8. Поверочный расчет трубопровода на прочность. Общие положения
8.1. Расчетная модель трубопровода
8.1.1. Трубопровод рассматривается как упругая стержневая система. Следует стремиться к тому, чтобы расчетная схема правильно учитывала конструктивные особенности, которые влияют на НДС трубопровода.
При раскрытии статической неопределимости следует учитывать повышенную податливость на изгиб криволинейных труб (эффект Кармана), секторных колен, косых стыков и ответвлений (тройников). Для этого определяют коэффициенты податливости этих элементов, полученные с использованием теории оболочек или из экспериментов. Рекомендуемая методика их определения приведена в Приложении А.
8.1.2. Расчетная схема трубопровода не должна представлять собой геометрически изменяемую или мгновенно изменяемую систему (в терминах строительной механики).
8.1.3. Трубопровод разбивают на прямолинейные и криволинейные (очерченные по дуге окружности) участки. Точки соединения участков служат расчетными узлами. В число расчетных узлов включают:
места присоединения к оборудованию;
места присоединения к опорам;
точки излома или разветвления осевой линии трубопровода;
точки изменения поперечного сечения, направления и свойств грунта.
8.1.4. Внешние статические нагрузки рассматривают как сосредоточенные или равномерно распределенные. Наряду с ними в расчетах учитывают температурные деформационные воздействия, вызванные нагревом (охлаждением), смещением опор или оборудования, а также предварительной растяжкой (сжатием) трубопровода.
8.1.5. Опоры и подвески моделируют жесткими, линейно-упругими и фрикционными связями.
Препятствующими перемещениями трубопровода необходимо учитывать такие нелинейные эффекты, как трение и отклонение тяг подвесок от вертикального положения.
8.1.6. Пружинные опоры и подвески моделируют упругими связями с учетом нелинейных эффектов от трения и отклонения тяг подвесок от вертикального положения. Пружины и усилия затяга подбирают по нормативным значениям нагрузок (коэффициенты надежности по нагрузке , согласно 6.1.1, учитывать не должны).
8.1.7. Сильфонные, линзовые и сальниковые компенсаторы моделируют как линейно-упругие соединения стержней осевого, шарнирного или сдвигового типов (в зависимости от их конструкции). Жесткость компенсаторов определяют по стандартам и данным заводов-изготовителей. При расчетах трубопроводов с осевыми или универсальными неразгруженными компенсаторами необходимо учитывать распорное усилие, определяемое согласно 8.5.6.
8.1.9. При моделировании точек присоединения трубопровода к сосудам и аппаратам, а также к резервуарам для хранения нефти и нефтепродуктов рекомендуется учитывать локальные податливости стенки (обечайки, днища, крышки) в месте врезки трубопровода, а также общую податливость сосуда или аппарата. Податливости определяют по результатам экспериментов или с помощью численных методов (МКЭ).
8.1.10. В точках присоединения трубопровода к оборудованию необходимо учитывать смещения этих точек от нагрева присоединенного оборудования.
8.1.11. В точках присоединения трубопровода к резервуарам для хранения нефти и нефтепродуктов должны учитываться смещения и углы поворота стенок резервуара, вызванные изменением уровня жидкости, давлением жидкости, а также процессом гидравлического осаждения резервуара.
8.1.12. Взаимодействие трубопровода с грунтом должно учитываться по апробированной методике с учетом бокового отпора грунта в поперечном направлении (вертикальном и горизонтальном), а также сопротивления грунта в продольном направлении.
8.1.13. Расстановка опор и подвесок призвана обеспечить допустимый уровень напряжений в элементах трубопровода от несамоуравновешенной (в частности, весовой) нагрузки. При этом рекомендуется избегать случаев, когда в рабочем состоянии трубопровода опоры и подвески оказываются недогруженными или выключаются из работы. В холодном (нерабочем) состоянии трубопровода допускается недогрузка или исключение из работы опор и подвесок.
8.1.14. Силы трения в опорах и при взаимодействии трубопровода с грунтом определяют согласно 6.2.13.
8.1.15. Коэффициент перегрузки
Коэффициенты перегрузки принимают:
для низко- и среднетемпературных трубопроводов: , но при этом учитывают коэффициенты надежности по нагрузке , согласно 6.1.1;
для высокотемпературных трубопроводов не учитывают коэффициенты надежности по нагрузке , согласно 6.1. При выполнении расчета трубопровода без существенных упрощений (учтены все ответвления, опоры и т.д.) и при его монтаже по действующим нормам коэффициент перегрузки принимают равным ;
если дополнительно к указанным условиям вводится специальное корректирующее значение жесткости пружин промежуточных опор (для учета отклонений фактических значений весовой нагрузки, жесткости трубопровода и его монтажа от принятых в расчете значений), а также выполняют наладку трубопровода, то может быть принято .
8.2. Сочетания нагрузок и воздействий
Полный поверочный расчет состоит из нескольких расчетов на различные сочетания нагрузок и воздействий, называемых этапами расчета (таблица 8.1). Критерии прочности, соответствующие каждому этапу расчета, приведены в 8.9.1.1.
