МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ВНИИСТ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

РАСЧЕТА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРОЧНОСТЬ ПО ТЕОРИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОСТОГО НАГРУЖЕНИЯ

Р 359-79

Москва 1980

В Основных положениях изложена теория предельных процессов простого нагружения магистральных трубопроводов, эта теория базируется на постулате АД.Ильюшина о функциональной зависимости между тензорами повреждений и напряжений с учетом главных тенденций в развитии теорий прочности при переменном нагружении.

Приведены соотношения для определения основных размеров элементов трубопроводов при заданном сроке их службы или долговечности элементов при заданной их геометрии в наиболее общих случаях механического и теплового нагружений.

Положения разработаны лабораторией методов расчета и конструирования трубопроводов под руководством канд.техн.наук й.Д.Красулина и предназначены для научно-исследовательских и проектных организаций по строительству.

Положения составили канд.физгмат.наук Б.И.За-войчинский и ст.инж.Л.А.Соловьева.

Замечания и предложения просим направлять по адресу: Москва, 105058, Окружной проезд, 19, ВНИИСТ.

Всесоюзный научно-исследоЕвательскии институт по строительству магистральных трубопроводов (ВНиИСТ), l^bu

2.7.    Соотноиения (3-13) позволят определять долговеч -ность элементов трубопроводов прж заданной их геонетрмн ялн размеры элементов прм заданной долговечности под действием механического м теплового нагружения в условиях монтажа ж экс -плуатацжж.

2.8.    Коэффициент запаса по долговечности равен 5, т.е.

5.

2.9.    Коэффициенты . m_f н к_г ,    целесообразно

связать между собой таким образом, чтобы для базовых сталей, применяемых в отрасли, приближенно выполнялось равенство

Rj ~ R_z для нормативного срока службы трубопровода.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ СТЕНОК ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

3.1. Толщину стенки труб н соединительных деталей выбирают большей из двух значений ^ и , т.е.:

i-max(i_vb_t).    О»)

Значения (J н являются ранениями таких уравнений:

где    nei    „    f\    (h-l)c(TE_i    (16)

_fi - Hi pi .

в/--Tc >

P - нормативное значение давления в трубопроводе;

г - радиус срединной поверхности трубы;

П. - коэффициент перегрузки;

12

7 .7, - коэффициенты, характеризующие влияние гесметри-^{1    £}    ческаго очертания труб и соединительных деталей

на их несущую способность и на достниение поверхности текучести (приложение I);

ф - относительное сужение поперечного сечения обраэ-^т ца при раэруиеннж в условиях монотонного растяжения;

О, ,П_? - коэффициенты беаопасностн по Ф при достиг*

У *^L иении несущей способности и текучести соответственно;

Е - модуль упругости материала эдемента;

г - температурный перепад, т.е. разность между средними величинами эксплуатационной температуры стенки и температуры замыкания трубопровода,принимаемый половительнш при нагреве и отрицательным при охлаждении.

3.2. При Т = 0 соотношение G5) может быть эаписано в та-

При Т / 0 толщину стенки определяют по следующей зависимо-

где a(x) = 0,5k+u~k)jj_i + ~L    <i = i_t2>.

Для трубных сталей и реальных температурных перепадов в магистральных трубопроводах

R_i>2<x\T\E_i <i~l,2>.    С²¹)

Тогда соотношения (20) имеют такое приближенное решение:

X*R_i/aTE_i.

С учетом этого зависимости (14) и (19) преобразуются к

виду

д ^ИЕ1,    (22)

R

^Где    R = min (R_r ,R_z) •

Соотношение (22) является основным для определения толщины стенок труб*

Таким образом, при выполнении условия (21) толщина стенки труб не зависит от осевых номинальных напряжений, т.е. от разности между эксплуатационной температурой стенки и температурой замыкания трубопровода.

Влияние режимов нагружения и состояния поверхности элементов магистрального трубопровода на величину толщин их стенок показано в приложении 2.

