РОССИЙСКАЯ АССОЦИАЦИЯ ЭКСПЕРТНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПОВЫШЕННОЙ ОПАСНОСТИ

РОСТЕХЭКСПЕРТИЗА

Серия 03

Нормативные документы межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности и охраны недр

СТАНДАРТ АССОЦИАЦИИ

СА 03-003-07

РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ И ВИБРАЦИЮ СТАЛЬНЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

МОСКВА 2007

Содержание

Рекомендовано к применению Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору. Письмо от 27.11.2006, № КЧ-50/1219

Разработан:

Научно-техническим предприятием Трубопровод (ООО «НТП Трубопровод»).

В разработке стандарта приняли участие:

А.А. Шаталов, Г.М. Селезнев (Ростехнадзор),

А.З. Миркин, В.Я. Магалиф, Е.Е. Шапиро (ООО «НТП Трубопровод»),

В.В. Усиньш, А.В. Матвеев, А.В. Бушуев (ЗАО «Инженерно-промышленная нефтехимическая компания»).

Редакционная группа:

М.М. Глазман, А.Р. Кабо, Л.Б. Корельштейн, А.Н. Краснокутский (ООО «НТП Трубопровод»).

Утвержден протоколом № 19 заседания НТС ЗАО «ИПН» и 000 «НТП Трубопровод» от 11 октября 2006 г. (стандарт предприятия 3-я редакция СТП 09-07-03).

Рекомендован Ростехнадзором в качестве документа межотраслевого применения (письмо КЧ-50/1219 от 27.11.2006).

Стандарт устанавливает методы расчета на статическую и циклическую прочность, а также вибрацию технологических стальных трубопроводов, работающих под внутренним избыточным и наружным (вакуумные трубопроводы) давлением, а также под действием дополнительных нагрузок и воздействий.

Распространяется на проектируемые, вновь изготавливаемые и реконструируемые стальные технологические трубопроводы, предназначенные для транспортировки газообразных, парообразных и жидких сред и эксплуатирующиеся на опасных производственных объектах в закрытых цехах, наружных установках, а также прокладываемых надземно на низких, высоких опорах, эстакадах и подземно в непроходных и полупроходных каналах.

Стандарт содержит требования по определению толщины стенки труб и фасонных деталей трубопровода из условия обеспечения их несущей способности под действием внутреннего и наружного давления. Поверочный расчет трубопровода предусматривает оценку статической и циклической прочности под действием нагрузок и воздействий, соответствующих как нормальному технологическому режиму, так и допустимым отклонениям от такого режима.

Предусмотрен расчет трубопровода на вибрацию при проектировании, пусконаладочных работах и эксплуатации. Приведены рекомендации по определению амплитуды и частоты пульсаций давления рабочей среды, генерируемых оборудованием, и собственных частот колебаний трубопровода. Сформулированы условия отстройки трубопровода от резонанса. Даны критерии прочности трубопровода при наличии вибрации.

Стандарт предназначен для специалистов, осуществляющих проектирование, строительство и реконструкцию стальных технологических трубопроводов в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, газовой и других смежных отраслях промышленности.

Текст настоящего издания стандарта содержит изменения и дополнения к СТП 09-04-02 (001-СТП/А), выпущенному в 2004 году взамен РТМ 38.001-94 «Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов».

ВВЕДЕНИЕ

В Стандарте обобщен многолетний опыт в области оценки прочности технологических стальных трубопроводов. Необходимость в разработке специального нормативного документа по расчету на прочность обусловлена спецификой технологических трубопроводов, которые характеризуются:

- повышенной опасностью транспортируемых сред (коррозионная активность, взрыво- и пожароопасность, токсичность);

- широким диапазоном изменения рабочих параметров (температур, давлении);

- разнообразием возможных механизмов разрушения в результате статических, циклических и динамические воздействий.

Применявшийся до недавнего времени РТМ 38.001-94 «Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов» [22] устарел, особенно в части оценки прочности наиболее напряженных элементов трубопроводов - отводов, врезок и тройников. Отдельные положения потребовалось привести в соответствие с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов, ПБ 03-585-03» [14] и другими нормативными документами по расчету на прочность, введенными в действие после 1995 года [23], [1], [2], [20]. При этом проведена гармонизация с нормами США ANSI/ASME [32], [33], [34].

Настоящий стандарт устанавливает методы расчета на статическую и циклическую прочность, а также вибрацию технологических стальных трубопроводов, работающих под внутренним избыточным и наружным (вакуумный трубопровод) давлением, а также под действием дополнительных нагрузок и воздействий (вес трубопровода, температурный нагрев. смешение опор и т.п.). Нормы и методы расчета на прочность применимы при условии, что отклонения от геометрических размеров и неточности при изготовлении рассчитываемых элементов не превышают допусков, установленных нормативно-технической документацией.

Стандарт предназначен для специалистов, осуществляющих проектирование, строительство и реконструкцию стальных технологических трубопроводов в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, газовой и других смежных отраслях промышленности.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Область применения

1.1.1. Настоящий стандарт содержит основные положения по расчетам на статическую и циклическую прочность, а также вибрацию стальных технологических трубопроводов с рабочей температурой от минус 70 до плюс 700°С, наружным давлением до 0,1 МПа (вакуумный трубопровод), внутренним избыточным давлением до 10 МПа и отношением толщины стенки к наружному диаметру (s - с)/D < 0,2.

1.1.2. Стандарт распространяется на проектируемые, вновь изготавливаемые и реконструируемые стальные технологические трубопроводы, эксплуатирующиеся на опасных производственных объектах в закрытых цехах, наружных установках, а также прокладываемых надземно на низких, высоких опорах, эстакадах и подземно в непроходных и полупроходных каналах. Стандарт не распространяется на трубопроводы, требования к прочности и надежности которых регламентируются нормами [23].

1.1.3. Стандарт содержит требования по определению толщины стенки труб и фасонных деталей трубопровода из условия обеспечения их несущей способности под действием внутреннего избыточного и наружного давления.

Поверочный расчет трубопровода предусматривает оценку статической и циклической прочности под действием нагрузок и воздействий, соответствующих как нормальному технологическому режиму, так и допустимым отклонениям от такого режима.

Предусмотрен расчет трубопровода на вибрацию при проектировании, пусконаладочных работах и эксплуатации. Приведены рекомендации по определению амплитуды и частоты пульсаций давления рабочей среды, генерируемых оборудованием, и собственных частот колебаний трубопровода. Сформулированы условия отстройки трубопровода от резонанса. Даны критерии прочности трубопровода при наличии вибрации.

Внутренние силовые факторы и реакции опор определяются расчетом трубопровода как упругой стержневой системы с учетом реальной гибкости элементов и сил трения в опорах скольжения по методам строительной механики стержневых систем. Нагрузки на оборудование и опоры определяются в рабочем и холодном состояниях трубопровода, а также при испытаниях.

Оценка прочности проводится раздельно на действие не самоуравновешенных нагрузок (весовые и внутреннее давление) и с учетом всех нагружающих факторов, в том числе температурных деформаций. При соблюдении условий циклической прочности, допускается значительная концентрация местных напряжений, обусловленных температурным нагревом в рабочем состоянии трубопровода.

Приложения содержат методы решения ряда специфических задач, связанных с расчетами прочности и надежности технологических трубопроводов.

1.1.4. В обоснованных случаях возможно применение других методов расчета на прочность и вибрацию, отличающихся от настоящих. Решение об этом принимает разработчик проекта.

1.2 Классификация трубопроводов

При проверочных расчетах в зависимости от уровня температур и длительной прочности материала, различаются среднетемпературные и высокотемпературные трубопроводы. К высокотемпературным относятся трубопроводы:

- из углеродистой и низколегированной стали при расчетной температуре выше 370°С;

- из легированной аустенитной стали при расчетной температуре выше 450°С.

