Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

max

= i

σ ,

где

σ – напряжения изгиба, определяемые по обычным формулам сопротивления мате-

риалов без учета эффекта концентрации;

– коэффициенты концентрации продольных напряжений при изгибе отвода соот-

ветственно в плоскости его кривизны и из этой плоскости.

Таблица 1

Коэффициенты концентрации напряжений при изгибе

Коэффициенты концен-

трации

Эле-

мент

Характеристика

гибкости

в плоско-

сти

из плоско-

сти

Эскиз

Отвод гнутый,

крутоизогнутый









750



Врезка, сварной

тройник





250750

.i.



Врезка или сварной

тройник, усиленные

накла

кой



sDs

s.s







502



250750

.i.



Тройник штампован-

ный, штампосварной

















s-D

s 2



250750

.i.



В качестве примера в таблице 2 приведены коэффициенты концентрации напря-

жений i

для двух типоразмеров отводов с разными радиусами гиба R (D

– условный

диаметр). Местные напряжения в крутоизогнутых отводах в разы превышают напряжения

в трубе. По мере увеличения радиуса гиба разница между напряжениями уменьшается и

стремится к единице.

Таблица 2

Коэффициент концентрации напряжений i

Радиус изгиба, мм

sD x , мм

R = D

R =1.5 D

R =5 D

219х6 3.4 2.6 1.1

426х7 4.7 3.6 1.6

Высокие местные напряжения возникают и в Т- образных соединениях: врезках,

сварных и штампованных тройниках. В результате ослабления отверстием при изгибе

возникают значительные продольные напряжения в месте сопряжения магистрали с от-

ветвлением.

В трубопроводах, работающих при высоких температурах, местные напряжения

являются концентраторами, ускоряющими процесс перехода упругих деформаций в оста-

точные пластические. Поэтому их величину ограничивают даже пр

и постоянном (стати-

ческом) нагружении.

4. Напряжения, обусловленные температурным нагревом

При нагреве трубопровода до температуры транспортируемого продукта проис-

ходит изменение формы его осевой линии, вследствие чего возникают температурные на-

пряжения, обусловленные изгибом, кручением и осевым сжатием-растяжением. Считает-

ся, что эти напряжения пропорциональны модулю упругости Е, коэффициенту линейного

расширения



и температурному перепаду ΔТ. Для трубных сталей, являющихся пла-

стичным материалом, температурные напряжения сами по себе не опасны и при оценке

прочности могут во внимание не приниматься. Влияние температуры при этом учитыва-

ется лишь постольку, поскольку меняются механические характеристики материала.

На рисунке 4 показана типовая диаграмма разрушения стального образца при рас-

тяжении. При силовом воздействии имеем отношение предела прочности к предел

у те-

кучести

0251 ..





. С момента начала образования пластической деформации для то-

го, чтобы разрушить образец нужно увеличить растягивающую силу в 1.5 ÷ 2 раза. Но,

если воздействие деформационное (температурное расширение), то для разрушения по-

требуется гораздо большее увеличение. Для трубных сталей относительное удлинение

при наступлении текучести составляет



= 0,1÷ 0,2%, а при разрыве - разрушении образ-

ца



= 15÷20%. Отношение составляет

20075 



, т.е. для разрушения требуется

увеличение температурного перепада в 75 ÷ 200 раз, что практически не реально

. Поэтому

разрушить трубопровод с помощью температурного нагрева невозможно.

Температурные напряжения следует учитывать только в случае циклического на-

гружения, когда вследствие колебания температуры в конструкции возникают знакопере-

менные напряжения.

