Р    Некоммерческая организация

Российская Ассоциация экспертных организаций техногенных объектов повышенной опасности (НО Ассоциация «Ростехэкспертиза»)

Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов

Стандарт предприятия СТП 09-04-02(001-СТП/А)

Москва 2004

Некоммерческая организация Российская Ассоциация экспертных организаций техногенных объектов повышенной опасности (НО Ассоциация « Ростехэкспертиза» ) Одобрено решением секции НТС Госгортехнадзора России

Russian Association of Experts for Industrial High Risk Sites (NO Association « Rostekhekspertiza» ) Утверждено приказом по Ассоциации « Ростехэкспертиза» от 20.09.04 г. №001-СТП

---

Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов

СТАНДАРТ ПРЕДПРИЯТИЯ СТП 09-04-02 (001-СТП/А)

Москва 2004 г.

V T4f    —    фиктивные температуры при расчете высокотемпературных трубопроводов на этапах 2 и 4 поверочного расчета, °С; t    —    номинальная толщина стенки трубы, фасонной детали, мм;

ч *<>’ t ob вления); tR’ tRi 4 V W Xi V    h Vi 5 e —    номинальная толщина стенки штуцера (ответвления), мм; —    расчетные толщины стенок магистрали и штуцера (ответ- —    расчетные толщины стенок трубы и фасонной детали, мм; —    эквивалентная толщина стенки магистрали тройника, мм; —    скорость потока в трубопроводе, м/сек; —    момент сопротивления поперечного сечения при изгибе, мм3; —    силовой фактор на i-том этапе расчета; —    коэффициенты концентрации продольных напряжений; —    коэффициент перегрузки для воздействия i-того типа; —    коэффициент релаксации компенсационных напряжений; —    номинальный угол поворота отвода, град;

X    — безразмерный параметр, характеризующий пониженную жесткость отвода при действии изгибающего момента; £    — коэффициент стеснения деформации изгиба на концах

отвода; ХА а МПа;

—    сумма укрепляющих площадей, мм2; —    расчетное кольцевое напряжение от внутреннего давления,

оае ’ Qaei    ~~    амплитуды    эквивалентного    напряжения    полного    цикла    i-го режима нагружения, МПа; Gaev    —    максимальная    амплитуда    напряжений    при    вибрации,    МПа;

ции, МПа; —    расчетная и допустимая амплитуды напряжений при вибра- —    эквивалентное напряжение, МПа;

az    —    суммарное    среднее    осевое    напряжение от внутреннего давле ния, осевой силы и изгибающего момента, МПа; о    —    среднее    осевое    напряжение от внутреннего давления, МПа;

GzM Gz.V [О], [о20] пературах, МПа; —    осевое напряжение от изгибающего момента, МПа; —    напряжение от осевой силы, МПа; —    допускаемые напряжения при расчетной и нормальной тем- 10

[o]_d    —    допускаемые напряжения для укрепляющих деталей при

расчетной температуре, МПа;

[aj    —    допускаемая амплитуда знакопеременных напряжений при

циклических воздействиях, МПа;

о_а    —    допускаемая амплитуда вибрации, мкм;

т    —    касательное напряжение от кручения, МПа;

Ф    —    коэффициент снижения прочности элемента;

9^    —    коэффициент снижения прочности элемента с отверстием;

9^    —    коэффициент снижения прочности элемента со сварным

швом при расчете на внутреннее давление;

ф_да    —    коэффициент снижения прочности поперечного сварного

шва при расчете на действие изгибающих моментов и продольной силы;

X    —    коэффициент усреднения компенсационных напряжений;

со, (Ор    —    параметр внутреннего давления;

со₂    —    круговая собственная частота, 1/сек.

