МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов

-ВНИИСТ-

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО РАСЧЕТУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРОЧНОСТЬ ПО ТЕОРИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ

Р 417-81

МОСКВА

УЖ 624.011:539.4

Настоящие Рекомендации необходимо использовать при расчете долговечности и конструктивной прочности магистральных трубопроводов под действием эксплуатационного нагружения. В них получила дальнейшее развитие теория предельных процессов нагруже -ния магистральных трубопроводов, сформулированная в "Основных положениях расчета магистральных трубопроводов на прочность по теории предельных процессов простого нагружения" [I].

Приведена методика определения толвдяы стенок элементов трубопроводов по заданному режиму эксплуатационного нагружения и полного времени эксллуа -тации» а также изложен метод оценки конструктивной прочности магистральных трубопроводов.

Рекомендации разработаны лабораторией методов расчета трубопроводов и соединительных деталей (ВНИИСТ) под руководством канд.техн. наук И.Д.Красудияа и предназначены для научно-исследовательских и проектных организаций по строи -тельству.

Рекомендации составлены канд.фжа.-мат.наук

Б.И. Зав ой чине юш.

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

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строи те лег-ству магистральных трубопроводов, ВНИИСТ, 1982

Таблица I

Характеристика труб Значения Кт в соответствии с категорией магистральных трубопроводов и их участков 1У-Ш 1 п-1 I В Тершчески упрочненные трубы после отбраковки с гарантированными механическими прочностными свойствами I I I Термически упрочненные трубы (закаленные и отпущенные в трубе иди листе) ий низколегированной стали, прокатанной до регулируемому режиму 1,02 1,04 1,06 Горачедравленные (до режиму нормализации), термически упрочненные (закаленные и отпущенные в трубе или листе) из нормализованной улучшенной низколегированной стали, прокатанной по регулируемому режиму 1,04 1,07 1,10 Спиральношовные из горячеката -ной низколегированной стали и прямошовные эксдандированные трубы из нормализованной листовой стали 1,06 1,10 1,М Прямошовные эксдандированные и спиральношовные из горячеката ~-ной низколегированной и углеродистой стали.‘Бесшовные труй 1,08 1,13 1,18 Т а б л и ц а 2 Наименование магистральных тру-бопоаводов и их участков Значения коэ%адиент°в Рк и ___ Ро Р Р Ч. г _ ч*. I 2 3 4 5 Магистральный газопровод 0,9 0,05 0,05 I02 Магистральный нефтепровод 0,80 0,10 0,10 Ю Обвязочные трубопроводы КС и НЕС с подключенной емкостью 0,70 0,20 0,10 I02 Нагнетательные трубопроводы,идущие по территории КС и НЕС с подключенной емкостью и дримыка-

II

Окончание табл. 2

I 2 3 4 5' оде к ним в пределах расстояний, указанных СшП "Магистральные трубопроводы. Норш проектирования" 0,70 0,20 0,10 10 Обвязочные трубопроводы ШЕ без подключенной еж ости 0,60 0,30 0,10 I02 Нагнетательные трубопровода» идущие до территории НК оез подключения емкости 0,60 0,30 0,10 10 Т а б л и ц а 3 Тин элемента Значения коэффициента «6 в зависимости от категории участка MJ 1-П В Прямолинейный участок подвемной прокладки Отвод Тройниковое соединение -0,6 -0,65 -0,7 -0,75 -0,9 -0,95 -0.7 -0,8 -I данным статической прочности трубной стали при одноосном и двухосном ватрухении и сдвиге. Беля нет необходимых данных, то рекомендуют использовать значения коэффициентов и по табл.4. т а б л н ц а 4 Категория магистральных трубопроводов и их участков Значения коэффициента fii Значения коэффициента fiz

Ш-1У I-П 1,75 1.8 1.9 0,9 0,8 0,7

3.5. Прв выборе толяин стенок элементов трубопроводов рекомендуют следуюпие значения коэффициентов    и    K_t    ;

для труб и заглушек Kg* K_k=ij

для тройниковых соединений [б]- [8] значения коэффициента Kg определяют по следующим соотношениям:

12

Значение определяют по фориуде (19) и табл.1. Значение к находят по соотношениям (13), (I*)i (15) иди (16)-(18), (20)-(26) и табд.2 и табл.5-14 прил.2. Величину P(i.) определяют по соотношению (5) и значениям р_±    со

гласно п.3.4.

4.2. Значения толщин стенок труб и соединительных деталей, определенные по вышеуказанным соотношениям, меньше соответствующих величин по методике СНнП 11-45-75 "Магистральные трубоправ оды" до 1($.