Таблица 8.1 – Сочетания нагрузок и воздействий (этапы расчета)
Номер этапа
Этап расчета
Сочетание нагрузок и воздействий по таблице 6.1
Цель расчета
Режим ПДН
1
Действие постоянных и длительных временных несамоуравновешенных нагрузок в рабочем состоянии
1, 2, 3, 5, 6, 7, 8
Оценка статической прочности; оценка устойчивости
2
Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
Оценка статической прочности; оценка нагрузок на оборудование, опоры и конструкции; оценка перемещений
3
Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в холодном (нерабочем) состоянии
1, 2, 3, 4, 5, 6, 8
Оценка статической прочности; определение нагрузок на оборудование, опоры и конструкции; оценка перемещений
4
Расчет на малоцикловую усталость
Разность усилий по этапам 2 и 3
Оценка малоцикловой усталости
Режим ПДКОН
5
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и особых несамоуравновешенных нагрузок в рабочем состоянии
1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14, 15, 16
Оценка статической прочности; оценка устойчивости
6
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и особых самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
Оценка нагрузок на оборудование, опоры и конструкции; оценка перемещений
Режим “сейсмика”
7
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных несамоуравновешенных и сейсмических нагрузок в рабочем состоянии
1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 16
Оценка статической прочности; оценка устойчивости
8
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и сейсмических самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 16
Оценка нагрузок на оборудование, опоры и конструкции; оценка перемещений
8.2.2. Поверочный расчет трубопровода проводят как на постоянные и длительные временные нагрузки.
(режим ПДН), так и на дополнительные воздействия кратковременных нагрузок (режим ПДКОН), а также на особое сочетание нагрузок при сейсмическом воздействии (режим “сейсмика”). Шифры нагрузок и воздействий указаны в таблице 6.1.
Для средне- и высокотемпературных трубопроводов расчеты этапов 1, 2, 3, 4 являются обязательными. Расчеты этапов 5, 6 необязательны. Необходимость дополнительного поверочного расчета этапов 5, 6 определяется заказчиком или органами надзора.
Расчеты этапов 7, 8 обязательны для трубопроводов, расположенных на площадках с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов по шкале MSK-64.
8.2.3. Расчет по этапам 5, 6 должен быть выполнен с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий. Учитываемые в расчетах типы кратковременных и особых нагрузок из таблицы 6.1 и их сочетания выбирает проектная организация из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок на трубопровод. В зависимости от учитываемого состава нагрузок следует различать:
а) основные сочетания нагрузок, состоящие из постоянных (1 – 6), длительных временных (7 – 10) и кратковременных (11 – 15) нагрузок;
б) особые сочетания нагрузок, состоящие из постоянных (1 – 6), длительных временных (7 – 10) и одной из особых нагрузок (16). В особых сочетаниях нагрузок кратковременные нагрузки (11 – 15) допускается не учитывать.
8.2.4. Если трубопровод эксплуатируют при различных режимах работы (температура, давление, состояние включения/выключения насосов и задвижек, пропаривание, промывка, продувка и т.д.), то расчет следует выполнять для того режима работы, которому соответствуют наиболее тяжелые условия нагружения всех элементов трубопровода.
Если такой режим невозможно установить, то расчет выполняют для каждого из возможных режимов работы и проводят проверку статистики, определяя нагрузку из выбранного диапазона по этапам 1, 2 или 5, 6 в зависимости от длительности режима (ПДН или ПДКОН).
8.2.5. Расчет трубопровода в состоянии испытаний проводят в режиме ПДКОН. При этом расчетную температуру и давление принимают согласно 6.2.2. Вместо веса транспортируемого продукта задают вес вещества, которым производится гидравлические испытания. Расчет в любом случае ведут как для среднетемпературного трубопровода. По этапу 5 учитывают нагрузки 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, а по этапу 6 – нагрузки 11, 12, 13, 14, 15.
8.2.6. Свойства материала (допускаемое напряжение , модуль упругости , коэффициент линейного расширения при 20 °C и при расчетной температуре) должны соответствовать государственным стандартам, техническим условиям и другим действующим нормативно-техническим документам и должны быть подтверждены сертификатами заводов-изготовителей.
Значения определяют по нормативным и справочным данным с учетом влияния температуры и способа изготовления.
Значения определяют на этапах 1, 2, 5 при расчетной температуре, а на этапе 3 – при температуре 20 °C (см. таблицу 8.2).
Таблица 8.2
Учет параметров на различных этапах расчета
Этап и цель расчета
Низко- и среднетемпературный трубопровод
Высокотемпературный трубопровод
принимают равными
принимают при
принимают равными
принимают при
Этапы 1, 5, 7
Этапы 2, 6, 8 Оценка перемещений; оценка устойчивости; определение нагрузок на оборудование, опоры и конструкции
Этапы 2, 6, 8 Оценка статической прочности
Этап 3 Оценка перемещений; определение нагрузок на оборудование, опоры и конструкции
20 °C
20 °C
Этап 3 Оценка статической прочности; определение нагрузок на оборудование, неподвижные опоры
–
–
20 °C
Примечание. – собственные смещения опор от нагрева присоединенного оборудования, – предварительная (монтажная) растяжка и собственные смещения опор не от нагрева присоединенного оборудования.