К среднетемпературным относятся трубопроводы, расчетная температура которых не превышает указанных пределов.

1.3 Основные положения по расчету на прочность и вибрацию

1.3.1. Расчет трубопроводов на прочность осуществляется по расчетному избыточному давлению и расчетной температуре с учетом агрессивности среды.

1.3.2. Расчетное внутреннее избыточное давление Р определяется разработчиком технологического процесса. При этом:

- для трубопроводов, работающих совместно с аппаратами, расчетное давление определяется по расчетному давлению аппарата, с которым соединен трубопровод;

- для напорных трубопроводов центробежных машин (насосов, компрессоров, газодувок) - по максимальному давлению, развиваемому при закрытой задвижке со стороны нагнетания, а для поршневых машин - по давлению настройки предохранительного клапана, установленного на источнике давления.

1.3.3. При расчете на прочность трубопровода в режиме испытания расчетное давление принимается равным наименьшему из давлений испытания элементов системы (аппарат, компенсатор и т.д.).

1.3.4. Если на элемент трубопровода действует гидростатическое давление, составляющее 5% и выше рабочего давления, то расчетное давление этого элемента должно быть повышено на это же значение.

1.3.5. Расчетное наружное давление для вакуумных трубопроводов принимается исходя из особенностей технологического процесса до 0,1 МПа.

1.3.6. При расчете вакуумных трубопроводов остаточное давление должно превышать 0,001 МПа [14].

1.3.7. Расчетная температура стенки принимается равной максимальной температуре среды (при отсутствии теплового расчета) согласно технологическому регламенту или проекту на технологический трубопровод.

1.3.8. При расчете деталей трубопроводов на условное давление (Ру), принимаемого по ГОСТ 356-80, за расчетную температуру следует принимать 200°С.

1.3.9. Свойства материала (допускаемые напряжения, модуль упругости, коэффициент линейного расширения и т.п.) определяются при расчетной температуре. При отрицательной расчетной температуре свойства материала принимаются для температуры 20°С.

1.3.10. Расчетные значения нагрузок и воздействий при оценке статической и циклической прочности определяются как произведение их нормативного значения на коэффициент надежности g_i. Типы нагрузок и воздействий, а также соответствующие коэффициенты надежности g_i, приведены в разделе 2.

1.3.11. Амплитуды и частоты пульсаций давления в трубопроводе, а также частоты собственных колебаний, определяются согласно разделам 2.2 и 6.

1.3.12. Для предварительной расстановки промежуточных опор рекомендуется пользоваться Приложением 1.

1.3.13. Поверочный расчет трубопроводов на прочность выполняется согласно разделу 5 с учетом нагрузок и воздействий, возникающих при строительстве, испытаниях и эксплуатации. Внутренние силовые факторы в расчетных сечениях трубопровода определяются методами строительной механики стержневых систем с учетом повышенной гибкости отводов и штуцеров (ответвлений) тройников и врезок (приложение 2). Трубопроводная арматура рассматривается как недеформируемое тело.

1.3.14. Выбор элементов фланцевых соединений для рабочих условий описан в Приложении 3.

1.3.15. Рекомендации по выбору сильфонных и линзовых компенсаторов содержатся в Приложении 4.

1.3.16. Методы защиты трубопроводов от вибрации рассматриваются в Приложении 5.

1.3.17. Расчет назначенного ресурса (расчетного срока службы) трубопровода приведен в Приложении 6.

1.4 Допускаемые напряжения

1.4.1. Допускаемое напряжение [s] при расчете труб и соединительных деталей трубопровода на статическую прочность

- для углеродистых и низколегированных сталей

                                                                   (1.1)

- для аустенитных сталей

                                                                                (1.2)

При определении допускаемых напряжений для среднетемпературных трубопроводов характеристики длительной прочности  и  не используются, т.е. в (формулах 1.1 и 1.2 остаются только два первых члена в скобках.

1.4.2. Нормативные значения [s] допускается принимать для электросварных труб и деталей по [1], а бесшовных - по [23].

1.5 Коэффициенты прочности сварных соединений

1.5.1. Коэффициенты прочности j_у для стыковых сварных соединений при растяжении от давления, выполненных любым допущенным способом (автоматической, полуавтоматической или ручной дуговой сваркой), обеспечивающим полный провар по всей длине стыкуемых элементов, при проведении контроля шва радиографией или ультразвуком под всей длине шва принимаются по таблице 1.1.

Таблица 1.1

Примечание: при расчетной температуре от 510 С до 530 °С значение коэффициента j_у определяется линейным интерполированием между указанными значениями.

1.5.2. Коэффициент прочности стыкового сварного соединения j_у, контроль качества которого радиографией или ультразвуком допускается производить не по всей длине каждого шва, рекомендуется принимать равным значению j_у согласно п. 1.5.1, умноженному на величину:

- при выборочном контроле не менее 10% длины данного шва - 0.8;

- при отсутствии контроля или при выборочном контроле менее 10% длины данного шва - 0.7.

1.5.3. При наличии смещения кромок сварных труб коэффициент прочности сварного соединения j_у, определенный в соответствии с пп. 1.5.1 и 1.5.2, должен быть уменьшен пропорционально смешению кромок. Например, при смешении кромок на 15% значение коэффициента должно быть умножено на 0.85.

1.5.4. При сжатии стыкового сварного соединения коэффициент прочности принимается равным j_у =1.0.

1.5.5. При расчете бесшовных труб и деталей коэффициент прочности принимается равным j_у = 1.0.

1.5.6. Усиление сварного шва при определении коэффициента прочности j_у не учитывается.

1.5.7. Коэффициент прочности поперечного сварного стыка труб и деталей при изгибе j_w определяется в соответствии с пп. 1.5.1-1.5.5, но не более значений, приведенных в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Примечание: при расчетной температуре от 510°С до 530°С коэффициент j_w определяется линейной интерполяцией.

1.5.8. Коэффициенты прочности j_L для угловых и тавровых сварных соединений принимаются в соответствии с п. п. 1.5.1-1.5.5, но не более следующих значений:

- при контроле шва радиографическим или ультразвуковым методами по всей длине шва - 0.8,

- при выборочном контроле или при отсутствии контроля - 0.6.

1.5.9. Коэффициент прочности сварного шва для соединений в нахлестку принимается в соответствии с п. п. 1.5.1-1.5.5, но не более 0.6.

1.5.10. Допускается принимать другие значения коэффициентов снижения прочности сварных соединений (j_у, j_w и j_L с учетом условий эксплуатации и показателей качества элементов трубопроводов.

1.6 Расчетная и поминальная толщины стенок элементов

1.6.1. Для определения расчетной толщины стенки s_R элемента трубопровода используются формулы раздела 3.

1.6.2. Номинальная толщина стенки элемента определяется с учетом прибавки с, исходя из условия:

s ³ s_R + c                                                                                                                               (1.3)

с округлением до ближайшей большей толщины стенки по стандартам или техническим условиям. Допускается округление в сторону меньшей толщины стенки элемента, если разница не превышает 3%.

Рекомендуемые наименьшие значения номинальной толщины стенки труб или фасонных деталей в зависимости от наружного диаметра D приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

1.6.3. Суммарная прибавка к толщине стенки с вычисляется по формуле:

c ³ c₁ + c₂,                                                                                                                             (1.4)

где

c₁ - технологическая прибавка, равная минусовому отклонению толщины стенки по стандартам и техническим условиям;

c₂ - прибавка на коррозию и эрозию, принимаемая согласно [14] или отраслевым документам с учетом расчетного срока эксплуатации.

1.6.4. Для труб-заготовок, используемых для гибки отводов на станках, прибавка c₁ равна сумме допусков на минимальную толщину стенки трубы-заготовки и максимальное утонение при гибке. Последняя величина при отсутствии специальных указаний определяется по формуле s/(1 + 2R/D).

