ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Расчет на прочность типовых узлов трубопроводов

Издание официальное

Москва

Российский институт стандартизации 2021

Предисловие

1    РАЗРАБОТАН Акционерным обществом «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н. А. Доллежаля» (АО «НИКИЭТ»)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 322 «Атомная техника»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 20 октября 2021 г. №> 1178-ст

4    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5    Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии не несет ответственности за патентную чистоту настоящего стандарта. Патентообладатель может заявить о своих правах и направить в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии аргументированное предложение о внесении в настоящий стандарт поправки для указания информации о наличии в стандарте объектов патентного права и патентообладателе

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационно системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.nj)

©Оформление. ФГБУ «РСТ». 2021

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 И

- для штампованных тройников из бесшовных труб (см. рисунок 6.2) следует использовать выражения:

1В_а    НО Hi ЮНА* to

В_е=0,75 С* но не менее 1,0 '

где с₂ определяют по о. j.j.

Рисунок 6.2 — Штампованный тройник из бесшовных труб

6.2.4    Для труб, отводов и тройников при 50 S DJs S 120 коэффициенты интенсификации приведенных напряжений группы (а)₂ умножают на 1/{ХУ). где X = 1.3 - 0,006 DJs, но не более 1,0. У = 1.0224 --0,0005947. но не более 1.0, для углеродистых и легированных сталей; для аустенитных сталей У* 1.0.

6.2.5    При определении результирующего момента в расчетном сечении предварительно должны быть определены его составляющие по каждому направлению осей координат М, (/ = х, у, z). Момент

следует определять как алгебраическую сумму моментов в направлении оси i от всех рассматриваемых нагрузок. Если метод расчета на динамические нагрузки (например, линейно-спектральный метод) не позволяет определить алгебраические знаки моментов, то при их суммировании с другими моментами следует использовать наиболее консервативную комбинацию знаков.

6.2.6    Определение знака для моментов показано на рисунке 6.3.

Результирующий момент M_K__f на магистральной части тройника следует определять следующим образом:

-    если по оси i (/' = х. у. z) моменты М_п и М_л одного знака, то М_1Г принимают равным нулю;

-    если моменты М_п и М_а разного знака или у обоих моментов знаки не определены, то М._г полагается равным наименьшему из них по абсолютному значению;

-    определение результирующего момента М_и следует проводить после определения значений М„.

Моменты соответствуют обозначениям М_в на рисунке 6.3.

Моменты M_v и подставляют в формулы (6.5) для определения значений результирующих моментов М_1г и Ms__a на магистральной части и ответвлении тройника.

Моменты, действующие на ответвление, следует определять при d_mID_m > 0.5 относительно осей координат с началом в точке пересечения продольных осей магистральной части и ответвления, а при dJD_m £ 0.5 — через точку пересечения ближайшей образующей наружной поверхности магистральной части с продольной осью ответвления.

Моменты, действующие на магистральную часть тройника, следует определять относительно осей координат с началом в точке пересечения осей магистральной части и ответвления.

6.2.7    Изложенную в 6.2.1—6.2.6 методику расчета (о)₂ при статическом нагружении используют для вычисления (o_s)₂ при учете внешних динамических воздействий по ГОСТ Р 59115.9.

6.2.8    При расчете на сейсмические воздействия допускается исключить нагрузки от сейсмических смещений опор (ССО). если:

-    при сейсмическом воздействии уровня ПЗ нагрузки от ССО рассматривают в комбинации с другими кинематическими нагрузками;

-    при интенсивности сейсмического воздействия MP3 и выше, дополнительно проверяют следующие условия:

^.5(01.

А

где F_cco и М_ссо — амплитуда осевой силы и размах результирующего момента в сечении трубопровода. возникающие при сейсмических смещениях опор соответственно;

(о) — номинальное допускаемое напряжение при температуре рассматриваемого режима нагружения.

6.3 Расчет компонентов трубопроводов на приспособляемость

6.3.1 Расчет на приспособляемость следует проводить по группе категорий напряжений (o)_R, учитывающей изменение механических и кинематических нагрузок.

Напряжение (o)_R включает в себя размах общих (или местных) мембранных напряжений, общих плюс местных изгибных напряжений, компенсационных, а также общих температурных напряжений.

(6.7)

Условие приспособляемости, обеспечивающее отсутствие прогрессирующего изменения форм и размеров, имеет вид

Ы* * 3{а],

где [о] вычисляют при максимальной температуре цикла.

(6.8)

6.3.2 Для прямолинейной трубы значение (o)_R следует вычислять по формуле

где С, = С₂ = 1.0 и С₃ = 0.6;

Примечания

1 Если масса трубопровода, включая рабочую среду, изменяется в течение цикла нагружения, то это изменение механической нагрузки следует учитывать в расчете.

2    При определении размахов ДТ_д и A7_fi в зоне сопряжения компонентов трубопровода Л и В с различными толщинами стенок или с неодинаковыми теплофизическими характеристиками усреднение температур долж-но быть проведено в пределах расстояния yJd_As_A от места сопряжения для А Т_А и в пределах расстояния ^dgS_D для АТ_В. где d_A(d_B) — внутренний диаметр компонента А(В), s_A(s_B) — средняя толщина стенки компонента А\В) в пределах расстояния ^d_As_A(yjd_Bs_B). определяемая как среднеарифметическое значение толщин по его краям.

