Момент инерции стальной трубы

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.

Катаные стальные трубы

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.

Процесс холодного волочения трубного проката Сварные стальные трубы

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

Раструбные соединения

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

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

Электросварка круглого профиля Газопламенная сварка труб

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.

Прямошовные трубы Тонкостенные стальные трубы

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, мм 3 , 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, мм 4 , и от расстояния между внешней внешним диаметром и осью трубы e, мм:

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

• 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 = πD 4 /64(1 – с 4 )

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:

Форма поперечного сечения	Момент инерции при кручении	Момент сопротивления при кручении	Положение точки, в которой возникают наибольшие напряжения кручения
Цельная толстостенная труба	Ik = 0,1d 4 (1-c 4 )	Wk = 0,2d 3 (1-c 4 )	Периметр внешнего контура трубы
Цельная тонкостенная труба	Ik = πd 3 t/4 (t – толщина стенки)	Wk = πd 2 t/2 (t – толщина стенки)	Во всём сечении напряжения одинаковы
Сварная тонкостенная труба	Ik = πdt 3 /3	Wk = πdt 2 /3	Наибольшее напряжение возникает по линии, противоположной месту сварного шва

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(D 2 – d 2 )/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.

Труба-сильфон

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 ρu 2 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:

Расчёт данного параметра выполняют по зависимости:

Для трубы или воздуховода число Рейнольдса составляет

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

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.

ТРУБЫ СТАЛЬНЫЕ КВАДРАТНЫЕ

Square steel tubes. Range

ТРУБЫ СТАЛЬНЫЕ КВАДРАТНЫЕ

Square steel tubes. Range

Дата введения 01.01.83

1. Настоящий стандарт распространяется на стальные бесшовные горячедеформированные и холоднодеформированные, электросварные и электросварные холоднодеформированные трубы.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

2. Форма и размеры квадратных труб должны соответствовать указанным на чертеже и в табл.1.

Примеры условных обозначений

Трубы наружным размером 40 мм, толщиной стенки 3 мм, длиной, кратной 1250 мм, из стали марки 10, группы В ГОСТ 13663-86:

То же, мерной длиной 6000 мм:

То же, немерной длины:

3. Трубы наружными размерами от 10 до 120 мм толщиной стенки от 1,0 до 8,0 мм изготовляют холоднодеформированными, трубы наружными размерами от 60 до 180 мм толщиной стенки от 4,0 до 14,0 мм изготовляют горячедеформированными, трубы наружными размерами от 10 до 100 мм толщиной стенки от 1,0 до 5,0 мм изготовляют электросварными.

2, 3. (Измененная редакция, Изм. № 1).

4. Радиус закругления R должен быть не более 2 s.

По согласованию изготовителя с потребителем радиус закругления должен быть не более 1,5 s, для электросварных труб размером 60 × 60 × 4 мм – не более 3 s.

5. Трубы изготовляют:

• бесшовные горячедеформированные – от 4 до 12,5 м,
• бесшовные холоднодеформированные и электросварные – от 1,5 до 9 м;

• бесшовные горячедеформированные – от 4 до 12,5 м;
• бесшовные холоднодеформированные – от 4,5 до 11 м;
• электросварные – от 5 до 9м.

Предельное отклонение на общую длину +100 мм;

длины кратно и мерной

• бесшовные горячедеформированные – от 4 до 12,5 м с припуском на каждый рез по 5 мм;
• бесшовные холоднодеформированные – от 1,5 до 11 м с припуском ни каждый рез по 5 мм;
• электросварные – любой кратности, не превышающей нижнего предела, установленного для мерных труб.

Общая длина кратных труб не должна превышать верхнего предела мерных труб. Припуск для каждой кратности устанавливается по 5 мм (если другой припуск не оговорен в заказе) и входит в каждую заказываемую кратность.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 3).

6. Предельные отклонения по наружным размерам, толщине стенки и вогнутости сторон не должны превышать указанных в табл. 2.

при точности изготовления

(Измененная редакция, Изм. № 1).

7. Разностенность не должна выводить стенку за предельные отклонения по толщине стенки.

8. В поперечном сечении трубы отклонение от прямого угла не должно превышать ±1,5°.

9. Кривизна труб не должна превышать 2 мм на 1м длины. По требованию потребителя трубы изготовляют без правки, при этом нормы по кривизне не регламентируются.

11. Технические требования должны соответствовать ГОСТ 13663.