1.6.5. Для деталей трубопроводов, получаемых сваркой из труб (секторные отводы, сварные тройники и т.п.) прибавка с, равна допуску на минимальную толщину стенки трубы-заготовки.

1.6.6. Для деталей трубопроводов, изготавливаемых из труб путем горячего и холодного деформирования, прибавка с, равна допуску на минимальную толщину стенки, указанному в соответствующих технических условиях.

2 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ

2.1 Нагрузки и воздействия при расчетах на статическую и циклическую прочность

2.1.1. Учитываемые в расчетах на статическую и циклическую прочность нормативные нагрузки и воздействия, а также соответствующие им коэффициенты надежности g_i приведены в таблице 2.1. Расчетные значения нагрузок и воздействий определяются путем умножения нормативных значений на соответствующий коэффициент надежности g_i. В обоснованных случаях допускается принимать другие значения коэффициентов надежности g_i.

Таблица 2.1

Примечание: знак «+» означает, что данная нагрузка или воздействие учитываются в расчете на прочность, а знак «-» что не учитывается.

2.1.2. К кратковременным воздействиям допускается также относить кратковременные превышения давления (шифр 4) и температуры (шифр 5) по сравнению с расчетными значениями. Например, давление и температурные деформации в состоянии испытаний, пропаривания и т.д.

2.1.3. При расчете трубопровода в состоянии гидравлических испытаний, вместо веса транспортируемого вещества задается вес воды, расчетное давление при проведении испытании и температура проведения испытаний.

2.1.4. Поверочный расчет трубопровода осуществляется как на постоянные и длительные временные нагрузки с шифрами 1-7 в табл. 2.1 (по режиму ПДН). так и на дополнительные воздействия кратковременных и особых нагрузок с шифрами 8-13 в табл. 2.1 (по режиму ПДКОН). Соответствующие режимам ПДН и ПДКОН критерии прочности приведены в пункте 5.4.1.

Обязательным является выполнение проверочного расчета по режиму ПДН. Необходимость дополнительного проверочного расчета по режиму ПДКОН и выбор учитываемых в расчете типов кратковременных и особых нагрузок из табл. 2.1, определяется проектной организацией.

2.1.5. Нормативные нагрузки от собственного веса трубопровода и изоляции определяются на основании стандартов, рабочих чертежей и паспортных данных по номинальным размерам.

2.1.6. Нормативные нагрузки и воздействия от монтажной растяжки трубопровода, растяжки компенсаторов и натяга упругих опор определяются проектом.

2.1.7. Расчетное внутреннее избыточное и наружное давление транспортируемого вещества принимается согласно п. 1.3.2 и 1.3.5.

2.1.8. Нормативные значения температурных деформаций определяются проектом по разности расчетной температуры, определяемой согласно п. 1.3.7 и монтажной температуры. Монтажная температура принимается равной температуре окружающего воздуха, в момент замыкания трубопровода в статически неопределимую систему (заварка последнего стыка при монтаже).

2.1.9. Нормативную нагрузку от отложений и конденсата определяют по отраслевой научно-технической документации.

2.1.10. Нормативная снеговая нагрузка на единицу длины надземного трубопровода рассчитывается по формуле:

q_sn = S₀mD_k (Н/м),                                                                                                                 (2.1)

где S₀ - нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную поверхность земли в кПа, принимается в зависимости от снегового района по строительным нормам и правилам [26], m - коэффициент перехода от веса снегового покрова на единицу поверхности земли к снеговой нагрузке на единицу поверхности горизонтальной проекции кожуха изоляции трубопровода. принимается равным 0.4.

Также рекомендуется учитывать снеговые нагрузки на опирающиеся на трубопровод обустройства, которые определяются согласно СНиП [26].

2.1.11. Нормативная ветровая нагрузка на единицу длины надземного трубопровода, действующая перпендикулярно его осевой вертикальной плоскости, определяется по формуле:

q_wn = (W_etc + W_dvn)D_k (Н/м),                                                                                                   (2.2)

где статическую W_etc и динамическую W_dvn составляющие ветровой нагрузки в кПа принимаются по СНиП [26], причем последняя величина находится как для сооружения с постоянной шириной наветренной поверхности.

2.1.12. Нормативная нагрузка от обледенения на единицу длины надземного трубопровода определяется по формуле

q_gn = 0.017b_gD_k (Н /м).                                                                                                         (2.3)

где b_g - толщина слоя гололеда, мм. Принимается по СНиП [26].

2.1.13. Нормативные нагрузки, возникающие при строительстве и испытаниях трубопровода, определяются проектом в зависимости от способа производства работ и методов испытаний.

2.1.14. Нагрузки и воздействия, вызываемые резким нарушением нормального режима эксплуатации, например: поломкой оборудования или срабатыванием аварийных устройств. устанавливаются в проекте с учетом особенностей технологического цикла производства. Возникающие при этом нагрузки, в том числе от гидравлического удара, определяются с помощью специальных расчетов.

2.2 Динамические нагрузки и воздействия при расчетах на вибрацию

2.2.1. Нагрузки и воздействия, вызывающие вибрацию трубопроводов, разделяются на группы:

а) механические воздействия на трубопровод со стороны оборудования, вызванные неуравновешенностью движущихся масс, износом подшипников и т.д.;

б) нестационарные гидравлические воздействия в результате:

- пульсации давления на входе в трубопровод от компрессора и насоса;

- прохождения по системе двухфазной среды, особенно, в пробковом режиме, кавитации и т.п.;

- отрывных течений за местными сопротивлениями.

2.2.2. Амплитуды возбуждающих вибрацию нагрузок и воздействий определяются расчетом или измерениями в процессе пуско-наладочных работ и задаются в виде перемещений или внешних сил. При оценке нестационарных гидродинамических воздействий рассматриваются те сечения трубопровода, где происходят изменения величины и направления скорости потока.

2.2.3. Спектр частот пульсации, генерируемых поршневыми и центробежными машинами

                                                                                                                       (2.4)

где i = 1, 2, 3... - номер гармоники, п - число оборотов вала в мин., т - число цилиндров поршневых или число лопаток центробежных нагнетательных машин.

2.2.4. Если возбудителями пульсаций в трубопроводе являются местные гидравлические сопротивления, то генерируемая при этом частота рассчитывается по формуле

                                                                                                           (2.5)

где V - скорость потока, D_i -диаметр сужения в местном сопротивлении.

Для одиночных преград в формуле (2.5) принимается минимальное значение численного коэффициента, равное 200. При отсутствии местного сужения (прямая труба) численный коэффициент в формуле (2.5) принимается равным 500.

2.2.5. Для трубопроводов с двухфазным рабочим веществом учитывается возможность появления гидродинамических возмущений, особенно ощутимых в пробковом режиме. Амплитудно-частотные характеристики нестационарного воздействия двухфазного потока на местные сопротивления определяются при пуско-наладочных работах или предварительными расчетами.

2.2.6. При проектировании учитывается возможность возникновения резонансных акустических колебаний при сближении значений генерируемых и собственных частот гидродинамических колебаний среды. Амплитудно-частотные характеристики акустических колебаний для сложных трубопроводных систем определяются расчетом или в процессе пуско-наладочных работ.

Примечание. Собственную частоту акустических колебаний трубопровода для прямолинейных участков рекомендуется определять по формулам:

- для трубы с акустически открытыми или закрытыми концами:

                                                                                                                       (2.6)

- для трубы с одним акустически открытым концом

                                                                                                              (2.7)

где i = 1, 2, 3..., С - скорость звука в м/с, L - длина трубы в м.