Все сказанное можно сформулировать простым практическим правилом. Для

трубных сталей температурные напряжения сами по себе не опасны и при расчетах на

прочность могут во внимание не приниматься. Отступление от этого правила связано с

тем, что в местах кон

центрации местных напряжений разрушение может произойти без

заметных пластических деформаций. Причиной разрушения в этом случае является уста-

лость, обусловленная колебаниями температурного перепада. К малым амплитудам на-

пряжений трубопровод может «приспособиться», а к большим нет. Поэтому уровень ме-

стных напряжений необходимо ограничивать с целью снижения размаха напряжений в

цикле «нагрев- охлаж

дение». Это особенно важно для высокотемпературных трубопрово-

дов, в которых имеет место ползучесть материала. Местная концентрация напряжений

увеличивает скорость ползучести, провоцируя преждевременное образование и развитие

трещин.

Формула накопления повреждений при действии циклической нагрузки имеет вид

(η- повреждаемость, k – количество циклов знакопеременного нагружения)

ε,%

2015 





2010 ..





σ,

МПа

Рис.4. Диаграмма разрушения стального образца











i=1, 2, …, k. (1)

В числителе здесь число расчетных циклов, а в знаменателе - допустимое количество

этих циклов. Каждый расчетный цикл i характеризуется амплитудой переменных напряже-

ний σ

а .

Расчетное количество циклов принимается на основании статистической обработки

реальных данных, приведенных к эквивалентной (по повреждаемости) картине.

В зависимости от расчетной амплитуды σ

аi

материала трубопровода на основа-

нии экспериментальных данных устанавливается допустимое число таких циклов





Количество циклов с разной амплитудой в формуле (1) обозначено через k. Число расчет-

ных циклов с разными амплитудами служит для оценки повреждаемости η в течение за-

данного срока службы трубопровода и задается в составе исходных данных.

Если циклы симметричны и имеют одинаковую амплитуду (например, нагрев до

расчетной температуры и полное охлаждение), вместо формулы (1) можно использовать

более простую

≤ [σ

]

Здесь

- расчетная амплитуда переменных напряжений, [σ

] - допускаемая ам-

плитуда.

Циклическая прочность зависит от срока службы трубопровода. В исходных дан-

ных ПС

Старт срок службы трубопровода указывается, как правило, для ее оценки. Ис-

ключением являются высокотемпературные трубопроводы, прочность которых оценива-

ется по РД 10-249-98 [1] (см. ниже).

Срок службы таких трубопроводов указывается не

только для оценки циклической прочности, но и определения допускаемых напряжений.

В остальных нормативных документах эти напряжения не зависят напрямую от срока

службы трубопровода.

5. Допускаемые напряжения

Оценка прочности трубопроводов производится по допускаемым напряжениям

которые зависят от марки материала и расчетной температуры. С повышением расчетной

температуры меняются пластические свойства материала и допускаемые напряжения -

уменьшаются. Допускаемые напряжения, соответствующие расчетной температуре, не-

редко обозначается [

σ]

При определении допускаемых напряжений можно использовать

- данные, содержащиеся в стандартах и технических условиях на трубы и де-

тали,

Кроме СНиПа на магистральные трубопроводы [6] см. ниже

- готовые табличные значения, приведенные в нормах расчета на прочность

[1], [2].

Специалистам - металловедам хорошо известно, что механические свойства стали

одного и того же химического состава могут отличаться из-за разной кристаллической

структуры металла: размера ферритного зерна, характера и доли неметаллических вклю-

чений и т. п. Эти различия во многом обусловлены спецификой производства ко

нкретных

изделий (литья, проката, штамповки и т. п.). Прочностные характеристики стальных труб

и деталей также зависят способа их изготовления.

В таблице 3 приведены допускаемые напряжения для бесшовных и электросвар-

ных труб из стали 17 ГС. Как видим, при температурах от 100°C и выше различия в до-

пускаемых напряжениях довольно существенные. Таким образом, широко бытующее в

среде проек

тировщиков мнение, что допускаемые напряжения определяются только мар-

кой материала, является ошибочным.