11

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 нагрузки и воздействия, а также соответствующие им коэффициенты перегрузки приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Нагрузки и воздействия Способ прокладки Коэффициент перегрузки Вид Шифр i Характеристика Под земный На зем ный Постоянные 1 собственный вес трубопровода и опирающихся на него конструкций + + 1.1 2 вес изоляции -1- + 1.2 3 предварительная растяжка трубопровода, натяг упругих опор, трение в опорах скольжения + + 1,0 Длительные 4 внутреннее давление + +. 1,0 5 температурные деформации + + 1,0 6 температурный перепад в стенке + -1- 1,1 7 вес транспортируемого вещества + + 1,1 8 вес отложений и конденсата + + 1.2 Кратковременные 9 снеговая - + 1,4 ' 10 ветровая - + 1,4 И при срабатывании предохранительного клапана - + 1,4 12 при строительстве и испытаниях + + 1,0 Особые 13 разрушение оборудования, гидравлический удар + + 1,0

Примечания:

1.    Знак «+» означает, что нагрузки и воздействия учитываются в расчете на прочность, знак «-» не учитываются.

2.    К кратковременным воздействиям относятся давление и температурные деформации при испытаниях.

3.    Если трубопровод подвергается гидравлическим испытаниям, то при оценке весовых нагрузок учитывают массу воды.

2.1.2.    Поверочный расчет трубопровода осуществляется как на постоянные и длительные нагрузки с шифрами 1-8 в табл. 2.1 (режим ПДН), так и на дополнительные воздействия кратковременных и особых нагрузок с шифрами 9-13 в табл. 2.1 (режим ПДКОН). Поверочный расчет проводится, как правило, для режима ПДН. Необходимость расчета режима ПДКОН, как и выбор типов кратковременных и особых нагрузок из табл. 2.1, определяется проектной организацией. Соответствующие режимам ПДН и ПДКОН критерии прочности приведены в пункте 7.4.

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

2.1.4.    Нормативные нагрузки от предварительного натяжения трубопровода, растяжки компенсаторов и натяга упругих опор определяются проектом. В опорах скольжения при отсутствии дополнительных данных допускается принимать величину коэффициента трения металла по металлу (сталь по стали) равной 0,3.

2.1.5.    Нормативное давление транспортируемого вещества принимается равным расчетному давлению.

2.1.6.    Нормативные нагрузки от температурных деформаций определяются проектом по разности рабочей температуры pi температуры наружного воздуха холодного периода года, когда фиксируется статически неопределимая система трубопровода (заваривается последний стык на монтаже).

2.1.7.    Необходимость учета напряжений от неравномерного распределения температур по толщине стенки как для переходных, так и для установившихся тепловых режимов работы трубопровода определяется проектной организацией.

2.1.8.    Норматршную нагрузку от отложений и конденсата определяют по отраслевой научно-технР1ческой документацрш.

2.1.9.    Нормативная снеговая нагрузка на единицу длины горизонтальной проекции надземного трубопровода рассчитывается по формуле:

q_m=OAS₀(D ₊ 2t_m), Н/м ,    (2.1)

где: D — наружный диаметр трубопровода, t_in — нормативная толщина изоляцир!, 5₀ — вес снегового покрова на единицу площади в КПа,

13

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

tfwn O^etc ■*"    + 2£_ги), Н/м _т (2.2)

где статическую W_etc и динамическую составляющие ветровой нагрузки в КПа принимаются по строительным нормам и правилам, причем последняя величина находится как для сооружения с постоянной шириной наветренной поверхности.

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

2.1.12.    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. Нагрузки и воздействия при вибрации

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

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

б)    нестационарные гидравлические воздействия в результате:

•    пульсации давления на входе в трубопровод от компрессоров и насосов;

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

•    отрывных течений за местными сопротивлениями.

2.2.2.    Амплитуды возбуждающих вибрации 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

_f _ гтп

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

14

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

fip ⁼ (200+500)-^- ,    (2.4)

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

Для одиночных преград в формуле (2.4) принимается минимальное значение численного коэффициента равное 200. При отсутствии местного сужения (прямая труба) численный коэффициент в формуле (2.4) 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 частот гидродинамических колебаний среды в трубопроводе. 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:

г    0,5 к

4=— •    (2-5)

•    для трубы с одним акустически открытым концом

0,25(2t-l)c Jip- _L

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

15

4.1.3.    Коэффициент снижения прочности элемента со сварным швом <р_у для стыковых соединений из всех марок сталей, включая хромомолибденованадиевые и высокохромистые не аустенитные при температуре до 510°С, равен:

-    1,0 при контроле шва по всей длине радиографическим или ультразвуковым методами;

-    0,8 - для всех видов электросварки при контроле шва не менее, чем на 10% его длины;

-    0,7 - для всех видов электросварки при контроле шва менее 10% его длины;

-    0,6 - для газопрессовой сварки, в том числе для водогазопроводных труб.

