ГОСТ 33961-2016
Котлы стационарные. Расчеты газоплотных конструкций

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

(МГС)

INTERSTATE COUNCIL FOR STANDARDIZATION, METROLOGY AND CERTIFICATION

(ISC)

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ

СТАНДАРТ

КОТЛЫ СТАЦИОНАРНЫЕ

Расчеты газоплотных конструкций

Издание официальное

Москва

Стандартинформ

2017

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1    РАЗРАБОТАН Техническим комитетом по стандартизации ТК 244 «Оборудование энергетическое стационарное», Открытым акционерным обществом «Таганрогский котлостроительный завод «Красный котельщик» (ОАОТКЗ «Красный котельщик»)

2    ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3    ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 27 сентября 2016 г. №91-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК(ИСО 3166)004—97 Код страны по МК (ИСО 3166) 004—97 Сокращенное наименование национального органа по стандартизации Армения AM Минэкономики Республики Армения Беларусь BY Госстандарт Республики Беларусь Киргизия KG Кыргызстандарт Россия RU Росстандарт Таджикистан TJ Т аджикстандарт

4    Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 марта 2017 г. № 124-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 33961-2016 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2018 г.

5    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты» (по состоянию на 1 января текущего года), а текст изменений и поправок— в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

© Стандартинформ, 2017

В Российской Федерации настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

6 Напряжения в мембранной конструкции

6.1    Классификация напряжений

Для мембранной конструкции используется декартовая система координат X, У, Z (см. рисунок 1). Компоненты напряжений обозначаются в соответствии с принятыми индексами координатных осей.

При проведении расчетов на прочность используются категории общих (мембранных и изгибных) и локальных (мембранных и изгибных) напряжений, т. е. соответственно напряжений, распределенных по всему сечению экрана, и напряжений, сосредоточенных в некоторой ограниченной зоне экрана и перераспределяющихся в случае перегрузки на внешнюю его область, окружающую данную локальную зону.

Под мембранными понимаются напряжения в расчетном сечении мембранной конструкции, равномерно распределенные (средние) по толщине стенки оребренной трубы.

Под общими мембранными напряжениями а_т1_ понимаются напряжения, действующие по всему сечению и (или) по всей высоте мембранного экрана и равные средним напряжениям по сечению мембранной конструкции. Например, напряжения, возникающие в углу топки от хлопка, относятся к категории общих, так как действуют по всей высоте конструкции; напряжения, возникающие в разъемах экранов, относятся к категории общих, так как действуют по всей ширине экрана.

Под локальными мембранными напряжениями о_т/ понимаются напряжения, действующие в локальной области: в одной или нескольких оребренных трубах или на некотором ограниченном участке по длине труб мембранной конструкции. Локальными считаются напряжения, возникающие в оребренных трубах, расположенных в зонах приложения локальных нагрузок или в зонах возникновения местных реактивных усилий, а также в зонах неравномерного действия механических нагружающих факторов, если их максимальные (минимальные) значения отличаются от средних по всему сечению более чем на 15 % (на основании практики проведения расчетов). Так, например, к категории локальных относятся напряжения, возникающие в экранах в зоне крепления подвесок, в районах приварки косынок, поясов жесткости, опорных элементов и др.

Под изгибными общими а_ь и локальными a_bL напряжениями следует понимать соответственно напряжения, возникающие во всем сечении экрана в результате общего и (или) локального изгиба. Изгибные напряжения в рассматриваемом расчетном сечении оребренной трубы изменяются от максимального положительного значения до минимального отрицательного.

Расчет напряжений от усилий должен производиться с учетом коэффициентов прочности сварных соединений, которые принимаются согласно подразделу 9.3.3.

6.2    Допускаемые напряжения

6.2.1    Основным допускаемым напряжением, которое используется для оценки прочности трубы при статическом нагружении, является номинальное допускаемое напряжение [о]_т, значения которого принимаются по характеристикам прочности с соответствующим запасом прочности согласно разделу 3 ГОСТ 33962.

6.2.2    При расчете мембранных стенок, выполненных из гладкихтруб со вставками из стали разных марок, допускаемые напряжения следует принимать отдельно для трубы и ребра (проставки).

Номинальные допускаемые напряжения для ребра (проставки) [о]_р для расчетного срока службы 10⁵ ч принимаются по таблице 4.

