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

2007

РОССИЙСКАЯ АССОЦИАЦИЯ ЭКСПЕРТНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПОВЫШЕННОЙ ОПАСНОСТИ

РОСТЕХЭКСПЕРТИЗА

Серия 03

Нормативные документы межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности и охраны недр

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

РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ И ВИБРАЦИЮ СТАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

СА 03-003-07

МОСКВА

2007

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

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, газо-дувок) - 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.).

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

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 у_:. Типы нагрузок и воздействий, а также соответствующие коэффициенты надежности у_п 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 [<т] при расчете труб и соединительных деталей трубопровода на статическую прочность

- для углеродистых и низколегированных сталей

(и)

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

1.5.3.    При наличии смещения кромок сварных труб коэффициент прочности сварного соединения <р_у, определенный в соответствии с п. п. 1.5.1 и 1.5.2, должен быть уменьшен

пропорционально смещению кромок. Например, при смещении кромок на 15% значение коэффициента должно быть умножено на 0.85.

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

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

1.5.6.    Усиление сварного шва при определении коэффициента прочности <р не учитывается.

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

Таблица 1.2

Сталь	для труб
	Бесшовных	Электросварных
Аустенитная хромоникелевая и высокохромистая	0.6	0.7
Хромомолибденованадиевая при расчетной температуре:
- 510°Сименее	0.9	1.0
- 530°С и более	0.6	0.7
Углеродистая, марганцовистая и хромомолибденовая	0.9	1.0

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

1.5.8.    Коэффициенты прочности (p_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 <р_у, <p_w и (p_L с учетом условий эксплуатации и показателей качества элементов трубопроводов.

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

1.6 Расчетная и номинальная 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>s_R +с    0-3)

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

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

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

С = Cj + с_{2 ?}    0    *4)

где

Cj - технологическая прибавка, равная минусовому отклонению толщины стенки по

стандартам и техническим условиям;

с₂ - 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 с_х 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 + 2RID).

1.6.5.    Для деталей трубопроводов, получаемых сваркой из труб (секторные отводы, сварные тройники и т.п.) прибавка 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.

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

2 НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ

2Л 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 у. приведены в таблице 2.1. Расчетные значения нагрузок и воздействий определяются путем умножения нормативных значений на соответствующий коэффициент надежности у_г В обоснованных случаях допускается принимать другие значения коэффициентов надежности у_х.

Таблица 2.1

Нормативные нагрузки и воздействия Способ прокладки Коэффици-ент надежности yi Вид шифр характеристика подземный в канале Над зем ный Достоян- ные 1 Собственный вес труб, деталей, арматуры и обустройств + + 1.1 2 Вес изоляции -н + 1.2 3 Предварительная растяжка трубопровода, натяг упругих опор, трение в опорах скольжения + + 1.0 Длительные вре-менные 4 Внутреннее давление + + 1.0 5 Температурные деформации + + 1.0 6 Вес транспортируемого вещества + + 1.1 7 Вес отложений и конденсата + + 1.2 Кратковре- менные 8 Снеговая - + 1.4 9 Г ололедная - + 1.3 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

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

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

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 испытаний 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:

<?„ = S₀/jD_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], // - 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:

(Н/м),    (2.2)

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

где статическую W_etc и динамическую W_dyr! 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_gri=0.0llb_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.

(2.4)

2.2.3.    Спектр частот пульсации, генерируемых поршневыми и центробежными машинами

^Jip '“«Г’

где / = 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)

/*=(200 + 500)-^-,

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

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

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 пусконаладочных работ.

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

- для трубы с акустически открытыми или закрытыми концами:

0.5/-С

(2.6)

- для трубы с одним акустически открытым концом

0.25(2*-1)С

Jip-    _L

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

(2.7)

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 давле

нием

\F\-D

^R 2^[сг]+|р|

3.1.2. Допустимое внутреннее избыточное давление Гп1 _ ²[<y]<Py{sc)

^{1 J} D-(s-c)

3.2 Отводы

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

(3-1)

(3.2)

>RO

~~ k\^SR ,

(3.3)

где коэффициент к_г берется по табл. 3.1.

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

Таблица 3.1

R/(D-sr)	>2.0	<1.0
	1.00	1.30

Примечания: для промежуточных значений Ri(D — s_R), k_x определяется линейной интерполяцией.