Если расчетная температура ниже 20 °C, то для средне- и высокотемпературных трубопроводов , и допускается принимать при температуре 20 °C.
8.2.7. На этапах 2 и 6 расчет ведут на положительный или отрицательный температурный перепад в соответствии с 6.2.6. На этапах 1, 3 и 5 расчет ведут при нулевом температурном перепаде (принимают , см. таблицу 8.2).
8.2.8. На этапе 3 при определении влияния сил трения или отклонений подвесов необходимо учитывать, что перед началом охлаждения трубопровод имеет перемещения, обусловленные его нагревом в рабочем состоянии по этапу 2.
8.2.9. Напряжения на всех этапах расчета вычисляют по номинальной толщине стенки элемента.
8.2.10. Расчет трубопроводов при задании перемещений, нагрузок на опоры и оборудование, а также оценке устойчивости проводят по расчетной температуре.
8.2.11. Расчет высокотемпературных трубопроводов на этапах 2, 3, 6 и 8 при оценке статической прочности ведут по фиктивным температурам и (см. таблицу 8.2). Вводимые в расчет значения собственных смещений опор от нагрева присоединенного оборудования должны быть также умножены на соответствующие коэффициенты и . Собственные смещения опор, не вызванные нагревом присоединенного оборудования, и предварительная (монтажная) растяжка на этапах 2, 3, 6 и 8 при оценке статической прочности высокотемпературных трубопроводов не учитываются.
Значения коэффициентов и принимают по графикам рисунков 8.1 и 8.2.
1 – стали 20; 15ГС; 16ГС; 2 – стали 12Х1МФ; 15Х1М1Ф; 15ХМ; 12МХ; 3 – стали Х18Н10Т; Х18Н12Т
Нормативные значения коэффициентов и для других материалов, не представленных на графиках рисунков 8.1 и 8.2, определяют из расчета релаксации напряжений на заданный назначенный ресурс с учетом физических свойств и характеристик длительной прочности и ползучести материала.
Для приближенных расчетов коэффициенты и допускается принимать для углеродистых и низколегированных сталей по кривым 1 (рисунки 8.1 и 8.2), для легированных неаустенитных – по кривым 2, а для легированных аустенитных – по кривым 3.
При расчете высокотемпературных трубопроводов должны также выполняться требования 8.1.15.
8.3. Применение и учет предварительной растяжки
8.3.1. Предварительную (монтажную) растяжку в низко- и высокотемпературных трубопроводах применяют для повышения их прочности и уменьшения нагрузок, передаваемых на опоры и оборудование в рабочем состоянии, а в среднетемпературных трубопроводах – для уменьшения нагрузок, передаваемых на опоры и оборудование. В высокотемпературных трубопроводах применение монтажной растяжки позволяет при определенных условиях понизить накопления деформации ползучести на наиболее напряженных участках трубопровода.
8.3.2. Применение предварительной растяжки обосновывают расчетом, так как ее воздействие может быть и отрицательным. Применять монтажную растяжку необязательно. Вопрос о целесообразности ее применения, а также о ее значении и месте выполнения следует решать с учетом конкретных особенностей трубопровода.
8.3.3. Следует назначать величину растяжки в низко- и среднетемпературных трубопроводах не более 50% воспринимаемого температурного расширения, а в высокотемпературных – не более 100%, где коэффициент определяют по рисунку 8.2.
8.3.4. Если качество предварительной растяжки не гарантируется, то расчет выполняют без ее учета. При оценке перемещений, устойчивости и нагрузок на опоры гарантируемую предварительную растяжку учитывают для низко- и среднетемпературных трубопроводов на этапах 2, 6, 8, для высокотемпературных – на этапах 2, 6, 8 (см. таблицу 8.2).
8.3.5. Для высокотемпературного трубопровода при расчете по этапу 2 монтажную растяжку учитывают только при определении нагрузок на оборудование. При этом расчет выполняют в двух вариантах (см. таблицу 8.2):
с учетом монтажной растяжки и введением действительной температуры нагрева для вычисления нагрузок на опоры;
без учета растяжки и с введением фиктивной температуры нагрева – для вычисления напряжений в трубопроводе.
8.3.6. Если значение монтажной растяжки для высокотемпературного трубопровода превышает значение, указанное в 8.3.3, то обязательно проводят расчет по этапу 3. При этом не учитывают эффект саморастяжки в рабочем состоянии (т.е. расчет ведут как для среднетемпературного трубопровода).
8.3.7. Монтажную растяжку в расчете трубопровода учитывают заданием соответствующих взаимных смещений стыкуемых сечений.
8.4. Определение и оценка нагрузок на оборудование, опоры и строительные конструкции
8.4.1. Нагрузки, передаваемые трубопроводом на присоединенное оборудование, опоры и строительные конструкции, определяют на этапах 2, 3, 6 и 8.