Таблица 3

Номинальные допускаемые напряжения

для труб из стали 17 ГС, МПа

труба

температура,

°С

бесшовная [1] электросварная [2]

20 187 183

100 177 160

200 165 148

300 144 134

В нормативном документе по оценке прочности стальных технологических трубо-

проводов СА 03-003-07 (см. ниже) впервые учитываются различия в характеристиках

прочности электросварных и бесшовных труб и деталей. Поэтому допускаемые напряже-

ния, полученные в результатах расчета, здесь могут отличаться от аналогичных значений,

рассчитанных по другим нормативным документам (в частности, от РТМ 38.001-94), и на

это ну

жно обратить особое внимание.

При использовании табличных данных, приведенных в нормах расчета на проч-

ность, нужно иметь в виду, что они представляют собой наименьшие значения допускае-

мых напряжений, полученных на основании обработки различных стандартов на трубы и

детали из одинакового материала. Это и понятно потому, что такой подход гарантирует

дополнительные запасы прочности независимо от того, какие стандарты на ту

бы и детали

будут использованы в конкретном проекте. Допускаемые же напряжения, определяемые

на основании данных, содержащихся в стандартах, могут получиться более высокими.

Номинальное допускаемое напряжение

















5142

min



где

- временное сопротивление разрыву (предел прочности) при температуре

20ºC,

- предел текучести при температуре 20ºC,

- коэффициент, который служит для приведения к рабочей температуре.

В качестве примера в таблице 4 приведены значения А

для углеродистых и низко-

легированных разных сталей.

Таблица 4

Значения коэффициентов А

в зависимости от температуры

Сталь

Углеродистая качествен-

ная с содержанием угле-

рода, %

Углеродистая низколегиро-

ванная или легированная с

содержанием углерода, %

Темпе-

ратура,

°С

Углеродистая

обыкновен-

ного качества

0.07- 0.14 0.17- 0.24 0.07- 0.12 0.14 - 0.20

20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

100 0,943 0.961 0,980 0.944 0,946

200 0,835 0,908 0,933 0,833 0,882

300 0,687 0,738 0,809 0.782 0,834

400 - 0,561 0,626 0.629 0.813

Определять таким путем номинальные допускаемые напряжения удается далеко не

всегда. При высоких температурах, вызывающих ползучесть в металле трубопровода, для

определения [σ]

требуется еще две характеристики: условный предел длительной проч-

ности и условный предел ползучести, которые, как правило, в стандартах и технических

условиях на трубы и детали отсутствуют. В этих случаях не остается другого выхода, как

принимать допускаемые напряжения по таблицам, приведенным в нормах расчета на

прочность.

В базе данных программной системы СТАРТ номинальные допускаемые напряже-

ния заимствованы из норм расчета на прочность [1], [2]. Нужно иметь в виду, что база но-

сит справочный характер, открыта для пользователя и при необходимости ее можно са-

мостоятельно дополнять и корректировать.

6. Критерии прочности, принятые в нормах

Критерии прочности для труб и деталей согласно [1] выглядят следующим обра-

зом

- от внутреннего (избыточного) давления

σ" ≤ [σ]

, (2)

- от давления испытаний

≤ 0.9

. (3)

Критерий (2) – условие прочности трубы или детали от действия внутреннего из-

быточного давления, а критерий (3) – показатель качества их изготовления. Критерий (2)

ограничивает толщину стенки или допустимое расчетное давление (при заданной толщи-

не s), а критерий (3) – давление испытаний (пробное давление). Критерии должны соблю-

даться независимо от того, какой трубопровод будет сконструирован из этих труб и дета-

лей. Они не зависят ни от реальной конфигу

рации трубопровода, ни принятой схемы

компенсации температурных расширений, ни от способов передачи действующих нагру-

зок на аппараты и строительные конструкции, расстановки опор и т.п. Для этого служат

другие критерии – условия прочности при расчете трубопровода на дополнительные на-

грузки, к которым относятся вес тру

бопровода и температурный перепад. Таких критери-

ев 3.