3    При отсутствии нормативного значения коэффициента а допускается вычислять его по формуле а = а⁵⁰ -- 0.6 («^,0° - ы⁵⁰). где значения и¹⁰⁰ и а⁵⁰ соответствуют средним значениям температурного коэффициента линейного расширения по ГОСТ Р 59115.2.

6.3.3 Для отвода значение (а)_я следует вычислять по формуле

(6.9)

И* ■ ^1*°» ⁴ 'w^aMl ^+С5^Еая|“а^л7а - ^ае^А7а| >

^ГА° ⁼ тШ’    ^{не    менее    1    0;    с}з^{= 1}

а^_т = 0,5 (о_оу + а_ок) — среднее значение окружного мембранного напряжения отвода при изменении внутреннего давления от до р_й.

6.3.4 Для тройникового соединения значение (a)_R следует вычислять по формуле

(6.10)

где

а) для тройников, представленных на рисунке 6.1, коэффициенты C_t# С_2о, С_2г и С₃ вычисляют по формулам:

, yww / чозег ,

*-"■{?) -к) й Ы

где s_e = s_D + s_p. если длина усиления ответвления L > 0.5Jd_m(s₀ +s_p); s_e = s_c. если L < 0,5^d_m(s_o +s_p).

При L<0,5^d_m[s_o+M_p) следует принимать r₂ts_B = 12;

Для сварных и кованых тройников, а также тройников с вытянутыми горловинами при r₂/s_e * 1.0 допускается принимать = 1;

2 1

но ж» иеж»1 Д

ts при Tf-SO.9

^иа

Для тройников с вытянутыми горловинами при учете известного значения г₂ величина С_2о делится на (1 ♦ 2г₂Ю_трК

При d_m s 0.5D_m:

С_2г = (d_m/2s_e)⁰-³, но не меньше, чем наибольшее из двух значений; 1.25 и 1.875 (1 - Q):

но не более 0.5.

С, * 1.8:

б)    для кованого тройника [см. рисунок 6.1в)] коэффициенты С,, С_2о. С_2г и С₃ следует вычислять в соответствии с перечислением а) 6.3.4 при D_m = DJ4 ♦ D,/4 + D/2. d_m = dJ4 + d,/4 ♦ d/2. s_r = D_a/4 + + D,/4 - D/2. s_D = s_e = dJ4 ♦ d,/4 - d/2. d_p = d_a/2 + d,/2.

в)    для штампованного тройника, у которого по техническим требованиям к изготовлению прочность под действием внутреннего давления не ниже, чем у стыкуемой с ним магистральной трубы (за счет выполнения условия S_max > S_r), следует принимать;

но на иаий* 2,0; й, -1,0.

6.3.5 Если неравенство (6.7) не выполняется, то следует провести проверку условий локализации пластической деформации в зонах концентраторов согласно 6.6.

6.4 Амплитуды местных напряжений

6.4.1    В данном подразделе приведена методика вычисления значения приведенного напряжения группы категорий (а_аЯ), соответствующего сумме общих и местных мембранных, общих и местных из-гибных. общих и местных температурных напряжений и напряжений компенсации с учетом концентрации напряжений. Напряжения определяют с учетом наличия сварного шва путем использования коэффициентов интенсификации, значения которых приведены в 6.5. Расчет на циклическую прочность выполняют по расчетным кривым усталости или уравнениям усталости основного металла.

6.4.2    Значение (о_аЯ) следует вычислять по формуле

AM

(о^)-0.еЖ^_т+0.1^-^+В.е«,С^_>и[«_лДГд-е_вД7'_а|-

-для прямолинейной трубы; К, = 1.0; К₂ = 1.0; К₃ = 1.0;

дм, - Jam*+дм*+дм*;

- для отвода: К_у - 1.0; К₂ = 1.0. К₃ = 1.0 (для секторного отвода К, = 1.2; К₂ = 1.8: К₃ = 1.7);

Км.+шУ | ^:

a_R — расчетная относительная овальность отводов (в процентах) равна

а_я = а ♦ 3 %,

11*1

вания атомной энергии [1]. %;

Р^-Р^ — максимальная относительная овальность согласно документам по стандарте а= 200 ^    _    тизации или требованиям федеральных норм и правил в области использо-

D_max, D_min — максимальный и минимальный наружные диаметры поперечного сечения отвода.

При гибке труб с зонным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) и для протяжных отводов: a_R = = а - 3 %. но не меньше 3 %.

Для секторных отводов: a_R = 0.

В расчете учитывают приращение момента дМ_г изгибающего в плоскости продольной оси отвода. Момент аМ. считают положительным, если он уменьшает радиус кривизны продольной оси отвода;

-    для тройниковых соединений в формуле (6.11)

ДЧ.    MV,    A

^К2^С2 ~w~ * ^К2й^С2о _w * ^К2г^С2г

О    г

где К, = 2.0; К_2о = 2.0; К_2г = 1.6; К₃ - 1,7 — для тройников сварных, кованых и с вытянутой горловиной; К, = 4,0; К_2о = К_2г - 1.0: К₃ = 1.0 — для штампованных тройников;

-    размахи ДГ, и ДТ₂ значений температур в формуле (6.11) определяют в соответствии с рисунком 6.4 по формулам (6.12), (6.13) и (6.14).

