МЕТОДИКА РАСЧЕТА СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НА ПРОЧНОСТЬ
Москва
2016
приказами Российского Речного Регистра от 31.12.2010 № 70-н, от 13.09.2016 № 54-п (Извещение № 1 об изменении)
Введено в действие с 31.12.2010, Извещение № 1 об изменении — е 19.09.2016
Издание 1
Ответственный за выпуск —С. В. Канурный Оригинал-макет — Е. Л. Багров
© Российский Речной Регистр, 2016
/ Общие положения
межтрубном пространстве 1мр равно расстоянию между перегородками, для теплообменных аппаратов без поперечных иди винтообразных перегородок в межтрубном пространстве /пер равно расстоянию между трубными решетками;
/кнр — приведенная расчетная длина обечайки кожуха, учитывает конструктивную схему кожуха, мм;
— длина цилиндрической части расширителя на кожухе, мм;
LK — длина кожуха между фланцами, мм;
L,:cP— длина перегородки в полости камеры (крышки), с помощью которой организуются ходы в трубах, мм;
L, — рабочая длина трубы, мм;
^грао — расстояние между трубными решетками, мм;
/я,, т2— коэффициенты влияния давления на изгиб фланцев, мм2;
М— приведенный изгибающий момент, распределенный по краю трубной решетки, (П мм)/мм;
Л/а — приведенный изгибающий момент, распределенный по периметру трубной решетки, (Н-мм)/мм;
Мк — приведенный момент, изгибающий обечайку кожуха, (Нмм)/мм;
МкЛ— приведенный дополнительный момент, изгибающий обечайку кожуха, (Н мм)/мм;
Л/т— приведенный момент, изгибающий трубу, (Н мм)/мм;
Л/1(| — дополнительный приведенный момент, изгибающий трубу, (Нмм)/мм;
[Мк]— допускаемый приведенный момент, изгибающий обечайку кожуха, (Н’мм)/мм;
[МТ]— допускаемый приведенный момент, изгибающий трубу, (Нмм)/мм;
Mmtx— максимальный приведенный расчетный изгибающий момент в перфорированной части трубной решетки, (Н мм)/мм;
пкои — число волн (линз) компенсатора;
пку— коэффициент запаса устойчивости обечайки кожуха;
Руководство Р.037-2010 с изменением Ля 1
пу— коэффициент запаса устойчивости труб;
N— число циклов нагружения соединения; пл — число труб;
р—расчетное давление, МПа;
Рк — расчетное давление, равное максимально возможному перепаду давлений, действующих на трубную решетку, МПа;
д, рил— давление теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве соответственно, МПа;
\р\— допускаемое давление, МПа;
— допускаемое напряжение в вальцовочном соединении тру
бы и трубной решетки, МПа;
Q— приведенная перерезывающая сила, распределенная по краю трубной решетки, Н/мм;
Ож— приведенная перерезывающая сила, распределенная по периметру трубной решетки. Н/мм;
QK— приведенная сила, перерезывающая кожух. Н/мм;
гкш — радиус волны (линзы) компенсатора со стороны внутренней поверхности, мм;
/?,,/?>— радиусы центров тяжести фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, мм;
Д, — наибольший радиус кривизны выпуклого днища камеры (крышки) 1, мм;
/?— наибольший радиус кривизны выпуклого днища камеры (крышки) 2, мм;
Kpi rn — радиус кривизны тарелки тарельчатою днища, мм;
Дн — верхний предел текучести, МПа;
ДL— нижний предел текучести, МПа;
Ды— то же при расчетной температуре, МПа;
Д,— временное сопротивление материала на растяжение, МПа;
Д,,— то же при расчетной температуре, МПа;
5,р— фактическая толщина трубной решетки в зоне кольцевой канавки для уплотнения крышки, мм;
sK — фактическая толщина стенки обечайки кожуха, мм;
1 Общие положения
5К, — толщина стенки кожуха в месте соединения кожуха с трубной решеткой или фланцем, мм;
5КР?— толщина стенки камеры (крышки) в месте соединения с трубной решеткой или фланцем кожуха, мм;
5кр, — фактическая толщина стенки камеры (крышки) У, мм;
5кр; — фактическая толщина стенки камеры (крышки) 2, мм; 5П1ТрКр|—толщина стенки патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) У, мм;
•*п«ркр2 — толщина стенки патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) 2, мм;
jRcp— фактическая толщина перегородки в полости камер (крышек), мм;
5Р — фактическая толщина трубной решетки, мм;
— фактическая толщина второй трубной решетки, мм; sPk — толщина трубной решетки в сечении канавки для размещения прокладок под уплотнения перегородок в полости камер (крышек), мм;