Для сварных стыковых соединений из хромомолибденованадиевых (12Х1МФ, 15X1МФ и т.п.) сталей при температуре эксплуатации свыше 530°С значения коэффициента прочности по п. 4.1.3 умножаются на 0,7 независимо от объема контроля.

При температурах от 510 до 530°С коэффициент прочности шва определяется линейным интерполированием.

4.1.4.    Коэффициент прочности угловых и тавровых соединений для сталей всех марок принимают

-    0,8 - при контроле шва радиографическим или ультразвуковым методами по всей длине шва

-    < 0,6 - во всех остальных случаях.

Для соединений в нахлестку коэффициент прочности сварного шва ф < 0,6.

4.1.5.    Допускается принимать другие значения ф с учетом условий эксплуатации и показателей качества элементов трубопроводов.

4.1.6.    Коэффициенты снижения прочности укрепленных отверстий ф^ рассматриваются в пункте 5.4.

4.2. Расчетная и номинальная толщины стенок элементов

4.2.1.    Для определения расчетной толщины стенки t_R элемента трубопровода используются формулы раздела 5.

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

t > t_R + С    (4.2)

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 элемента (трубы или детали трубопровода) в зависимости от наружного диаметра D приведены в таблице.

17

Таблица 4.1

D <25 <57 <114 <219 <325 <377 >426 Наименьшая номинальная толщина стенки, мм 1,0 1,5 2.0 2.5 3,0 3,5 4,0

4.2.3. Прибавка С вычисляется по формуле:

С = С, + G,,    (4.3)

где

С₁ — технологическая прибавка, равная минусовому отклонению толщины стенки по стандартам и техническим условиям;

С₂ — прибавка на коррозию и эрозию, принимаемая согласно ПБ 03-585-03 или отраслевым документам с учетом расчетного срока эксплуатации.

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

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

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

5. Расчет на прочность труб и фасонных деталей под действием внутреннего давления

5.1. Трубы

5.1.1. Расчетная толщина стенки трубы

PD

<⁵¹>

Для вакуумных трубопроводов толщина стенки дополнительно проверяется на устойчивость согласно ГОСТ 14249-89 на сосуды и аппараты [4] и за расчетное принимается наибольшее значение

5.1.2. Допустимое внутреннее давление

2[g]-(p(t-C) ^{1 J} D-(t-C)

5.2. Отводы

5.2.1. Расчетная толщина стенки гнутых и крутоизогнутых отводов

(5-4)

где коэффициент k_x берется по табл. 5.1.

Таблица 5.1

R/(D-tR) >2,0 1,5 1,0 ki 1,00 1,15 1,30

Примечания.

-    для промежуточных значений R/(D-t_R), определяется линейной интерполяцией;

-    если R/(D-t_R) <1, k_x принимается 1.3.

5.2.2. Расчетная толщина стенки секторных отводов (черт. 5.1 б):

^tR2

Для нормализованных отводов, состоящих из полусекторов и секторов с углом скоса 0 < 22.5°, величина k₂ рассчитывается по формуле:

4 R — D—t_R 4R-2D+2t_R

5.2.3. Расчеты штампосварных отводов зависят от расположения сварных швов:

- при расположении сварных швов в плоскости кривизны отвода (черт. 5.1 в) расчетная толщина стенки

^J'r/ <Р    (5-7)

- при расположении сварных швов по нейтральной линии (черт. 5.1 г) толщина стенки определяется как наибольшее из двух значений

t_R4 = шах [ Vcp, k/_R]

19

Разработан Научно — техническим предприятием Трубопровод (ООО «НТП Трубопровод»).

Срок введения в действие — с 01 октября 2004 г.