8.4.2. Горизонтальные нагрузки от сил трения на подвижные опоры трубопровода определяют из условия:
где – боковая составляющая силы трения (поперек оси трубы); – продольная составляющая силы трения (вдоль оси трубы); – коэффициент трения, принимают по таблице 8.3; – вертикальное давление трубопровода на подвижную опору; – линейные перемещения вдоль и поперек оси трубы соответственно.
Таблица 8.3
Коэффициенты трения
Тип опоры
Коэффициент трения
Скользящая (сталь по стали)
0,3
Скользящая (фторопласт по фторопласту)
0,05
Катковая, шариковая
0,1
Компоненты силы трения и на перемещениях в плоскости скольжения должны совершать отрицательную работу (т.е. каждая пара значений и должна иметь противоположные знаки).
Компоненты силы трения и (рисунок 8.3) определяют последовательными приближениями в зависимости от перемещений трубопровода и .
а
б
Рисунок 8.3. Схема нагрузок на опору
8.5. Учет влияния компенсаторов при расчете трубопровода
8.5.1. Компенсаторы состоят из одного или нескольких гибких элементов (рисунок 8.10, а) и набора деталей, предназначенных для крепления гибких элементов, восприятия тех или иных нагрузок, присоединения к трубопроводу и т.д.
Рисунок 8.4. Схема работы осевого и углового компенсаторов
По конструктивно-технологическому исполнению гибкого элемента различают следующие типы компенсаторов: линзовые компенсаторы с гибкими элементами, сваренными из двух полулинз; сильфонные компенсаторы с гибкими элементами, полученными методом гидроформовки; компенсаторы с омегообразными гофрами; резиновые компенсаторы; тканевые компенсаторы; сальниковые компенсаторы и некоторые другие.
В зависимости от характера перемещений, которые необходимо компенсировать, применяют следующие типы компенсаторов:
8.5.2. Компенсаторы выбирают по данным завода-изготовителя в зависимости от максимального расчетного давления, температуры, рабочей среды и компенсирующей способности.
8.5.3. Устанавливают компенсаторы согласно схемам и рекомендациям завода-изготовителя.
8.5.4. При поверочном расчете трубопровода компенсаторы рассматривают как элемент, характеризуемый в зависимости от конструкции компенсатора осевой, изгибной и/или сдвиговой жесткостью, определяемыми по нормативным документам или по данным завода-изготовителя.
8.5.5. Силу трения в сальниковом компенсаторе , Н, определяют как наибольшее значение, вычисленное по формулам:
где – число болтов компенсатора; , мм² – площадь поперечного сечения набивки; ; – внутренний диаметр корпуса сальникового компенсатора, мм; – расчетное давление, принимаемое равным не менее 0,5 МПа; – длина набивки по оси сальникового компенсатора, мм.
При определении силы трения по формуле (8.2) значение следует принимать не менее 1 МПа.
8.5.6. При расчете трубопровода необходимо учитывать распорное усилие в компенсаторе (рисунок 8.6), определяемое по формуле:
где – эффективная площадь, принимаемая по стандартам на осевые компенсаторы или по данным заводов-изготовителей, мм².
Рисунок 8.6. Схема приложения распорных усилий в осевом компенсаторе
В случае отсутствия данных о допускается принимать следующие значения:
для сальниковых компенсаторов
для сильфонных и линзовых компенсаторов
где и – наружный и внутренний диаметры соответственно гибкого элемента, мм.
В поворотных и сдвиговых компенсаторах распорное усилие воспринимают стяжками. В осевых неразгруженных компенсаторах распорное усилие действует на участки трубопровода, примыкающие к компенсатору. Это усилие передается на опоры трубопровода, что следует учитывать при их расчете.
Для осевых полностью разгруженных компенсаторов следует принимать .
8.5.7. Характеристика осевого компенсатора
Характеристика осевого компенсатора называется компенсирующей способностью на растяжение-сжатие (амплитудой осевого хода), а – полной компенсирующей способностью.
В случае выполнения монтажной растяжки осевого компенсатора на величину его компенсирующую способность на сжатие увеличивают до .
8.5.8.
При выполнении поверочного расчета трубопровода должны выполняться следующие условия:
расчетное перемещение осевого компенсатора не должно превышать его компенсирующую способность на растяжение-сжатие (допустимый осевой ход):
угол поворота углового компенсатора не должен превышать допустимый угловой ход.
– сдвиговое перемещение сдвигового компенсатора не должно превышать допустимый боковой ход:
где – расчетные перемещения и углы поворота компенсаторов, определяемые на основании расчета трубопровода в целом;
– допускаемые величины перемещений компенсатора соответственно на растяжение-сжатие (компенсирующая способность), сдвиг (допустимый боковой ход) и изгиб (допустимый угловой ход), которые устанавливает завод-изготовитель по результатам испытаний компенсатора на выносливость при заданной наработке, соответствующей режиму эксплуатации трубопровода.