5р— расчетная толщина трубной решетки, мм; sT— фактическая толщина стенки трубы, мм; jj — расчетная толщина стенки трубы, мм;
t— расчетная температура стенки трубы, °С; t[ — температура теплоносителя в межтрубном пространстве на входе в теплообменный аппарат, °С;
t[ —температура теплоносителя в межтрубном пространстве на выходе из теплообменного аппарата, °С;
t\ —температура теплоносителя в трубах на входе в теплообменный аппарат, °С;
t\ —температура теплоносителя в трубах на выходе из тсплооб-менного аппарата, °С;
(ли—температура окружающего воздуха в условиях эксплуатации, °С;
/Кср — средняя температура стенки обечайки кожуха в эксплуатационном режиме, °С;
Руководство Р.037-2010 с изменением № 1
tn — расстояние между осями рядов отверстий в трубной решетке, размещенных с двух сторон от пата (канавки) иод прокладку, мм;
tp— шаг труб в трубном пучке, наименьший, мм;
tc — температура окружающей среды при сборке теплообменного аппарата, °С;
4Р— средняя температура стенки трубы в эксплуатационном режиме, °С;
а, — коэффициент теплоотдачи в межтрубиом пространстве, Вт/(м?К);
<Х; — коэ(|х|)ициент теплоотдачи в трубах, Вт/(м;К);
а,Р— линейный коэффициент термического расширения материала трубной решетки, 1 /К;
а„— линейный коэффициент термического расширения материала труб, 1/К;
а1К — линейный коэффициент термического расширения материала обечайки кожуха, 1/К;
Р— коэффициент жесткости системы трубная решетка - трубы, 1/мм;
Ро— угол наклона конических элементов расширителя к оси кожуха теплообменного аппарата, град.;
5 — высота сварного шва в месте приварки трубы к трубной решетке, мм;
8ком — фактическая толщина стенки компенсатора, мм;
5ряг — фактическая толщина стенки расширителя на кожухе, мм;
At—разность температур, температурный напор, °С;
Ар — перепад давлений теплоносителя, циркулирующего в трубах, между ходами, которые разделяет перегородка в полости камеры (крышки), МПа;
Фь;— коэффициент прочности сварного шва колец жесткости, подкрепляющих обечайку кожуха;
Фр — эффективный коэффициент ослабления трубной решетки;
фкР1 — коэффициент прочности сварного соединения в днище камеры (крышки) 1;
1 Общие положения
Фкр; — коэффициент прочности сварного соединения в днище камеры (крышки) 2;
Фгк — коэффициент прочности кольцевого сварного шва обечайки кожуха;
фгк*— коэффициент прочности кольцевого сварного шва кольца жесткости обечайки кожуха;
<Ргр— коэффициент уменьшения допускаемого напряжения в трубе при продольном изгибе;
(р,р— коэффициент ослабления трубной решетки;
(рр— коэффициент прочности продольных сварных швов;
ФрТ— коэффициент прочности продольных сварных швов сварных труб;
ФрК — коэффициент прочности продольных сварных швов обечайки кожуха;
X — параметр гибкости труб;
г| — коэффициент влияния давления на элемент конструкции;
Пр — коэффициент влияния давления на трубную решетку; г|,— коэффициент влияния давления на трубы; ц/0 — коэффициент жесткости перфорированной плиты; р — приведенное отношение жесткости труб и жесткости кожуха; р, — приведенное отношение жесткости труб к жесткости фланцевого соединения кожуха и камеры (крышки);
а1Х, ai — расчетные напряжения в трубе в осевом направлении, МПа;
ал— расчетные напряжения в трубе в окружном направлении, МПа;
сгР| — и нибные напряжения в месте соединения трубной решетки е кожухом, МПа;
аР; — изгибные напряжения в перфорированной части трубной решетки, МПа;
[аа]— допускаемая амплитуда упругих напряжений, МПа;
[а]к — допускаемое напряжение материала обечайки кожуха, МПа;
Руководство Р.037-2010 с изменением N9 1
[о] — допускаемое напряжение материала камер (крышек).
МПа;
[а]^ — допускаемое напряжение материала колец жесткости, подкрепляющих обечайку кожуха, МПа;
[а] —допускаемое напряжение материала перегородки в полости камеры (крышки), с помощью которой организуются ходы в трубах, МПа;
[а]р— допускаемое напряжение материала трубной решетки,
МПа;
|а|т— допускаемое напряжение материала труб при расчетной температуре, МПа;
тР1 — касательные напряжения в месте соединения трубной решетки е кожухом. МПа;
тР2 — касательные напряжения в перфорированной части трубной решетки, МПа.