Таблица 4

Тег °С Номинальные допускаемые напряжения [а]р для сталей, МПа ВСтЗсп, ВСтЗпс 20 09Г2С 12MX, 12XM 15ХМ 12Х1МФ 300 96,0 Таблица 2.2 и таблица 2.3 ГОСТ 33962 320 90,0 340 85,0 350 82,0 360 79,0 380 74,0 400 68,0

Окончание таблицы 4

р 1— Номинальные допускаемые напряжения [а]р для сталей, МПа ВСтЗсп, ВСтЗпс 20 09Г2С 12МХ, 12ХМ 15ХМ 12Х1МФ 420 62,0 450 62,0 460 55,0 470 48,0 480 41,0 490 35,0 500 28,0 530 54,0 56,0 81,0 540 44,0 45,0 73,0 550 34,0 35,0 66,0 560 26,0 27,0 59,0 570 20,0 21,0 53,0 580 18,0 47,0 590 41,0 600 37,0 610 33,0 620 28,0

Коэффициент запаса устойчивости п_у при расчете мембранной конструкции на устойчивость по нижним критическим напряжениям в пределах упругости следует принимать равным 2,4 для рабочих условий.

6.3 Коэффициенты прочности сварных соединений

На первом этапе поверочного расчета при определении напряжений в расчетных сечениях 3-4 и 5-6 оребренной трубы и в поперечных сварных швах принимаются следующие значения коэффициентов прочности сварных соединений ф_№:

для сталей ВСтЗсп, ВСтЗпс, 10,20,12ХМ, 12МХ, 15ХМ,хролой

при определении напряжений от внутреннего давления, а также усилий P_z, P_x<p_w = 1;

при определении напряжений от изгибающих моментов M_zy, М_ху qy = 0,9;

для стали 12X1МФ

при определении напряжений от внутреннего давления, а также от усилия Р_гдля расчетных температур до 510 °Сф_и/= 1,для расчетной температуры 530 °Сивыше ф_№ = 0,7;

при определении напряжений от усилия Р_хдля расчетной температуры до 510 °С ф_ж= 1,0, для расчетной температуры 530 °С и выше ф_№ = 0,8;

при определении напряжений от изгибающих моментов M_zy, М_хуцпя расчетной температуры до 510 °С ф^ = 0,9, для расчетной температуры 530 °С и выше ф_№ = 0,6.

В интервале температур между 510 °С и 530 °С коэффициенты прочности определяются линейной интерполяцией между указанными значениями.

На втором этапе поверочного расчета коэффициенты прочности ф^ сварных соединений при определении напряжений о_ф(о_х) в расчетных точках 3, 4 и 5оребренной трубы и в поперечных сварных швах принимаются согласно таблице 5.

Таблица 5

Сталь Без отпуска После отпуска Углеродистая 0,8 1,0 Теплоустойчивая 0,6 0,8

9

7 Выбор основных размеров

7.1    Оребренная труба

7.1.1    Номинальная толщина стенки оребренной трубы определяется согласно разделу 3 ГОСТ 33962 из заданных значений расчетного внутреннего давления и номинального допускаемого напряжения. В качестве номинальной толщины стенки принимается максимальное из двух значений, соответствующих расчетным сечениям 1-1 и 3-4 оребренной трубы.

7.1.2    Допустимая высота [Л] ребра (проставки) при одностороннем q[^1} и двухстороннем q⁽L^2>

обогревах экрана должна определяться по номограмме (рисунок 3). На чертеже приняты следующие обозначения:

_t _ Г s.| — для плавниковых труб;

[s₂ —для гладких труб с вваркой полосы,

* _ J 1,3qr^^1> —при одностороннем обогреве экрана^-,

[ 1,3q^^1> +q[²⁾ —при двустороннем обогреве экрана.

7.2 Пояса жесткости

7.2.1    Пояса жесткости воспринимают изгибную нагрузку, возникающую в мембранном экране от действия избыточного давления или разрежения в топке (газоходе).

7.2.2    Расстояние между поясами жесткости 2L при их расположении перпендикулярно направлению экранных труб должно приниматься по наименьшему из двух значений:

в середине экрана для расчетного сечения 1-2 оребренной трубы

2L<^d_aJ([o]-o_pzyp*^-

в углу топки (газохода) для расчетного сечения 5-6 оребренной трубы

2L < l_sd_a 7М/р*,

ГД6 ^1, ^2 ' pd²

^pz 4 (d + s)s

коэффициенты, определяемые по рисункам 4 и 5;

среднее окружное напряжение от внутреннего давления в трубе, МПа.

Профиль и размеры балок поясов жесткости определяются из условия прочности и допустимого прогиба.

7.2.3 Максимальные изгибные напряжения а_ь в балке жесткости мембранного экрана определяются по формуле

Мь

где

M_b = p_Tx²L — максимальный изгибающий момент в балке при шарнирных связях в углу Н • мм;

М,

bq

2p,L А² + кВ² 3 /с + 1

максимальный изгибающий момент в бандаже (в жестко связанных между

топки,

собой

балках жесткости), Н • мм;

/ В

к = ^--коэффициент;

1_ВА

1_А, 1_В — момент инерции балок жесткости по ширине экрана А и В, мм⁴. По условиям прочности изгибные напряжения должны быть: при нормальных условиях эксплуатации а_ь<1,7[а]; при хлопке и аварийном разрежении <т_ь<2,2[а].