В разработке стандарта принимали участие:

А.А. Шаталов, Г.М. Селезнев (Управление по надзору за взрывоопасными и химически опасными производствами и объектами Федеральной Службы по экологическому, технологическому и атомному надзору)

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

B. В. Усиньш, | В.П. Маркелов,! А.В. Бушуев (ЗАО «Инженерно-промышленная

нефтехимическая компания»)

Содержание

ВВЕДЕНИЕ................................................5

1.1.    ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.................................................6

1.2.    КЛАССИФИКАЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ.................................7

1.3.    ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ НА ПРОЧНОСТЬ

И ВИБРАЦИЮ.............................................................7

1.4.    УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.............................................8

2.    НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ............................12

2.1.    НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ РАСЧЕТАХ

НА СТАТИЧЕСКУЮ И ЦИКЛИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ................12

2.2.    НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ВИБРАЦИИ.......................14

3.    ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ.........................16

4.    ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ВЫБОРУ

ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ....................................16

4.1.    КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОЧНОСТИ......................................16

4.2.    РАСЧЕТНАЯ И НОМИНАЛЬНАЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНОК ЭЛЕМЕНТОВ 17

5.    РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ТРУБ И ФАСОННЫХ

ДЕТАЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ.. 18

5.1.    ТРУБЫ...................................................................18

5.2.    ОТВОДЫ.................................................................19

5.3.    ПЕРЕХОДЫ..............................................................21

5.4.    ТРОЙНИКИ..............................................................22

5.5.    ЗАГЛУШКИ..............................................................25

6.    ВЫБОР РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ТРУБОПРОВОДА............28

7.    ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ. 28

7.1.    ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.............................................28

7.2.    ПРИМЕНЕНИЕ И УЧЕТ МОНТАЖНОЙ РАСТЯЖКИ...................32

7.3.    ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРУБОПРОВОДА НА

ОБОРУДОВАНИЕ........................................................32

7.4.    КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ...............................................33

7.5.    РАСЧЕТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТРУБАХ, ОТВОДАХ И ТРОЙНИКАХ

(ВРЕЗКАХ)................................................................36

8.    РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ВИБРАЦИЮ.................41

8.1.    РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ......................................41

8.2.    РАСЧЕТ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ТРУБОПРОВОДА...........47

8.3.    КРИТЕРИИ ВИБРОПРОЧНОСТИ.......................................48

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РАСЧЕТ ДЛИНЫ ПРОЛЕТА

ТРУБОПРОВОДА..............................................51

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. УЧЕТ ПОНИЖЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ____53

2.1.    ОТВОДЫ.................................................................53

2.2.    Т-ОБРАЗНЫЕ СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ...............................53

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ВЫБОР ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ..............55

3.1.    ТИПЫ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

И РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ.....................55

3.2.    РАСЧЕТНЫЕ УСЛОВИЯ И ВЫБОР

НОРМАЛИЗОВАННЫХ ФЛАНЦЕВ.....................................55

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ВЫБОР СИЛЬФОННЫХ

И ЛИНЗОВЫХ КОМПЕНСАТОРОВ......................................57

4.1.    УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................57

4.2.    ТИПЫ КОМПЕНСАТОРОВ И РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ОБЛАСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ..........................................................58

4.3.    УЧЕТ ВЛИЯНИЯ КОМПЕНСАТОРОВ

ПРИ РАСЧЕТЕ ТРУБОПРОВОДА........................................59

4.4.    РАСЧЕТНЫЕ УСЛОВИЯ И ВЫБОР КОМПЕНСАТОРОВ................59

4.5.    ЖЕСТКОСТЬ КОМПЕНСАТОРА.........................................60

4.6.    РАСЧЕТ ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НЕНОРМАЛИЗОВАННЫХ СИЛЬФОННЫХ И ЛИНЗОВЫХ КОМПЕНСАТОРОВ

НА СТАТИЧЕСКУЮ И МАЛОЦИКЛОВУЮ ПРОЧНОСТЬ..............64

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. РАСЧЕТНО - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ВИБРАЦИИ..............69

5.1.    ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ПУЛЬСАЦИИ ПОТОКОВ, ВИБРАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ

И ВИБРОЗАЩИТЕ ОКРУЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ......................69

5.2.    СНИЖЕНИЕ ВИБРАЦИИ И ВИБРОЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩИХ

ОБЪЕКТОВ...............................................................70

5.3.    РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМУ ОБСЛЕДОВАНИЮ И

МОНИТОРИНГУ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ И НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ МАШИН ПРИ ПУСКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ..............................72

5.4.    НОРМИРОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИИ ПОТОКА И ВИБРАЦИИ

ТРУБОПРОВОДОВ.......................................................74

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. РАСЧЕТ НАЗНАЧЕННОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДА . . 78 ПРИЛОЖЕНИЕ 7. ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ДОКУМЕНТОВ......81

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, давлений)

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

Применяющиеся до настоящего времени «Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов, РТМ 38.001-94» [1] устарели. 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» [2] и другими нормативными документами по расчету на прочность, введенными в действие после 1995 года [3], [4], [5], [6]. При этом проведена гармонизация с нормами США ANSI/ASME [12], [15], [16].