1. Напряжения от веса трубопровода и давления в рабочем состоянии (т.е. в нагре-

том до расчетной температуры трубопроводе) не должны превышать номинальных до-

пускаемых напряжений, увеличенных на 10%

≤ 1.1[σ]

(4)

2. Напряжения от всех воздействий в расчетном (рабочем) состоянии трубопровода

не должны превышать номинальных допускаемых напряжений, увеличенных на 50%.

≤ 1.5[σ]

. (5)

Увеличение допускаемых напряжений в указанных расчетных сочетаниях нагрузок

вызвано двумя причинами

- уверенностью в том, что напряжения от самого опасного воздействия - внутреннего

давления не могут привести к образованию пластических деформаций в стенках труб и

деталей - именно в этом смысл обязательного соблюдения критериев (2) и (3),

- различной степенью опасности разрушения от силовых и деформационных воздей-

ствий на трубопровод.

3. Для трубопроводов, в которых отсутствует ползучесть, условие (5) может не

выполняться. Вместо этого должно выполняться условие циклической прочности (1).

Описанные выше критерии прочности получены применительно к разным расчет-

ным моделям. В силу того, что используются разные расчетные модели, практически во

всех нормах предусмотрена раздельная оценка прочности на действие давления и допол-

нительных нагрузок.

7. Малоцикловая усталость и расчетное число циклов

Малоцикловая усталость – усталость материала, при котором разрушение проис-

ходит в результате накопления упругопластических деформаций в местах концентраторов

напряжений. Она характеризуется наличием макроскопической пластической деформа-

ции в зоне излома. Принято считать, что разрушающее количество циклов N при мало-

цикловом нагружении не превышает 10000 (10

Колебания температуры в трубопроводах могут иметь разную периодичность в за-

висимости от особенностей ведения технологических процессов. Различают циклы пол-

ные и неполные. Под полным циклом понимается периодически повторяющийся режим

работы трубопровода, включающий нагрев, эксплуатацию при постоянной температуре и

давлении и отключение с полным охлаждением. Под неполным циклом понимается изме-

нение температуры и давления по отношению к тем же характеристикам полного цикла.

Когда температура постоянна во времени, количество полных циклов нагружения

трубопровода равно числу включений его в работу из холодного состояния или числу его

отключений на длительное время. Понятно, что такое количество циклов за весь срок

службы трубопровода будет невелико даже с учетом возможных аварийных отключений.

Тем не менее, расчетное количество циклов нередко принимается завышенным в десятки

и сотни раз по сравнению с реальным. Каждый цикл характеризуется максимально до-

пустимым напряжением





Рассмотрим типовую экспериментальную кривую усталости, показанную на ри-

сунке 5. Максимально допустимое значение напряжения







в цикле зависит от числа

полных циклов. При малом числе циклов оно стремиться к бесконечно большому значе-

нию, а при большом количестве циклов (более 100000) – к пределу выносливости

-1

, который для трубных сталей равен 40÷50% от предела прочности (временного сопро-

тивления

Опытным путем установлено, что допустимое напряжение в цикле





для труб и

деталей стальных трубопроводов составляет 1,0 ÷1,5



(



- предел текучести). Откла-

дывая на вертикальной оси конкретное значение







, получаем количество циклов для

оценки циклической прочности. Например, для стали 20 с пределом текучести



=2500,

при значении







допустимое количество полных циклов [N] = 3000 (рис.5).

В трубах, в отличие от отводов и тройников, отсутствуют местные напряжения,

которые способствуют появлению усталостных трещин. Поэтому проверка труб на цик-

лическую прочность, как правило, не проводится. И, напротив, разрушение отводов и

тройников происходит, в основном, в результате знакопеременных циклических воздей-

ствий. Однократный нагрев до расчетной температуры элементов при толщине стенки,

достаточной для восприятия избыточного внутреннего давления, не является опасным. В

различных нормативных документах нижний предел для оценки малоцикловой усталости

составляет от 1000 (СА 03-003-07) до 3000 (РД 10-249-98, п. 5.2) полных циклов. В каче-

стве иллюстрации ниже приведена таблица 5 с расчетным числом циклов, рекомендуемых

для трубопроводов различного назначения в энергетике.