7.2.4 Касательные напряжения в балке жесткости определяются по формуле

_{т =} QS_max

где b — ширина сечения балки, мм.

ю

ГОСТ 33961-2016

his9 Гладкие трубы с вваркой проставки

A?/s1 Плавниковые трубы Рисунок 3

11

ГОСТ 33961-2016

Рисунок4

12

ГОСТ 33961-2016

^2 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1    0    0,1    0,2    0,3    0,4    0,5    0,6    0,7    0,8    0,9 Рисунок 5

Для двутавровых балок жесткости максимальные касательные напряжения в стенке определяются по формуле

_ 1,5Q b(hf+hj)

^Tmax bhf -(b

где Q = 2p_TxL — поперечная сила, H;

b — ширина полки, мм;

/7₁ — высота балки, мм; h₂ — высота стенки, мм; f₂ — толщина стенки, мм.

Условие прочности по касательным напряжениям: при нормальных условиях эксплуатации т<0,7[а]; при хлопке и аварийном разрежении т<[а].

Если балка жесткости находится под изоляцией, то температура стенки принимается равной температуре среды f_m, а если вынесена за изоляцию, то температура стенки принимается равной 20 °С.

13

7.2.5 Максимальный относительный прогиб w_b/2x балки жесткости при шарнирных связях в углу топки не должен превышать:

Щ - ¹ 2х 200’

где w_b = 0,42^7^.

H'h

В случае использования бандажей проверка величины относительного прогиба может не производиться. При применении бандажей необходимо выполнение конструктивных решений, позволяющих компенсировать разницу температурных расширений балки и мембранного экрана.

где Р = p_TxL — критическое усилие, Н;

7.2.6 Устойчивость плоской формы изгиба двутавровых балок жесткости обеспечивается при выполнении условия

кр

2bt³ + h f³

l_k = —1-?_2_ — геометрический фактор жесткости при чистом кручении,    мм⁴;

b — ширина полки, мм;

^ — средняя толщина полки, мм;

/?₂ — высота стенки, мм; f₂ — толщина стенки, мм.

Для котлов сверхкритического давления допускается использование ферм в качестве поясов жесткости. В этом случае относительные прогибы поясов жесткости и максимальные напряжения в элементах определяются расчетными методами; кроме того, производится проверка устойчивости сжатых элементов.

Располагать поперечные сварные соединения труб под поясом жесткости не допускается. Расстояние между сварным стыком панелей и средним сечением пояса жесткости рекомендуется принимать не менее 1 м. Расстояние от потолочного экрана или пода до ближайшего пояса жесткости должно быть не больше расстояния между поясами жесткости, вычисленного по приведенным формулам.

7.2.7 Растягивающая погонная нагрузка от избыточного давления (хлопка), а также сжимающая от разрежения передаются на экраны, при этом должно выполняться условие

р_х = хр_т<\р_х] = -\,5ys[o],

P(d_a ~s) [РД

— у. 0’36(^а ~^s) _ 1 = ₀

0,25 +

У/

где у — коэффициент, определяемый из уравнения

Приведенное трансцендентное уравнение решается методом последовательного приближения заданием величины [рД с погрешностью

s = [рД - 1.5y,s [ст] < 0,05,

где у, — минимальное значение положительного корня квадратного уравнения при [рД,

Первым приближением [рД _{= 1} может служить значение [р] соответствующее решению квадратного уравнения без учета внутреннего давления (р = 0).

Если указанное условие не выполняется, то погонная нагрузка должна передаваться на стягивающую полосу, необходимое сечение которой определяется по формуле

где [о_р] — номинальное допускаемое напряжение для стали полосы, МПа, принимается согласно таблице 4 при расчетной температуре стенки, равной максимальной температуре среды в экране.

7.2.8 В прямоточных котлах имеют место разверки температур, вызванные многоходовым движением среды. Разность температур среды в соседних трубах в любом из расчетных сечений мембранной конструкции регламентируется расчетом суммарных напряжений, определяемых по этапу 2 поверочного расчета.

14

ГОСТ 33961-2016

При выборе основных размеров принимается, что указанная разность не должна превышать 70 °С при номинальной теплопроизводительности котла и 90 °С при теплопроизводительности от 70 % и ниже. Разности температур, превышающие приведенные значения, должны быть обоснованы расчетом на циклическую прочность, выполняемым на этапе технического проектирования.

8 Требования к этапу 1 поверочного расчета на прочность

8.1    Определяются условно-упругие напряжения от расчетных нагрузок в расчетных сечениях стенки трубы (сечения 1-2 и 3-4 на рисунке 2) и ребра (сечение 5-6). Расчет производится для основного расчетного режима на ресурс 10⁵ ч.

