ГОСТ 24757-81
Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность

СОСУДЫ И АППАРАТЫ.
АППАРАТЫ КОЛОННОГО ТИПА

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

ГОСТ 24757-81
(СТ СЭВ 1645-79)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ
Москва

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 15 мая 1981 г. № 2411 срок введения установлен

с 01.07.81

Несоблюдение стандарта преследуется по закону

Настоящий стандарт распространяется на аппараты колонного типа по ГОСТ 24305-80, ГОСТ 24306-80. Стандарт устанавливает методы расчета на прочность колонных аппаратов, работающих под действием внутреннего, избыточного или наружного давления, собственного веса и изгибающих моментов от ветровых нагрузок или сейсмических воздействий, а также изгибающих моментов, возникающих от действия ветровых нагрузок.

Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 1645-79.

1. РАСЧЕТНЫЕ СЕЧЕНИЯ

1.1. При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие основные расчетные сечения:

поперечные сечения корпуса колонны, переменные по толщине стенки или диаметру (I-I, II-II, ..., Z-Z по черт. 1); для аппаратов постоянного сечения (по диаметру и толщине стенки) - только поперечное сечение в месте присоединения опорной обечайки;

поперечное сечение в месте присоединения опорной обечайки к корпусу колонны (Z-Z по черт. 1, 2);

поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий (X-X по черт. 1, 2);

поперечное сечение в месте присоединения опорного кольца (Y-Y по черт. 1, 2).

Расчетные сечения колонного аппарата

Черт. 1

Цилиндрические опорные обечайки

Конические опорные обечайки

Опорная обечайка с отверстиями.
Сечение Х-Х

Черт. 2

Примечание. Черт. 1 и 2 не определяют конструкцию и приведены только для указания расчетных размеров.

1.2. Для расчета местных нагрузок следует рассмотреть дополнительные расчетные сечения (А-А, В-В по черт. 1).

Термины, использованные в стандарте, и их условные обозначения приведены в справочном приложении.

2. РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ И РАСЧЕТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА

2.1. Расчетные давления

2.1.1. Расчетное давление p₁ в рабочих условиях для каждого расчетного сечения и пробное давление р₂, измеряемое в верхней части колонны, - по ГОСТ 14249-80 и ГОСТ 24306-80.

2.1.2. Гидростатическое давление р_н во время гидроиспытания колонны в вертикальном положении необходимо определять для каждого расчетного сечения по формуле

p_Н = g·(Н-х₀).                                                                                            (1)

Для воды g = 10^-5 Н/мм³ (10^-3 кгс/см³)

2.2. Нагрузки от собственного веса.

При расчете колонн должны быть учтены следующие весовые нагрузки:

G₁ - вес колонны в рабочих условиях, включая вес обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств и рабочей среды, Н (кгс);

G₂ - вес колонны при гидроиспытании, включая вес жидкости, заполняющей колонну, Н (кгс);

G₃ - максимальная нагрузка колонны от собственного веса в условиях монтажа, Н (кгс);

G₄ - минимальная нагрузка колонны от собственного веса в условиях монтажа (после установки колонны в вертикальное положение), Н (кгс).

Примечание. Необходимо учитывать, что нагрузка от веса воды, заполняющей колонну в условиях испытания, действует только на нижнее днище и расчетные сечения опорной обечайки.

2.3. Расчетные изгибающие моменты

2.3.1. Максимальный изгибающий момент М_G от действия эксцентрических весовых нагрузок, в том числе от присоединяемых трубопроводов и других нагрузок, необходимо определять для каждого расчетного сечения.

2.3.2. Изгибающие моменты M_υ от действия ветровых нагрузок - по ГОСТ 24756-81.

2.3.3. Изгибающие моменты от сейсмических воздействий М_R по ГОСТ 24756-81.

2.4. Снеговые нагрузки.

При расчете колонных аппаратов снеговые нагрузки не учитывают.

2.5. Температурные нагрузки.

В случае необходимости температурные напряжения определяют специальными методами расчета.

2.6. Местные нагрузки.

Расчет локальных напряжений от местных нагрузок на колонне (например, трубопроводы, краны, лестницы и др.) производят по нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке. Для этого необходимо определить общие мембранные напряжения в соответствующих дополнительных расчетных сечениях (А-А, В-В по черт. 1) s_x и s_у по п. 4.1.