3 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ТРУБ И ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНУТРЕННЕГО ИЗБЫТОЧНОГО И НАРУЖНОГО ДАВЛЕНИЯ (ВАКУУМНЫЙ ТРУБОПРОВОД)

3.1 Трубы

3.1.1. Расчетная толщина стенки трубы, нагруженной внутренним избыточным давлением

                                                                                                                  (3.1)

3.1.2. Допустимое внутреннее избыточное давление

                                                                                                             (3.2)

3.2 Отводы

3.2.1. Расчетная толщина стенки гнутых и крутоизогнутых отводов (рис. 3.1,а)

s_RO = k₁s_R,                                                                                                                              (3.3)

где коэффициент k₁ берется по табл. 3.1.

Таблица 3.1

Примечания: для промежуточных значений R/(D - s_R), k₁ определяется линейной интерполяцией.

3.2.2. Расчетная толщина стенки секторных отводов (рис. 3.1,б) вычисляется по формуле

s_RO = k₂s_R                                                                                                                               (3.4)

Для нормализованных отводов, состоящих из полусекторов и секторов с углом скоса a £ 22.5, величина к₂ рассчитывается по формуле

                                                                                                              (3.5)

Рис. 3.1. Отводы: а - гнутый; б - секторный; в, г – штампосварной

3.2.3. Расчеты штампосварных отводов зависят от расположения сварных швов:

- при расположении сварных швов в плоскости кривизны отвода (рис. 3.1,в) расчетная толщина стенки

s_RO = k₂×s_R/j_y                                                                                                                         (3.6)

- при расположении сварных швов по нейтральной линии (рис. 3.1,г) толщина стенки определяется как наибольшее из двух значений

s_RO = max(s_R/j_y,k₂×s_R)                                                                                                             (3.7)

Примечание. В формулах (3.6) и (3.7) s_R определяется по формуле (3.1) при j_y = 1.0, а величина k₂ - по формуле (3.5).

Таблица 3.2

3.2.4. Допустимое внутреннее давление в отводах:

                                                                                                          (3.8)

где коэффициент k_i берется из таблицы 3.2.

3.3 Переходы

3.3.1. Расчетная толщина стенки концентрических переходов, нагруженных внутренним избыточным давлением (рис. 3.2,а)

                                                                                                      (3.9)

Формула (3.9) применима при соблюдении следующих условии:

- при a £ 15°

- при 15° < a £ 45°

Угол наклона образующей a рассчитывается по формуле

                                                                                                               (3.10)

в которой D, D_П и l принимаются в соответствии с рис. 3.2,а или рис. 3.2,б.

3.3.2. Допустимое внутреннее давление в концентрических переходах

                                                                                                      (3.11)

3.3.3. Расчетную толщину стенки эксцентрических переходов (рис. 3.2,б) допускается определять по формулам для концентрических переходов.

Рис. 3.2. Переходы: а - концентрический, б - эксцентрический

3.4 Тройники и врезки

3.4.1. Расчетная толщина стенки магистрали в тройниковых соединениях (врезках) при действии внутреннего избыточного давления (рис. 3.3) определяется по формуле

                                                                                                 (3.12)

j_d - расчетный коэффициент снижения прочности магистрали тройника (врезки), вычисляются в соответствии с п. 3.4.3.

3.4.2. Расчетная толщина стенки штуцера в тройниковых соединениях (рис. 3.3) определяется в соответствии с п. 3.1.1.

3.4.3. Расчетный коэффициент снижения прочности магистрали тройника (врезки) или эллиптической заглушки, ослабленной укрепленным отверстием

                                                      (3.13)

где s ³ s_RM +с, а SА - сумма укрепляющих площадей штуцера и накладки (если таковая имеется)

SА = А_h + А_n                                                                                                                         (3.14)

Для штампованных тройников (рис. 3.3,б) вместо величины d_i в формулу 3.13 подставляется

d_eq= d_i + 0.25r                                                                                                                       (3.15)

3.4.4. Укрепляющая площадь штуцера определяется по формулам:

- для наружных штуцеров, конструкция которых соответствует рис. 3.3,а и 3.5,в

A_b = 2h_b[(s_b - c) - s_ob];                                                                                                           (3.16)

- для пропущенных внутрь штуцеров, конструкция которых соответствует рис. 3.5,г

A_b = 2h_b[(s_b - c) - s_ob] + 2h_b1(s_b - c);                                                                                      (3.17)

- для вытянутой горловины штампованного тройника, конструкция которого соответствует рис. 3.3,б или эллиптической заглушки с отбортованным отверстием (рис. 3.5,б)

A_b = 2(h_bs – h_b)[(s_b - c) – s_os] + 2h_b[(s_b - c) - s_ob],                                                              (3.18)

где минимальная толщина стенки определяется:

- для сварных тройников и врезок

                                                                                                                (3.19)

- для штампованных

                                                                                                                (3.20)

                                                                                                                (3.21)

Рис. 3.3. Тройники и врезки: а - сварной тройник (врезка), б - штампованный (штампосварной) тройник

3.4.5. Используемое при расчете значение высоты штуцера принимается по чертежу на конкретный штуцер, но не более приведенных ниже значений

                                                                                           (3.22)

                                                                                                     (3.23)

При одновременном укреплении отверстия штуцером и накладкой (рис. 3.3,а), высота укрепляющей части штуцера h_b принимается без учета толщины накладки

3.4.6. Укрепляющая площадь накладки определяется по формуле (рис. 3.3,а)

A_n = 2b_ns_n                                                                                                                              (3.24)

Используемое в расчете значение ширины накладки b_n принимается по чертежу на конкретную накладку, но не более

                                                                                                       (3.25)

3.4.7. Если в сварных тройниках или врезках номинальная толщина стенки штуцера или присоединенной трубы s_b равна s_ob+c то наибольший внутренний диаметр штуцера тройника d_i, при котором не требуется дополнительного укрепления (SA = 0) вычисляется по формуле

                                                                                            (3.26)

Если внутренний диаметр штуцера d_i превышает d₀, то необходимо увеличить толщину стенки штуцера s_b или использовать укрепляющую накладку.

3.4.8. Коэффициент недогрузки магистрали или корпуса тройника (врезки) следует определять по формуле

                                                                                                              (3.27)

3.4.9. Если допускаемое напряжение для укрепляющих деталей [s]_d меньше [s], то расчетные значения укрепляющих площадей умножаются на отношение [s]_d /[s].

3.4.10. Допустимое внутреннее давление в магистрали тройника (врезки)

                                                                                                 (3.28)

3.5 Заглушки

3.5.1. Расчетная толщина и допустимое давление для плоской круглой внутритрубной заглушки (рис. 3.4,а):

                                                                       (3.29)

3.5.2. Расчетная толщина и допустимое давление для плоской круглой торцевой заглушки (рис. 3.4,б):

                                                            (3.30)

3.5.3. Для плоских заглушек без отверстия коэффициент m₀ равен 1.0. Для заглушек с центральным отверстием диаметром d_i:

                                                                                                       (3.31)

3.5.4. Расчетная толщина плоской межфланцевой заглушки (рис. 3.4,в):

                                                                     (3.32)

Ширина уплотнительной прокладки b определяется по техническим условиям или чертежу.

Рис. 3.4. Круглые плоские заглушки: а - внутритрубная; б - торцевая; в - межфланцевая; г, д - фланцевая

3.5.5. Расчетная толщина и допустимое давление плоской фланцевой заглушки, соответствующей рис. 3.4,г:

                                                                                    (3.33)

Расчетная толщина плоской фланцевой заглушки, соответствующей рис. 3.4,д:

                                                                                      (3.34)

Здесь D_b принимается в соответствии с рис. 3.4.

3.5.6. Расчетная толщина стенки и допустимое давление для эллиптической заглушки без центрального отверстия (рис. 3.5,а) при 0.5 ³ h/D ³ 0.2 и 0.1 ³ (s - с)/D ³ 0.0025

                                                                         (3.35)

Если s_RЗ получается менее s_R при j = 1.0, то s_RЗ = s_R.