3.3. В общем случае ( 2а\Т\Е'_Ъ> ) выбор толщин стенок труб и соединительных деталей производят по соотношениям (14), (19), (20).

Коэффициент к выбирается равным:

к = 0 - для прямолинейных участков подземных трубопроводов, уложенных в плотных грунтах, в том числе для подземной части обвязочных трубопроводов компрессорных станций, гребе -нок многониточных переходов, обвязок крановых устройств и узлов пуска-приема очистных устройств;

к =0,25 - для участков надземных бес компенсаторных трубопроводов, в том числе надземной части обвязочных трубопроводов компрессорных станций;

14

к = 0,5 - для участков подземных трубопроводов, уложен -ных в слабых грунтах, м участков подземных трубопроводов с компенсаторами, уложенных в плотных грунтах;

к - 0,75 - для надземных трубопроводов с компенсаторами и участков подземных трубопроводов, прокладываемых в обводненной и заболоченной местности;

к • I - для участков трубопроводов с заглушкой при отсутствии сопротивления продольным перемещениям.

Приложение I

НЕКОТОРЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ФОРШ ДЛЯ ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛЕЙ

Для труб и заглушек коэффициенты и Чг Р^{авны 1}* Для тройников значение коэффициентов Ч ₇ находят по рисунку, a 4z определяют по форыуле

п ₌    ^ н_ (I)

² щц-Ю+Шо

А

А

Зависимость коэффициента ^rL₁ от отношения наружного диаметра ответвления тройника к наружному диаметру его магистральной части и* /;

I - для сварных тройников беэ усиливающих накладок; 2 - для тройников с усиливающими накладками; 3 - для штампованных и штампосварных тройников

19

I Значенм Zf / Я 1.5 2,0 и более

Вначенжя 11 1.3 1,15 1,0

---

Для отводов величины 1 ] приведены в таблице, а значения коэффициента П ₉ определяют по соотношению

^w

где Zj - радиус центральной оси отвода;

Ъ - наружный диаметр отвода.

Для конического переходного участка Ч]^ш1 ^{а ввл}*^ч*ну коэффициента    определяют по формуле

Ь—ЩГ' o*r**s’. т

где г - угол конусности, равный половине угла конуса ^а при веринне.

Приложение 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ ЗАДАННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Рассмотрим участок магистрального трубопровода, изготовленного из труб Ст.60Д5.

Предполагается, что внутреннее давление в трубопроводе изменяется по закону p=p₀-f(t),    где    j(t)    пред

ставляется зависимостью (2).

Значения коэффициентов f_K соотношения (2) для пяти режимов нагружения и £_к . §.....^ил~ д/ при к ■ 1*2,3,4 дани

в табл I.    ^и1

Таблица I

Номер ре— j шtruo nn ^ ш.....	Значения коэффициентов нагружения			fK
ХШа На j грухения j	fa	Пf ■ ! Jl\	fz j	/з ! .
I	0,5	0,5	-		-
2	0,5	0,*	0,1	-
3	0,5	0,35	0,1	0,5	-
4	0,5	0,32	0,1	0,05	0,03
5	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2
Количество циклов эксплуатационного нагружения
-		Xj =5xio2j:2	=?x!03 x3 «	=5x10* £*	=5xI05

В табл.2 представлены значения нормативных сопротивлений R_1H и /?2 н для пяти режимов нагружения и трех состояний поверхности трубопровода - необработанной, после механической обработки и в условиях корроэии. Показано существенное влияние режима нагружения на величину нормативных сопротивлений.

Относительное значение толщины стенки, равное отношению значений толщин по зависимости (?i = ^ПЕ\— и по зависим о-

21

a 0 Г1 i P 2 j — 7 ? s сти Oj = -(по статической прочности),

т.е. “I _e _ Rf ^L _f также существенно зависит от режима нагружения к состояния поверхности трубопровода (табл.2), при -чем несколько большее влияние обнаруживается по второму пре -дельному состоянию - достижению поверхности текучести.