8.2    Напряжения для выбранных зон конструкций определяются в зависимости от нагружающих факторов с учетом коэффициентов неравномерности и суммируются основным направлениям:

для трубы — по окружному ср, осевому Z и радиальному г, для ребра — по поперечному Хи осевому Z.

8.3    Значения коэффициентов неравномерности в каждом конкретном случае зависят от конструктивных особенностей рассматриваемых узлов и определяются расчетными или экспериментальными методами.

Коэффициент неравномерности осевых напряжений от действия нагрузок от массы на кромках отверстий горелок в экранах мощных котлов принимается равным К_н = 3,0.

Коэффициент неравномерности осевых напряжений от действия нагрузок от массы в разъеме экрана принимается:

при двухступенчатой схеме К_н = 2,01; при трехступенчатой схеме К_н = 1,5.

8.4    По суммарным напряжениям в расчетных сечениях оребренной трубы определяются главные напряжения a_v а₂, а₃.

8.5    Для расчетных сечений 1-2 и 3-4 сучетом радиального напряжения ст_гвтрубе главные напряжения определяются по формулам:

при наличии усилий сдвига

ф = 0₃5[ст_ф + o_z +    ~o_zf + 4т_vz],

а₂ = 0,5[су_ф + ct_z-    -a_zf+ 4т_vz],

°з ^_ ar

при отсутствии усилий сдвига

о, = а₀; о₂ = o_z; а₃ = а_г, если а,., > g_z > a_r;

<*1 ^{= CT}z- °2 ⁼ <v <7₃ = <7_r, если <T_Z > a_v > a_r.

8.6    Для расчетного сечения 5-6 ребра главные напряжения определяются по формулам: при наличии усилий сдвига

= 0,5[ст_х + ct_z + т](с_х -a_zf +4t_xz], а₂ = 0,5[ст_х + ct_z-V(^CTx -Vzf + 4t_xz],

ст₃ = 0,

при отсутствии усилий сдвига

ст, = а_х; ст₂ = ct_z; ст₃ = 0, если <т_х > ct_z > 0;

а, = a_z; ст₂ = 0; ст₃ = ст_х, если a_z > 0 > ст_х.

8.7    Эквивалентные напряжения а_е, сопоставляемые с допускаемыми по соответствующей категории напряжений, определяются по главным напряжениям. Для каждой категории напряжений следует

15

найти наибольшее значение эквивалентного напряжения при возможных сочетаниях изгибных напряжений с учетом знаков:

°з-

8.8    Условия прочности для рассматриваемого этапа расчета в зависимости от нагружающих факторов и расчетных сечений 1-2, 3-4 и 5-6 оребренной трубы представлены в таблице 6.

8.9    На каждой стадии оценки статической прочности в соответствии с таблицами 6 и 7 проводится проверка условия по общим напряжениям, а затем при наличии локальных напряжений — проверка условия по локальным напряжениям.

8.10    Котлы, сооружаемые в сейсмических районах, должны быть дополнительно рассчитаны с учетом воздействия сейсмических нагрузок. Расчет проводится на статическое нагружение при совместном действии внутреннего давления в трубах, нагрузок от массы, избыточного давления или разрежения в топке (газоходе) и сейсмических сил.

Расчет мембранных конструкций от ветровых и сейсмических сил производится раздельно (см. таблицы 6 и 7).

8.11    Для деталей опорно-подвесной системы котла и элементов крепления мембранной конструкции, а также каркаса, которые не нагружены непосредственно внутренним давлением и температура которых превышает 50 °С, расчет на прочность допускается выполнять только по этапу 1.

Условия прочности для этих деталей должны выполняться в соответствии с таблицей 6 с увеличением коэффициента при номинальном допускаемом напряжении на 10 % и с округлением в меньшую сторону.

При проверке деталей на смятие средние напряжения не должны превышать:

для подвижных шарниров, катков a_sm<1,5[a];

для неподвижных шарниров, катков a_sm<2,5[a].

При проверке деталей на срез от действия нагрузок в шарнирах, сварных швах, болтах и др. средние касательные напряжения не должны превышать x_sr <0,7[<т].

При расчете указанных деталей с учетом сейсмических нагрузок разрешается увеличение допускаемых напряжений: смятие на 50 % и срез на 20 %.