2.7. Расчетная температура

Расчетную температуру для каждого элемента колонного аппарата следует определять по ГОСТ 14249-80.

Для элементов нижнего опорного узла опорных обечаек, которые приварены к корпусу колонны и изолированы, расчетную температуру в рабочих условиях определяют по формуле

t_A = maх (t_K - Dt; 20 °С),                                                                           (2)

где Dt - перепад температуры по черт. 3.

Перепад температуры в опорной обечайке

Dt = 10 + 0,132h₃ + 0,249·10^-3·h₃ - 0,305·10^-6· + 0,934·10^-10·

Черт. 3

Расчетная температура для условий испытания и монтажа принимается 20 °С.

3. СОЧЕТАНИЕ НАГРУЗОК

Колонный аппарат необходимо рассчитывать для следующих трех условий работы аппарата:

рабочие условия;

условия испытания;

условия монтажа.

Сочетания нагрузок для перечисленных условий приведены в таблице

Примечания:

1. При расчете моментов  и  исходят из общей весовой нагрузки в рабочих условиях.

2. При расчете момента исходят из общей весовой нагрузки в условиях испытания.

3. При расчете моментов  и  исходят из общей весовой нагрузки в условиях монтажа , учитывают изоляцию.

4. КОРПУС КОЛОННОГО АППАРАТА

4.1. Стенка колонного аппарата должна быть рассчитана на прочность и устойчивость.

4.1.1. Расчет напряжений

Расчет напряжений следует проводить во всех сечениях, указанных в разделе 1, для рабочих условий (F = F₁; M = M₁; p = p₁) и для условий монтажа (F = F₃; М = М₃; р = 0).

4.1.2. Продольные напряжения s_x следует рассчитывать:

на наветренной стороне по формуле (3)

                                        (3)

на подветренной стороне по формуле (4)

                                         (4)

4.1.3. Кольцевые напряжения s_y следует рассчитывать по формуле (5)

.                                                                                        (5)

4.1.4. Эквивалентные напряжения следует рассчитывать:

на наветренной стороне по формуле (6)

= ;                                                (6)

если то j_Т = 1,0, если s_y < 0, то j_р = 1,0;

на подветренной стороне по формуле (7)

= ;                                              (7)

если < 0, то j_Т = 1,0, если s_y < 0, то j_р = 1,0.

4.1.5. Проверку условий прочности следует проводить:

на наветренной стороне по формуле (8)

max {||; } £ [s]_К·j_Т;                                                                                                    (8)

если < 0, то j_Т = 1,0;

на подветренной стороне по формуле (9)

max {||; } £ [s]_К·j_Т;                                                                                                    (9)

если < 0, то j_Т = 1,0;

4.2. Проверка устойчивости

Проверку устойчивости следует проводить для рабочих условий, условий испытания и монтажа.

4.2.1. Колонны, работающие под внутренним избыточным давлением, и колонны, работающие без давления.

Если толщина стенки s₃ опорной обечайки меньше или равна толщине стенки самой нижней обечайки колонны и механические свойства материала опорной обечайки не выше соответствующих свойств материала обечайки колонны, то расчет колонного аппарата не производят. В этом случае достаточно провести проверку устойчивости опорной обечайки по п. 5.3. Для остальных колонн проверку устойчивости следует проводить для каждого основного расчетного сечения по формуле (10).

 1,0.                                                                                      (10)

Нагрузки принимают в соответствии с таблицей.

Значения [F] и [М] определяют по ГОСТ 14249-80, соответственно, для рабочих условий, условий испытания и монтажа.

4.2.2. Колонны, работающие под наружным давлением

Для условий испытания и монтажа проверку устойчивости необходимо проводить в соответствии с требованиями п. 4.2.1.

Для рабочих условий проверку устойчивости для каждого основного расчетного сечения, следует проводить по формуле (11)

 1,0,                                                                             (11)

где [р], [F], [М] - определяют по ГОСТ 14249-80 для рабочих условий.

5. РАСЧЕТ ОПОРНОЙ ОБЕЧАЙКИ

5.1. Расчет опорной обечайки следует проводить для рабочих условий и для условий испытания. Расчетные нагрузки в сечениях Z-Z (F_z = G_z; М_z) и Y-Y (F_Y=G_Y; M_Y) следует принимать в соответствии с таблицей. Для сечения Х-Х используют расчетные нагрузки сечения Y-Y.