Таблица 5

Рекомендуемое число полных расчетных циклов в энергетике

Назначение трубопровода

Срок службы,

лет

Расчетное

число циклов

Трубопроводы энергетических установок, предна-

значенные для ежедневных пусков

30 10000

Трубопроводы теплофикационных установок при

использовании электрической мощности в не отап-

ливаемый период для покрытия пиковой нагрузки

независимо 4500 - 6000

Трубопроводы мощных конденсационных блоков,

работающие с остановами на выходные дни, а в

отельные месяцы и сезоны – с ежедневными остано-

вами на ночь

независимо 3000

Трубопроводы для отпуска пара промышленности и

магистральные теплопроводы (тепловые сети)

30 1500

Трубопроводы с рабочей температурой более 150°С

до 200°С включительно

независимо 3000

В отличие от статического малоцикловое разрушение весьма чувствительно к слу-

чайным дефектам. К ним относятся структурные неоднородности металла, задиры, цара-

пины и вмятинам на поверхности труб и деталей, коррозионные язвы и т. п. Рекомендуе-

мые значения количества расчетных циклов, превосходящие реальное количество циклов

-1



200

300

400

500

100





МП

Рис. 5. Экспериментальная кривая мало-

цикловой усталости

на порядок и более, призваны компенсировать отсутствие достоверных данных о влиянии

таких дефектов на скорость разрушения.

8. Нормы для оценки прочности трубопроводов, реализованные в ПС

СТАРТ

Программная система СТАРТ позволяет оценивать прочность по различным

нормативным документам. Выбор того или иного нормативного документа при проведе-

нии конкретного расчета является прерогативой пользователя. Перечень нормативных

документов приведен в таблице 6.

Таблица 6

Нормативные документы

№

п/п

Нормативный документ Область применения

Госгортехнадзор РФ

РД 10-249-98 [1]

Стальные трубопроводы энергетических уста-

новок с давлением более 0.7 кг/cм

и темпера-

турой более 115

СТО Ростехэкспертиза 10.001-

2009** [5]

Трубопроводы водяных тепловых сетей и паро-

проводов за пределами энергетических устано-

вок

Госгортехнадзор РФ

РД 10-400-01* [14]

Стальные трубопроводы водяных тепловых се-

тей и паропроводов за пределами энергетиче-

ских установок

Минтопэнерго РФ -

ОАО ВНИПИНЕФТЬ

РТМ 38.001-94* [8]

Стальные технологические трубопроводы с

давлением до 100 кг/см

и температурой от –

С до 700

«Ростехэкспертиза»

стандарт ассоциации

СА 03-003-07** [9]

Стальные технологические трубопроводы с

давлением до 100 кг/см

и температурой от –

С до 700

Госстрой РФ

СНиП 2.05.06.-85 [6]

Стальные магистральные газо- и нефтепроводы

с давлением до 100кг/см

и отсутствием ползу-

чести в металле труб

* Документ устарел и в дальнейшем не рассматривается.

** Документ рекомендован к применению Ростехнадзором в качестве нормативного доку-

мента межотраслевого применения.

В соответствии с указанными нормами программная система СТАРТ осуществ-

ляет:

Поверку прочности труб и соединительных деталей от действия внутреннего дав-

ления. Соблюдение критериев прочности (2) и (3) проверяется на стадии контроля исход-

ных данных - толщины стенок должны соответствовать расчетному давлению. Правиль-

ности принятых толщин стенок с учетом прибавок можно проконтролировать с помощью

процедуры “

Элементы”.