Для универсального компенсатора, испытывающего одновременно осевые, изгибные и сдвиговые деформации, при отсутствии рекомендаций завода-изготовителя должно выполняться условие:
9. Поверочный расчет трубопроводов на прочность с давлением до 10 МПа
9.1. Условия статической прочности и малоцикловой усталости
9.1.1. Условия прочности всех этапов расчета приведены в таблице 9.1. Оценку прочности для среднетемпературных трубопроводов на этапах 2, 3, 6, 8 и для высокотемпературных трубопроводов на этапах 4, 8 не проводят. Проверку малоцикловой усталости проводят согласно 9.6.
Таблица 9.1
Критерии прочности
Этап
Нагрузки
Условие прочности
Среднетемпературный трубопровод
Высокотемпературный трубопровод
Режим ПДН
1
Действие постоянных и длительных временных несамоуравновешенных нагрузок в рабочем состоянии
2
Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии
–
3
Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в холодном (нерабочем) состоянии
–
4
Расчет на малоцикловую усталость
–
Режим ПДКОН
5
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и особых несамоуравновешенных нагрузок в рабочем состоянии
6
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и особых самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии
–
Режим “сейсмика”
7
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных несамоуравновешенных и сейсмических нагрузок в рабочем состоянии
Для категорий Is: IIs и IIIs:
Для категорий Is: IIs и IIIs:
8
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и сейсмических самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии
–
–
9.1.2. Если трубопровод состоит из средне- и высокотемпературных участков, то проводят два расчета: первый – как для среднетемпературного, второй – как для высокотемпературного. Условия оценки прочности для среднетемпературных участков и соединительных деталей принимают из первого расчета, а для высокотемпературных участков и соединительных деталей – из второго расчета.
9.2. Расчетные напряжения в трубах и соединительных деталях
9.2.1. Среднее окружное напряжение от внутреннего давления при отсутствии колец жесткости определяют по формуле:
При расчете напряжений в трубах с кольцами жесткости значение вычисляют по формуле:
где знак “+” принимают при избыточном внутреннем давлении и знак “-” – при наружном (вакуумный трубопровод);
– эффективное кольцевое напряжение в участке трубы между кольцами жесткости:
– эффективное кольцевое напряжение в трубе с учетом укрепления кольцами жесткости:
где – расстояние между торцами колец жесткости (рисунок 14.1); – расстояние между осями колец жесткости; – площадь поперечного сечения кольца жесткости; – допускаемое напряжение для кольца жесткости при расчетной температуре; – коэффициент прочности сварных швов колец жесткости.
9.2.2. Максимальное изгибное напряжение
Максимальное изгибное напряжение от давления грунта при бесканальной прокладке допускается определять по приближенной формуле:
В этой формуле обозначения те же, что и в (7.1).
9.2.3. Суммарное окружное напряжение
Суммарное окружное напряжение рассчитывают по формуле:
9.2.4. Суммарное среднее осевое напряжение
Суммарное среднее осевое напряжение от осевой силы и изгибающего момента:
где – напряжение от осевой силы:
– осевая сила, вычисленная методами строительной механики с учетом распорных усилий от давления; при растяжении осевая сила положительная, при сжатии – отрицательная;
– осевое напряжение от изгибающего момента, равное:
где – коэффициент перегрузки, принимаемый согласно 8.1.15; – моменты в рассчитываемом сечении, действующие в плоскости и перпендикулярно плоскости отвода соответственно (тройника или врезки).
9.2.5. Касательное напряжение от кручения
1
9.2.6. Характеристики сечения труб
Характеристики сечения труб определяют по формулам:
9.2.7. При расчете напряжений в соединительных деталях трубопровода коэффициенты прочности сварного шва принимают , и , а также .
9.2.8. При расчете напряжений в прямых трубах коэффициенты интенсификации принимают .
9.2.9. При значениях коэффициентов меньше единицы они при расчете должны быть приняты равными единице.
9.2.10. При выполнении расчетов на несамоуравновешенные нагрузки (по этапам 1, 5 и 7) вместо значений следует принимать значения , но не менее 1.0.
9.2.11. Коэффициенты интенсификации напряжений определяют согласно 9.3 – 9.6. Если при этом значение не указано, то принимают . Для отводов, косых стыков и переходов принимают , для тройников . Коэффициенты принимают при соотношении .
Коэффициенты интенсификации напряжений допускается определять по данным экспериментов или численных методов расчета (МКЭ) с учетом реальной геометрии изделия, характеристик материала и внутреннего давления. Для тройниковых соединений коэффициенты интенсификации имеют различные значения в сечениях магистрали (A-A, Б-Б) и ответвления (B-B, рисунок 9.3):
a
б
а – схема нагружения в расчетном сечении; б – расчетные сечения Рисунок 9.1. Расчетная схема отвода
Рисунок 9.2. Косой стык
а
б
а – схема нагружения в расчетных сечениях; б – расчетные сечения Рисунок 9.3. Расчетная схема тройника (врезки)
9.2.12. Эквивалентные напряжения для расчетного сечения трубопровода
Эквивалентные напряжения для расчетного сечения трубопровода вычисляют по формуле:
9.3. Расчетные параметры отводов и косых стыков
9.3.1. Напряжения в отводах определяют в соответствии с 9.2.1 – 9.2.12 для трех сечений А-А, Б-Б, В-В (рисунок 9.1, б).