5.2. Проверку прочности сварного шва, соединяющего корпус колонны с опорной обечайкой (сечение Z-Z по черт. 1, 2), следует проводить по формуле (12)

s_x = ·min{[s]₀; [s]_К}                                    (12)

Толщина сварного шва а₁ приведена на черт. 4

5.3. Проверку устойчивости опорной обечайки в зоне отверстия (сечение Х-Х по черт. 1, 2) следует проводить по формуле (13)

,                                                             (13)

где [F], [M] - определяют по ГОСТ 14249-80;

y_1, y_2, y₃ - коэффициенты, определяемые соответственно по черт. 5, 6 и 7.

Если в сечении Х-Х несколько отверстий, то расчет следует проводить для наибольшего из отверстий по формуле (13) при условии, что для остальных отверстий коэффициенты y₁ и y₂ более 0,95. Если не соблюдены условия y₁ > 0,95 и y₂ > 0,95, то проверку устойчивости необходимо проводить по формуле (13) при

                                                

где A, W, Y_s - соответственно площадь, наименьший момент сопротивления и координата центра тяжести наиболее ослабленного поперечного сечения.

5.4. Если в опорной обечайке есть кольцевой шов, то проверку следует проводить по формуле (14)

                           (14)

где:y_1, y_2, y₃ - коэффициенты, определяемые соответственно по черт. 5, 6 и 7.

Если кольцевой шов находится вне зоны отверстий, то коэффициенты

y₁ = y₂ = 1,0 и y₃ = 0.

Узлы соединения опорной обечайки с корпусом колонны

Черт. 4

Коэффициент ψ₁

Черт. 5

Коэффициент ψ₂

Черт. 6

Коэффициент ψ₃

Черт. 7

6. РАСЧЕТ НИЖНЕГО ОПОРНОГО УЗЛА

6.1. Расчет нижнего опорного узла следует проводить для рабочих условий и для условий испытания. Расчетные нагрузки F_Y и M_Y принимают в соответствии с разд. 5.

6.2. Ширина опорного кольца

Ширина нижнего опорного кольца b₁ устанавливается конструктивно, при этом необходимо соблюдать условие формулы (15)

b₁ ³ b_1R =                                                        (15)

Выступающая ширина нижнего опорного кольца должна удовлетворять условию

2d₂ + 30 мм £ b₂ £ b₁.                                                                                                   (16)

6.3. Напряжение сжатия в бетоне следует рассчитывать по формуле (17)

s_бет = [s]_бет·                                                                                      (17)

6.4. Напряжение в сварном шве нижнего опорного кольца.

Для опорного кольца в исполнении А (черт. 8) рассчитывают по формуле (18)

s_х =                                                    (18)

Для опорных колец в исполнениях В, С, D (черт. 8) проверку по формуле (18) проводить не следует.

6.5. Толщину нижнего, опорного кольца в исполнениях А, В, С, D следует рассчитывать по формуле (19)

s₄ ³ max                                                    (19)

где c1 =		1,0 - для опорного кольца исполнения А
		по черт. 9 - для опорных колец исполнений В, С, D

Для опорного кольца исполнения А толщину s₄ дополнительно следует проверить по формуле (20)

                                                        (20)

Если по формуле (19) или (20) будет получена величина s₄ > 2s₃ следует применять конструкции нижнего опорного узла исполнений С или D.

6.6. Толщину верхнего опорного элемента - кольца следует рассчитывать по формуле (21)

                                                           (21)

где c₂ - коэффициент, определяемый по черт. 10

6.7. Толщина ребра

                                                      (22)

где c3 =		2,0 - для исполнений опорного узла В и D (черт. 8)
		1,0 - для исполнения опорного узла С (черт. 8)

Для конструкции ребер с соотношением  ребра необходимо дополнительно проверять на устойчивость.

6.8. Нагрузки стенки опорной обечайки от верхнего опорного элемента-кольца.

Местное напряжение изгиба следует рассчитывать по формуле (23)

                                                                        (23)

где c₄ - коэффициент, определяемый по черт. 11.

Для опорного узла исполнения С вместо b₄ принимается b₅, a для исполнения D (b₆ +b₇).