1.5 Расчетная температу ра стенки
1.5.1 При определении расчетной температуры стенки необходимо учитывать коэффициенты теплоотдачи и температуры теплоносителей, омывающих стенку с обеих сторон, которые следует принимать но результатам подробного теплового расчета теплообмен-нот аппарата.
1.5.2 Для стенок, толщина которых не превышает 2,5 мм, расчетная температура стенки определяется по формуле
где а, — коэффициент теплоотдачи с той стороны стенки, которая омывается теплоносителем с температурой tn;
а? — коэффициент теплоотдачи с той стороны стенки, которая омывается теплоносителем с температурой tv.
1.5.3 Для стенок, толщина которых превышает 2,5 мм, и стенок сложной формы расчетную температуру стенки определяют путем
СОДЕРЖАНИЕ
1 Общие положения....................................................................... 5
1.1 Область применения................................................................... 5
1.2 Принятые допущения................................................................. 6
1.3 Термины и их определения........................................................ 6
1.4 Обозначения параметров............................................................ 6
1.5 Расчетная температура стенки................................................... 16
1.6 Расчетное давление..................................................................... 17
1.7 Допускаемые напряжения, механические и физические
свойства материалов.................................................................... 17
1.8 Прибавки к расчетным толщинам............................................. 22
2 Проверка прочности труб трубного пучка................................ 24
2.1 Предварительные замечания...................................................... 24
2.2. Проверка толщины стенки труб, нагруженных внутренним
избыточным давлением............................................................... 25
2.3 Проверка толщины стенки труб, нагруженных наружным
избыточным давлением............................................................... 26
2.4 Проверка толщины стенки труб, нагруженных осевым растягивающим усилием.................................................................. 27
2.5 Проверка толщины стенки труб, нагруженных осевым
сжимающим усилием.................................................................. 28
2.6 Проверка толщины стенки труб, нагруженных изгибающим
моментом...................................................................................... 31
2.7 Проверка устойчивости труб, работающих иод совместным
действием различных нагрузок.................................................. 31
2.8 Расчетные напряжения в трубах................................................ 32
2.9 Проверка труб на статическую прочность................................ 32
Содержание
2.10 Проверка труб на прочность при малоцикловых нагрузках... 32
2.11 Проверка труб на устойчивость................................................. 33
2.12 Проверка жесткости труб........................................................... 33
2.13 Проверка прочности закрепления труб в трубных решетках 34
3 Проверка прочности трубных решеток..................................... 35
3.1 Проверка прочности неподвижных трубных решеток и
трубных решеток теплообменных аппаратов с компенсатором или расширителем на кожухе............................................. 35
3.2 Проверка прочности трубных решеток теплообменных ап
паратов с U-образными трубами, с подвижной трубной решеткой, плавающей головкой, температурным компенсатором на плавающей головке..................................................... 40
4 Проверка прочности перегородок в полости камер (крышек), с помощью которых организованы трубные ходы........ 42
5 Проверка прочности обечаек кожуха теплообменных аппаратов.............................................................................................. 42
5.1 Область применения и выполняемые проверки...................... 42
5.2 Расчет напряжений в обечайке кожуха..................................... 43
5.3 Проверка толщины стенки обечайки кожуха, не подкрепленной кольцами жесткости....................................................... 44
5.4 Проверка прочности и устойчивости обечайки кожуха, не
подкрепленной кольцами жесткости......................................... 49
5.5 Проверки, выполняемые в отношении обечайки кожуха,
подкрепленной кольцами жесткости......................................... 50
6 Проверка прочности камер (крышек)....................................... 51
7 Проверка прочности элементов пластинчатых теплообменных аппаратов.............................................................................. 59
Приложение А. Перечень исходных данных для расчета
кожухотрубных теплообменных аппаратов на прочность....... 60
Приложение Б. Список параметров, представляемых как результаты расчета кожухотрубных теплообменных аппаратов на прочность.......................................................................... 73
Приложение В. Характеристики жесткости и усилия в элементах конструкции кожухотрубных теплообменных аппаратов.............................................................................................. 79
1 Общие положения
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1Л Область распространения
1.1.1 Настоящее руководство является основным документом, регламентирующим выполнение расчетов на прочность элементов судовых теплообменных аппаратов, являющихся объектами технического наблюдения Российского Речного Регистра (далее - Речного Регистра) и применяемых для нагрева и охлаждения рабочих сред судовых двигателей, компрессоров, редукторов, холодильных установок, дейдвудных устройств, груэа и т. и. Руководство Р.010-2004 в части расчетов элементов теплообменных аппаратов на прочность должно использоваться в качестве справочного материала с момента утверждения настоящего руководства.