Документ содержит основные требования к расчету на статическую и циклическую прочность, а также вибрацию технологических трубопроводов из углеродистой и легированной сталей с рабочей температурой от минус 196 до плюс 700°С и отношением толщины стенки к наружному диаметру ^~^с <q 2*

D ~ '

Поверочный расчет трубопровода предусматривает оценку статической и циклической прочности под действием нагрузок, соответствующих как нормальному технологическому режиму, так и допустимым отклонениям от такого режима. Оценка прочности проводится раздельно на действие не самоуравновешенных нагрузок (вес 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.

Предусмотрен расчет трубопровода на вибрацию при 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.

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

Стандарт предназначен для специалистов, осуществляющих проектирование, строительство и реконструкцию стальных технологических трубопроводов в нефтепереработке, химии и нефтехимии.

5

1.1.    Область применения

1.1.1.    Настоящий стандарт «Расчет на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов» содержит основные положения по расчетам на статическую и циклическую прочность, а также вибрацию технологических трубопроводов из углеродистой и легированной сталей с рабочим давлением от 0 до 10 МПа и рабочей температурой от минус 196 до плюс 700°С и отношением толщины стенки к наружному диаметру (условные обозначения см. ниже)

1.1.2.    Стандарт распространяется на проектируемые, вновь изготавливаемые и модернизируемые 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 не распространяется на трубопроводы, требования к прочности и надежности которых регламентируются Нормами расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды [3].

1.1.3.    Стандарт содержит определение толщины стенки элементов трубопровода по условию обеспечения их несущей способности под действием внутреннего давления. Поверочный расчет трубопровода предусматривает оценку статической и циклической прочности под действием нагрузок, соответствующих как нормальному технологическому режиму, так и допустимым вариантам отклонения от такого режима. Предусмотрен расчет трубопровода на вибрацию при пусконаладочных работах и эксплуатации.

Внутренние силовые факторы и реакции опор определяются расчетом трубопровода как упругой стержневой системы с учетом реальной гибкости элементов и сил трения в опорах скольжения. Нагрузки на оборудование и опоры определяются в рабочем и нерабочем (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.

Изложены способы определение 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.

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 средне - и высокотемпературные трубопроводы.

К высокотемпературным относятся трубопроводы:

•    из углеродистой и низколегированной стали при рабочей температуре выше 370°С;

•    из легированной аустенитной стали при рабочей температуре выше 450°С.

К среднетемпературным трубопроводам относятся трубопроводы, рабочая 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 избыточное давление следует принимать:

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

-    для напорных трубопроводов (после насосов, компрессоров, газодувок) - по максимальному давлению, развиваемому источником давления при закрытой задвижке (в случае центробежной машины);

-    для трубопроводов с предохранительными клапанами - по давлению настройки предохранительного клапана.

Трубопроводы, которые подвергаются испытанию на прочность и плотность совместно с аппаратом, подлежат расчету на прочность с учетом давления испытания аппарата.

1.3.3.    Расчетная температура должна соответствовать максимальной температуре транспортируемой среды. При отрицательной рабочей температуре свойства материала (допускаемые напряжения, модуль упругости и т.п.) определяются при температуре 20°С.

1.3.4.    Для предварительной расстановки промежуточных опор рекомендуется пользоваться приложением 1.

1.3.5.    Выбор элементов фланцевых соединений для рабочих условий описан в приложении 3.

1.3.6.    Рекомендации по выбору сильфонных и линзовых компенсаторов содержатся в приложениии 4.