Для каждого сечения должны выполняться условия статической прочности согласно 9.1.1 и условия малоцикловой усталости согласно 9.6.8.
Коэффициенты интенсификации для отводов и вычисляют по формулам:
– для гнутых, крутоизогнутых и штампованных отводов:
– для секторных отводов с числом косых стыков (см. рис. 7.1, б)
где – коэффициент учета влияния внутреннего давления. На этапе 3 принимают , а на других этапах
– коэффициент гибкости отвода, принимаемый по формуле
Формула (9.14) справедлива для секторных отводов, у которых и (см. рисунок 7.1, б).
Коэффициент принимают:
– для отводов, стыкованных с трубами на сварке, равным 1;
– для отводов, стыкованных с трубами с одного конца на фланце и с другого конца на сварке, равным ;
– для отводов, стыкованных с трубами на фланцах с обеих сторон, равным .
9.3.2. Для косых стыков (рисунок 9.2) при допускается использовать формулу (9.14), при этом принимают и в формулы (9.16) и (9.15) подставляют эквивалентный радиус :
Если расстояние между косыми стыками
то такие косые стыки следует считать как один секторный отвод с радиусом
9.4. Расчетные параметры тройников и врезок
9.4.1. Напряжения в тройниках определяют согласно 9.2.1 – 9.2.12 для сечений А-А, Б-Б и В-В (рисунок 9.3).
Для каждого сечения следует выполнять условия статической прочности согласно 9.1.1 и условия малоцикловой усталости согласно 9.6.8, при этом допускаемые напряжения для ответвления и магистрали могут отличаться (в случае различных марок стали ответвления и магистрали во врезках).
9.4.2. Концентрация напряжений изгиба в тройниках зависит от безразмерного параметра .
Для сварных тройников без укрепляющих накладок
Для сварных тройников с укрепляющими накладками, конструкция которых соответствует рисунку 7.3, а:
при
при
Для штампосварных тройников, конструкция которых соответствует рисунку 7.3, б:
при
при
Для штампованных тройников с вытянутой горловиной при
При расчете ответвления (сечение В-В) в формулы 9.4.2 вместо номинальной толщины стенки подставляют эквивалентную , определяемую согласно 9.4.3.
9.4.3. Эквивалентная толщина стенки в сечении ответвления составляет:
при наличии внутреннего давления ()
где – номинальная толщина стенки; – расчетная толщина стенки магистрали без учета ослабления отверстием, определяемая по 7.1.1; – расчетная толщина стенки магистрали с учетом ослабления отверстием, определяют согласно 7.4.3
при или 7.4.9 при ;
при отсутствии внутреннего давления ()
Здесь вычисляют по формуле (7.25), а принимают как наименьшее значение из вычисляют по формуле 7.25)
Для тройников при вместо подставляют значение
Если , то .
9.4.4. Коэффициент интенсификации напряжений изгиба при действии изгибающего момента поперек плоскости тройника:
в сварном тройнике с отношением наружного диаметра ответвления к наружному диаметру магистрали
в сварном тройнике с отношением , а также в штампованном (штампосварном) тройнике
где – угол между осями магистрали и ответвления (рисунок 7.4), который должен находиться в диапазоне .
Коэффициент интенсификации напряжений изгиба при действии изгибающего момента в плоскости тройника независимо от его конструкции и отношения вычисляют по формуле
Примечание. Формулы (9.29), (9.30) и (9.31) при дают приближенное значение коэффициента интенсификации с запасом в большую сторону. Более точные значения коэффициентов интенсификации можно получить численным методом с использованием специализированных программ, реализующих МКЭ.
9.4.5. Характеристики сечения при расчете магистрали (сечения А-А и Б-Б) определяют по формулам (9.11), а при расчете ответвления (сечение В-В) – по формулам:
в которых принимают при расчете сварных тройников и врезок как наименьшее из двух значений и :
а при расчете штампованных и штампосварных тройников — как наименьшее значение из величин и .
9.4.6. Врезки, конструкция которых соответствует рисунку 7.3, рассчитывают по формулам сварных тройников.
9.5. Расчетные параметры переходов
9.5.1. Напряжения в концентрических и эксцентрических переходах, конструкция которых соответствует рисунку 7.2, определяют согласно 9.2.1 – 9.2.12. При этом коэффициенты интенсификации определяют по формулам:
где – угол конусности в градусах.
Формула (9.33) справедлива при .
9.6. Расчет на малоцикловую усталость
9.6.1. Оценку малоцикловой усталости проводят на основе анализа усилий, определяемых по данным упругого расчета на этапах 2 и 3. Основной расчетной нагрузкой является малоцикловое температурное воздействие, вызываемое колебаниями температуры.