То

Т{у) - размах температуры при переходе из состояния «м в состояние «К»; Л7,. А Г, -- размахи значений температур; Гт — средняя температура по толщине стенки; s - толщине стенки Рисунок 6.4 — Расчетные размахи температур по толщине стенки

Средняя температура по толщине стенки

. о fit

\ Цу)*.    (6.12)

-ОД#

Значение Д Г, вычисляют по формуле

15* Ч*

^АГ1"3 i уЧу)«г-    <⁶¹³>

^ -ОД*

Значение Д Т₂ вычисляют по формуле

iT₂-mia{|r₀-rJ-0^'|4r,|;|T,-rJ-0,«>Tj;0}.    (6.14)

6.5 Коэффициенты интенсификации напряжений сварных швов

6.5.1    Для поперечного стыкового сварного шва С, = 1,0, С₂ = 1.0; С₃ = 0.6; К, = 1,2, К₂ = 1,8: К₃ = 1.7. При дополнительной механической обработке шва допускается принимать К, = К₂ = К₃ = 1.1.

Примечание — Под дополнительной механической обработкой стыковых сварных швов следует понимать двустороннюю механическую обработку, обеспечивающую плавный переход от металла шва к основному металлу и отсутствие концентраторов напряжений, например, вогнутости шва. Общая высота усиления шва не должна превышать 10 % от фактической толщины стенки в зоне расточки под сварку.

6.5.2    Для прямой трубы с продольным стыковым швом С, = 1.1; С₂ = 1.2; С₃ = 0.6; К_л = 1.2; К₂ = 1.3; К₃ = 1,2. При дополнительной механической обработке шва допускается принимать С, = С₂ = 1.0;

К, = К₂ = К₃ = 1,1. В месте пересечения продольного шва с поперечным, коэффициенты С₂. К,, С₂. и К₃ следует принимать равными произведению соответствующих значений.

6.5.3    Для отводов и тройников с необработанным продольным стыковым швом коэффициенты К, = К₃ = 1.6, К₂ = 1,7. При дополнительной механической обработке шва К, = К₃ = 1.3, К₂ = 1.4.

6.5.4    В случае, если отводы свариваются между собой (или длина прямого участка между соседними отводами меньше наружного диаметра прямого участка), коэффициенты С,. К,, С₂. К₂ и К₃ в месте сварного шва следует принимать равными произведению соответствующих коэффициентов отвода и поперечного сварного шва. Для секторных отводов и других компонентов трубопровода умножать коэффициенты интенсификации напряжений на соответствующие коэффициенты поперечного сварного шва не требуется.

При определении допускаемой амплитуды напряжений для сварного соединения в соответствии с ГОСТ Р 59115.9-2021 (пункт 10.13) величину коэффициента снижения циклической прочности сварного шва

_s принимают равной единице.

6.6 Проверка локализации пластической деформации в зонах концентраторов

6.6.1    Если рассчитанные по 6.3 значения (a)_R оказались выше 3(о], то следует убедиться в отсутствии прогрессирующего изменения формы и размеров компонента. Для этого необходимо провести проверку условий локализации пластической деформации в зонах концентраторов, изложенную ниже.

(6.15)

6.6.2    Приведенные размахи напряжений (c)_R. рассчитанные по формулам (6.8)—(6.10) на действие только компенсационной кинематической нагрузки, должны удовлетворять условию

(n)_R S 3{<т].

Примечание — В формулах (6.8)—(6.10) не учитывают слагаемое Сз£дв1а>»Дг^- адАТ_в|.

6.6.3    Значения (о)_я, рассчитанные по формулам (6.8)—(6.10) без учета компенсационных кинематических нагрузок, но с учетом слагаемого    -    а_ед7₀|.    также должны быть меньше или

равны 3[о].

Коэффициент С₃ для слагаемого С₃Е_ав\ч_аАТ_а - а_вд7_в| при этом следует принимать равным:

-    для прямолинейных труб — 0,5:

-    для отводов — 0,5;

-    для сварных и кованых тройников — 1,0:

-    для штампованных тройников — 0,5:

-    для поперечных и продольных стыковых сварных швов — 0.5.

Примечание — В данном случае коэффициент С₃ определяет мембранную составляющую местных температурных напряжений.

6.6.4    Если условия 6.6.2 и 6.6.3 выполняются, то необходимо перейти к расчетам по 6.7.

6.6.5    Если же одно из этих условий не выполняется, то требуется пересмотреть конструкцию компонента или условия его нагружения.

6.7 Амплитуды местных напряжений с учетом пластических деформаций

6.7.1 Амплитуду местных условных упругих напряжений с учетом концентрации пластических деформаций следует вычислять по формуле

/    ду    ,

(6.16)

<<v>- K,<V>

где

tOfpM

Кв-

¹-° *-[(i -«)/«(«-1)]    1] "р" ^аИ<Нк^<вв|М

У^я|*" Ик**"М

<<V> - О.БКД*., Ч-О/ЖД +-0ДК₃С_аЕ_лв1а_лЛТ_л-а^-,    (6.17)

^Kspc ~ коэффициент интенсификации деформаций в компоненте за счет пружинения трубопровода. Методика определения коэффициента К приведена в приложении Г;

К, = 1.4;

АМ_вк вычисляют для кинематических нагрузок по формулам для М_д, приведенным в 6.4.2;

ДМ_дт вычисляют по формулам для М_е, приведенным в 6.4.2. но только от действия механических нагрузок.

В расчете коэффициента К_е следует принимать;

-    для углеродистой стали п = 0.2 и т = 3.0;

-    для легированной и высокохромистой стали п = 0.2 и т = 2,0;

-    для аустенитной стали и никелевых сплавов п = 0.3 и т = 1.7.