Таблица 2

Состояние поверхности сты --кового соединения {Номер {режима ; нагружения i |Значения коэффи-; циентов 1-1-г ! ! ! ■} R1,H } V i i i i -1- <*T ! 6t | *t 1 г ! Кп ! ! L ! а, ? кгс/шг K j *5 Обрабо I >8,3 40,0 1,0 I,I танная 2 57,3 39,3 I.I I,I 3 I 0,35 10 56,4 38,6 I.I 1.2 4 55,4 37,9 1,1 1,2 5 45,6 28,4 1,3 1,6 Необрабо I >7,5 39,4 1,0 I,I танная 2 >6,4 38,6 I,I 1,2 3 1.3 0,35 4 >>,2 37,8 I.I 1.2 4 >3,6 37,1 I.I 1.2 5 41,4 26,4 1,5 1,7 Необрабо I 49,6 35,0 1,2 1,3 танная в условиях 2 48,9 35,2 1.2 1,3 коррозии 3 1.3 0,35 0 48,0 34,5 1,3 1,3 4 47,2 33,9 1,3 1,3 5 32,8 22,3 1,8 2,0

Таким образом, разработанная методика позволяет определить влияние режимов нагружения и состояния поверхности магистральных трубопроводов на величину номинальной толщины сте -нок труб и соединительных деталей. Если это влияние учитывается коэффициентом условий работы, то этот коэффициент приобре -тает определенный физический смысл.

22

; Основные положения {расчета магистральных трубопроводов на прочность по теории пре -{дельных процессов простого нагру-{    кения

ВВЕДЕНИЕ

Нормы проектирования трубопроводов регламентируют величину основных геометрических размеров элементов трубопровода (труб, компенсаторов, соединительных деталей, балластировоч -ных устройств) по значению рабочего давления, температурных перепадов в системе, категории участков прокладки и т.п., определяющих прочность и металлоемкость конструкций. Раздел В СНиП П-45-75 "Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость" для ряда случаев не позволяет однозначно выбрать размеры элементов. Это связано с тем, что толщина стенки трубопровода по формулам (13), 0Л) СНиП П-45-75 зависит от осевых напряжений, величину которых для некоторых конструкций определить однозначно не удается.

Первая часть неравенства (15) СНиП П-^5-75 скачкообразно изменяется на величину / -ф_г ^ПР^И б_Пр N ~ ^{Этот скат}*ок яв -ляется только следствием Еыбранной аппроксимации.

Соотношение (20) СНиП П-45-75 является неточным, так как не налагает ограничений на отрицательные продольные напряже -ния, хотя эта проверка и введена для их ограничения.

Кроме этого, отсутствует ответ на основной вопрос - о долговечности трубопроводов, запроектированных в соответствии с этим документом.

Таким образом, методика расчета трубопроводов на прочность, изложенная в СНиП П-45-75, предполагает ее дальнейшее совершенствование.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Биргер И. А. Детерминированные и статистически^ модели суммирования повреждений. "Проблемы прочности", 1978,

№ 3, с.3-10.

2.    Верченко К. В., Завойчинский Б.И. Метод оценки усталостной прочности строительных металлокон -струкций."Обзоры по вопросам проектирования металлических конструкций". М., выпЛ, ЦИНИСА, 1970*

3.    Завойчинский Б. И. Некоторые вопросы усталостной прочности металлоконструкций. В кн, "Всесоюзная конференция по теоретическим основам расчета строительных конструкций" . иэд-во "Стройиндустрия", 1970.

4.    Завойчинский Б. И. О статистической теории усталостного разрушения металлоконструкции. В кн. "Проб -лемы надежности в строительной механике". Вильнюс, Стройиадат, 1971.

5.    Завойчинский Б. И., Верченко Е. В. Систематизация экспериментальных данных по усталостной прочности основных типов сварных соединений. В кн.: "Проектирование металлических конструкций", серия УП, вып.12. к., ЦИНкСА, I97X.