5. МЕТОД ОЦЕНКИ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ МА1ЖТРМЫШ ТРУБОПРОВОД®

5.1.    Определение напряженно-деформированного состояния магистральных трубопроводов целесообразно проводить в два этапа.

На первом этапе допускается рассматривать трубопроводы как статически неопределимые плоские и пространственные стержневые системы переменной жесткости с учетом всех ответвлений и промежуточных опор, находящиеся под действием внутреннего давления, стационарного температурного поля, распределенной и сосредоточенной весовых нагруэок и сил трения на опорах.вза-имодействия с грунтом.

Основная цель этапа - определить усилия и моменты М , возникаювде в отдельных элементах трубопровода, от воздействия расчетных механических и температурных нагрузок (расчетные нагрузки равны нормативным, умноженным на соответствующие коэффициенты перегрузки).

На втором этапе находят напряженно-деформированное состояние отдельных элементов, при этом в граничные условия входят и М , значения которых находят на первом этапе.

5.2.    Определение lj и М производят методами строительной механики статически неопределимых нелинейных систем.

При использовании соответствующих алгоритмов расчета трубопроводов, реализованных на ЭВМ [7] , [12], следует добиваться соответствия значений геометрических и механических параметров, содержащихся в применяемой программе, значениям, нор-

15

проводов, реализованных на ЭВМ, следует проводить сценку точности полученных значений напряжений.

5.4«Изменчивость напряженно-деформированного состояния трубопроводов в процессе эксплуатации должна определяться с помощью гармонического анализа значений внутреннего давления и температуры транспортируемых веществ в течение нескольких лет эксплуатации (в крайнем случае допускается проводить анализ за один год). Основные указания приведены в п.1.4. При отсутствии необходимых данных следует использовать рекомендации п.3.3.

5.5. Напряженное состояние элементов трубопроводов должно удовлетворять критериям прочности, изложенным в п.2.1, или п.2.2.

Бели при расчете оказывается, что в некоторых элементах напряженное состояние не удовлетворяет этим критериям прочности, то следует изменить конструктивную схему таким образом, чтобы напряженность данного элемента уменьшилась до требуемого уровня.

Приложение I

ХАРАКТЕРИСТИКА ВНБШИХ НАГРУЗОК И НАПРЯЕЕННО-ДВФОРМИРШАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТ® ТРУБ0ПР®0Д®

р - нормативное давление в трубопроводе, МПаСнгс/сы²); p(t) - рабочее (эксплуатационное) давление в трубопроводе,

МПа (кгс/сы^);

Р_к(К- о ,1,..., к ) - относительные амплитуды рабочего дав-летя, характеризующие спектр нагружения трубопровода; (J_K(K=i,.._MK) - частоты, являющиеся характеристикой изменчивости нагружения в период эксплуатации,причем и)₁ - несущая гармоника;

^м1>^м2.^,М5~ компоненты момента М , из которых две первые являются изгибающими, а третья - крутящей, №1а см (кгс.см);

Qi^QaiQ*, “ компоненты силы U , из которых две первые являются пе^резыьающими, а третья - осевой, МПа (кгс);

,(У₂₃ 7u_iZ - компоненты номинальных напряжений,соответствующие внутреннему давлению р , моменту к и силе

3 __

- компоненты истинных напряжений, определенных в результате решения задачи теории пластичности, МПа (кгс/см^);

Kg- - аффективный коэффициент концентрации напряжений в элементах трубопроводов при статическом нагружении, характеризующий истинную концентрацию напряжений перед их разрушением;

K_fc - теоретический коэффициент концентраций напряжений в элементах трубопроводов при статическом нагружении .характеризующий концентрацию напряжений в упругой области;

к_с - аффективный коэффициент концентрации остаточных напряжений яри переменном нагружении.

РАСЧЕТНОЕ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАMLA ТРУБ И СОЕШИГБЛЬШХ ДЕТАЛЕЙ

^ - расчетное сопротивление металла труб и соединительных деталей, МПа (кгс/см²);

21

-    нормативное сопротивление металла труб я соединительных деталей, равное Gj , МПа (кгс/см²);

6j,6_T - соответственно минимальные значения временного сопротивления и условного предела текучести стали при одноосном нагружении, при этот вероятность появления значений времен -кого сопротивления и предела текучести,меньших этих икни -пальник значений, ие превышает 0,05 ;

бд- минимальное значение временного сопротивления стали при двухосном растяжении с равными компонентами, МПа (xrc/cir);

р*- коэффициент, равный отношению предела текучести к пределу прочности стали, T.e.J3*-^_;

JJ**- коэффициент, равный отношению нижнего предела выносливости ко временному сопротивлению стали, т.е. о**- JL .