6.7.2 Допускается вычислять амплитуду местного напряжения без учета эффекта пружинения по формуле

L    ^К    (6.18)

6.8 Дополнительное условие отсутствия ратчетинга в прямолинейных трубах

6.8.1 Прогрессирующее изменение форм и размеров прямолинейной трубы возможно за счет одностороннего накопления окружной деформации под действием постоянного внутреннего давления и циклического радиального перепада температур. Для исключения этого явления в любой момент циклического изменения радиального перепада температур величина ДГ, (см. рисунок 6.4) должна удовлетворять условию

^&Т'^<С~0,7£а ■

где С = 1.1 для углеродистых и легированных сталей и С = 1.3 — для аустенитных сталей; значение R^TpQ 2 соответствует температуре 7 = Т_т;

При определении значения X следует учитывать напряжения только от внутреннего давления.

6.8.2 Расчет по 6.8.1 не требуется, если выполняется условие

АТ, < kR^ToQ 2,

где ДГ, — размах температуры. ^еС;

^Rlo2 — предел текучести. МПа; к = 0,6 *С/МПа.

7 Упрощенный расчет на циклическую прочность компонентов низкотемпературных трубопроводов

7.1    Упрощенный расчет циклической прочности компонентов трубопроводов допустим при Г S Т, и при условии выполнения требований 6.3.

7.2    Упрощенный расчет циклической прочности компонентов трубопроводов независимо от числа циклов их нагружения выполняют при следующих условиях;

-    при пуске-останове разница температур по толщине стенки не превышает величину 0.5[(o_af )]/£«, а в соединениях компонентов из разнородных металлов — приращение температуры на участке с осевой длиной до ^ не превышает величины 0.5[(о_аЯ)1/|а_ЛЕ_Л -a_fl£_fl|, где значение [(о_эР)] определяют по расчетной кривой усталости или уравнениям усталости для N = 100 циклов;

-    при эксплуатации трубопровода на стационарном режиме разница температур по толщине стенки не превышает величину 0,5[(о_а/:)]/Еа. а в соединениях компонентов из разнородных металлов — приращение температуры на участке с осевой длиной до ^20^9 не превышает величины 0.5{(o_af)]/|a_/,E_/t -- a_eE_s|, где значение [(а_аЯ)] следует определять по расчетной кривой усталости или уравнениям усталости для N = 10⁶ циклов. При выполнении условий 7.1 и 7.2 уравнение (6.11) имеет вид

где необходимые обозначения даны в 6.4.2.

Примечание — Значения коэффициентов а_л и а_в определяют в соответствии с примечаниями к 6.3.2.

7.3 Определение допускаемого числа циклов по вычисленным амплитудам условных упругих напряжений выполняют в соответствии с требованиями 5.8.

8 Расчет компонентов высокотемпературных трубопроводов с учетом ползучести

8.1    Оценку прочности по напряжениям категории (о), следует проводить в соответствии с 8.1.1—

8.1.3.

8.1.1    Расчет напряжений (о), проводится в соответствии с 6.1. Расчет на статическую и динамическую прочность выполняют в соответствии с требованиями 5.5. Номинальные допускаемые напряжения [о] определяют по ГОСТ Р 59115.9-2021 [пункт 5.4, формула (5.1)).

8.1.2    Для режимов НУЭ и ННУЭ при значениях группы категорий напряжений (о), для прямолинейных труб с температурой Т > T_t от действия давления следует определять по формуле

Для остальных компонентов трубопровода при определении напряжений (а)₁ следует использовать численные методы.

Номинальные допускаемые напряжения [о], определяют по ГОСТ Р 59115.9-2021 [пункт 5.4. формула (5.2)].

В тех случаях, когда эксплуатация трубопровода включает два и более режимов нагружения при температуре выше T_v должно выполняться условие

2^ (82)

где Г. — продолжительность нагружения компонента напряжением (а),. в течение /-го режима при температуре Т. > Г₍ за весь срок службы;

[/], — допускаемое время нагружения, определяемое по кривой длительной прочности и соответствующее минимальному значению предела длительной прочности R^Tmt = 1,5(a)_1f;

/ — число режимов нагружения, отличающихся температурой T_t или напряжением (а)_и.

Примечание — При оценке длительной статической прочности допускается не рассматривать режимы, суммарная продолжительность которых за весь срок службы трубопровода не превышает 10 часов.

8.1.3 Допускается не проводить проверку прочности компонентов трубопровода по напряжениям (о), при выполнении требований Б.2 и Б.З.

8.2 Оценку прочности по напряжениям категории (о)₂ следует проводить в соответствии с положениями 8.2.1 и 8.2.2.

8.2.1 Расчет напряжений (а)₂ для оценки статической и динамической прочности проводят по формулам 6.2. Оценку прочности по напряжениям (а)₂ во всем интервале эксплуатационных температур проводят в соответствии с требованиями 5.5.

Номинальные допускаемые напряжения [о] определяют по ГОСТ Р 59115.9-2021 [пункт 5.4. формула (5.1)).

Для режимов НУЭ и ННУЭ. проходящих при температуре Т > Т,, дополнительно должно выполняться условие длительной статической прочности (о)₂ s [о],, где [о], — номинальное допускаемое напряжение. которое определяют по ГОСТ Р 59115.9-2021 [пункт 5.4, формула (5.2)] для температуры рассматриваемого режима и времени работы на данном режиме за весь срок службы трубопровода.

При определении (о)₂ в режимах НУЭ и ННУЭ к напряжениям от механической нагрузки добавляется треть значения напряжений компенсации.