3.5.7. Расчетная толщина и допустимое давление для эллиптической заглушки с центральным отверстием при 0.5 ³ h/D ³ 0.2 и 0.1 ³ (s - c)/D ³ 0.0025 и d_i/(D - 2s) £ 0,6 (рис. 3.5,б,в,г)

                                                (3.36)

где j_d - коэффициент снижения прочности эллиптической заглушки, ослабленной укрепленным отверстием, вычисляется в соответствии с п. 3.5.8.

Рис. 3.5. Эллиптические заглушки: а - без отверстий; б - с отбортованным отверстием; в - со штуцером и укрепляющей накладкой; г - с проходящим штуцером

3.5.8. Коэффициенты прочности заглушек с отверстиями j_d (рис. 3.5,в,г) определяется в соответствии с п. 3.4.3 при s_b = s_RЗ и s ³ s_RЗ + с, а коэффициенты прочности заглушек с отбортованными отверстиями (рис. 3.5,б) - согласно п. 3.4.3 при h_b = L - l - h.

3.6 Расчет на действие наружного давления (вакуумный трубопровод)

3.6.1. Расчеты на действие наружного давления (вакуум) предусмотрены настоящим стандартом только для среднетемпературных трубопроводов.

3.6.2. Для труб, переходов, тройников и врезок, нагруженных наружным давлением, толщину стенки и допустимое давление следует определять из условия устойчивости согласно [1] и пп. 3.6.3-3.6.7. При этом допустимое по условиям прочности давление вычисляется при j_y = 1, а толщина стенки принимается равной разности номинальной толщины и суммарной прибавки (s - c).

3.6.3. Для труб допустимое наружное давление определяется в соответствии с [1]. При этом принимается, что расчетная длина обечайки равна бесконечности.

3.6.4. Допустимое наружное давление для переходов определяются в соответствии с [1] по формулам для конических обечаек.

3.6.5. Допустимое наружное давление для эллиптических заглушек определяется в соответствии с [1] по формулам для эллиптических днищ.

3.6.6. Допустимое наружное давление для тройников и врезок определяется по формуле

                                                                                                              (3.37)

где [Р]_П - допустимое наружное давление в тройнике из условия прочности, определяемое по формуле (3.28) при j_y =1. [Р]_Е - допустимое наружное давление в магистрали тройника из условия устойчивости, определяемое согласно п. 3.6.3 без учета ослабления отверстием.

3.6.7. Расчетная толщина стенки при действии наружного давления труб, переходов, заглушек, тройников и врезок определяется итерационно по [1] из условия, что допускаемое наружное давление равно расчетному наружному давлению Р = [Р].

4 ВЫБОР РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ТРУБОПРОВОДА

4.1. Трубопровод рассматривается как упругая стержневая система. Элементы теории оболочек учитываются в расчетах отводов (эффект Кармана) и, при необходимости, в тройниковых соединениях (см. приложение 2). Нужно стремиться к тому, чтобы расчетная схема правильно учитывала конструктивные особенности, которые влияют на напряженно-деформированное состояние трубопровода.

4.2. Трубопровод разбивается на прямолинейные и криволинейные (очерченные по дуге окружности), участки. Точки сопряжения участков служат расчетными узлами. В число расчетных узлов включаются:

• места присоединения к аппаратам, опорам, коллекторам и т.д.;

• точки излома или разветвления осевой линии трубопровода;

• точки изменения поперечного сечения или нагрузки.

4.3. Внешние статические нагрузки рассматриваются как сосредоточенные или равномерно распределенные. Наряду с ними в расчетах статически неопределимых стержневых систем учитываются деформационные воздействия, вызванные температурным нагревом (охлаждением), смещением опор или оборудования, а также предварительной растяжкой (сжатием) трубопровода.

4.4. Расстановка опор и подвесок призвана обеспечить допустимый уровень напряжений в элементах трубопровода от не самоуравновешенной (в частности весовой) нагрузки. При этом нужно избегать случаев, когда в нагретом трубопроводе опоры и подвески оказываются недогруженными.

4.5. Опоры и подвески моделируются жесткими, линейно-упругими и фрикционными связями, препятствующими перемещениям трубопровода.

4.6. Сильфонные, линзовые и сальниковые компенсаторы моделируются как линейно упругие сочленения стержней осевого, шарнирного или сдвигового типов (в зависимости от их конструкции). Арматура моделируется недеформируемыми (абсолютно жесткими) стержневыми элементами.

5 ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ

5.1 Основные положения. Этапы расчета

5.1.1. Толщина стенок труб и фасонных деталей трубопроводов определяется в соответствии с разделом 3 настоящего стандарта.

5.1.2. Для оценки прочности спроектированного наземного или подземного (в канале) трубопровода выполняется полный расчет, состоящий из 6-ти этапов (таблица 5.1). Целью расчета является оценка статической и циклической прочности, а также определение усилий, действующих на оборудование со стороны трубопровода при эксплуатации и испытаниях.

5.1.3. Расчет трубопровода в режиме ПДКОН (с учетом кратковременных и особых нагрузок, а также в режиме испытаний) выполняется при соответствующем указании в проекте.

5.1.4. Расчет по этапам 1 и 2 проводится после выбора основных размеров трубопровода и расстановки опор.

5.1.5. Расчет трубопроводов по этапам 3 и 4 следует проводить, если число полных циклов нагружения за все время эксплуатации превышает 1000 и в результате расчета по этапу 2 установлено, что

- для среднетемпературного трубопровода

s_е ³ 1.2[s],                                                                                                                           (5.1)

- для высокотемпературного трубопровода

s_е ³ [s].                                                                                                                                (5.2)

5.1.6. Расчет по этапу 4 (на длительную циклическую прочность) проводится только для высокотемпературных трубопроводов.

5.1.7. Расчет среднетемпературных трубопроводов проводится по расчетной температуре Т. Для высокотемпературных трубопроводов на этапах 2 и 5 расчет ведется по фиктивным температурам T_2f и T_5f.

T_2f = cT,                                                                                                                               (5.3)

T_5f = -dT                                                                                                                               (5.4)

Значения c и d для различных материалов представлены в табл. 5.2 и табл. 5.3.

Кроме того, на этапе 5 вводятся фиктивные «собственные» смещения защемленных концевых сечений трубопровода от нагрева присоединенного оборудования, получающиеся путем умножения значений действительных смешений на величину d со знаком «минус».

Таблица 5.1

5.1.8. На этапе 5 для высокотемпературных трубопроводов, которые рассчитываются при фиктивной температуре T_5f, коэффициент линейного расширения берется для расчетной температуры Т.

5.1.9. На этапе 5 модуль упругости принимается при 20°С, а на этапах 1 и 2 при расчетной температуре Т.

5.1.10. Значения коэффициента температурного расширения и модуля упругости определяются по нормативным и справочным данным [23], [1]. Коэффициент относительной поперечной деформации (коэффициент Пуассона) для всех материалов и температур принимается равным 0.3.

5.1.11. Коэффициент трения в опорах скольжения принимается равным 0.3 (в случае трения стали по стали), а коэффициент трения в опорах качения - 0.1.

5.1.12. В расчетах на циклическую и длительную циклическую прочность учитываются возможные циклы с неполным изменением рабочих параметров.

5.1.13. Если трубопровод эксплуатируется при различных режимах, то во всех режимах производится проверка статической прочности; также из расчета во всех режимах определяются предельные (максимальные и минимальные) значения нагрузок на оборудование, опорные и строительные конструкции.

Таблица 5.2

Таблица 5.3

5.1.14. Напряжения от всех нагрузок вычисляются по номинальной толщине стенки элемента. Расчет напряжений от внутреннего давления в режиме испытаний осуществляется без учета прибавки на коррозию.