6.    Завойчинский Б. И. О приближенной закономерности "предел усталости - число циклов до разрушения" для стальных сварных соединений. В кн. "Проектирование металлических конструкций", серия УП, выл.5. к., ЦЙНИСА, 1972.

7.    Завойчинский Б. И. К оценке надежности сосудов давления. В кн. "Проблемы надежности в строительной механике", к., Стройиздат, 197р.

8.    3 а в о й ч и н с к и й Б. #1. Об одном обобщении линейной теории накопления повреждений А.А.Ильюшина. "Изв. АН СССР, кТТ". к., 1973, № 3, C.33-P7.

9.    Завойчинский Б. и. Линейная теория прочности при переменных нагружениях. Упругость и неупругость.

.Л р, ИЗД-В0 МГУ, 1973, с.I/7-181.

10.    3 а в о й ч и н с к и й Б. И., Климов С. А., домбров 0. и. Экспериментальное исследование напря -ленно-деформированного состояния шаровых газг. 'ъдеров. а кн. "Проектирование металлических конструкций", серия УН, Jfe I (эб). **•! ШшИСА, 1975.

Разработанный метод расчета на прочность элементов трубопроводов позволяет оценмть опасность наиболее общих видов их механического и теплового нагружений. Этот метод базируется на теории предельных процессов нагружения, являющейся развитием постулата А.А.Илышииа о существовании функциональной зависимости между тензорами повреждений и напрпенжй.

Результаты теории предельных процессов простого нагружения согласуются с данными экспериментов по циклической проч -иости элементов при асимметричном одноосном нагружении (от гармонического нагружения вплоть до нагружения в условиях ползучести) и одновременном мэгибе с кручением.

Выбор основных механических параметров критерия прочности при переменном нагружении проведен на основе обобщения и систематизации экспериментальных данных по циклической прочности сварных соединений, опубликованных в литературе (см.спи -сок рекомендуемой литературы).

Уточненный подход к ременнв задачи о напряженно-деформированном состоянии и прочности труб позволил сделать вывод о том, что при выборе толщины стенки трубы не следует учитывать компоненту напряженно-деформированного состояния вдоль оси в случае, если удвоенное осевое "температурное напряжение"2alTlEj меньше расчетного сопротивления Rj (п.3.2).

Расчет показывает, что толщина стенки труб магистральных трубопроводов практически не зависит от температуры замыкания участков при их строительстве (в предположении, что температура транспортируемого продукта не превыиает 65°С). ¹

1.2.    Максиыальные значения главных напряжений определяется по формулам:

⁶i ⁼у(Ч +в₂) + у V(e_t -E_zf + ^T¹ ;

б_г - у (в, + б₂) - | \/(б,~б_г)^г + 4Т^г',

где б, , 6_? - макс шальные значения кольцевых ■ осевых но-¹    _    мжналытх    напряжений    соответственно;

7 - максимальные значения касательных напряжений саиокоипенсацш.

Под номинальными напряжениями понимается сумма обайт мембранных и общих нагибных напряжений в алементах трубопровода. Прн этом общие мембранные напряжения равны среднему по сечению вкачению нормальных напряжений. Общие нагибные напряжения не являются саиоуравновененншш по сечению элемента и определяют величину общего изгибающего момента при равенстве нулю общей силы.

1.3.    Нагрузки и воздействия на элементы трубопровода в процессе его монтажа ж эксплуатации следует принимать согласно главам СНиП П-б-74 "Нормы проектирования. Нагрузки н воз -действий" и СНиП П-45-75 "Нормы проектирования. Магистральные трубопроводы".

2. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ТЕОРИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

2.1. Предельное нагружение элементов трубопровода описывается следующими соотношениями:

при |б,|^|6₂|

|6₁|-F(<x_}j3)=/?_i(t), а=—;    О)

при I6₁1    |в₂1

|б₂№ В) = Ri(t), a=|i ,ё ФО <i42>>

где    _р.    ,    02

ffafi) =    ,    F_] (a)={l-a²)n^z+d)    <♦>

„ , , n^z~T/25li6-a^r-J/<f i

RAt) i Ro{t)~ расчетные сопротивления по несущей спо-'    ^£    с обноси и достижению поверхности    теку

чести при переменнон нагружении соответственно.