Для оценки длительной статической прочности расчет напряжений категории (о)₂ проводят по следующим формулам:

- для прямолинейной трубы и отвода

(8.3)

где коэффициент Б для трубы равен единице, а для отвода следует вычислять по формуле (6.3);

- в поперечных сварных швах прямолинейных труб и отводов расчет следует проводить по формуле

Результирующий момент /И, в (8.3) и (8.4) вычисляют по формуле

*(w⁺¥j-    ⁽⁸-⁵>

где для отвода координаты х и у заменяют на / и о. а моменты с индексами «д» и «к» соответствуют моментам от механической и компенсационной нагрузок;

- для тройниковых соединений

(8.6)

где соответствующие коэффициенты В вычисляют по формулам 6.2.

Результирующий момент на магистральной части в формуле (8.6) вычисляют по формуле

В тех случаях, когда при эксплуатации трубопровода имеют место два и более режимов нагружения при температуре выше T_t. должно выполняться условие (8.2). в котором;

/₍ — суммарная продолжительность нагружения компонента напряжением (о)₂- в течение /-го режима при температуре Т, > Т, за весь срок службы;

[<]₍ — допускаемое время нагружения, определяемое по кривой длительной прочности и соответствующее минимальному значению предела длительной прочности R^Tml = 1,5(o)_2j:

i — число режимов нагружения, отличающихся температурой Г или напряжением (о)₂-, где (о)₂.— напряжения второй группы категорий для hго режима, рассчитанные по формулам (8.3)—(8.6).

Примечание — При оценке длительной статической прочности допускается не рассматривать режимы, суммарная продолжительность которых за весь срок службы трубопровода не превышает 10 часов.

8.3    Размах напряжений (o)_R для рассматриваемых компонентов трубопровода должен удовлетворять требованиям 6.3 и 6.8. При этом для циклов нагружения, проходящих при температуре выше Т_г в формуле (6.7) вместо величины 3[а] следует использовать меньшее из значений 3[о] и ♦ [о]), где — предел текучести при минимальной температуре цикла; [a]J — номинальное допускаемое напряжение, которое следует определять по ГОСТ Р 59115.9-2021 (пункт 5.4. формула (5.2)) для расчетной температуры и времени работы при температуре выше T_t за весь срок службы трубопровода.

8.4    Расчет длительной циклической прочности компонентов трубопроводов следует осуществлять согласно приложению В.

9 Коэффициенты податливости отводов и тройников в расчетах трубопроводов

9.1    Отводы

9.1.1    Коэффициент податливости отвода К_рЬ характеризует увеличение взаимного угла поворота сечений А и В (см. рисунок 9.1) под действием момента по сравнению с отрезком прямой трубы той же протяженности. Его следует вычислять как произведение коэффициентов податливости К_р, определяемого без учета стесненности деформирования концов отвода, и С учитывающего влияние стыкуемых с отводом труб

(9.1)

9.1.2 Коэффициент податливости отвода без учета стесненности деформирования концов следует определять по формуле

(9.2)

где величину Ь вычисляют следующим образом:

а, = 1.0100 + 1633.5Х² + 99.00о).

а, - \М 6fi+вв1,6Х²+63,00*

Содержание

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

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

3    Термины и определения................................................................2

4    Обозначения и сокращения.............................................................2

5    Общие положения....................................................................4

6    Расчет компонентов низкотемпературных трубопроводов....................................4

6.1    Первая группа категорий напряжений.................................................4

6.2    Вторая группа категорий напряжений..................................................5

6.3    Расчет компонентов трубопроводов на приспособляемость...............................8

6.4    Амплитуды местных напряжений....................................................10

6.5    Коэффициенты интенсификации напряжений сварных швов.............................11

6.6    Проверка локализации пластической деформации в зонах концентраторов.................12

6.7    Амплитуды местных напряжений с учетом пластических деформаций.....................12

6.8    Дополнительное условие отсутствия ратчетинга в прямолинейных трубах..................13

7    Упрощенный расчет на циклическую прочность компонентов низкотемпературных

трубопроводов......................................................................13

8    Расчет компонентов высокотемпературных трубопроводов с учетом ползучести................14

9    Коэффициенты податливости отводов и тройников в расчетах трубопроводов.................16

9.1    Отводы..........................................................................16

9.2    Тройники................................................................. 17

Приложение А (рекомендуемое) Альтернативная методика расчета типовых узлов

трубопроводов на прочность................................................19

Приложение Б (рекомендуемое) Альтернативная методика оценки прочности компонентов

трубопровода по группе категорий напряжений (а),.............................43

Приложение В (обязательное) Расчет на длительную циклическую прочность...................44

Приложение Г (рекомендуемое) Оценка пружинения трубопровода при кинематическом

нагружении в условиях упругопластического деформирования....................45

Библиография........................................................................48

%=Vffi7e+204,2b² +35,00**-

%

* -\ова»+37,л²+ю,оо»-^11,

b=V1250 +-1.5А.²+3.00QI _М!™§.

Параметры X и со вычисляют по формулам:

Ear'

9.1.3 Коэффициент £ определяют способом линейной интерполяции поданным таблицы 9.1.