5.2 Применение и учет монтажной растяжки

5.2.1. В трубопроводах монтажная растяжка применяется для уменьшения передаваемой на оборудование нагрузки. В высокотемпературных трубопроводах применение монтажной растяжки позволяет при определенных условиях понизить эффект накопления деформаций ползучести в наиболее напряженных участках трубопровода.

Применение монтажной растяжки обосновывается расчетом, так как ее воздействие может быть и отрицательным.

5.2.2. Рекомендуется назначать величину монтажной растяжки в среднетемпературных трубопроводах не более 60% от воспринимаемого температурного удлинения, а в высокотемпературных не более 100×d %, где коэффициент d определен в табл. 5.3.

5.2.3. При применении монтажной растяжки с не гарантируемым качеством расчет трубопровода проводится без ее учета. Гарантируемая монтажная растяжка учитывается на этапах 2 и 5 полного расчета трубопровода.

5.2.4. Для высокотемпературного трубопровода при расчете по этапу 2 монтажная растяжка учитывается при определении усилий на оборудование. При этом расчет выполняется в двух вариантах:

- с учетом монтажной растяжки и введением действительной температуры нагрева Т;

- с учетом фиктивной монтажной растяжки и с введением фиктивной температуры нагрева Т_2f.

5.2.5. Для высокотемпературного трубопровода обязательно проводится расчет по этапу 5, если величина монтажной растяжки превышает значение, указанное в п. 5.2.2. При этом не учитывается эффект саморастяжки в рабочем состоянии.

5.2.6. Учет монтажной растяжки в расчете трубопровода производится путем задания соответствующих взаимных смещений стыкуемых сечений.

5.3 Определение нагрузок, передаваемых трубопроводом на оборудование, опоры и строительные конструкции

5.3.1. Нагрузки трубопровода на оборудование, опорные и строительные конструкции определяются на этапе 2.

5.3.2. При расчете на действие всех нагружающих факторов в холодном состоянии по этапу 5 для высокотемпературных трубопроводов усилия воздействия трубопровода на оборудование, опорные и строительные конструкции определяются без учета релаксации компенсационных напряжений.

5.3.3. Для высокотемпературного трубопровода с одинаковой расчетной температурой и материалом всех участков можно определить реакции, действующие на оборудование в начальный момент полного прогрева (без учета саморастяжки) по следующей формуле:

                                                                                                        (5.5)

где  - произвольная реакция, действующая на опору, Х₁, Х₂ - те же реакции на этапах 1 и 2 полного расчета трубопровода, c - коэффициент усреднения компенсационных напряжений по табл. 5.2.

5.3.4. Для среднетемпературного трубопровода (см. пункт 1.2), если его температура и материал на всех участках одинаковы, реакции, действующие на оборудование в холодном состоянии, можно определить без выполнения расчета по этапу 5, воспользовавшись следующей формулой:

                                                                                             (5.6)

где Х₁, Х₂, Х₅ - произвольные силовые факторы соответственно на 1, 2 и 5 этапах расчета.

5.4 Условия прочности

5.4.1. Условия прочности по всем этапам расчета приведены в таблице 5.4.

5.4.2. При выполнении условий циклической прочности для среднетемпературных трубопроводов (этап 3) выполнение условий статической прочности на этапе 2 не обязательно. Однако для труб рекомендуется обеспечить выполнение условий статической прочности независимо от результатов расчета на циклическую прочность. Реализация этих требований схематично представлена в таблице 5.5. Знак «+» означает, что соблюдение условий прочности обязательно, знак «-» - не обязательно.

Таблица 5.4

Примечание: условия прочности, помеченные звездочкой (*) не обязательны, см. пункт 5.4.2.

Таблица 5.5

5.4.3. Для вакуумных среднетемпературных трубопроводов на этапе 2 в режимах ПДН и ПДКОН необходима дополнительная проверка на устойчивость согласно п. 5.8.

5.4.4. Величина допустимой нагрузки на оборудование устанавливается заводом-изготовителем. При отсутствии заводских данных, она может быть определена расчеты путем с помощью специальных программ и методов расчета.

5.5 Расчетные напряжения в трубах, отводах, тройниках и врезках

5.5.1. Среднее окружное напряжение от внутреннего давления в трубах, отводах и ответвлениях тройников и врезок вычисляется по формуле

                                                                                                                   (5.7)

где D - наружный диаметр рассчитываемого сечения, k_i - коэффициент интенсификации напряжений в отводах. При расчете труб, тройников и врезок принимается k_i = 1.

При расчете магистрали тройников и врезок в формулу (5.7) вместо коэффициента j_у следует подставлять значение min(j_у, j_d) и принимать k_i = 1.

5.5.2. Суммарное среднее осевое напряжение от внутреннего давления, осевой силы изгибающего момента

s_z = s_pz + s_zN ± s_zM.                                                                                                             (5.8)

В формуле (5.8) среднее осевое напряжение от внутреннего давления

                                                                                                                    (5.9)

напряжение от осевой силы

                                                                                                                            (5.10)

Знак осевой силы «+»соответствует растяжению, а «-» - сжатию.

Осевое напряжение от изгибающего момента:

                                                                                           (5.11)

где i₀, i_i - коэффициенты интенсификации изгибных напряжений соответственно из плоскости и в плоскости тройникового соединения или отвода.

При расчете ответвления сварных тройников и врезок в формулу (5.11) вместо j_w следует подставлять значение min(j_w, j_L).

5.5.3. Касательное напряжение от кручения

                                                                                                                               (5.12)

5.5.4. Эквивалентные напряжения при оценке статической прочности

                                                                                                  (5.13)

5.5.5. Амплитуды эквивалентных напряжений при расчете на циклическую прочность

                                                                                            (5.14)

5.5.6. Напряжения в трубах определяются в соответствии с пп. 5.5.1-5.5.5. При этом коэффициенты принимаются равными к_i = i₀ = i_i =1, а характеристики сечения определяются по формулам

                                                                                                                 (5.15)

5.5.7. Напряжение в отводах определяются в соответствии с пп. 5.5.1-5.5.5 для двух крайних сечений А-А и Б-Б (рис. 5.1,б). За расчетное эквивалентное напряжение принимается наибольшее из двух значений. Коэффициент интенсификации k_i определяется, согласно пп. 3.2.1-3.2.3, а коэффициенты i₀ и i_i - по нижеприведенным формулам.

Для гнутых, крутоизогнутых и штампосварных отводов, стыкуемых с трубами на сварке

                                                                                                                           (5.16)

Для отводов тех же конструкций, стыкуемых с прямыми трубами на фланцах (на обоих концах)

                                                                                                                            (5.17)

Для отводов тех же конструкций, стыкуемых с трубами на фланце с одного конца и на сварке с другого

                                                                                                                           (5.18)

Для секторных нормализованных отводов, стыкуемых с трубами на сварке

                                                                                                                     (5.19)

В приведенных формулах:

                                                       (5.20)

Характеристики сечений W и А_Р определяется по формулам 5.15.

Рис. 5.1. Расчетная схема отвода: а - схема нагружения, б - расчетные сечения

5.5.8. Напряжения в тройниках определяются согласно пп. 5.5.1-5.5.5 для сечений А-А, Б-Б и В-В (рис. 5.2,б). За расчетное эквивалентное напряжение принимается наибольшее из трех полученных значений.

Рис. 5.2. Расчетная схема тройника (врезки): а - схема нагружения, б - расчетные сечения

5.5.9. Концентрация напряжений изгиба в тройниках зависит от безразмерного параметра Н.

Для сварных не усиленных тройников, конструкция которых соответствует рис. 3.3,а:

                                                                                                                          (5.21)

Для сварных тройников, усиленных накладкой с толщиной s_n, конструкция которых соответствует рис. 3.3,а

- при s_n £ 1.5s

                                                                                                             (5.22)

- при s_n > 1.5s

                                                                                                                           (5.23)

Для штампованных и штампосварных тройников, конструкция которых соответствует рис. 3.3,б

                                                                                                       (5.24)

При расчете ответвления (сечение В-В) в эти формулы вместо номинальной толщины стенки подставляется эффективная s_e, определяемая согласно пункта 5.5.10.

