Еще недавно расчет теплофикационных труб на прочность по аналогии с другими напорными трубопроводами ограничивался расчетом на действие внутреннего давления теплоносителя. Все остальные нагрузки и внешние воздействия учитывались косвенно — путем произвольного повышения коэффициента запаса прочности, т. е. понижения допускаемого напряжения при расчете труб на разрыв.

Это приводило к чрезмерному утолщению стенок труб и, следовательно, к перерасходу металла.

Необходимость в пересмотре и уточнении устаревших методов расчета назрела уже давно, однако и до настоящего времени не разработаны нормативы для расчета прочности теплофикационных труб, аналогичные существующим для труб другого назначения (например, для трубопроводов энергетических установок— котельных и электростанций — «ли для магистральных трубопроводов для транспорта нефти и газа). Указанное обстоятельство затрудняет проектирование, а в ряде случаев тормозит внедрение прогрессивных технических решений и экономичных конструкций, позволяющих получить экономию трубного металла.

В комплекс расчета теплофикационных трубопроводов на прочность входят:

а) расчет напряжений, вызванных внутренним давлением теплоносителя, и определение толщины стенок труб;

б) расчеты на компенсацию температурных удлинений;

в) расчет напряжений и усилий в трубах от весовых нагрузок и от сил трения в опорах;

в) расчет напряжений от сил трения в грунте при бесканальной прокладке теплопроводов;

д) расчет усилий, действующих на неподвижные опоры.

Кроме того, при проектировании может встретиться необходимость в дополнительных расчетах, например напряжений, вызванных неравномерным распределением температуры по высоте сечения трубы в пусковом периоде (например, в наружных паропроводах), или напряжений от ветровых нагрузок при надземной прокладке.

Трубопроводы, служащие для транспорта тепла при повышенных параметрах (давление пара выше 16 кГ/см2, температура выше 250 0С), должны рассчитываться по «Нормам расчета элементов паровых котлов на прочность».

Для расчета теплофикационных трубопроводов с давлением теплоносителя не выше 16 кГ/см2 и температурой «е выше 200—250°С необходимо пользоваться нормами проектирования магистральных трубопроводов (СНиП II-Д. 10-62), которые разработаны на основе метода предельных состояний. Этот метод используется в настоящее время е расчетах на прочность строительных конструкций как наиболее прогрессивный по сравнению с расчетами, основанными на допускаемых напряжениях.

Указания СНиП II-Д.10-62 распространяются на «холодные» трубопроводы, и в них не учитывается снижение прочности стали под влиянием температуры. Для теплофикационных трубопроводов, большинство из которых нагревается до температуры 150°С лишь в течение небольшого количества часов в году, это снижение также может не учитываться, так как оно не превышает 4—5%.

Нагрузки, действующие на трубопровод и его напряженное состояние, существенно зависят от способа прокладки.

При прокладке в непроходных подземных каналах и проходных туннелях трубы полностью разгружены от веса грунта, воздействия нагрузок от транспорта и ветровых нагрузок. Трубопровод, уложенный на подвижные опоры (скользящие или катковые), представляет многопролетную неразрезную балку. Наряду с напряжениями от собственного веса бН трубы испытывают также продольные ба и тангенциальные напряжения от бt внутреннего давления, а также компенсационные напряжения бK.

При неравномерной осадке опор напряжения бН могут сильно возрасти. Как показали многочисленные вскрытия теплопроводов канальной и бесканальной прокладок, неравномерные осадки труб происходят чаще всего по следующим причинам:

а) неодинаковая плотность грунта по длине трассы вследствие его неоднородности. Особенно часто это встречается в условиях городских сетей, прокладываемых на небольшой глубине, где встречаются насыпные грунты, прослойки органического происхождения и т. п.;

б) неправильное ведение земляных работ по разработке траншей, когда в местах излишнего заглубления допускается местная подсыпка рыхлых грунтов.

Напряжения от изгиба в стенках труб могут возрасти и в результате неверной установки опор, если уклон оси труб не проверяется в процессе монтажа. В связи с этим рекомендуется уменьшать расстояния между опорами в непроходных каналах по сравнению с расстояниями, принятыми для проходных туннелей. Стоимость опор простейшего (скользящего) типа невелика, и поэтому установка дополнительных опор не вызовет существенного удорожания.

Максимальные напряжения в подземных теплопроводах, уложенных в каналах, чаще всего возникают около неподвижных опор, где действуют максимальные компенсационные усилия и максимальные изгибающие моменты от весовых нагрузок.

При надземной прокладке трубопроводов на мачтах, столбах и эстакадах с пролетным строением, а также на подвесных опорах наибольшие напряжения в трубах вызывают весовые нагрузки. Дополнительной нагрузкой здесь является ветровая. Вызываемые ею напряжения в трубах малого диаметра приблизительно равны напряжениям от внутреннего давления теплоносителя. В трубах среднего диаметра они снижаются до половины, а в трубах большого диаметра — до 0,1 напряжения от внутреннего давления.

К дополнительным напряжениям относятся напряжения изгиба, вызванные осадкой подвесных опор труб.

Значительно отличаются от рассмотренных выше условия работы бесканальных теплопроводов.

Различаются две основные конструкции бесканальных теплопроводов: разгруженные и неразгруженные.

К первым относятся трубопроводы, проложенные в жестких изоляционных оболочках с небольшим воздушным зазором между трубой и изоляцией (например, в цилиндрических оболочках, собранных из сегментов); ко вторым — трубопроводы, проложенные в оболочках из армопенобетона без воздушных зазоров, и бесканальные прокладки с засыпной изоляцией. В разгруженных теплопроводах нагрузка от грунта полностью или частично воспринимается жесткой изоляционной оболочкой, и силы трения между неподвижной оболочкой и трубой поэтому имеют относительно небольшую величину. В неразгруженной конструкции силы трения достигают значительно большей величины, так как перемещения труб здесь происходят совместно с пенобетонной оболочкой. При засыпной изоляции силы трения также велики, так как давление грунта полностью передается на поверхность труб. Определение напряжений в стенках бесканальных теплопроводов осложняется неопределенностью и изменчивостью величины давления грунта на трубы. Несмотря на большое количество проведенных теоретических и экспериментальных исследований, задача определения давления грунта на трубы (как и на другие подземные сооружения) еще не может считаться окончательно разрешенной. Давление грунта зависит от целого ряда факторов, учесть которые в теоретических расчетах весьма трудно. Существует большое число формул, предложенных разными, авторами для определения давления на подземные трубопроводы, которые значительно отличаются друг от друга, как в расчетных предпосылках, так и по результатам расчета.

Существенное влияние на прочность бесканальных теплопроводов оказывают неравномерные осадки грунта под трубами. В местах прохода через камеры трубопровод опирается на их стены. Здесь в большинстве случаев создается защемление трубопровода при его изгибе в вертикальной плоскости под действием весовой нагрузки и давления грунта.

Проверка на продольный изгиб при сжатии необходима для прямолинейных участков трубопровода большой длины с сальниковыми (или манжетными) компенсаторами. Под действием осевых усилий сжатия такие трубопроводы могут потерять устойчивость, что не допустимо при установке сальниковых компенсаторов.