Таблица 9.1 — Значение коэффициента Q

X Угол между торцовыми сечениями отвода ж 0* 30* 60‘ 90- 0’ зо- во- 90’ 0* 30’ 60' 90’ 0’ 30’ 60' 90’ Rtr*2 Rif 4 Rlr =■ в 0 0.0 0.12 0.25 0.42 0.0 0.18 0.37 0.58 0.0 0,24 0.47 0.65 0.0 0.28 0.55 0,70 0.2 0.12 0,27 0.43 0.60 0.12 0.34 0.56 0.78 0.12 0.39 0.66 0.84 0.12 0.42 0.73 0.88 0.4 0.24 0.43 0.62 0.77 0.24 0.48 0.73 0.88 0,24 0.52 0.80 0.91 0.24 0.54 0.84 0.93 0.6 0.37 0,55 0.73 0.82 0.37 0.59 0.81 0.90 0.37 0,61 0.85 0.93 0.37 0.62 0.88 0.94 0.8 0.49 0.63 0.77 0.85 0.49 0.66 0.84 0.92 0.49 0.68 0.88 0.94 0.49 0.69 0.90 0.95 1.0 0.60 0.72 0.83 0.89 0.60 0.74 0.88 0.94 0.60 0.75 0.91 0.96 0.60 0.76 0.93 0.96 1.2 0.73 0.80 0.88 0.92 0.73 0,82 0.91 0.95 0.73 0.83 0.94 0.97 0.73 0.84 0.95 0.97 1.4 0.85 0.89 0.93 0.96 0.85 0.90 0.95 0,97 0.85 0.91 0.96 0.98 0.85 0.91 0.96 0.98 1.65 1.00 1,00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

9.2 Тройники

9.2.1    В штампованных и кованых тройниках, а также в тройниках с вытянутой горловиной с любым отношением d_mID_m, а также в сварных тройниках с dJD_m г 0.5 принимается абсолютно жесткое соединение ответвления с магистральной частью в точке пересечения их осей.

9.2.2    Для сварных тройников с dJD_m < 0.5 предполагается наличие в точке А (см. рисунок 9.2) подпружиненного шарнира с углом поворота ДО и жесткой недеформируемой вставки с длиной, равной наружному радиусу магистральной части.

Коэффициент податливости К_рол при ортогональном изгибе вычисляют по формуле

Коэффициент податливости К_ро1 при плоском изгибе вычисляют по формуле

Геометрические размеры сварного тройника, соответствующие буквенным обозначениям в последних формулах, указаны в 6.2.3.

Введение

Настоящий стандарт взаимосвязан с другими стандартами, входящими в комплекс стандартов, регламентирующих обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Расчет на прочность типовых узлов трубопроводов

Rules for strength assessment of equipment and pipelines of nuclear power installations.

Strength analysis of typical pipelines components

Дата введения — 2022—01—01

1    Область применения

1.1    Настоящий стандарт устанавливает требования к проведению расчета на прочность типовых узлов (труб, тройников, отводов, их сварных соединений) трубопроводов атомных энергетических установок. на которые распространяется действие федеральных норм и правил в области использования атомной энергии [1].

1.2    Настоящий стандарт предназначен для применения при обосновании прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 59115.1 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Термины и определения

ГОСТ Р 59115.2 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, коэффициент Пуассона, модуль сдвига

ГОСТ Р 59115.4 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Длительные механические свойства конструкционных материалов

ГОСТ Р 59115.8-2021 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Расчет по выбору основных размеров

ГОСТ Р 59115.9-2021 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Поверочный расчет на прочность

Примечание — При пользования настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий гад. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение. в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

Издание официальное

3    Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 59115.1 и ГОСТ Р 59115.9, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1    механические нагрузки на компонент трубопровода: Воздействие на компонент трубопровода внутреннего давления, веса, а также динамических нагрузок.

3.2    кинематические нагрузки на компонент трубопровода: Воздействие на компонент трубопровода температурных расширений, смещений опор, монтажной растяжки и других факторов, влияние которых снижается при деформировании под их воздействием.

3.3    режим нагружения: Сочетание механических и кинематических нагрузок при определенной температуре и заданном периоде эксплуатации трубопровода.

3.4    коэффициент формы сечения при изгибе: Величина отношения предельной механической нагрузки при общем изгибе компонента из идеально-пластического материала к нагрузке, соответствующей началу пластического течения в рассматриваемом сечении компонента.

3.5    напряжения (усилия) компенсации: Напряжения (усилия), вызванные стеснением деформации от температурного расширения компонентов трубопровода и температурных смещений его опор.

3.6    приспособляемость: Способность компонента трубопровода упруго циклически деформироваться за счет создания в нем определенной системы остаточных напряжений после первых циклов упругопластического нагружения.

3.7    ратчетинг: Одностороннее нарастание необратимой деформации при циклическом нагружении компонента трубопровода.

3.8    пружинение системы (elastic follow-up): Перераспределение воздействия кинематических нагрузок между компонентами трубопровода, вследствие чего у более податливых компонентов происходит дополнительный рост необратимых деформаций, а кинематические нагрузки при статическом нагружении частично действуют как механические нагрузки.

3.9    рофоронсное напряжение: Напряжение в компоненте трубопровода, найденное упругим решением и деленное на коэффициент формы поперечного сечения при изгибе.

3.10    коэффициент интенсификации напряжений (деформаций): Коэффициент, характеризующий превышение напряжений (деформаций) в компоненте трубопровода по сравнению с прямой трубой.