5.5.10. При наличии внутреннего давления в трубопроводе (Р ¹ 0):

                                                                                                           (5.25)

где s и s_R соответственно номинальная и расчетная толщины стенок магистрали, a s_RD берется как наибольшее из двух значений s_R и s_R6 определяемых по формулам пунктов 3.1.1 и 3.4.1 для сечения магистрали.

При отсутствии внутреннего давления (Р = 0)

                                                                                                             (5.26)

Здесь j_d вычисляется по формуле (3.13), a j_RD принимается наибольшим из двух значений j_d и j_у

j_RD = max(j_d, j_у).                                                                                                                 (5.27)

5.5.11. Коэффициенты интенсификации напряжений изгиба при действии изгибающего момента из плоскости тройника:

- в сварном тройнике с отношением наружного диаметра ответвления к наружному диаметру магистрали d/D > 0.5

                                                                                                                            (5.28)

- в сварном тройнике с отношением d/D £ 0.5, а также в штампованном (штампосварном) тройнике

                                                                                                                            (5.29)

Коэффициенты интенсификации напряжений изгиба при действии изгибающего момента в плоскости тройника независимо от его конструкции и отношения d/D

i_i = 0.75×i₀ + 0.25                                                                                                                   (5.30)

Причем характеристики сечения D и s относятся к магистрали.

5.5.12. Характеристики сечения при расчете магистрали (сечения А-А и Б-Б) определяются по формулам 5.15, а при расчете ответвления (сечение В-В) по формулам

                                                                            (5.31 )

в которых s_RD принимается как наименьшее из двух значении s_e и s_b×i_i

s_RD = min(s_e, s_b×i_i).

5.5.13. Врезки, конструкция которых соответствует рис. 3.3,а, рассчитываются по формулам сварных тройников.

5.5.14. Для расчета тройников и врезок, конструкция которых не соответствует рис. 3.3 (косые врезки и т.д.), допускается использовать численные методы расчета, при условии обеспечения запасов прочности не ниже установленных данным стандартом.

5.6 Расчет на циклическую прочность

5.6.1. Циклическая прочность трубопровода на этапе 3 считается обеспеченной, если выполняется условие

s_аe £ A_T[s_а],                                                                                                                          (5.32)

где коэффициент приведения к температуре 20°С A_T =[s]/[s]₂₀.

5.6.2. Допускаемая амплитуда напряжений, МПа:

- для трубопроводов из углеродистой и низколегированной (не аустенитной) стали

                                                                                                (5.33)

- для трубопроводов из аустенитной стали

                                                                                              (5.34)

5.6.3. Расчетное число полных циклов при N_c £ 10⁵:

                                                                         (5.35)

где

N_co - число полных циклов с амплитудами эквивалентных напряжений s_ae, п - число ступеней амплитуд эквивалентных напряжений s_aei с числом циклов на каждой ступени равном N_ci;

s_ae - амплитуда эквивалентного напряжения на этапе расчета 3, согласно п. 5.5.5. Значение параметра s_ae принимается 80 МПа для углеродистых и легированных неаустенитных сталей и 110 МПа - для аустенитной стали.

Примечание: При числе циклов N_c меньше 1000, рекомендуется принимать его равным 1000.

5.6.4. Если рабочие параметры транспортируемой среды не постоянны во времени, расчет циклической прочности трубопровода проводится при переменных значениях s_ae. Для каждого i-го цикла с рабочими параметрами P_i, T_i определяются s_aei. Затем расчет ведется по формуле 5.35, в которой под s_ae понимаются значения амплитуды, соответствующие циклу с наибольшими рабочими параметрами.

5.6.5. При случайных колебаниях температуры и давления и отсутствии соответствующих статистических данных рекомендуется использовать так называемую температурную историю, в основе которой лежит вероятностная оценка условий эксплуатации в течение года. Каждый цикл характеризуется частотой повторения N_ci в определенном интервале времени t_i и изменением температуры DT_i. Температурная история имеет следующий вид:

и обычно строится в порядке убывания интервалов времени и изменений температуры, т.е.

t₁ > t₂ >... > t_k, DT₁ > DT₂ > ... > DT_k,

причем DT₁ и t₁ характеризуют цикл с наибольшим изменением температуры. Допускается не учитывать изменения температуры в пределах ±2,5% наибольшего значения, принятого в расчете.

Подразумевается, что амплитуда i-го цикла пропорциональна отношению DT_i/DT₁ и рассчитывается по формулам

                                                                                                   (5.36)

5.6.6. При оценке циклической прочности расчетный срок службы трубопровода рекомендуется принимать не менее 20 лет, если в задании на проектирование не оговорено иного срока.

5.7 Расчет на длительную циклическую прочность

5.7.1. Длительная циклическая прочность высокотемпературного трубопровода на этапе 4 считается обеспеченной, если одновременно выполняются условия (5.32) и s_e £ 0,6[s], где s_e - максимальное эквивалентное напряжение на 2 этапе расчета.

5.7.2. Длительная циклическая прочность высокотемпературного трубопровода при s_e > 0,6[s] считается обеспеченной, если выполняется следующее условие суммирования повреждений от усталости и ползучести при установившемся температурном режиме:

                                                                                 (5.37)

В этой формуле

s_e - максимальное эквивалентное напряжение на 2 этапе расчета,

т - показатель степени в уравнении длительной прочности. При отсутствии справочных данных принимается равным т = 8.

Примечание: Допускается проводить оценку длительной циклической прочности по формуле:

                                                                                                                                            (5.38)

При s_e/(1.2[s]) £ 0,5 второе слагаемое в уравнении (5.38) не учитывается.

5.7.3. Расчет на длительную циклическую прочность проводится с использованием амплитуд эквивалентных напряжений s_ae полученных на этапе 3 без учета релаксации напряжений, и максимальных эквивалентных напряжений s_e этапа 2, полученных с учетом коэффициента релаксации напряжений c.

5.8 Расчет местной устойчивости стенок вакуумного трубопровода

5.8.1. Критерий местной устойчивости стенок труб и фасонных деталей под совместным действием наружного давления, осевого сжимающего усилия, изгибающих моментов и поперечных усилий принимается в соответствии с [1] и выглядит следующим образом:

5.8.2. Значения допускаемого наружного давления [Р] для труб и фасонных деталей принимается в соответствии с п. 3.6. Значения допускаемого осевого сжимающего усилия [N], момента [М] и поперечного усилия [Q] определяются в соответствии с [1]. При этом толщина стенки принимается равной номинальной толщине стенки труб и фасонных деталей s, и коэффициент прочности продольного сварного шва на давление принимается j_y = 1.

6 РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ВИБРАЦИЮ

6.1 Расчет собственных частот

6.1.1. Анализ собственных частот и форм колебаний трубопровода проводится для оценки его вибропрочности и возможных путей отстройки от детерминированных частот возмущения. Методы анализа не зависят от диапазонов давления и температуры.

При оценках вибропрочности трубопровода следует учитывать все собственные частоты в энергетически значимом диапазоне, но не более 100 Гц.

6.1.2. Расчет собственных частот осуществляется по стержневой модели с учетом массы рабочего вещества и изоляции. Арматура рассматривается как сосредоточенная масса. В расчетах учитывается повышенная гибкость отводов и тройниковых соединений согласно приложению 2 настоящего стандарта.

Разбивка участков и число узлов с сосредоточенными массами участков, должны быть достаточными для описания необходимого числа форм колебаний. Должны быть предусмотрены дополнительные узлы в местах приложения вибрационных нагрузок.