Проверку следует проводить по формуле (24)

s_bx £ [s]_п,                                                                                                 (24)

где [s]_п - предельное напряжение изгиба принимается по действующей нормативно-технической документации.

6.9. Высота нижнего опорного узла исполнений С и D.

Исполнения опорного узла

Черт. 8

Высоту h₁ опорного узла при выполнении условия b₂ = b₅, следует определять по формуле (25)

                                                        (25)

при s₅ » 2s₃

Коэффициент x₁

Черт. 9

Коэффициент x₂

Черт. 10

Коэффициент x₄

Черт. 11

c₅ = 1+ c₇, c₆ = 1 + 2c₇

c₇ =

Толщины s₅, s₇ и s₃ необходимо рассчитывать дополнительно соответственно по пп. 6.6, 6.7 и 6.8.

7. РАСЧЕТ АНКЕРНЫХ БОЛТОВ

Расчет прочности анкерных болтов следует производить для рабочих условий и условий монтажа.

7.1. Число анкерных болтов п устанавливают конструктивно, при этом

п = 4, 6, 8, 10, 12, 16 ... далее кратно 4.

7.2. Внутренний диаметр резьбы анкерных болтов для колонн, устанавливаемых на бетонных фундаментах, следует определять по формуле (26)

d₂ ³ c₈+ c,                                                               (26)

где c₈ - коэффициент, определяемый по черт. 12.

Для условий монтажа F_Y = F₄

Примечание. Если величина

 > 1,0, то                                                                                                            (27)

число болтов должно быть:

не менее 4 при М24 - для колонн диаметром D₁ < 1400 мм;

не менее 6 при М30 - для колонн диаметром 1400 мм < D₁ £ 2200 мм;

при D₁ > 2200 мм болты диаметром М36 мм устанавливают с шагом 1200 мм, но во всех случаях число болтов должно быть не более 12.

Черт. 12

ПРИЛОЖЕНИЕ
Справочное

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛАХ

а₁ - толщина сварного шва в месте приварки опорной обечайки (черт. 4), мм (см);

а₂ - толщина сварного шва в месте приварки опорной обечайки к нижнему кольцу (черт. 9), мм (см);

b₁ - ширина нижнего опорного кольца (черт. 8), мм (см);

b_1R - расчетная ширина нижнего опорного кольца, мм (см);

b₂ - выступающая ширина нижнего опорного кольца (черт. 8), мм (см);

b₃ - длина укрепляющего штуцера (черт. 5), мм (см);

b₄ - длина верхнего опорного элемента (черт. 8), мм (см);

b₅ - ширина верхнего опорного элемента (черт. 8), мм (см);

b₆ - минимальное расстояние между двумя смежными ребрами (черт. 8), мм (см);

b₇ - максимальное расстояние между двумя смежными ребрами (черт. 8), мм (см);

с - сумма всех прибавок к расчетным толщинам стенок;

d₁ - средний диаметр укрепляющего элемента (черт. 5), мм (см);

d₂ - внутренний диаметр резьбы анкерного болта, мм (см);

е₁- диаметр окружности, вписанной в шестигранник гайки анкерного болта, мм (см);

е₂ - расстояние между анкерным болтом и опорной обечайкой (черт. 8), мм (см);

h₁ - высота опорного узла (черт. 2 и 8), мм (см);

h₂ - высота фундамента (черт. 1, 2), мм (см);

h₃ - высота опорной обечайки (черт. 1, 2), мм (см);

n - число анкерных болтов;

p₁ - расчетное давление в рабочих условиях, измеряемое на высоте х₀ (внутреннее избыточное давление р > 0 или наружное давление р < 0), МПа (кгс/см²);

p₂ - пробное давление, измеряемое в верхней части колонны, МПа (кгс/см²);

p_Н - гидростатическое давление в условиях испытания, измеряемое на высоте х₀, МПа (кгс/см²);