^Г "64¹

-    коэффициент, равный отношению пределов статической прочности стали при одноосном растяжении и сдвиге, т.е.

j$_z - коэффициент, равный отношению пределов прочности при двуосном и одноосном нагружении, т.е.

rt - коэффициент перегрузки, выбираемый согласно СНиП "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования";

к₄- коэффициент безопасности стали по статической прочности;

К,к - коэффициента условий работы, учитывающие режим эксплуатационного нагружения элемента;

К^- коэффициент безопасности числу циклов.

ГВОМНТИШЖИЕ ХАРАКТЕЖТИКИ

И_н- наружный диаметр труб, мм;

UlJJj* - наружные диаметры магистрали и ответвления тройников соответственно, мм;

Ц - наружный диаметр отвода, мм;

гг

I.I. Настоящие Рекомендации разработаны в развитие разделов СНиП "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования” по расчету трубопроводов на прочность и могут быть использо -ваны при расчете долговечности и конструктивной прочности элементов магистральных трубопроводов под действием температурного и механического нагружений.

Излагаемая методика базируется на теории предельных процессов нагружения. Для определенного вида простого нагружения подучено конечное соотношение, являющееся точным решением те

ории.

Выводы теории о прочности при одноосном асимметричном циклическом нагружении, двухчастотном нагружении и комбинированном циклическом нагружении изгибом и кручением подтверждены результатами экспериментов [2] , [з]. Так как в элементах трубопроводов реализуется плоское напряженное состояние, такое подтверждение является достаточным.

На основе разработанной теории сформулирована методика определения основных размеров элементов трубопроводов по заданному режиму их эксплуатационного нагружения и значению их долговечности. Более точный механический смысл, приданный коэффициентам запаса прочности, позволяет провести дадьяейщую дифференциацию прочностных характеристик элементов трубопровода в зависимости от их категории и характеристик трубных сталей*

1.2. Коэффициент безопасности    учитывает    уменыпе    -

ние нормативного сопротивления стали, т.е. временного сопротивления стали для образцов из листа соответствующей толэдны с обеспеченностью 0,Ь77, обусловленное технологическими и конструктивными особенностями трубопроводов.

$ - расчетная толадна стенки трубы, мм;

Б"*- толщина стенки трубы, принятая в проекте, мы;

6’_м- расчетная толщна стенки магистральной части тройника, мм;

К - угол конусности переходника, равщ| половине угла конуса при вершине, рад;

радиус центральной оси отвода, мм;

X - средний радиус поперечного сечения трубы, мм; F,W,Wp - площадь, момент сопротивления, полярный момент сопротивления поперечного сечения трубы, принятого в проекте, мм², мм³.

Доверительный уровень коэффициента к₄ рационально принять равным 0,998 для участков L и 17 категорий, 0,9999 - I и И категорий и 0,99999 - категории В, Статистическая обработка экспериментальных данных показывает, что значение коэффициента Kj лежит в интервале 1-1,2.

Коэффициент условий работы к зависит от характера механического и температурного нагружения элементов и агрессивности внешней среды. Его значение может быть определено до теории предельных процессов нагружения и спектру предельных режимов нагружения отдельных участков трубопроводов. Довери -твльный уровень коэффициента к рационально принять таким же, как и уровень коэффициента к₄ ,

Коэффициент Л равен отношению главных напряжений и характеризует вид напряженного состояния элемента трубопровода. Его величина зависит от геометрии элемента и места его расположения в трубопроводе.

Приближенно доверительный уровень этого коэффициента такой же, как и коэффициента K_i

Коэффициент fi_i равен отношению значений временных сопротивлений стали при одноосном нагружении и сдвиге, соответствующих вышеуказанным доверительным уровням.

Коэффициент fi_z ровен отношению значений временных сопротивлений стали при одноосном и двухосном нагружениях, со -ответствующих этим доверительным уровням.

Итак, эти коэффициенты могут быть определены по экспериментальным данным с заданной обеспеченностью. Этих значений достаточно, чтобы найти толщину стенок основных элементов трубопровода, обеспечивающую заданную долговечность конструкции, и провести оценку конструктивней прочности трубопровода. Проведенный анализ, основанный на известных экспериментальных данных, показывает, что имеются определенные резервы экономии металла труб и соединительных деталей (при условии обеспечения существующего уровня надежности и долговечности трубопроводов).