6.1.3. Значения собственных частот f₁, f₂...f_j...f_n определяются из решения линейной алгебраической задачи о собственных значениях:

                                                                                                        (6.1)

где

w_j = 2p× f_j - j-я круговая частота собственных колебаний (радиан/сек); f_j - j-я техническая частота собственных колебаний (Гц); [К] - симметричная матрица жесткости; [М] - матрица масс системы.

6.1.4. Для трубопровода, рассматриваемого как стержень с постоянным поперечным сечением на двух опорах, собственная частота f_j, соответствующая j-той форме собственных колебаний:

                                                                                                            (6.2)

где K_j - j-тый корень частотного уравнения; L - длина трубопровода между опорами, м;  - момент инерции поперечного сечения трубы, мм⁴; т - погонная масса трубопровода с учетом изоляции и рабочего вещества, кг/м.

Основные расчетные схемы для однопролетного трубопровода и соответствующие значения K_j приведены в табл. 6.1.

6.1.5. Растягивающее осевое усилие повышает, а сжимающее - понижает собственную частоту. Этот фактор может играть заметную роль для первой формы колебаний. Для трубы с двумя шарнирными опорами значение первой собственной частоты с учетом осевой силы N

                                                                                            (6.3)

где N_cr = 10^-6p²EI/L² - критическая нагрузка при сжатии стержня (Н).

Частотные коэффициенты K_j для вычисления собственных частот колебании трубопровода с одним пролетом

Таблица 6.1

6.1.6. Для трубопровода по п. 6.1.4, но с дополнительной сосредоточенной массой, расположенной в середине длин участков, собственная частота равна

                                                                                            (6.4)

где Q - сосредоточенная масса (кг), K_q - поправочный коэффициент, значения которого приведены в табл. 6.2.

Поправочные коэффициенты K_q для учета сосредоточенной массы

Таблица 6.2

6.1.7. Для трубопровода с большим числом пролетов равной длины собственная частота

                                                                                                            (6.5)

где К_jn - j-тый корень характеристического уравнения из таблицы 6.3.

Низшую собственную частоту многопролетного трубопровода с пролетами различной длины можно оценивать по наибольшему пролету. Если этот пролет крайний, то дополнительно оценивается собственная частота внутреннего пролета максимальной длины и из двух полученных значений выбирается наименьшее.

Частотные коэффициенты K_jn для трубопроводов с пролетами равной длины

Таблица 6.3

6.1.8. В таблицах 6.1 и 6.2 для Г, Z и П-образных поворотов в числителе приведены значения поправочных коэффициентов для расчета колебаний в плоскости поворота (рисунка), а в знаменателе - из этой плоскости.

6.1.9. Для сложных разветвленных систем трубопроводов для определения собственных частот могут быть использованы специальные компьютерные программы.

6.2 Расчет вынужденных колебаний трубопровода

6.2.1. Для количественных оценок сопротивления усталости при вибрации и амплитуд вибрационных перемещений в характерных сечениях проводят расчет вынужденных изгибных колебаний трубопровода. При этом используются данные о динамических нагрузках, полученные в соответствии с разделом 2.2. При отсутствии достоверных данных о характеристиках нагрузок, возбуждающих вибрации, расчет вынужденных колебаний проводят с использованием результатов специальных испытанию.

6.2.2. Расчет проводится в линейной постановке для детерминированных кинематических и силовых воздействий, заданных в полигармоническом виде. Учитывается возможность сдвига фаз между нагрузками в различных сечениях трубопровода. Рассматриваются установившиеся колебания системы при рабочих параметрах. Опоры моделируются линейно-упругими связями. Значение коэффициента относительного демпфирования рекомендуется принимать равным 0,02 (соответствует логарифмическому декременту колебаний 0,126).

6.2.3. Расчет проводится спектральным методом с разложением по формам собственных колебаний трубопровода. Определяются амплитудно-частотные характеристики перемещений в расчетных сечениях, а также вибрационных нагрузок на опоры, подвески и оборудование.

6.2.4. Расчет напряжений при вынужденных колебаниях осуществляется по формулам этапа 3. При этом учитываются размахи колебаний внешних нагрузок и внутреннего давления для всех рассматриваемых возмущающих частот. Приведенные к нормальной температуре амплитуды эквивалентных напряжений в характерных сечениях трубопровода представляются в спектральной форме.

6.2.5. Для приближенной оценки вибрации в трубопровода с первой собственной частотой до 60 Гц можно воспользоваться методом «динамической жесткости». Согласно этому методу определяется отношение первой собственной частоты f₁ и частот возбуждающих нагрузок f_ip. Значения амплитуд возмущающих нагрузок с i-той частотой умножаются на соответствующий динамический коэффициент k_id, который вычисляется по формуле:

                                                                                        (6.6)

где коэффициент усиления колебаний l для приближенных расчетов принимается равным 3.

Далее проводится расчет трубопровода на прочность по формулам 6.3.2-6.3.6.

6.3 Критерии вибропрочности

6.3.1. Основным критерием обеспечения вибропрочности трубопровода является условие отстройки собственных частот f_j от дискретных частот возбуждающих нагрузок f_ip, определяемых согласно п. 2.2.

Условие отстройки собственных частот для первых трех форм колебаний трубопровода в каждой плоскости записывается в виде:

f_ip/f_j £ 0,75 и f_ip/f_j ³ 1,3 (j = 1, 2, 3).                                                                                     (6.7)

Для более высоких форм колебаний при наличии высокочастотных возбудителей вибрации условие отстройки имеет следующий вид [20]:

f_ip/f_j £ 0,9 и f_ip/f_j ³ 1,1 (j = 4, 5,...)                                                                                        (6.8)

В случае невозможности выполнения данных требований необходимо показать, что уровни вибраций элементов конструкции находятся в допустимых пределах.

6.3.2. Амплитуды вибронапряжений на различных частотах определяются в результате расчета вынужденных колебаний трубопровода (п. 6.2.4). При оценке вибропрочности для каждого характерного сечения находят максимальную амплитуду эквивалентных вибронапряжений (s_aev), которая получается в результате наложения различных форм колебаний.

6.3.3. Оценка вибропрочности проводится из условия, что при начальном и конечном размерах трещины (трещиноподобного дефекта) под действием вибронапряжений не достигается величина порога усталости. Такое допущение справедливо, когда число вибрационных циклов превышает 10⁷ за время эксплуатации трубопровода. Достижение порогового значения коэффициента интенсивности напряжений при вибрациях означает разрушение трубопровода за существенно меньший период времени, чем расчетный (10-30 лет).

Для исходной полукруговой микротрещины при коэффициенте раскрытия, равном 1,0 допускаемая амплитуда вибронапряжений находится из условия:

                                                                                                  (6.9)

где

K_aeth - эффективное значение амплитуды порогового коэффициента интенсивности напряжений при усталости, K_aeth = 1¸2 МПа×м^0,5,

а₀ - радиус полукруговой трещины, а₀ = 0,1¸0,5 мм.

Наряду с допускаемым в расчетах учитывается безопасный уровень вибронапряжений, для которых при реальных размерах поверхностной усталостной трещины порог усталости не достижим. Для оценки этих напряжений можно воспользоваться условием:

                                                                                                 (6.10)

где а_f - максимально допустимый радиус полукруговой трещины, соответствующий половине номинальной толщины стенки элемента.

Для оценочных расчетов можно принимать [s_aev] = 70 МПа и {s_aev} = 30 МПа.

Примечание. Допущение о полукруговом фронте трещины идет в запас прочности, если ее радиус равен полудлине, определенной на поверхности элемента.

6.3.4. Расчетное число полных циклов должно быть меньше допускаемого:

N_c £ [N]                                                                                                                                 (6.11)

где [N] в зависимости от амплитуды вибронапряжений и марки материала определяется по формулам (6.12)-(6.14).

При s_aev £ {s_aev} - для углеродистой и легированной стали

                                                                                             (6.12)