4    Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте применены следующие условные обозначения и сокращения:

А — площадь поперечного сечения компонента, мм²;

В — коэффициент интенсификации напряжений изгиба от механических нагрузок;

В_2г В_2о — коэффициенты интенсификации напряжений изгиба от действия механических нагрузок в магистральной части и ответвлении тройникового соединения соответственно;

С, — коэффициент интенсификации напряжений от внутреннего давления;

С₂ — коэффициент интенсификации напряжений изгиба от механических и кинематических нагрузок;

С₃ — коэффициент интенсификации температурных напряжений:

С₂,. С_2о — коэффициенты интенсификации напряжений от действия механических и кинематических нагрузок в магистральной части и ответвлении тройникового соединения соответственно;

D_a — номинальный наружный диаметр трубы, отвода или магистральной части тройникового соединения, мм;

D_m — средний диаметр трубы, отвода или магистральной части тройникового соединения, мм;

d_a — номинальный наружный диаметр ответвления тройника, мм;

d_m — средний диаметр ответвления тройника, мм;

Е^т — модуль упругости при температуре 7, МПа;

Е — модуль упругости при температуре 7= 20 °С, МПа;

Е_ав — средний модуль упругости материалов компонентов трубопровода А и В при температуре 7= 20 “С, МПа;

L — длина утолщенной части ответвления тройника, мм;

М_х, М_у. М_г — моменты в поперечном сечении трубопровода относительно осей х. у и z. Н мм:

М_хд, М_уд, М_хд — моменты от механических нагрузок в поперечном сечении трубопровода относительно осей х, у и z, Н мм:

АМ_Х. АМ_у. AM_Z — размахи моментов в поперечном сечении трубопровода относительно осей х, у и z, Н мм:

ЛМ_хк, АМ_ук, АМ_1к — размахи моментов в поперечном сечении трубопровода от компенсации температурного расширения. Н мм:

ЛМ-. ДМ_а — размахи изгибающего момента в продольной плоскости отвода и в ортогональном направлении. Н-мм;

АМ_д — размах фиктивного изгибающего момента в овальном поперечном сечении отвода от действия внутреннего давления. Н мм:

Mg    — результирующий момент в поперечном сечении компонента. Н им;

AMj. =^&М^+ДМ^+ДМ^ — результирующий размах момента в поперечном сечении компонента. Н мм:

Ms_,, Ms_₀ — результирующий момент в магистральной части и ответвлении тройникового соединения соответственно. Н мм:

АМ_1г. АМ_1о — результирующие размахи моментов в магистральной части и ответвлении тройникового соединения соответственно. Н мм: р — давление избыточное. МПа;

А_р — размах давления. МПа;

R -— радиус кривизны продольной оси отвода, мм: г — средний радиус поперечного сечения изогнутой трубы (отвода), мм: г_т — коэффициент пружинения компонента при кинематическом монотонном нагружении; г_с — коэффициент пружинения компонента при циклическом кинематическом нагружении, ^rTP02 — минимальное значение предела текучести при температуре Г. МПа;

^Rmt — минимальный предел длительной прочности за время t при температуре Т. МПа; s — номинальная толщина стенки компонента, мм;

^smax — толщина стенки в меридиональном сечении штампованного тройника посередине его переходного участка, мм; s₀ — номинальная толщина стенки трубы, присоединенной к ответвлению штампованного тройника или тройника с вытянутой горловиной, мм; s_r — номинальная толщина стенки трубы, присоединенной к магистральной части штампованного тройника или тройника с вытянутой горловиной, мм; s — толщина усиления на части ответвления тройника, мм:

Т — средняя по толщине стенки температура в расчетном сечении компонента. °С;

Tf — температура, при превышении которой необходимо учитывать характеристики длительной прочности, пластичности и ползучести, °С;

Т_т — средне-интегральное значение температуры по толщине стенки компонента. ^еС: АТ_Л. АТ_в — размахи средних значений температур в зоне сопряжения компонентов трубопровода Л и В с различными толщинами стенок или с неодинаковыми теплофизическими характеристиками металла, °С:

W — момент сопротивления изгибу поперечного сечения трубы или отвода, мм³;

W_a, W_r — моменты сопротивления изгибу поперечных сечений ответвления и магистральной части тройника, мм³; х, у. г — обозначение осей ортогональной системы координат,

и^т — средний температурный коэффициент линейного расширения при изменении температуры от 20 °С до Г, 1ГС; а — температурный коэффициент линейного расширения при 20 °С. 1/°С; а_в — значения а сопряженных компонентов трубопровода А и в с различными толщинами стенок или с неодинаковыми теплофизическими характеристиками металла. 1/°С; а — овальность поперечного сечения (отношение разности максимального и минимального наружных диаметров сечения к их полусумме). %;

X — безразмерный параметр отвода (X = RJt²); ц — коэффициент Пуассона, принимаемый согласно ГОСТ Р 59115.2,

— окружное мембранное напряжение в стенке трубы от внутреннего давления, МПа:

абсолютное значение размаха окружного мембранного напряжения в стенке компонента при изменении внутреннего давления. МПа;

До^,

9

(«),. fa)₂ («Л

(°>r

<<V>

И

°,ef

Ф

напряжение под действием результирующего момента от механических нагрузок. МПа; напряжение под действием результирующего момента при компенсации температурных расширений трубопровода. МПа; группы категорий напряжений, МПа.

группа категорий напряжений с учетом сейсмических воздействий. МПа; размах напряжений. МПа;

амплитуда местных напряжений с учетом концентрации. МПа; номинальное допускаемое напряжение. МПа. референсное напряжение. МПа;

коэффициент снижения прочности продольного сварного шва в трубах согласно ГОСТ Р 59115.8-2021 (подраздел 6.3),

**

MP3

ННУЭ

НУЭ

ПЗ

коэффициент снижения прочности поперечного сварного шва в трубах при изгибе согласно

ГОСТ Р 59115.8-2021 (подраздел 6.3);

максимальное расчетное землетрясение;

нарушение нормальных условий эксплуатации;

нормальные условия эксплуатации;

проектное землетрясение.