9.6.2. На основе вероятностной оценки условий эксплуатации в течение года задают температурную историю, составленную из полных циклов с различными изменениями температуры по ГОСТ 25.101. Температурная история имеет вид:
…
…
…
и обычно строится в порядке убывания интервалов времени и изменений температуры, т.е.
причем и относятся к циклу с наибольшим изменением температуры.
Каждый цикл i-го типа характеризуется частотой повторения в определенном интервале времени и изменением температуры .
Допускается не учитывать изменения температуры в пределах от наибольшего значения, принятого в расчете.
9.6.3. При оценке малоцикловой усталости расчетный срок эксплуатации трубопровода рекомендуется принимать не менее 20 лет, если в задании на проектирование не оговорен иной срок.
9.6.4. Приведенные в холодном (нерабочем) состоянии размахи знакопеременных усилий для цикла с наибольшим изменением температуры определяют на этапе 4 расчета для каждого расчетного сечения как разность усилий на этапах 2 и 3:
где — моменты и продольное усилие в рабочем состоянии трубопровода; — то же, в холодном (нерабочем) состоянии трубопровода.
9.6.5. По изменениям знакопеременных усилий определяют:
переменные напряжения от изменений осевой силы, изгибающего момента () и крутящего момента () — по формулам (9.8), (9.9) и (9.10);
переменные напряжения от внутреннего давления () — по формуле (9.6);
размах эквивалентных напряжений для цикла с наибольшей расчетной температурой, вычисляемый по формуле
9.6.6. Размахи эквивалентных напряжений с меньшей температурой согласно температурной истории рассчитывают по формуле
9.6.7. Допускаемый размах эквивалентных напряжений, МПа, выбирают по формуле:
где — допускаемый размах эквивалентных напряжений из условия малоцикловой усталости, определяемый согласно таблице 9.2; — допускаемый размах эквивалентных напряжений; — расчетное число полных циклов нагрузки (полных пусков и остановов); — коэффициент приведения к температуре 20 °C.
Значение определяется:
— коэффициенты запаса прочности по числу циклов и по напряжениям, принимаемые:
для трубопроводов из алюминия, меди и их сплавов , ;
для трубопроводов из титана и его сплавов , .
— коэффициенты, принимаемые согласно таблице 9.3. При принимают .
Таблица 9.2. Допускаемый размах напряжений
Материал трубопровода
Трубопроводы из углеродистой и низколегированной (неаустенитной) стали
Трубопроводы из аустенитной стали
Трубопроводы из алюминия, меди, титана и их сплавов
9.6.8. Малоцикловая усталость
Малоцикловая усталость трубопровода на этапе 4 обеспечена, если выполняется условие:
9.6.9. Расчет врезки
В случае расчета врезки из различных материалов определяющим является материал, дающий наименьшее значение .
Таблица 9.3. Коэффициенты для расчета малоцикловой усталости
Материал
, МПа
, МПа
Сплавы алюминия марок АМцС, АМг2, АМг3
Сплавы алюминия марок АМг5, АМг6
Медь марок М2, М3, М3р
Медные сплавы марок ЛС59-1, Л63, ЛО62-1, ЛЖМц
Титан марок ВТ1-0, ВТ1-00
Титановый сплав марки ОТ4-0
Титановый сплав марки АТ3
9.6.10. Расчетное число полных циклов
Расчетное число полных циклов при вычисляют по формуле:
где — число полных циклов с размахами эквивалентных напряжений ; — число ступеней амплитуд эквивалентных напряжений , с числом циклов на каждой ступени, равным ; — коэффициент, равный:
– для трубопроводов из углеродистой и низколегированной (неаустенитной) стали:
– для трубопроводов из аустенитной стали:
– для трубопроводов из алюминия, меди, титана и их сплавов:
10. Поверочный расчет трубопроводов на прочность с давлением свыше 10 МПа
10.1. Общие положения
10.1.1. Поверочный расчет трубопроводов с давлением свыше 10 МПа выполняют согласно разделу 9, за исключением формул для расчета напряжений в отводах, тройниках (врезках), приведенных в 9.3 и 9.4. Эти напряжения следует определять согласно приведенным далее требованиям.
10.1.2. Если трубопровод состоит из участков с давлением ниже 10 МПа и с давлением выше 10 МПа, то требования настоящего раздела применяют только для участков и соединительных деталей с давлением выше 10 МПа.
10.1.3. Все формулы настоящего раздела применимы при отношении толщины стенки к наружному диаметру:
10.2. Определение толщины стенок и допустимого давления
10.2.1. Расчет толщин стенок криогенных трубопроводов проводится согласно 7.2.1.
