент нержавеющих труб круглого поперечного сечения постоянно видоизменяется.

С увеличением процентного содержания углерода прочность труб увеличивается, а способность противостоять динамическим нагрузкам падает. При снижении процента углерода снижается стоимость продукции, и улучшаются условия пластического деформирования заготовок без трещинообразования.

Трубы из обычной углеродистой стали используются для подачи питьевой воды, а потому широко применяются в сантехнике, устройствах пожаротушения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Такие трубы идеально подходят также для использования и в других отраслях, если их предварительно покрыть красками, лаком или другими металлами (в частности, никелем, хромом, цинком). Это помогает не только защитить профили от ржавчины, но и сделать долговечными при работе в критических условиях.

Перечислим основные положительные особенности труб из низкоуглеродистой стали:

• Достаточно высокие значения предела прочности на растяжение/разрыв;
• Пластичность, что важно при формировании сложных линий трубопроводов;
• Низкая стоимость;
• Хорошая cвариваемость;
• Широкий номенклатурный ряд сортамента;
• Длительный срок службы (при поверхностной антикоррозионной обработке – до 100 лет).

Поскольку любая сталь отличается высокой теплопроводностью, то стальные трубы для прокачки горячих жидких или газообразных сред, нуждаются в тепловой изоляции. Кроме того, при повышенных температурах стойкость проката, изготовленного из обычных марок сталей, резко снижается; в таких случаях трубопроводы изготавливают из нержавеющих труб или из жаропрочных сталей.

Проектировочные расчёты трубопроводов

*

Подразделяются на механические и гидравлические. Первые связаны с определёнными ограничениями данного вида проката. В частности, сталь отличается повышенным весом погонного метра (в сравнении с пластиковыми или алюминиевыми профилями того же сечения). Поэтому в процессе расчётно-проектировочных работ всегда требуется максимально точно установить массу участка трубопровода, который будет воздействовать на опорные элементы металлоконструкций. Масса изделия может быть установлена несколькими способами:

• По значению массы погонного метра трубы (такая таблица всегда приводится в тексте соответствующего стандарта);
• Расчётным путём, умножив площадь поперечного сечения F = ρπ(D² – d²)/4 на протяжённость трубопровода;
• По онлайн-калькулятору массы, которые в изобилии представлены в Интернете.

Необходимость в гидравлическом расчёте трубопроводов связана с непостоянством режима движения рабочих сред, находящихся внутри. Кроме того, по длине L диаметр сечения и расположение его оси, а также толщина стенки могут изменяться. Основные формы поперечного сечения трубопроводов:

1. Раструбное.
2. Ступенчатое.
3. Периодическое.
4. Сильфонное (с гофрами).
5. Спиральное.
6. С радиатором.

При индивидуальном проектировании встречаются иные варианты. Для сложных трубопроводов обязательно устанавливают суммарные гидравлические потери напора, которые учитываются так называемым числом Рейнольдса.

Число Рейнольдса является безразмерным параметром, которое определяется соотношением динамического давления ρu² и напряжением сдвига μu/L (ρ – плотность прокачиваемой среды, u – её скорость).

Число Рейнольдса можно использовать для определения того, является ли поток ламинарным, переходным или турбулентным. Так, поток:

• Ламинарный при Re < 2300;
• Переходный процесс при 2300 < Re < 4000;
• Турбулентный при Re > 4000.

Расчёт данного параметра выполняют по зависимости:

 Re = (ρu²)/(μu/ L)

Для трубы или воздуховода число Рейнольдса составляет

 Re = ρuD_у/μ,

где D_у – гидравлический диаметр на расчётном участке трубопровода.

При сборке нескольких разнородных участков используют два основных варианта: разъёмные и неразъёмные соединения. В первом случае применяют различную соединительную арматуру (фланцы, коннекторы, раструбы), во втором – сварку (электрическую или газопламенную).

Трубные фитинги и переходники должны обеспечивать герметичное, газонепроницаемое уплотнение, удобное при установке, разборке, монтаже. Основными требованиями к ним являются достаточная усталостная прочность, устойчивость от вибраций, долговечность в условиях действия высоких давлений и экстремальных температур.

Промышленно выпускаемая соединительная арматура изготавливается из сталей, алюминиевых сплавов, латуни, меди, а далее оптимизируется по показателям прочности, коррозионной стойкости, свариваемости, пластичности. По конфигурации она подразделяется на сгоны, колена, тройники, заглушки, переходные втулки и наконечники.

Использование стальных труб позволяет снизить вес конструкций и сэкономить до 40% металла, а также чаще использовать механизированные методы монтажа. В результате упрощается строительство, уменьшаются инвестиционные и эксплуатационные расходы.