Таблицаб — Последовательность оценки статической прочности для расчетных сечений 1-2 и 3-4 оребренной трубы

Последовательность проверки Нагружающие факторы Нагрузки Условия по общим напряжениям Условия по локальным напряжениям Оценка по мембранным напряжениям Внутреннее давление + нагрузка от массы + наддув (разрежение) + реакция опоры Р. Pzq. Pxq, Mzyq, Mzyn, мпху (a), <1,1 [a] (a)1L<1,5[a] То же + сейсмическая нагрузка или аварийное разрежение P, 2PZ, Ш2у, Шху (a)1s< 1,5 [cr] (<t)isL<2,0[c>] Оценка по мембранным и изгибным напряжениям Внутреннее давление + нагрузка от массы + наддув (разрежение) + реакция опоры + ветровая нагрузка P> ^PZ’ X’ mzy, mxy (a)2 < 1,5 [a] (a)2/ < 2,0[a] Внутреннее давление + весовая нагрузка + хлопок P> £Pz, £Px, mzy, шху (a)2 < 1,5 [a] — Внутреннее давление + нагрузка от массы + наддув (разрежение) + реакция опоры + сейсмическая нагрузка или аварийное разрежение P> £Pz, £Px, mzy, mxy (a)2s<2,0[a]

Таблица 7 — Последовательность оценки статической прочности для расчетного сечения 5-6 оребренной трубы

Последовательность проверки Нагружающие факторы Нагрузки Условия по общим напряжениям Условия по локальным напряжениям Оценка по мембранным напряжениям Нагрузка от массы + наддув (разрежение) + реакция опоры Pzq> PXq (ст), < 1,2[ст] (<т)щ<1,6Ы То же + сейсмическая нагрузка или аварийное разрежение £PZ, ЕР*, ^М1уз, ЪМХУ5 (ct)is < 1,6[сг] (a)1s,<2,2 [а] Оценка по мембранным и изгиб-ным напряжениям Нагрузка от массы + наддув (разрежение) + реакция опоры + ветровая нагрузка ZPz, 2Р*, EMzy, EM*y (а)2 < 1,6[ст] (o)2,<2,2N Нагрузка от массы + реакция опоры + хлопок EPZ, ЕР*, mZY, emw (а)2<1,6[о] — Нагрузка от массы + наддув (разрежение) + реакция опоры + сейсмическая нагрузка или аварийное разрежение EPZ, ЕР*, mzy, ем*у (а)25<2,2[а]

9 Требования к этапу 2 поверочного расчета на прочность

9.1    При поверочном расчете на циклическую прочность (малоцикловуюусталость) определяются местные условно-упругие напряжения в расчетных точках 1,2, 3, 5оребренной трубы (см. рисунок2).

Напряжения могут определяться либо численными методами, либо с использованием приближенных зависимостей согласно рекомендуемым приложениям.

Расчет должен проводиться с учетом всех расчетных нагрузок и температурных полей для всех расчетных режимов.

9.2    При расчете на малоцикповую усталость должны учитываться следующие нагружающие

факторы:

-    изменение внутреннего давления в трубах при пуске-останове котла;

-    колебания внутреннего давления в трубах при изменении эксплуатационных режимов;

-    изменение избыточного давления, включая хлопки, или разрежения в топке и газоходе при пуске-останове котла;

-    колебания избыточного давления или разрежения в топке и газоходах при изменении эксплуатационных режимов;

-    изменение нагрузки от массы на трубы от влияния подвесок и при зашлаковке пылеугольных

котлов;

-    температурные изменения при пуске-останове, включая колебания при изменении эксплуатационных режимов;

-    температурные колебания при пульсации факела, шлаковании экранов и водяной очистке

экранов;

-    вибрация мембранной конструкции.

9.3    Расчетные напряжения вычисляются в зависимости от нагружающих факторов и суммируются по основным направлениям. Главные напряжения а,, а₂, <т₃ следует определять в расчетных точках оребренной трубы. По вычисленным главным напряжениям определяются эквивалентные напряжения в заданные моменты времени для каждого расчетного режима согласно ГОСТ 33964.

9.4    Составляющие главных напряжений <Х|, <т₂, <т₃ в расчетных точках оребренной трубы определяются с учетом местных концентраторов. Значения коэффициентов концентрации в каждом конкретном случае зависят от конструктивных особенностей рассматриваемых оребренных труб и узлов и определяются расчетными или экспериментальными методами.

9.5    Расчет на малоцикловую усталость производится по амплитудам условных напряжений согласно ГОСТ 33964.

9.6    Если температура металла в расчетных точках оребренной трубы ниже температуры начала интенсивной ползучести металла (для углеродистых сталей до f <400 °С и теплоустойчивых сталей до 480 °С), допустимая амплитуда напряжений определяется по графикам (рисунки 5.2 и 5.3 ГОСТ 33964).

17

ГОСТ 33961-2016

Содержание

1    Область применения...................................................1

2    Нормативные ссылки..................................................1

3    Термины и определения................................................4

4    Обозначения........................................................4

5    Общие положения....................................................5

6    Напряжения в мембранной конструкции.......................................8

7    Выбор основных размеров..............................................10

8    Требования к этапу 1 поверочного расчета на прочность...........................15

9    Требования к этапу 2 поверочного расчета на прочность...........................17

Приложение А (рекомендуемое) Расчет условно-упругих напряжений в оребренной трубе

от силовых воздействий.......................................19

Приложение Б (рекомендуемое) Расчет условно-упругих напряжений в оребренной трубе

мембранного экрана от весовых нагрузок............................22

Приложение В (рекомендуемое) Расчет условно-упругих напряжений от действия избыточного

давления (хлопка) в мембранных экранах топки (газохода).................24

Приложение Г (рекомендуемое) Расчет условно-упругих напряжений в оребренной трубе

от температурных воздействий...................................26

Если температура металла в расчетных точках оребренной трубы выше температуры начала интенсивной ползучести металла, оценку долговечности следует производить по формуле, учитывающей ползучесть согласно ГОСТ 33964.