10.2.2. Для всех видов отводов трубопроводов с давлением более 10 МПа в формулу (7.9) подставляют:
где торовые коэффициенты для внешней, внутренней и нейтральной сторон отвода определяют соответственно по формулам:
10.2.3. Для отводов из углеродистой, легированной и аустенитной сталей, температура стенки которых не превышает 350 °C, 400 °C, 450 °C соответственно, значения коэффициентов формы следует определять по формулам:
где
— овальность поперечного сечения отвода, %:
10.2.4. Для отводов из углеродистой, легированной и аустенитной сталей, температура стенки которых выше 400 °C, 450 °C и 525 °C соответственно, значения коэффициентов формы следует определять по формулам:
10.2.5. Для отводов, расчетная температура которых более указанной в 10.2.3, но менее указанной в 10.2.4, коэффициенты , , должны определяться линейным интерполированием в зависимости от значения температуры. При этом в качестве опорных величин принимают значения коэффициентов, соответствующие указанным граничным температурам.
10.2.6. При проведении расчетов по формулам (10.3) – (10.6) должны выполняться следующие условия:
если значения коэффициентов , , получаются менее единицы, то их следует принимать равными единице;
если вычисленное значение превышает единицу, то следует принимать ;
при значения коэффициентов формы , , и поправочного коэффициента следует принимать равными их значению при .
10.2.7. Номинальную толщину стенки отвода следует принимать наибольшей из значений, полученных для трех сторон отвода согласно 5.5.2 с соответствующими каждой стороне суммарными прибавками .
Для секторных отводов, изготавливаемых из бесшовных труб, номинальную толщину стенки следует выбирать по внутренней стороне отвода.
10.2.8. Допускаемое давление для отводов вычисляют как наименьшее для внешней, внутренней и нейтральной сторон отвода по формуле:
10.3. Расчетные напряжения в отводах
10.3.1. Напряжения в отводах определяют для трех сечений А-А, Б-Б, В-В (рисунок 9.1, б):
при расчете этапов 1, 5 и 7 напряжения в отводах определяют в соответствии с 9.2.1 – 9.2.12, при этом коэффициенты интенсификации принимают ;
если коэффициент гибкости отвода , то дополнительно для каждого из сечений вычисляют эффективное напряжение по формуле:
– При расчете этапов 2, 6 и 8 напряжения в отводах определяют как наибольшее значение из полученных по формулам:
При и принимают , в остальных случаях .
– При расчете этапа 3 напряжения в отводах определяют как наибольшее значение из полученных по формулам:
При и принимают , в остальных случаях .
Здесь величину определяют при рабочем давлении;
– при расчете этапа 4 напряжения в отводах определяют как наибольшее значение из полученных по формулам:
При и принимают , в остальных случаях .
В приведенных выше формулах:
вычисляют по формуле (9.1);
вычисляют по формуле (9.16);
— коэффициенты интенсификации напряжений — определяют согласно 10.3.2;
вычисляют по формуле:
где — начальная овальность поперечного сечения отвода, %, вычисляемая по формуле (10.5). Момент считается положительным, если он направлен в сторону увеличения кривизны оси трубы.
10.3.2. Коэффициенты интенсификации напряжений определяют по формулам:
где величину вычисляют на основе следующих формул:
Коэффициенты и вычисляются по следующим формулам:
Значение определяется как:
Коэффициенты вычисляют по формулам:
10.3.3. В том случае, когда отсутствуют данные о фактической величине начальной эллиптичности сечений криволинейных труб, расчет напряжений в них по 10.3.1 ведут как при , так и при возможном наибольшем значении , принимаемом по техническим условиям на изготовление или по согласованию с заводом-изготовителем.
Если величина начальной эллиптичности , то в расчете напряжений эллиптичность не учитывают (принимают ).
Для низкотемпературных трубопроводов значение начальной эллиптичности сечения следует принимать с увеличением в 1,8 раза.
10.3.4. Напряжения для секторных отводов с числом секторов более двух можно определять по приведенным ранее формулам для криволинейных труб. При определении геометрического параметра для секторного колена величину радиуса вычисляют по формуле:
Для каждого сечения в качестве расчетного эквивалентного напряжения принимают наибольшее из значений, вычисленных по формулам (10.8) и (9.12).
Для каждого сечения должны выполняться условия статической прочности согласно 9.1.1 и условия
малоцикловой усталости согласно 9.6.8.
10.4. Расчетные напряжения в тройниках и врезках
10.4.1. Напряжения в тройниках определяют согласно 9.2.1 – 9.2.12 для сечений А-А, Б-Б и В-В
(см. рисунок 9.3), при этом коэффициенты интенсификации принимают . Для каждого из сечений
вычисляют эффективное напряжение по формулам:
– при расчете по этапам 1, 5 и 7:
(10.17)
– при расчете по этапам 2, 6 и 8:
(10.18)
– при расчете по этапу 3:
(10.19)
– при расчете по этапу 4:
(10.20)
где вычисляют по формуле (9.1); – коэффициент перегрузки, принимаемый согласно 8.1.15; , – коэффициенты интенсификации напряжений, определяемые согласно 10.4.2.
10.4.2. Коэффициенты интенсификации напряжений
Коэффициенты интенсификации напряжений определяют в зависимости от расчетного сечения и типа тройникового
соединения по формулам: – для сварных тройников с укрепляющими накладками и без укрепляющих накладок в сечении В-В: