Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

ра отодвигается от точки С вправо на расстояние L. Упругая осевая линия до и после из-

менения конструктивного решения показана пунктиром.

Рассмотренные приемы локализации усилий не претендуют на универсальность.

Но они показывают, как при правильном анализе работы конструкции можно достичь по-

ставленной цели – существенно снизить напряжения изгиба в тройниковом соединении.

3. Ограничения, накладываемые на расположение ответвлений при использова-

нии ПС Старт

Все вышеприведенные формулы для напряжений в тройниковых ответвлениях да-

ны в предположении, что отверстия, ослабляющие магистраль, являются одиночными.

Другими словами расстояние между соседними ответвлениями вдоль оси магистрали

должно быть таким, чтобы взаимным влиянием отверстий можно было пренебречь. Со-

гласно [2] минимально доп

устимое расстояние должно быть не менее (рис.6)



)(2

min

cssDL





Здесь

- наружный диаметр магистрали,

s – толщина стенки магистрали,

- внутренний диаметр соседних ответвлений в точках А и В (рис. 6).

Если приведенное ограничение нарушено, пользоваться ПС Старт формально нельзя –

оценка прочности будет недостоверной. Как действовать в описанной ситуации Можно

задать соседние тройниковые ответвления как нестандартные (в терминологии, принятой

в ПС Старт). Определить усилия в сечениях ответвлений и магистрали, а для оценки на-

пряжений использовать специализированные программы, реализующие расчеты тонко-

min

Рис. 6. Минимальное расстояние между от-

ветвлениями

стенных оболочечных конструкций методом конечных элементов (например, ANSIS). Та

же рекомендация распространяется на оценку прочности крестовин.

4. Литература

1. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей РД 10-400-01, ГУП

«НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», М., 2001,

2. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горя-

чей воды РД 10-249-98, ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора

России», М., 2001,

3. Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов

СТП 09-04-02 (001-СТП/А), НО «Ассоциация Ростехэкспертиза », 2004 г.,

4. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов

ПБ 03-585-03, ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России»,

М., 2003,

5. ГОСТ 17380-2001 (ИСО 3419-81), Детали трубопроводов бесшовные приварные

из углеродистой и низколегированной стали, 2001,

6. СНИП 2.05.06-85, Магистральные трубопроводы. ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

7. ГОСТ 17376 -2001, Детали трубопроводов бесшовные приварные из углероди-

стой и низколегированной стали. Тройники, Конструкция и размеры, 2001,

8. ANSI/ASME B. 31.1. Code for pressures piping B. 31. Power piping, 2003.

Лекция 5

Нормы оценки прочности и допускаемые нагрузки на

оборудование

Оглавление

1. Расчеты трубопроводов на прочность .......................................................................... 2

2. Расчетные напряжения ................................................................................................... 4

3. Концентрация напряжений ............................................................................................ 7

4. Напряжения, обусловленные температурным нагревом........................................... 10

5. Допускаемые напряжения............................................................................................ 12

6. Критерии прочности, принятые в нормах .................................................................. 14

7. Малоцикловая ус

талость и расчетное число циклов................................................. 16

8. Нормы для оценки прочности тру

бопроводов, реализованные в ПС СТАРТ........ 18

9. Комментарии к действующим нормам расчета на прочность.................................. 19

9.1. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и

горячей воды РД 10-249-98....................................................................................... 19

9.2. РД 10-249-98 пункт 5.2....................................................................................... 20

9.2.1. Низкотемпературные трубопроводы. .......................................................... 21

9.2.2. Высокотемпературные трубопроводы......................................................... 21

9.3. Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов

CА 03-003-07 ............................................................................................................... 22

10. Коэффициенты снижения прочности стыковых сварных соединений.................. 23

11. Прибавки к толщине стенки ...................................................................................... 24

12. Определение толщины стенки толстостенных отводов для трубопроводов

высокого давления ............................................................................................................ 25

13. Отбраковочная толщина стенки ................................................................................ 27

14. Допускаемые нагрузки на оборудование.................................................................. 29

14.1. Допускаемые нагрузки на патрубки насосов.................................................. 29

14.2. Допускаемые нагрузки на штуцера аппаратов листовой конструкции (колонны,

емкости)...................................................................................................................... 33

15. Специфика оценки прочности трубопроводов по СНиП 2.05.06-85 ..................... 35

16. Литература................................................................................................................... 38

1. Расчеты трубопроводов на прочность

Расчет, проводимый с помощью ПС «Старт» служит для оценки

1. прочности трубопровода – способности противостоять разрушению в течение за-

данного срока службы;

2. жесткости трубопровода – способности сохранять форму, пригодную для его нор-

мальной эксплуатации;

3. нагрузок, передаваемых трубопроводом на опоры, аппараты и строительные кон-

струкции.

Нормы для оценки прочности трубопроводов (как отечественные, так и зару

беж-

ные) ограничиваются, как правило, решением первой задачи. Критериями для оценки

прочности служат в основном расчетные и допускаемые напряжения.

Нормируемых критериев для оценки жесткости, за исключением допустимых про-

гибов в пролетах между опорами и потери устойчивости (раздвоения формы равнове-

сия), на сегодня нет. Все зависит от условий конкретной трассировки. Анали

з выдавае-

мых программой перемещений позволяет установить, не «съезжает» ли трубопровод с

промежуточных опор при нагреве или действии боковых нагрузок, не «налезает» ли он

на соседние трубопроводы, строительные конструкции и т. д.

Нагрузки на опоры дают возможность

- оценить несущую способность опор. Допустимые нагрузки обычно указываются

в типовых альбомах или каталогах на опоры, но, к сожалению, эта информация зачастую

оказывается не полной (например, не указываются допускаемые боковые нагрузки или

изгибающие моменты)

- проверить соответствуют ли нагрузки в местах крепления к машинам и аппаратам

ограничениям заводов – изготовителей,

- согласовать с проектировщиками строительной специальности расчетные на-

грузки, передаваемые трубопроводом на строительные конструкции.

Идеология ПС «Старт» предусматривает оценку прочности трубопровода в стро-

гом соответствии с требованиями норм, список которых приведен в экранном меню.

Обычно любые нормы содержат четыре составные части:

- область применения;

- расчетные сочетания нагрузок для оценки прочности и определения нагрузок на

опоры;

- расчетные напряжения;

- критерии оценки прочности.

Область применения характеризуется назначением трубопровода, свойствами и

расчетными параметрами транспортируемой среды – факторами, которые влияют на запа-

сы прочности. Поэтому нельзя, например, пользоваться нормами для трубопроводов пара

и горячей воды при оценке прочности технологических трубопроводов, транспортирую-

щих вредные, взрыво - и пожароопасные вещества.

Характер распределения напряжений в трубопроводе зависит от толщины стенки.

При малой толщине стенки напряжения от внутреннего избыточного давления на наруж-

ной и внутренней поверхности трубы или детали практически одинаковы. В толстостен-

ных трубах и деталях напряжения по толщине стенки распределяются по более слож-

ному закону. Поэтому в нормах оговариваются допустимые соотношения толщины стен-

ки s к диаметру, при которых приведенные в них формулы расчетных напряжений спра-

ведливы. Так, нормы расчета трубопроводов пара и горячей воды РД 10-249-98 примени-

мы при соотношении

250.





- наружный диаметр, с – суммарная прибавка к рас-

четной толщине стенки). При этом в нормах обычно указывается (или подразумевается

по умолчанию) связанное с этим соотношением максимально допустимое расчетное дав-

ление. Так, нормы для технологических трубопроводов СА 03-003-07 и магистральных

трубопроводов СНиП 2.05.06-85 предназначены для оценки прочности трубопроводов с

давлением ≤10 МПа, а РД 10-249-98 – с давлением ≤ 38 МПа (напряму

ю в РД не указано).

Пластические свойства материала труб и деталей зависят от расчетной температу-

ры. Ударная вязкость стали при температуре ниже 0ºС и в интервалах 400÷600ºС резко

снижается. Уменьшение вязкости стали и повышение ее хрупкости при температуре ни-

же 0ºС называется хладноломкостью, в интервале 300-600 ºС – синеломкостью. Поэтому

в нормах, п

омимо предельно допустимого давления, оговариваются и допустимые грани-

цы по расчетной температуре. В СА 03-003-07 допустимый диапазон составляет от -70°С

до 700°С, а в СНиП 2.05.06-85 (напрямую не указано) - от - 70°С до 100°С.

Практика показывает, что ограничения области действия норм пользователи ПС

«Старт» знают далеко не всегда. Поэтому случаются и анекдотические сл

учаи. Так на-

чальник отдела крупного института, обратился с претензией, что использование ПС

«Старт» создает ему большие проблемы при проектировании магистральных нефтепро-

водов с давлением более 10 МПа – программа выдает сообщение о превышении допус-

тимого давления. И очень удивился, узнав, что это не ограничение программы, а ограни-

чение СНиПа 2.05.06-85 - нормативного документа, который используется для оценки

прочности магистральных трубопроводов. Следует отметить, что предупреждение о на-

рушении границ применимости норм в ПС «Старт» не носит запретительного характера.

Это предупреждение, а далее – Ваше решение и Ваша же ответственность!

По нашему мнению основополагающе ограничения области применимости норм

обязан знать каждый конструктор трубопровода и выходить за их рамки можно только в

редких, специально оговоренных случаях.

Иное дело недоработки норм, которые этим ограничениям не противоречат. На-

пример, в РД 10-249-98 отсутствуют критерии оценки прочности неравнопроходных Т-

образных соединений (врезок и тройников) при изгибе. В СНиПе 2.05.06-85 отсутству-

ют критерии оценки прочности отводов при работе на изгиб; для врезок и тройников,

напротив, такой критерий есть, но нет коэффициентов концентрации местных напряже-

ний, что не позволяет эти критерием воспользоваться.

Такие недоработки мы стараемся устранить, привлекая к работе авторов соответ-

ствующих норм. И в этом направлении многое уже сделано. Так, начиная с версии 4.60

ПС «Старт» устранены вышеуказанные недоработки СНиПа 2.05.06-85, а в версии 4.65

реализована возможность расчета неравнопроходных врезок и тройников по РД 10-249-

98, в том числе и усиленных накладками.

2. Расчетные напряжения

Любой напорный трубопровод выполняет двоякую функцию: сосуда, находящего-

ся под давлением, и строительной конструкции служащей для восприятия действующих

нагрузок и их передачу на опоры.

Давление является основной и наиболее опасной нагрузкой, определяющей тол-

щину стенки трубопровода и его деталей. Все остальные нагружающие факторы (вес тру-

бопровода, температурный нагрев и т.п.) принято относить к дополнительным нагруз-

кам. Соответственно напряжения, возникающие в поперечных и продольных сечениях,

трубопровода имеют разную природу и степень опасности.

Для определения напряжений, возникающих в трубе от действия избыточного

внутреннего давления, используется расчетная модель, показанная на рисунке 1. Труба

рассматривается как тонкостенный сосуд, заглушенный днищами с обеих сторон. Благо-

Рис. 1. Цилиндрический тонкостенный сосуд

под внутренним избыточным давлением

вн

σ"

σ'

даря замкнутому объему, боковые стенки и днища сосуда подвергаются равномерно рас-

пределенному давлению. Выделенный из цилиндрической части прямоугольный элемент

будет подвергаться растяжению в двух направлениях: напряжениями σ' по сечениям,

перпендикулярным к образующим, и напряжениями σ" по сечениям вдоль образующих

(рис. 1а). Эти напряжения равны

РD

вн







;

РD

вн







Здесь D

вн

– внутренний диаметр сосуда, s – толщина стенки, а Р – внутреннее избыточ-

ное давление. Напряжения









являются главными, так как по соответствующим им

сечениям касательные напряжения, вследствие симметрии нагрузки и деформации выде-

ленного элемента, отсутствуют. Напряжение в продольном направлении сосуда





со-

ставляет половину от напряжения в кольцевом направлении





. Третье главное напряже-

ние, перпендикулярно плоскости выделенного прямоугольного элемента (плоскости дей-

ствия









) возникает в результате разности давлений с внутренней и наружной сто-

роны сосуда







При отношении толщины стенки к диаметру

250.



это напряжение пренебре-

жимо мало по сравнению с









. Таким образом, мы практически имеем дело с пло-

ским напряженным состоянием. Применяя правило нумерации главных напряжений

321





, получаем в итоге главные напряжения, обусловленные внутренним давле-

нием

242

321

;

РD

;

РD

внвн

















Помимо напряжений от давления в трубопроводе возникают дополнительные про-

дольные напряжения от действия силовых и деформационных воздействий. К ним отно-

сятся в первую очередь собственный вес трубопровода и температурный нагрев. Поэтому

продольное напряжение



будет таким









Здесь

М – изгибающий момент в плоскости поперечного сечения трубы; определяется

как геометрическая сумма изгибающих моментов, действующих вокруг центральных осей

сечения трубы X и Z (рис. 2)

MMM 

;

N – осевое сжимающее (или растягивающее) усилие,

W и F- характеристики поперечного сечения, соответственно момент сопротивле-

ния изгибу и площадь поперечного сечения трубы (круглого кольца).