9.7    Если в процессе эксплуатации при изменении каких-либо нагружающих факторов, перечисленных в п. 9.2 , возникают дополнительные колебания, частота которых больше частоты рассматриваемого цикла, то оценку долговечности следует производить согласно расчету на вибропрочность оборудования.

Примечания:

1    Для содорегенерационных котлов (СРК) и котлов для сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) за весь срок службы принимается:

-    при пуске из холодного и неостывшего состояний — 800 пусков-остановов;

-    разгрузки до нижнего предела регулировочного диапазона нагрузок— 1000 циклов.

2    Для котлов охладителей конверторных газов (ОКГ) за срок службы принимается:

-    для подъемного и опускного газоходов — 80 • 10³ плавок;

-    для кессона — 40 • 10³ плавок при 40 плавках в сутки.

3    Цельносварная топка и газоходы должны быть рассчитаны на 1500 хлопков за весь срок службы, если в техническом задании на проектирование не установлено другое количество хлопков.

4    Под числом пусков-остановов из неостывшего и горячего состояний понимается число пусков-остановов после остановки котла на нерабочие дни (24—55 ч) и на ночь (5—8 ч) соответственно при последующем пуске без расхолаживания оборудования.

9.8    Цельносварная топка котла должна быть рассчитана на общее количество [N\ пусков и остановов за весь срок службы, которое не должно быть меньше значений, указанных в таблице 8, если в техническом задании на проектирование не установлено другое количество циклов.

Таблица 8

Условия пуска-останова котла Количество пусков и остановов котла в зависимости от мощности и режима работы, не менее 500 МВт и более 300 МВт и менее базисный полупиковый базисный полупиковый Из холодного и неостывшего состояний 700 1500 1100 1500 Из горячего состояния 300 6000 900 6000 Разгрузки до нижнего предела регулировочного диапазона нагрузок 2 -104 ю4 2 • 104 ю4

9.9 Допускаемая амплитуда напряжений для расчетной точки 3 (см. рисунок 2) в случае вварки вставок между гладкими трубами и для точки 5 для плавниковых труб определяется по формуле

KJ w⁼⁽hwKl

18

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

КОТЛЫ СТАЦИОНАРНЫЕ Расчеты газоплотных конструкций

Stationary boilers. Gas-tight structures calculations

Дата введения — 2018—07—01

1    Область применения

Настоящий стандарт распространяется на котлы с цельносварной газоплотной конструкцией (см. рисунок 1), образованной мембранными экранами, представляющими собой сваренные друг с другом плавниковые трубы или гладкие трубы с проставками (см. рисунок 2). Конструкция может быть как опертой, таки подвесной и в соответствии с компоновкой котла иметь П-, Т-, Г-образную или башенную конфигурацию.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 23172-78 Котлы стационарные. Термины и определения

ГОСТ 33962-2016 Котлы стационарные водотрубные. Общие положения. Материалы идопусти-мые напряжения для деталей котлов, работающих под давлением

ГОСТ 33964-2016 Котлы стационарные водотрубные. Поверочный расчет. Расчет на статическую прочность. Расчет на циклическую прочность. Расчет на сопротивление хрупкому разрушению

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте национального органа Российской Федерации по стандартизации в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться замененным (измененным) документом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

Издание официальное

ГОСТ 33961-2016

1 — жесткий диск каркаса; 2 — тарельчатые пружины; 3 — хребтовая балка; 4 — подвески; 5 — потолок котла, б фестон, 7— пояса жесткости; 8— площадка обслуживания; 9 — переходный газоход; 10— конвективная шахта: 11 — трубы верти

кальные; 12 — горелки; 13 — колонна каркаса; 14 — холодная воронка

Рисунок 1

2

ГОСТ 33961-2016

i__L_LLL_L_LLi__L_LLL_L_Li

а

а — мембранный экран из плавниковых труб; б — мембранный экран из гладких труб; в — схема приложения усилий и моментов коребренной трубе

Рисунок 2

3

3    Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины в соответствии с ГОСТ 23172.

3.1 оребренная труба: Плавниковая труба, т. е. труба, изготовленная металлургическим способом вместе с плавниками как единое целое, либо гладкая труба с приваренными к ней ребрами.

4    Обозначения

ГОСТ 33961-2016

Окончание таблицы 1

Символ Наименование Единица измерения Общие мембранные напряжения МПа ®mL Локальные мембранные напряжения МПа Of, Общие изгибные напряжения МПа Of,L Локальные изгибные напряжения МПа м Допускаемые напряжения МПа °1> *%> *% Главные напряжения МПа % Окружные напряжения МПа Осевые напряжения МПа Or Радиальные напряжения МПа Ox Поперечные напряжения МПа Tcpz; txz Касательные напряжения МПа Oe Эквивалентные напряжения МПа csm Напряжения смятия МПа Напряжения среза МПа IN] Допускаемое число циклов [oj Допускаемая амплитуда напряжений МПа Ф2w Коэффициенты прочности сварных соединений Критерий Био

5 Общие положения

5.1    В основу расчета положен принцип оценки прочности конструкции по несущей способности, которая определяется предельным состоянием перехода наиболее нагруженного сечения из упругого состояния в пластическое. При этом напряженное состояние определяется по гипотезе Треска-Сен-Венана наибольшими касательными напряжениями. Характеристики пластичности сталей, применяемых при изготовлении оребренных труб, позволяют проводить оценку прочности по упруго-пластическим напряжениям, т. е. выполнять расчет по упругой схеме.

Обычно под расчетом на прочность понимается поверочный расчет, служащий для проверки выполнения условий прочности при заданных основных размерах конструкции и расчетных нагрузках.

5.2    Допускается использование других методов расчета на прочность цельносварных мембранных конструкций при условии согласования метода расчета с разработчиком и при обеспечении нормативных запасов прочности.

5.3    Последовательность выполнения расчетов на прочность

Расчет на прочность мембранных конструкций выполняется после выбора основных размеров. Исходя из сложившейся практики проектирования и расчетов котлов, а также из-за необходимости последовательного учета основных видов нагрузок, определяющих надежность эксплуатации, в основу методики положен принцип разделения поверочного расчета прочности мембранных конструкций на два этапа: расчет на статическую прочность и расчет на циклическую прочность.

Для опертых мембранных конструкций выполняется расчет на устойчивость.

Выполняется расчет на статическую прочность от воздействия механических нагрузок, причем на этом этапе должны быть учтены не только статические нагрузки, но и максимальные значения нагрузок от хлопка, аварийного разрежения и сейсмики, одноразовое воздействие которых может привести к недопустимым пластическим деформациям или к разрушению всей мембранной конструкции.

5

В результате расчета определяются условно-упругие мембранные напряжения в стенках труб и в ребрах (проставках), а также изгибные напряжения, условно приведенные к мембранным, с учетом соотношения между упругим и пластическим моментом сопротивления и производится проверка условий прочности для расчетных сечений 1-2, 3-4, 5-6 оребренных труб (см. рисунок 2).

Расчет на циклическую прочность предназначен для оценки усталостной прочности при механических и температурных воздействиях. В результате расчета определяются амплитуды знакопеременных условно-упругих напряжений в расчетных точках 1, 2, 3, 4 и 5 (см. рисунок 2) оребренных труб и производится проверка условий прочности. На основании поверочного расчета определяется расчетный ресурс мембранных поверхностей нагрева котла в соответствии с заданным числом пусков из холодного и горячего состояний. При проведении поверочного расчета на прочность мембранных экранов необходимо учитывать допуски на изготовление, а также утонение стенок труб от коррозионно-эрозионного износа и влияние внутренних отложений в трубах.

5.4    Расчетные режимы

Основным расчетным режимом при оценке статической прочности (этап 1) является стационарный режим при номинальной производительности и параметрах пара котла.

Дополнительные режимы: работа при повышенной теплопроизводительности котла до 110 %, с выключенными подогревателями высокого давления (ПВД), на скользящем давлении.

Расчетными режимами при оценке циклической прочности (этап 2) являются нестационарные режимы, вызванные циклическими изменениями расчетных параметров в период работы котла, в том числе пусками из холодного, горячего и промежуточных состояний и остановами, включая аварийные.

5.5    Расчетные зоны и узлы

Расчетными зонами являются наиболее напряженные зоны топки (газохода): зоны стыковых сварных соединений, разъемы экранов, сопряжения панелей с разной температурой среды, места расположения и размеры отверстий под горелки, лазы, смотровые лючки, обдувочные аппараты, зоны опорных и подкрепляющих элементов (включая антисейсмические), места расположения подвесок, а также другие конструктивные особенности.

Проверке подлежат сечения с наибольшими весовыми нагрузками: верхний ярус горелок, разъемы экранов, места крепления подвесок, сечения с максимальными тепловыми потоками, а также сечения на уровнях антисейсмического раскрепления котла. Расчетные сечения, как правило, принимаются на уровне пояса жесткости и посередине между поясами.

При использовании ЭВМ расчет выполняется для всей конструкции с автоматическим контролем напряжений в наиболее нагруженных элементах и с последующим уточнением результатов для отдельных зон.