3.2.2. Расчетная толщина стенки секторных отводов (рис. 3.1,6) вычисляется по формуле

^SRO

= k₂s_R

(3.4)

Для нормализованных отводов, состоящих из полусекторов и секторов с углом скоса а < 22.5°, величина к₂ рассчитывается по формуле

4 R-D + s_r ² 4R-2D + 2s_r

(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

^SRO=^k2-SR^l<Py    (³-⁶)

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

Sro = тах(5_я / <р_у,к₂-s_R)    (3-7)

Примечание. В формулах (3.6) и (3.7) s_R определяется по формуле (3.1) при <р_у = 1.0, а величина к₂ - по формуле (3.5).

Разработан:

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

В разработке стандарта приняли участие:

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

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

B. В. Усинын, 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 ООО «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 полу проходных 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».

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен без письменного разрешения Ассоциации «Ростехэкспертиза».

Таблица 3.2

Гнутые и Секторные Штампосварные крутоизогнутые нормализованные рис. 3.1,в рис. 3.1,г по табл. 3.1 к2 по формуле 3.5 кг'<Ру та х(к2;1/ру) к2 - по формуле 3.5

3.2.4. Допустимое внутреннее давление в отводах:

kt

D—

где коэффициент k_j берется из таблицы 3.2.

3.3 Переходы

(3.8)

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

^SRn 2 <р_у [a] cos а+|fj Формула (3.9) применима при соблюдении следующих условий:

(3.9)

при а <15°

0.003 <

{D-2s

: <0.35’

ЕЛ)

при 15° < а < 45°

0.003<т-^ш—: <0.15

(D 2s_Rn)

D_n 2 • s_R

к) — 2 ‘ s n

2 sin а л/cos а

1 + -

D-2-S,

Угол наклона образующей а рассчитывается по формуле

а ~ arctg-

D-D

п

21

D-2-s,,

(3.10)

в которой D, D_n и £ принимаются в соответствии с рис. 3.2,а или рис. 3.2,6. 3.3.2. Допустимое внутреннее давление в концентрических переходах 2[a]<p (s-c)cosa

И=^:

D-(s-c)

(3.11)

3.3.3. Расчетную толщину стенки эксцентрических переходов (рис. 3.2,6) допускается определять по формулам для концентрических переходов.

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

Оглавление

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

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.............................................................................6

1    ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ............................................................................................................9

1.1    Область применения..........................................................................................................9

1.2    Классификация трубопроводов....................................................................................10

1.3    Основные положения по расчету на прочность и вибрацию..................................10

1А    Допускаемые напряжения.............................................................................................11

1.5    Коэффициенты прочности сварных соединений......................................................12

1.6    Расчетная и номинальная толщины стенок элементов..........................................14

2    НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ.............................................................................................15

2.1 Нагрузки и воздействия при расчетах на статическую и циклическую прочность .............................................................................................................................................15

2.2    Динамические нагрузки и воздействия при расчетах на вибрацию.....................17

3    РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ТРУБ И ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ

ВНУТРЕННЕГО ИЗБЫТОЧНОГО И НАРУЖНОГО ДАВЛЕНИЯ (ВАКУУМНЫЙ ТРУБОПРОВОД).........................................................................................................................................18

3.1    Трубы..................................................................................................................................18

3.2    Отводы...............................................................................................................................18

3.3    Переходы............................................................................................................................20

3.4    Тройники и врезки............................................................................................................21

3.5    Заглушки...........................................................................................................................23

3.6    Расчет на действие наружного давления (вакуумный трубопровод)...................26

4    ВЫБОР РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ТРУБОПРОВОДА.........................................................26

5    ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ..................................27

5.1    Основные положения. Этапы расчета.........................................................................27

5.2    Применение и учет монтажной растяжки...................................................................29

5.3    Определение нагрузок, передаваемых трубопроводом на оборудование, опоры и

строительные конструкции...................................................................................................................30

5.4    Условия прочности.........................................................................................................30

5.5    Расчетные напряжения в трубах, отводах, тройниках и врезках..........................32

5.6    Расчет на циклическую прочность..............................................................................36

5.7    Расчет на длительную циклическую прочность.......................................................37

5.8    Расчет местной устойчивости стенок вакуумного трубопровода.......................38

6    РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ВИБРАЦИЮ...................................................................39

6.1    Расчет собственных частот...........................................................................................39

6.2    Расчет вынужденных колебаний трубопровода........................................................42

6.3    Критерии вибропрочности..............................................................................................43

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РАСЧЕТ ДЛИНЫ ПРОЛЕТА ТРУБОПРОВОДА.................................46

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. УЧЕТ ПОВЫШЕННОЙ ГИБКОСТИ ОТВОДОВ, ТРОЙНИКОВ И ВРЕЗОК.........................................................................................................................................................47

1.    Отводы...............................................................................................................................47