1.1.2 Расчет на прочность судовых теплообменных аппаратов допускается выполнять с применением других методик, национальных стандартов, стандартов предприятия и т. и. В этом случае на рассмотрение Речному Регистру, помимо оформленного расчета, должны быть отдельно представлены исходные данные, перечисленные в приложении Л к настоящему руководству, а также результаты расчета, указанные в приложении Б к настоящему руководству.
1.1.3 Список исходных данных для расчета формируется на основании анализа чертежей основных элементов теплообменных аппаратов, на которых должны быть указаны все конструктивные размеры, в том числе высота сварных швов, радиусы центров тяжести, ширина канавок и т. п., а также сведения о материале, сварке, расчетных давлениях и температурах.
Руководство P.037-20I0 с изменением № 1
1.2 Принятые допущения
1.2.1 Принимается, что рассматриваемые в настоящем руководстве элементы судовых теплообменных аппаратов работают в условиях однократных и многократных статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением, а также иод действием внешних нагрузок (осевых усилий, изгибающих и крутящих моментов) на элементы теплообменного аппарата, в том числе нагрузок от собственной массы, массы присоединенных деталей и т. п.
1.2.2 Принимается, что отклонения от геометрической формы и неточности изготовления рассчитываемых элементов теплообменных аппаратов не превышают допусков, установленных нормативно -тех н ичес ко й до куме ита и ие й.
1.3 Термины и их определения
1.3.1 В настоящей главе описаны специальные термины, которые нужно понимать следующим образом.
.1 Рабочее давление — максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допустимою кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других прсдохранительных устройств.
.2 Расчетная температура стенки —средняя по толщине стенки температура, принимаемая в зависимости от температуры среды в условиях обогрева для определения допускаемых напряжений.
.3Расчетное давление — избыточное давление, с использованием которого производится расчет на прочность (см. 1.6).
1.4 Обозначения параметров
1.4.1 В настоящем руководстве приняты следующие обозначения параметров:
я, — расстояние от оси кожуха до оси наиболее удаленной трубы, мм;
/ Общие положения
А*— фактическая площадь поперечного сечения кольца жесткости обечайки кожуха, мм7;
А, Ь)— высоты консольных частей фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, мм;
Ьж — расстояние между обращенными друг к другу плоскостями оснований двух соседних колец жесткости, подкрепляющих обечайку кожуха;
Ьа — ширина канавок в трубной решетке для размещения прокладок под уплотнения перегородок в полости камер (крышек), мм;
Ьгср — ширина (высота) перегородки в полости камер (крышек), мм;
ск — прибавка к расчетной толщине стенки обечайки кожуха, мм; — прибавка к расчетной толщине стенки кольца жесткости обечайки кожуха, мм;
скон — прибавка к расчетной толщине стенки компенсатора температурных расширений, мм;
скр — прибавка к расчетной толщине стенки днища камеры (крышки), мм;
спср — прибавка к расчетной толщине перегородки в полости камеры (крышки), мм;
гр— прибавка к расчетной толщине трубной решетки, мм; ст — прибавка к расчетной толщине стенки трубы, мм; d — внутренний диаметр трубы, мм; d0 — диаметр отверстия в трубной решетке под трубы, мм;
Aiuk — диаметр внутренней тарелки тарельчатого днища, мм;
*/"ом, — соответственно наружный и внутренний диаметры
компенсатора температурных расширений на кожухе, мм;
dt:aтр,—диаметр выреза для вварки патрубка подвода теплоносителя в межтрубное пространство, мм;
Аир? — диаметр выреза для вварки патрубка отвода теплоносителя из межтрубного пространства, мм;
А — наружный диаметр трубы, мм;
Ai:«pi—диаметр выреза под первый патрубок в днище камеры (крышки) 1;
Руководство Р.037-2010 с изменением № 1
D?l.„р,—диаметр выреза иод второй патрубок в днище камеры (крышки) 1;
Дпвтр2— диаметр выреза под первый патрубок в днище камеры (крышки) 2;
— диаметр выреза под второй патрубок в днище камеры (крышки) 2;
Д — диаметр окружности, вписанной в максимальную бсструб-ную зону, мм;
Д 1 — расчетный диаметр плоского днища камеры (крышки) 1, мм;