5 Общие положения

5.1    Настоящий стандарт устанавливает требования к расчету низкотемпературных и высокотемпературных трубопроводов атомных энергетических установок. К классу низкотемпературных трубопроводов относят трубопроводы с температурой Т S Г_{. где Т, определяют согласно ГОСТ Р 59115.4. К классу высокотемпературных трубопроводов относят трубопроводы с Т > Т,. В расчетах компонентов высокотемпературных трубопроводов должен выполняться учет ползучести.

5.2    Основные размеры компонентов трубопровода должны удовлетворять требованиям ГОСТ Р 59115.8—2021.

5.3    Допускается выполнять расчет на прочность типовых узлов трубопроводов по методикам, изложенным в приложениях А и Б.

5.4    Номинальные допускаемые напряжения определяют по ГОСТ Р 59115.9-2021 (раздел 5).

5.5    Проверку прочности для групп категорий напряжений (о), и (ст^ при статических и динамических нагрузках следует проводить по ГОСТ Р 59115.9-2021 (пункты 8.2 и 15.1.17).

5.6    При определении напряжений (а)₂ в высокотемпературных трубопроводах следует учитывать частичное перераспределение напряжений изгиба поперечного сечения в условиях установившейся ползучести.

5.7    Проверку прочности типовых узлов трубопровода по группе категорий напряжений (а)_р выполняют в соответствии с требованиями 6.3 и 7.3.

5.8    Проверку прочности по группе категорий напряжений (o_af) при Т s Г, следует проводить в соответствии с ГОСТ Р 59115.9-2021 (пункт 10.3) с учетом максимального влияния асимметрии цикла.

5.9    Настоящий стандарт содержит методики расчета групп категорий напряжений применительно к выполнению поверочного расчета в типовых узлах трубопроводов с отношением DJs от 5 до 120 и требования к условиям проверки их прочности.

5.10    Проверку на длительную циклическую прочность осуществляют в соответствии с приложением В.

5.11    При расчете приведенных напряжений в узлах трубопровода монтажная растяжка не учитывается.

5.12    Для определения коэффициентов податливости и интенсификации напряжений компонентов трубопровода допускается вместо расчетов по разделу 9 использовать экспериментальные или численные методы (в частности, метод конечных элементов).

6 Расчет компонентов низкотемпературных трубопроводов

6.1 Первая группа категорий напряжений

Группу категории общих мембранных напряжений (о), для прямолинейных труб от действия давления определяют по формуле

<а\ =

PD,

ape

(6.1)

Для остальных компонентов трубопровода при определении напряжений (с), следует пользоваться численными методами.

Допускается не проводить проверку прочности компонентов трубопровода по напряжениям (о), при выполнении требований Б.2 и Б.З (приложение Б).

6.2 Вторая группа категорий напряжений

6.2.1 Для прямолинейных труб значение группы категорий напряжений (о)₂ от действия механических нагрузок следует определять по формуле

(oh

(6.2)

где В = 1.0.

6.2.2 Для отводов, включая секторные (с углом скоса между плоскостью сварного шва и продольной осью сектора меньшего или равного 15°). значение (о)₂ следует определять по формуле (6.2), в которой коэффициент интенсификации напряжений изгиба В следует принимать в следующем виде:

V

313

, но не иен ее 1,0,

(6.3)

X = Rslr²; в» = PDJ2S.

6.2.3 Для ортогональных тройников (см. рисунок 6.1) значение (о)₂ следует определять по формуле

Hr f ³(^)    •

(6.4)

где результирующие моменты для ответвления и магистральной части равны

±М_1о * ^²о4ЛМ_у²0 + ЛМ₇²о. ЛМ_1г * ^М²/г ГЛАВАМ²,;

"г ^

_W=^&L

*    4    ‘

Коэффициенты интенсификации напряжений тройников при (d_m/D_m) S 1 и (D_mls_r) s 120: - для ортогональных тройников (см. рисунки 6.1а) и 6.16)] следует принимать:

(6.5)

НЯЙГШ

В,
0,75- 1 Й В'Ш (л \< «,»■ к)	Л* Л» при лз

при

(6.6)

0,75 при ^*0,9

где

4=

^U9

атв-а^-о.»)

s_e = s_D + s_p, если длина усиления ответвления    или    s_e    =    s₀.    если    L    <    0.5^d_m(s_o    +s_p).

При В_а < 1 принимают В₀ - 1; при В_е< 1 принимают 8. = 1.0.

Для тройника с усиленным ответвлением [см. рисунок 6.1а)] при расчете момента сопротивления поперечного сечения ответвления в формулу (6.4) вместо s_c следует подставить величину s_o.

Для кованых тройников [рисунок 6.1 в)] коэффициенты В_а и В. вычисляют по формуле (6.6) при D_m = 0/4 + D./4 + О/2, d = dJA + dJA ♦ dJ2. d - dJ2 + d./2, s_r = D/4 + D./4 - DJ2. ns =s = d/4 +

та    I    j'me    i    r    '    p    a    i    'га    »    i    о    c?    a

+ d,/4 - d/2 [см. рисунок 6. 1b)];

Рисунок 6.1 — Расчетные схемы ортогональных тройников