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

2.    Тройники и врезки.............................................................................................................48

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ВЫБОР ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ.................................................50

1.    Типы ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ..........................................50

2.    Расчетные условия и выбор стандартных фланцев...................................................50

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ВЫБОР СИЛЬФОННЫХ И ЛИНЗОВЫХ КОМПЕНСАТОРОВ-------51

1.    Условные обозначения....................................................................................................51

2.    Типы компенсаторов и рекомендуемые области применения................................52

3.    Учет влияния компенсаторов при расчете трубопровода........................................53

4.    Расчетные условия и выбор компенсаторов...............................................................53

5.    Жесткость компенсатора...............................................................................................54

6.    Расчет гибких элементов ненормализованных сильфонных и линзовых

компенсаторов на статическую и малоцикловую прочность.......................................................56

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА ОТ ВИБРАЦИИ.....................................................................................59

1.    Технические решения по снижению пульсации потока, вибрации трубопровода

и виброзащите окружающих объектов................................................................................................59

2.    Снижение вибрации и виброзащита окружающих объектов...................................60

3.    Рекомендации по инструментальному обследованию и мониторингу

трубопроводных систем и нагнетательных машин при пуске и эксплуатации.........................62

4.    Нормирование пульсации потока и вибрации трубопроводов...............................63

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. РАСЧЕТ НАЗНАЧЕННОГО РЕСУРСА (РАСЧЕТНОГО СРОКА СЛУЖБЫ) ТРУБОПРОВОДА..................................................................................................................66

НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ..................................................................69

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

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, взры-во- и пожароопасность, токсичность);

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

-    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 подле 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, смещение 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.

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Термины и единицы измерения	Условное обозначение
Площадь поперечного сечения трубы, мм2	А
Укрепляющая площадь накладки, мм2	А
Укрепляющая площадь штуцера, мм2	А
Радиусы начальной и конечной полукруговых трещин, мм	а0, a j
Ширина накладки, мм	bn
Ширина уплотнительной прокладки, мм	Ь
Суммарная прибавка к толщине стенки, мм. Принимается согласно п. п. 1.6.3-1.6.6	с
Технологическая прибавка к толщине стенки, мм. Принимается согласно п. п. 1.6.3-1.6.6	сх
Прибавка к толщине стенки на коррозию и эрозию, мм. Принимается согласно п. п. 1.6.3-1.6.6	С2
Скорость звука, м/сек	С
Наружный диаметр трубы или детали, мм	D
Внутренний диаметр трубы или детали, мм	А
Номинальный диаметр (условный проход), мм	dn
Наружный диаметр кожуха изоляции (при отсутствии кожуха - наружный диаметр изоляции, при отсутствии изоляции -D^=D),mm	А.
Наружный диаметр штуцера (ответвления) или диаметр центрального отверстия в заглушке, мм	d
Допустимый диаметр отверстия, не требующего укрепления, мм	А
Внутренний диаметр штуцера (ответвления), мм	dt
Эквивалентный диаметр отверстия в детали с вытянутой горловиной, мм	<
Модуль упругости материала в холодном состоянии, МПа	А»
Модуль упругости материала при расчетной температуре,'МПа	Е
i-я частота собственных колебаний трубопровода, Гц	/,
i-я частота возмущающей нагрузки, Гц	fir
Параметр, характеризующий концентрацию напряжений изгиба в тройнике	Н
Высота выпуклой части заглушки, мм	h
Расчетные значения высоты внешней и внутренней части штуцера, мм	К> Ki
Момент инерции поперечного сечения трубы, мм4	I
Моменты инерции поперечного сечения штуцера, мм4	h
Полярный момент инерции поперечного сечения штуцера, мм4
Коэффициент интенсификации изгибных напряжений из плоскости тройника или отвода	*0