0С? — расчетный диаметр плоского днища камеры (крышки) 2, мм;
Д — диаметр окружности, в которую вписан трубный пучок, мм;
Дли! — наружный диаметр выпуклого днища камеры (крышки) 1;
Аин> — наружный диаметр выпуклого дниша камеры (крышки) 2;
Дртлк — диаметр окружности размещения крепежных отверстий тарельчатого дниша камеры (крышки), мм;
D™ —внутренний диаметр обечайки кожуха, мм;
Дф — внутренний диаметр полости камеры (крышки), стенка
(обечайка) которой приварена или выполнена заодно с фланцем камеры (крышки), мм;
Д, — наружный диаметр трубной решетки или участка элемента кожуха, приваренного к трубной решетке, мм;
Д,— наружный диаметр фланца камеры (крышки), мм;
A«:aipKi>i — диаметр большего отверстия в днище камеры (крышки) 1 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;
Апатркр! — диаметр меньшего отверстия в днище камеры (крышки) 1 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;
Апатркр; — диаметр большего отверстия в днище камеры (крышки) 2 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;
/ Общие положения
D„ :«тркр2 — диаметр меньшего отверстия и днище камеры (крышки) 2 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;
Dpac— диаметр расширителя на кожухе, мм;
Dcr— средний диаметр прокладки (наружный диаметр подвижной трубной решетки, перемещающейся при расширении труб в пределах уплотнения в кожухе), мм;
£,, Е) — модули продольной упругости материалов фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, МПа;
Ек— модуль продольной упругости материала обечайки кожуха. МПа;
Екок — модуль продольной упругости материала компенсатора на кожухе, МПа;
Екр— модуль продольной упругости материала камеры (крышки), МПа;
ЕР— модуль продольной упругости материала трубной решетки, МПа;
Ер,— модуль продольной упругости материала второй трубной решетки, МПа;
Е1 — модуль продольной упругости материала труб, МПа;
/— площадь поперечного сечения, мм2;
FK— осевая сила, действующая на кожух, Н;
FKd — дополнительная осевая сила, действующая на кожух. И;
Fp— допускаемая нагрузка на соединение трубы с трубной решеткой, определяется но результатам испытаний или но действующей нормативно-технической документации;
F1 — осевое растягиваюшее или сжимающее трубу усилие, И;
F1d — дополнительное осевое растягивающее или сжимающее трубу усилие, И;
[/^] —допускаемое осевое растягивающее или сжимающее усилие, II;
//,, И, — толщины тарелок фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, мм;
#Л1 — высота выпуклой части выпуклого днища камеры (крышки) 1, мм;
Руководство Р.037-2010 с изменением № 1
Ял7 — высота выпуклой части выпуклого днища камеры (крышки) 2, мм;
ДмтрКР! — высота патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) 1, мм;
#п„ркр2 — высота патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) 2, мм;
Ут — момент инерции поперечного сечения трубы, мм4; кае — эффективный коэффициент концентрации напряжении; кК(М — осевая жесткость сильфонного компенсатора, Н/мм; кКр, — расчетный коэффициент, используемый при оценке прочности плоского днища камеры (крышки) 1;
ккр? — расчетный коэффициент, используемый при оценке прочности плоского днища камеры (крышки) 2; ку— модуль упругости системы труб. МПа/мм; ко — коэффициент запаса прочности;
Лк — расстояние между трубной решеткой и ближней к ней поперечной перегородкой, мм;
/R— характерная длина, мм: для теплообменных аппаратов без поперечных перегородок в межтрубном пространстве /к = 0.5Д; в противном случае 1R = max{/i:cp; 0,7/1R};
/в— глубина развальцовки трубы в трубной решетке, мм;
4*— расстояние по образующей обечайки между осевыми линиями соседних колец жесткости, мм;
/ТР1 — расстояние между образующими патрубков днища камеры (крышки) 1, мм;
11р2 — расстояние между образующими патрубков днища камеры (крышки) 2, мм;
/„ — плечо, мм: если теплообменный аппарат не оборудован поперечными перегородками в межтрубном пространстве, то /„ = 0,5/^, в противном случае /п =/1R/3 ;
/,ф — приведенная расчетная длина труб, учитывает схему заделки трубы, мм;
4еР— расстояние между опорами труб, мм. Для теплообменных аппаратов с поперечными или винтообразными перегородками в