5.6    Расчетные температуры

На первом этапе расчета на прочность для оребренной трубы вводятся три расчетных сечения (1-2, 3-4 и 5-6 на рисунке 2). Под расчетной температурой в каждом сечении следует понимать среднюю температуру, по которой определяется допускаемое напряжение, а также принимаются характеристики металла a_t, E_t, \, а₂для оребренной трубы.

На втором этапе рассматриваются напряжения в расчетных точках 1,2, 3, 4 и 5 оребренной трубы (указанных трех расчетных сечений). Под расчетной температурой в каждой точке следует понимать максимальную температуру в каждом расчетном цикле, при которой производится расчет на циклическую прочность.

Значения расчетных температур определяются на основании тепловых расчетов или по результатам испытаний с учетом повышения этих температур за счет внутренних отложений в межпромывочный период.

Под допустимой температурой металла следует понимать наибольшее значение температуры, для которой допустимо применение в оребренной трубе данной марки стали.

Для металла труб допустимая температура установлена согласно разделу 1 ГОСТ 33962.

Для металла ребра (проставки) допустимая температура указана в таблице 2.

Таблица 2

Марки сталей ВСтЗсп, ВСтЗпс 10, 15, 20 12МХ, 12XM 15ХМ 12Х1МФ Температура, °С 420 500 540 560 600

ГОСТ 33961-2016

В случае выполнения оребрения вваркой проставки электродуговой сваркой или токами высокой частоты допускается использование для трубы и ребра стали разных марок одной группы.

5.7 Расчетные нагрузки

5.7.1    Под расчетными нагрузками, действующими на оребренную трубу, понимают внутренние усилия (силы и моменты) в мембранных экранах, возникающие в результате действия на мембранную конструкцию силовых и температурных нагружающих факторов.

К основным нагружающим факторам относятся:

-    внутреннее давление в трубах;

-    весовые нагрузки (с учетом присоединенного оборудования);

-    избыточное давление или разрежение в топке (газоходе);

-    температурные воздействия.

Кроме указанных могут иметь место дополнительные нагружающие факторы, возникающие при нарушении нормальных условий эксплуатации и учитываемые отдельно: хлопок, аварийное разрежение, вибрация, ветер, сейсмическое воздействие.

В зависимости от характера воздействия и конструктивных особенностей расчетные нагрузки подразделяются на общие, действующие по всему поперечному сечению и (или) по всей длине труб мембранной конструкции, и на локальные, действующие на ограниченном участке.

Неравномерное распределение температуры по площади мембранной конструкции приводит к возникновению общих нагрузок в плоскости экранов, а температурный градиент между лобовой и тыльной поверхностями экрана — к возникновению общих изгибных нагрузок. Неравномерное распределение температуры по сечению оребренной трубы приводит к возникновению локальных нагрузок в плоскости трубы и локальных изгибных нагрузок.

В зависимости от характера изменения нагружающих факторов расчетные нагрузки могут иметь статический или циклический характер.

К статическим относятся нагрузки, изменения которых в процессе эксплуатации не превосходят 15 % от средних значений; к циклическим относятся нагрузки, размах колебаний которых превышает 15%.

При поверочном расчете принимается такое сочетание одновременно действующих нагрузок, при котором возникают наибольшие суммарные напряжения.

5.7.2    В зависимости от работы котла — под избыточным давлением (наддувом) или под разрежением — следует проверить мембранную конструкцию на заданное избыточное давление или разрежение. Эти расчеты проводятся для основного расчетного режима при расчетных температурах, соответствующих номинальной теплопроизводительности котла.

Если величина в топке (газоходе) не более 5 • 10^-4 МПа, то расчет мембранной конструкции на разрежение допускается не производить.

При работе котла под разрежением расчетное давление в топке (газоходе) принимается как для хлопка.

При работе котла под избыточным давлением расчетное давление в топке (газоходе) для хлопка принимается увеличенным по сравнению с максимальным рабочим давлением на величину, указанную в таблице 3.

Таблица 3

Поперечное сечение топки или газохода 2А х 26, м2 Расчетное давление при хлопке рт-10 3, МПа Менее 2 10 От 2 до 10 От 10 до 7 От 10 до 50 От 7 до 5 От 50 до 100 От 5 до 3 Свыше 100 3

В обоих случаях проверка прочности мембранной конструкции при хлопке производится на базе расчетной температуры, равной температуре среды при номинальной теплопроизводительности котла.

Величина аварийного разрежения, возникающего в топке (газоходе) при аварийном останове котла 300, 500, 800 и 1200 МВт в момент отключения горелок, принимается равной:

-    для газомазутных котлов р_а = 6,5 • 10^-3 МПа,

-    для пылеугольных котлов р_а = 5,0 • 10^-3 МПа.