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

Термины и единицы измерения Условное обозначение Коэффициент интенсификации изгибных напряжений в плоскости тройника или отвода h Коэффициент интенсификации напряжений в отводах kt Коэффициент гибкости изогнутой трубы без учета стесненности деформации ее концевых сечений к, Коэффициент гибкости изогнутой трубы с учетом стесненности деформации ее концевых сечений К Амплитуда эффективного значения коэффициента интенсивности напряжений, соответствующего порогу усталости, МПа Расчетная длина элемента, мм 1 Длина трубы или пролета, м L Изгибающий момент, действующий из плоскости тройника или отвода, Нмм мй Изгибающий момент, действующий в плоскости тройника или отвода, Н-мм М, Крутящий момент, Н мм м, Погонная масса трубопровода, кг/м т Осевое усилие от дополнительных нагрузок, Н N Расчетное число полных циклов, соответственно от совместного действия внутреннего давления и дополнительных нагрузок и только от действия внутреннего давления К. Ncp Число полных циклов, соответственно от совместного действия внутреннего давления и дополнительных нагрузок и только от действия внутреннего давления Ncpd Число полных циклов, соответственно с амплитудой эквивалентного напряжения <jaei и с размахом колебаний давления АР, N.. Ncpi Допускаемое число полных циклов при вибрации IH Число оборотов вала, об/мин п Расчетное внутреннее избыточное или наружное давление, МПа. Принимается согласно п. 1.3.2 и 1.3.5 соответственно. р Допустимое избыточное внутреннее или наружное давление, МПа и Рабочее и условное давление, МПа Р,, Р.V Поперечные усилия, действующие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, Н Q{) ■> Qi Радиус кривизны осевой линии отвода, мм R Радиус скругления горловины в тройниковом соединении, мм г Номинальная толщина стенки трубы или фасонной детали, мм s Номинальная толщина стенки штуцера, мм Ч Расчетная толщина стенки магистрали тройника при <ру = 1.0, мм ч Расчетная толщина стенки штуцера тройника при <ру = 1.0, мм S0b Расчетные толщины стенок труб и фасонных деталей, мм SR> SRi

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

Термины и единицы измерения	Условное обозначение
Эквивалентная толщина стенки магистрали тройника, мм
Расчетная температура стенки трубопровода, °С. Принимается согласно п. 1.3.7	Т
Фиктивные температуры при расчете высокотемпературных трубопроводов на этапах 2 и 5 поверочного расчета, °С. Принимаются согласно п. 5.1.7	т т
Скорость потока в трубопроводе, м/с	V
Момент сопротивления поперечного сечения при изгибе, мм	W
Силовой фактор на i-том этапе расчета	X,
Коэффициент надежности для нагрузок или воздействий /-того типа	Yi
Безразмерный параметр, характеризующий пониженную жесткость отвода при действии изгибающего момента	Л
Коэффициент стеснения деформации изгиба на концах отвода	4
Сумма укрепляющих площадей, мм2
Временное сопротивление разрыву соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа	_ ~20 ’ <?я
Предел текучести соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа	_ _20
Условный предел текучести при остаточной деформации 0.2% соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа	20 °/>0.2> ар02
Условный предел текучести при остаточной деформации 1.0% соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа	20
Условный предел длительной прочности на ресурс 105 часов при расчетной температуре, МПа	ат/105
Условный предел ползучести при растяжении, обуславливающий деформацию в 1% за 105 часов при расчетной температуре, МПа	с , />1.0/10"
Расчетное кольцевое напряжение от внутреннего давления, МПа	а
Амплитуды эквивалентного напряжения полного цикла /-го режима нагружения, МПа	^ае * ^ ae i
Максимальная амплитуда напряжений при вибрации, МПа	^aev
Расчетная и допустимая амплитуды напряжений при вибрации, МПа	HJ
Эквивалентное напряжение, МПа
Суммарное среднее осевое напряжение от внутреннего давления, осевой силы и изгибающего момента, МПа
Среднее осевое напряжение от внутреннего давления, МПа
Осевое напряжение от изгибающего момента, МПа	°гМ
Напряжение от осевой силы, МПа
Допускаемые напряжения при расчетной температуре и при 20°С, МПа. Определяются согласно п. 1.4	Н< На,
Допускаемая амплитуда знакопеременных напряжений при циклических воздействиях, МПа	к]

CA 03-003-07 (СТП 09-07-03)

Термины и единицы измерения Условное обозначение Допускаемая амплитуда вибрации, мкм Касательное напряжение от кручения, МПа Т Коэффициент прочности элемента со сварным швом при растяжении. Принимается согласно п. п. 1.5.1-1.5.5 <Р, Коэффициент прочности элемента с поперечным сварным швом при изгибе. Принимается согласно п. 1.5.7 <pw Коэффициент прочности элемента с угловым сварным швом. Принимается согласно п. 1.5.8 <Pl Коэффициент прочности элемента, ослабленного отверстием. Вычисляются в соответствии с п. 3.4.3 9d Коэффициент усреднения компенсационных напряжений. Принимается согласно п. 5.1.7 X Коэффициент релаксации компенсационных напряжений. Принимается согласно п. 5.1.7 6 Параметр внутреннего давления (D, &р j-я низшая круговая частота собственных колебаний, радиан/с О) j j-я низшая техническая частота собственных колебаний, Гц fj

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 (у ~c)/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