Расчеты также показывают [I], что толщина стенок труб магистральных трубопроводов практически не зависит от температуры замыкания участков при их строительстве.

1.3. Настоящие Рекомендации содержат метод сценки конструктивной прочности магистральных трубопроводов под действи-

ем технологического н эксплуатационного нагружения. Этот метод базируется на теории предельных процессов нагружения и исследованиях спектра напряжений в наиболее напряженных зонах элементов.

Проверочный расчет на прочность выбранной конструкции по вышеуказанному методу должен обеспечить заданный уровень проектной надежности трубопровода.

1.4. Рассматривается плоское напряженное состояние элемента, компоненты которого пропорционально изменяются в процессе эксплуатации, т.е.

и б** Б^-fCl),    CD

JL = ба

Г г 04 ’

с>1 и о_г - максимальные значения главных напряжений. Максимальные значения главных напряжений определяются по

формулам

где 5^ ,    -    максимальные    значения кольцевых и осевых нор

мальных напряжений соответственно; б _iz - максимальные значения касательных напряжений.

Простое нагружение (I) описывается одной пункцией ограниченной вариации, j(i) .

Амплитуды Р₀,Р_К и частоты и>_к , определяющие пункцию jCt) I находят с помощью статистического и гармонического анализов значений внутреннего давления в течение одного года эксплуатации, представленного в таком виде pCt) ^к

/^а)=-р- = Ра⁺ ^Рц >    ⁽³⁾

р„ L р =1 го _K=i    ■

А Г I \    _

функцию цяхлнчвской прочности R зависимости (13) находят по следупда зависимостям:

Л(4)    *

±

\    ^ЫЪ    *    Ч\

Здесь

ъФ“т '(т~т*)•    ⁽¹⁸⁾

1 * ^Ki *4    ⁷    F_ft    A/dL

9* А/д

Функцию Ф_г описывают зависимостью (9), а функцию - зависим остью (10).

2.3. Вели в соотношения (13)-(18) подставить к_ь=к$~1 , то они переходят в соотношения (6)-(8). При этом соотношение (II) переходит в соотношение (4), если вместо значений номинальных напряжений в них подставлять значения истинных напряжений. Подходы к оценке прочности по д.2.1 и п.2.2 эквивалентны.

Соотношения (4)-(Ю) или (4), (5), (II)—(18) позволяет определить долговечность элементов трубопроводов при задан -ной их геометрии или размеры элементов при заданной долговечности под действием механического и теплового нагружений в условиях монтажа и эксплуатации.

9

3. РАСЧВТШБ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛЯ ТРУБ И С08ДИНИШЫШ ДЕТАЛЕЙ

3.1.    При проведении расчетов до формулам (7)-(10), (14)-(18) рекомендуют следуюпие значения базовых чисел циклов:

Ы_а =2*Ю⁶, М, = Z!lOj^_z = 2?10⁴, л/₃    циклов    и    базовых времен:    \    = 10® ч и Ц = Ю⁶ ч. Коэффщиен* а

равен 400 кге/ем^ для элемента с поверхностью после прокатки или штамповки. Дли элемента, поверхность которого находится в условиях корроаии, следует выбирать а = 0, а!₁= Л/₃= 1.

Коэффициент К_с равен 0,35 для сварных соединений (поперечное или продольное стыковое соединение) и равен I для элементов без сварного шва. Коэффициент запаса по долговечности равен 5 ( К_у = 5).

3.2.    Значение расчетного сопротивления металла труб и соединительных деталей R._i определяют по следующей формуле:

В качестве примера в табл.1 приводятся значения коэффициента

в зависимости от характеристики труб и категории участ

ков трубопроводов.

3.3.    Коэффициенты р_к и частоты о)* зависимостей (6) и (13) находят согласно д.1.2.

В качестве примера в табл.2 представлены значения р₀ , p_i р_г и и)* , которые рекомендуют при выборе тодщя стенок элементов подземных трубопроводов. При этом р_к-0 /(7 2. Значение номинального числа циклов за все время эксплуатации а/ равно 4.IC? циклов.

3.4.    Коэффициент X является случайной величиной, закон распределения которой должен устанавливаться на основе экспериментально-теоретического изучения иапряженно-дефорыи -рованного состояния отдельных элементов трубопроводов [з].

В качестве примера в табд.з приведены значения X в зависимости от геометрии элемента и категории участка (доверительного уровня этого коэффициента).

Коэффициенты р ₁ яр определяют по экспериментальным

10