1.3.7.    Поверочный расчет трубопроводов на прочность выполняется в согласно разделу 7.1 с учетом нагрузок и воздействий, возникающих при строительстве, испытании и эксплуатации. Внутренние силовые факторы в расчетных сечениях трубопровода определяются методами строительной механики стержневых систем с учетом гибкости

7

отводов (см. приложение 2). Трубопроводная арматура рассматривается как недефор-мируемое тело.

1.3.8.    Расчетные значения нагрузок при оценке статической и циклической прочности определяются как произведение их нормативного значения на коэффициент перегрузки у-. Типы нагрузок и воздействий приведены в разделе 2.

1.3.9.    Амплитуды и частоты пульсаций давления в трубопроводе, а также частоты собственных колебаний определяются в разделах 2.2 и 8.

1.3.10.    Методы защиты трубопроводов от вибрации рассматриваются в приложении 5.

1.3.11.    Расчет назначенного ресурса (расчетного срока службы) трубопровода приведен в приложении 6.

1.4. Условные обозначения

—    площадь поперечного сечения трубы, мм²;

—    укрепляющие площади накладки и штуцера, мм²;

—    радиусы начальной и конечной полукруговых трещин, мм;

—    ширина накладки, мм;

—    ширина уплотнительной прокладки, мм;

—    прибавки к толщине стенки, мм;

—    скорость звука, м/сек;

—    наружный и внутренний диаметр трубы или детали, мм;

—    номинальный диаметр (условный проход), мм;

—    наружный диаметр штуцера (ответвления) или диаметр центрально-в заглушке, мм;

—    допустимый диаметр отверстия не требующего укрепления, мм;

—    внутренний диаметр штуцера (ответвления), мм;

—    эквивалентный диаметр отверстия для детали с вытянутой горлови-

—    модули упругости в холодном состоянии и при рабочей температуре,

—    собственная частота колебаний трубопровода, Гц;

—    частота возмущающей нагрузки, Гц;

—    безразмерный параметр, характеризующий концентрацию напряже-тройнике;

—    высота выпуклой части заглушки, мм;

h_b, hы    ~ Р^асчетные значения высоты штуцера, мм;

I    —    момент инерции поперечного сечения трубы при изгибе, мм⁴;

1_Ь,    —    моменты инерции поперечного сечения штуцера при изгибе и круче

нии, мм⁴;

k_i    —    коэффициент концентрации напряжений в отводах и тройниках;

К_р, К_р — коэффициенты гибкости изогнутой трубы, соответственно без учета и с учетом стесненности деформации ее концевых сечений;

K_aeth    — амплитуда эффективного значения коэффициента интенсивности

напряжений, соответствующего порогу усталости, МПа;

/    —    расчетная длина элементов, мм;

L    —    длина трубы или пролета, м;

М_у — изгибающие моменты в сечении, Нмм;

М_г    —    крутящий момент в поперечном сечении, Нмм;

т    —    масса одного метра трубопровода, кг/м;

N    —    осевое усилие от дополнительных нагрузок, Н;

N_c, ЛГ — расчетное число полных циклов, соответственно от совместного действия внутреннего давления и дополнительных нагрузок и только от действия внутреннего давления;

N_cd, N_cp<j    —    число    полных циклов, соответственно от совместного дейс

твия внутреннего давления и дополнительных нагрузок и только от действия внутреннего давления;

iV_a- *    — число полных циклов, соответственно с амплитудой эквива

лентного напряжения c_aei и с размахом колебаний давления APf

|Л^Г]^    — допускаемое число полных циклов при вибрации;

п    — число оборотов вала, об/мин;

^пь > ^пу * ⁿz > ^пс    ~ коэффициенты запаса, соответственно: по временному сопро

тивлению, по пределам текучести, длительной прочности и ползучести;

Р, [Р],Р_р P_N    — внутреннее давление, соответственно: расчетное, допусти

мое, рабочее и условное, МПа;

R    — радиус кривизны осевой линии отвода, мм;

г    — радиус скругления горловины в тройниковом соединении, мм;

R_m, R_p R_po2> $т> R²p> R_p02 ~~ ^вР^{еменное}сопротивление, предел текучести и условный предел текучести соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа;

Rm/i(p> Rp 1.0/1 о⁵    ~ пределы длительной прочности и ползучести при расчетной

температуре, МПа;

— температура трубопровода, °С;