На рисунке 2 приведены напряжения на прямом участке трубопровода. Шестерка

усилий М

, М

, M

, S

в поперечном сечении вызвана действием веса и темпера-

турного нагрева. Напряжения Δσ

возникают в стенке трубопровода, защемленного в

грунте от давления вышележащего грунта.

Продольные напряжения от изгибающего момента (напряжения изгиба) в трубе

достигают максимального значения на наружной поверхности и в любом сечении имеют

в крайних волокнах одинаковые по величине и противоположные по направлению знаки

(сжатие «-» и растяжение «+»).

При отсутствии кручения











 если,;;

321















,; если;

321

При наличии кручения (общий случай)

σ"





σ'"

Рис. 2. Расчетные напряжения в трубо-

проводе



450



















































Напряжения от кручения определяется по формуле





где М

– крутящий момент.

Эквивалентные напряжения рассчитываются:

- в РД 10- 249-98, пункт 5.1 [1], СТО 10.001-2009 и РД 10-400-01 [14] на основе

теории наибольших касательных напряжений (третья теория прочности)







- в РД 10- 249-98, пункт 5.2 [1], РТМ 38.001-94 [8] и СА 03-003-07 [9] на основе

теории энергии упругого формоизменения (четвертая теория прочности)







В рассматриваемой нами модели это условие можно записать и через расчетные напря-

жения















NNe

Применительно к пластичным материалам (трубные стали) обе теории дают близ-

кие результаты. Эквивалентные напряжения позволяют свести оценку прочности к про-

стейшему случаю осевого сжатия – растяжения.

3. Концентрация напряжений

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показывают,

что в области резких изменений формы упругого тела возникают повышенные напряже-

ния. В трубопроводах такими местами являются углы поворота (отводы с малым радиу-

сом гиба), Т-образные разветвления (врезки, тройники), переходы с одного диаметра на

другой и т. п.

Рассмотрим простой пример. При изгибе ступенчатого стержня, представляющего

собой моде

ль перехода трубопровода с большего диаметра на меньший (рис. 3), в зоне

внутреннего угла возникает повышенное напряжение

max

, которое зависит в первую оче-

редь от длины конического перехода. Подобная особенность распределения напряжений

получила название концентрации напряжений. Зона распространения повышенных на-

пряжений ограничена узкой областью, расположенной в окрестности очага концентрации,

и в связи с локальным характером распространения эти напряжения называют местными.

Если напряженное состояние трубопровода постоянно и температурный нагрев не

вызывает ползучести материала, местными напряжениями можно пренебречь. В этих ус-

ловиях даже незначительные проявления пластических свойств материала приводят к то-

му, что в зоне концентрации напряжений возникают необратимые (остаточные) деформа-

ции, но при этом трубопровод сохраняет свою несущую способность.

Иначе обстоит дело при циклически меняющихся напряжениях. Многократное из-

менение напряжений в зоне очага концентрации приводит к образованию и дальнейшему

развитию трещины с последующим усталостным разрушением. В трубопроводах цикли-

ческое изменение напряжений обычно вызвано колебаниями температуры.

Именно поэтому такие детали трубопровода, как отводы, врезки и тройники в на-

гретом до рабочей температуры трубопроводе проверяются на циклическую прочность

(малоцикловую усталость). Когда в результатах расчета по ПС Старт в графе «допускае-

мые напряжения» стоит слово «Нет», то это означает, что соблюдение условий статиче-

ской прочности не обязательно и критерием оценки в этой ситуац

ии служит повреждае-

мость, которая должна быть меньше единицы.

Концентрация напряжений в отводах и Т-образных соединениях учитывается

практически во всех нормах. В таблице 1 приводятся значения коэффициентов концен-

трации напряжений для отводов и Т-образных соединений (врезок, тройников).

При изгибе отводов под влиянием сил, сплющивающих их поперечное сечение,

возникают значительные местные напряжения. Если продольные напряжения, подсчи-

танные по обычной теории изгиба обозначить через σ, то максимальные продольные на-

пряжения можно определить по формулам

max

= i

σ ,

Данные соответствуют отводам, гнутым нормальным радиусом R = 3 ÷ 5D, крутоизогнутым ра-

диусом R = 1÷1.5D и Т- образным соединениям с отношением d/D ≤ 0.5.

max

Рис. 3. Распределение напряжений в ступенчатом

стержне