Коэффициент р характеризует отношение прочности стали при одноосной и двухосной переменном нагружении и равен

я - ^г‘-й±-

где

На рис.1 приведена зависимость F-F (<Х_f fi)    при неко

торых значениях 13

2.2.    Расчетные сопротивления стали    определяются

по формуле

/?; _я ' /77 •

=    <5)

^Л1

где R, и % R? и ~ нормативные сопротивления по несущей >,^н    способности и достижению поверхности

текучести соответственно;

к, , к о ~ коэффициенты безопасности по напряле-'    нням при достижении несущей способно

сти и текучести соответственно;

/77, ,/77,    -    коэффициенты условий работы по несущей

'    способности и текучести соответствен

но.

где R?_u , R,и ~ нормативные сопротивления при статиче-/,п г,н    с ком нагружении элемента по несущей

способности и текучести соответственно;

RFoc.) R(x.)    -    нормативные сопротивления при гармоии-

’    ческом нагружении элемента X цикла

ми по несущей способности и текучести соответственно;

N - число циклов по несущей частоте, причем N = I соответствует статической прочности.

2Л. Нормативное сопротивление /?^ определяется по

формуле

R&) =(R°h    *),    (7)

Л*-Н°    -а    *9    N₃    .

^Нг,н -гп£ а

*л„

kf - теоретический коэффициент концентрации напряжений;

NQ_IN_!,N₂₎^f бавовые числа циклов нагружения;

Q - коэффициент, характеризующий состояние поверхности элемента.

К_с- эффективный коэффициент концентрации остаточных напряжений.

Здесь и в дальней!ей обозначение 1~тт (ХМ) означает, что величина £ выбирается ыеньией ив двух величин X ж Ц.

Сплошные линии - основной металл труб и соединительных деталей; пунктирные - сварные соединения. ■ - циклическая прочность труб,сваренных под слоен флюса,по Д1Ы2413;    •    -    цик

лическая прочность труб, сваренных высокочастотный нагревон.

по ДГО 2413-    *

а

Для примера на ряо. 2 я 3 представлена взаимосвяэь

/?    ~    t^X для различных вдементав трубопроводов is стали

Ст .60/45, характеризуемых коэффициентами к^. и к _с при различном состоянии поверхности - после обточки, после прокатки и в условиях коррозия (си.соотноиення (7) - (II) )•

Рис.З. Зависимость    Д^ля стали Ст.60/4-5, по

верхность после прокатки. Кривые 1,2 и 3 соответствуют следу-вцин значениям Kt: 1,0; 1,5; 2,0. Сплошные линии - основной металл труб и соединительных деталей, пунктирные - сварные соединения; штрих-пунктир - в условиях коррозии.

■ - циклическая прочность труб, сваренных под слоен флюса,по iUN 2413;    •    -    цикли

ческая прочность труб, сваренных высокочастотный нагревом.

по Д1Ы2413-

2.5. Нормативное сопротивление

_RW

определяется по

формуле

R^m(x) =mLn(%{x).R^aZH)_t

9

' ^utNj    ^Ы₁

равен отноиению циклического

предела текучести х предел; выносливости стали.

Для примера на рис.4 и 5 представлена взаимосвязь R^{Z) ~    для    некоторых    элементов    трубопровода    иэ    сте

ля От.60/45, характеризуемых значениями kf и к_с , при трех состояниях поверхности - после обточки, после прокатки и в условиях коррозии (си.соотноиення (12) - (13) ).

2.6. Рекомендуются следующие значения базовых чисел циклов: Nq * 2 х 10® циклов;    Л/_;    = 2 х 10 циклов;

А/2 * ² х 10** циклов;    Nj    = 2 х I0² циклов.

1

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

I.I. Рассматривается простое нагружение основных элементов трубопроводов, математически описываемое функциями ограниченной вариации в таком виде;