[р] - допускаемое наружное давление, МПа (кгс/см);

s₁ - исполнительная толщина стенки колонны в соответствующем расчетном сечении (черт. 1), мм (см);

s₂ - исполнительная толщина стенки нижнего днища колонны (черт. 1, 2), мм (см);

s₃ - исполнительная толщина стенки опорной обечайки (черт. 1, 2), мм (см);

s₄ - исполнительная толщина нижнего опорного кольца (черт. 8), мм (см);

s₅ - исполнительная толщина верхнего опорного элемента (черт. 8), мм (см);

s₆ - исполнительная толщина укрепляющего штуцера (черт. 5), мм (см);

s₇ - исполнительная толщина ребра (черт. 8), мм (см);

t_A - расчетная температура опорного узла в рабочих условиях, °С;

t_К - расчетная температура нижнего днища колонны в рабочих условиях, °С;

х₀ - высота расчетного сечения над поверхностью земли (черт. 1), мм (см);

А_б - площадь поперечного сечения анкерного болта по внутреннему диаметру резьбы, мм² (см²);

D₁ - внутренний диаметр колонны в соответствующем расчетном сечении (черт. 1), мм (см);

D₂ - максимальный диаметр колонны (включая изоляцию) (черт. 1), мм (см);

D₃ - внутренний диаметр опорной обечайки (черт. 1 и 2) мм (см); у конических обечаек D₃ - внутренний диаметр в соответствующем исследуемом расчетном сечении;

D₄ - диаметр окружности анкерных болтов (черт. 1 и 2), мм (см);

F - расчетное осевое сжимающее усилие в соответствующем, расчетном сечении на высоте х₀, Н (кгс) (без учета нагрузок, возникающих от внутреннего избыточного или наружного давления);

F₁ - в рабочих условиях;

F₂ - в условиях испытания;

F₃ - в условиях монтажа;

[F] - допускаемое осевое сжимающее усилие, Н (кгс);

G - нагрузка от собственного веса, определяемая над соответствующим расчетным сечением на высоте х₀, Н (кгс);

G₁ - в рабочих условиях;

G₂ - в условиях испытания;

G₃ - в условиях монтажа (максимальная нагрузка от собственного веса);

G₄ - в условиях монтажа (минимальная нагрузка от собственного веса);

Н - общая высота колонны от поверхности земли (черт. 1), мм (см);

М - расчетный изгибающий момент в соответствующем расчетном сечении на высоте х₀, Н·мм (кгс·см);

М_G - изгибающий момент от действия эксцентрических весовых нагрузок в соответствующем расчетном сечении на высоте х₀, Н·мм (кгс·см);

M_υ - изгибающий момент от действия ветровых нагрузок в соответствующем расчетном сечении на высоте х₀, Н·мм (кгс·см);

М_R - расчетный изгибающий момент от сейсмических воздействий в соответствующем расчетном сечении на высоте х₀, Н·мм (кгс·см);

- в рабочих условиях;

 - в условиях испытания;

 - в условиях монтажа (без изоляции);

 - в условиях монтажа (с изоляцией);

[М] - допускаемый изгибающий момент, Н·мм (кгс·см);

g - удельный вес испытательной среды при гидроиспытании, Н/мм³ (кгс/см³);

c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, c₆, c₇, c₈ - коэффициенты;

s_х - продольные напряжения, МПа (кгс/см²);

s_y - кольцевые напряжения, МПа (кгс/см²);

s_E - эквивалентное напряжение, МПа (кгс/см²);

s _бет - напряжение бетона на сжатие, МПа (кгс/см²);

s_1x - местное напряжение изгиба в опорной обечайке, МПа (кгс/см²);

[s]_А - допускаемое напряжение для соответствующего элемента опорного узла, МПа (кгс/см²);

[s]_К - допускаемое напряжение для корпуса колонны, МПа (кгс/см²);

[s]_О - допускаемое напряжение для опорной обечайки, МПа (кгс/см²);

 - в рабочих условиях;

 - в условиях испытания и монтажа;

[s]_В - допускаемое напряжение в анкерных болтах по строительным нормам при соответствующем сочетании нагрузок, МПа (кгс/см²);

[s]_бет - допускаемое напряжение бетона на сжатие, МПа (кгс/см²);

[s]_п - предельное напряжение изгиба, МПа (кгс/см²);

j_р - коэффициент прочности продольного сварного шва;

j_т - коэффициент прочности кольцевого сварного шва;

j_s - коэффициент прочности сварного шва, присоединяющего опорную обечайку к корпусу колонны (черт. 4);

y₁ y₂ y₃ - коэффициенты;

Dt - перепад температуры в опорной обечайке, °С.