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством черной металлургии СССР

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 14.04.82 № 1529

3. ВЗАМЕН ГОСТ 8639-68

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5. Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта от 07.09.92 № 1125

6. ИЗДАНИЕ (декабрь 2005 г.) с изменениями 1, 2, 3, утвержденными в июне 1987 г., ноябре 1989 г., сентябре 1992 г. (ИУС 10-87, 2-90, 12-92)

Расчетные значения для квадратных профильных труб

В таблицах 1.1-1.3 приведены расчетные значения для квадратных профильных труб, точнее – для профилей стальных гнутых замкнутых сварных квадратного сечения согласно ГОСТ 30245-2003. Профили изготавливаются на специализированных станах путем формирования круглого трубчатого сечения с продольным сварным швом и последующим обжатием валками в квадратный профиль.

Рисунок 1. Поперечное сечение квадратной профильной трубы (стального гнутого замкнутого профиля сварного квадратного).

Таблица 1.1. Квадратные профильные трубы высотой 40-90 мм

Таблица 1.2. Квадратные профильные трубы высотой 100-160 мм

Таблица 1.3. Квадратные профильные трубы высотой 180-300 мм

Таблица 2.1. Квадратные профильные трубы высотой 10-50 мм (согласно ГОСТ 8639-82)

Таблица 2.1. Квадратные профильные трубы высотой 60-180 мм (согласно ГОСТ 8639-82)

1. Условные обозначения: h – высота профиля; b – ширина профиля; F – площадь поперечного сечения; R – радиус наружного закругления угла; I – момент инерции; W – момент сопротивления; i – радиус инерции.

2. Радиус наружного закругления угла R = 2,0t при t ≤ 6,0 мм; R = 2,5t при 6,0 10,0 мм.

3. Масса 1 м длины профиля определена по площади поперечного сечения, при плотности стали 7,85 г/см 3 .

В таблицах приведены расчетные значения для прямоугольных профильных труб, точнее — для профилей стальных гнутых замкнутых сварных прямоугольного сечения согласно ГОСТ 30245-2003. Профили изготавливаются на специализированных станах путем формирования круглого трубчатого сечения с продольным сварным швом и последующим обжатием валками в прямоугольный профиль.

Рисунок 1. Поперечное сечение прямоугольной профильной трубы (стального гнутого замкнутого профиля сварного прямоугольного).

Таблица 1.1. Прямоугольные профильные трубы высотой 50-80 мм

Таблица 1.2. Прямоугольные профильные трубы высотой 80-100 мм

Таблица 1.3. Прямоугольные профильные трубы высотой 120-150 мм

Таблица 1.4. Прямоугольные профильные трубы высотой 160-180 мм

Таблица 1.5. Прямоугольные профильные трубы высотой 180-220 мм

Таблица 1.6. Прямоугольные профильные трубы высотой 220-300 мм

Таблица 1.7. Прямоугольные профильные трубы высотой 300-400 мм

Примечания:

1. Условные обозначения: h — высота профиля; b — ширина профиля; F — площадь поперечного сечения; R — радиус наружного закругления угла; I — момент инерции; W — момент сопротивления; i — радиус инерции.

2. Радиус наружного закругления угла R = 2,0t при t ≤ 6,0 мм; R = 2,5t при 6,0 10,0 мм.

3. Масса 1 м длины профиля определена по площади поперечного сечения, при плотности стали 7,85 г/см 3 .

Основные геометрические характеристики сечений для прямоугольных профильных труб малого сечения приводятся отдельно.

Надеюсь, уважаемый читатель, информация, представленная в данной статье, помогла вам хоть немного разобраться в имеющейся у вас проблеме. Также надеюсь на то, что и вы поможете мне выбраться из той непростой ситуации, в которую я попал недавно. Даже и 10 рублей помощи будут для меня сейчас большим подспорьем. Не хочу грузить вас подробностями своих проблем, тем более, что их хватит на целый роман (во всяком случае мне так кажется и я даже начал его писать под рабочим названием "Тройник", на главной странице есть ссылка), но если я не ошибся в своих умозаключениях, то роману быть и вы вполне можете стать одним из его спонсоров, а возможно и героев.

После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью и адресом электронной почты. Если вы хотите задать вопрос, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Спасибо. Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье "Записаться на прием к доктору"

Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783

Для Украины — номер гривневой карты (Приватбанк) 5168 7422 0121 5641

Кошелек webmoney: R158114101090

Категории:

• Расчет конструкций . Расчетные данные

Оценка пользователей: Нет Переходов на сайт: 20958 Комментарии:

Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье "Записаться на прием к доктору" (ссылка в шапке сайта).