МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов

-ВНИИСТ-

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО РАСЧЕТУ ТРУБОПРОВОДОВ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПО ТЕОРИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ

Р 523-83

МОСКВА 1964

УДК 624.ОН:539»4.

Настоящие Рекомендации содержат методику оценки долговечности основных конструктивных элементов магистральных трубопроводов, находящихся под действием температурного и механического эксплуатационного нагружения. Основу методики составляет теория предельных процессов нагружения, получившая широкое экспериментальное подтверждение при исследовании одно- и двухчастотных нагружений и некоторых программных одноосных нагружений, а также в случае сложного вацря-женно-дефсрмированного состояния при простом процессе нагружения.

Рекомендации разработаны сотрудниками отдела прочности и надежности конструкций магистральных грубо -проводов ВНИИСТа: канд.йиэ.-мат.наук В.И.ЗавоЙчинским, приложение к ним инж.А.Г.Грявновым, предназначены для научно-исследовательских и проектных организаций

¹^^т^яия^£и*преддокенкя направлять по адресу: Москва, Ю5058, Окружной проезд, 19, ВНИИСТ.

Всесоюзный научно-исследовательский институт до строительству магистральных трубопроводов (1ЕИИСТ), 1984

диапазоне 0,6 ^ Р¹ ^    0,83    и    0,053    ^ р** ^    0,1;    для

значений коэффициента в диапазоне 1-5; для значений коэффициента К£ в диапазоне 1-3 и всего диапазона чисел циклов и значений долговечности.

^    -К-

Если известно истинное напряженное состояние 6_]3    , расчет следует проводить по формулам (3)-(7), (21)-

(29), подставляя шесто ,6z>^i2ⁱ^°i3 соответствующие значе-ния G¹, Б¹_г, 6¹_г, б¹₃ и К^ = К₆~1,

Значения коэффициентов Ро^^Р^Рз и соответствующих им уровней наработки за год Х_7} X% , X ₃ (число циклов), а также коэффициента K_N допускается выбирать по табл. 2.

Таблица 2

Наименование Значения КОЭФФ5 шиент( ЭВ магистральных трубоцроводов и их участков Ра г, Рг Рз *2 *з Кы 7 2 3 5 6 7 ~8— Магистральный газопровод С,85 С, 05 0,С5 С,05 ю2 Ю3 10^ 1.0 Магистральный нефтепровод 0,7 од 0,1 0,1 I03 10^ I05 3.0 Обвязочный трубопровод КС с центробеж ными ША "о,5 0,2 С,2 0,1 6-I02 2*103 2-10 5 1C Обвязочный тру бопровод КС с поршневыми IHA при установке ресиверов 0,5 0,2 0,2 0,1 ю3 2-1ЕУ* 2-10: 3 1C Обвязочный тру бопровод КС с поршневыми ША без установки ресиверов 0,5 0.1 С, 2 0,2 ю3 2-Ю3 2.IQ- 3 тс Обвязочный тру бопровод ШСГ с подключенной емкостью С, 5 0,2 С,2 сд ю3 Ю4 Ю5 10

Нагнетательные трубопроводы, идущие по территории КС и НПС с подключенной емкостью и

____I - 2	_ 3	4	5	6_	7 S_2__
Примыкающие к ним в прадедах расстоязшв^у казанных в СНиП "Магистральные трубопроводы. Норш проекта-розанке 0,6	0,1	0,2	0,1	ю3	I04 ю5 5,0
Обвязочные трубопроводы НПО без подключенной емкости 0,5	0,2	0,25	0,05	ю3	ЮА ю3 ю
Нагнетательные трубопровода, идущие по территории ШС оеэ подключенной емкости 0,5	С,2	0,2	0,1	10*	2-I05 2.I05 IQ

Базовые числа циклов и базовое время, цриведенЕне в формулах (23)-(29), следует принимать равными: W_ffs£.IG^S циклов;

N, - 2П циклов:    Л^₂    = 2.1C* циклов; = 2,10^ циклов; t =

*IG³ ч; $₂ “ 1С^б ч.    ⁷

Коэффициент CL- 0,40 МПа,

Для элементов, находящихся в среднеагрессивных средах, следует выбирать й =0; /У_; = N₃ к I*

Коэффициент - 0,35 для сварвах соединений (попарэч-ное и продольное стылоьые совдапошм) к равен I в других случаях.

Коэффициенты _у3_? ж $2. определяются по экспериментальным данным циклической прочности трубнсй стали яри одноосном и двухосном нагружении к сдвиге.

Если нет необходимых данных, то рекомендуется испольво-вать значения Д_т и /?₂ > приведенные в табл.З.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Основные положения расчета магистральных трубопроводов на прочность по теории предельных процессов нагружения. Р 359^-79. М.. ВНИИСТ, 1980, с.24.

2.    Рекомендации по расчету магистральных трубопроводов на прочность по теории предельных процессов нагружения. Р 417-81. М., ВНИИСТ, 1982, с.46.

3.    Завойчинский Б. И. Об одной линейной теории предельных процессов нагружения магистральных трубопроводов. Труды ВНИИСТа "Расчет, сооружение и эксплуатация магистральных газопроводов". М., ВНИИСТ, I98C, с.16-32.

4.    Завойчинский Б. И. Стохастическая теория предельных процессов нагружения магистральных трубопроводов. Труды ВНИИСТа "Надежность н качество сооружения магистральных трубопроводов". М., ВНИИСТ, 1981, с.13-26.

5.    Завойчинский Б.И. К обосновании теории предельных процессов нагружения магистральных трубопроводов - случай двухчастотного нагружения. Труды ВНИИСТа "Вопросы прочности трубопроводов". М., ВНИИСТ, 1982, е.9-27.

6.    Завойчинохий Б.И. К обосновании теории предельных процессов нагружения магистральных трубопроводов - случай сложного напряженно-деформированного состояния при простом нагружения. Труды ВНИИСТа "Надежность конструкций магистральных трубопроводов". М., ВНИИСТ, 1983.

7.    Инструкция к программе расчета плоских и пространственных стержневых систем (MAPCC-I07). М., ЦНИПИАСС, 1973,вып. I-I52.

8.    Инструкция к програше расчета пространственных стержневых систем ("Эксцресо-32"). М., ЦНИПИАСС, 1973, внп.1-1.

9.    Инструкция к програше расчета стержневое систем на ЕС ЭШ 3UAPCC-EC-76. М., ЦНИПИАСС, 1978, вып.1-280.

1C. Программная система прочностных расчетов стержневых систем (РАДО-1) ЕС ЭВМ.ДОС. Был.1-236, 1-237, 1-238. М.,1978.

II. Инструкция по эксплуатация вычислительного комплекса "Супер-76" для прочностного расчета строительных конструкций на ЭВМ "Минск-32". Киев, МИАСС, Госстрой УССР, 1978.

18

12.    Пакет прикладных програш для автоматизированного проектирования железобетонных конструкций надземных и подземных сооружений в промышленности и гражданском строительстве. "ППШШЕБК" НИИАСС Госстроя УССР, 1979 (Списание применения ППП АСК 3.00001).

13.    Программа расчета прочности и жесткости трубопроводов СТ-01. Эксплуатационная документация, т.1 и 2. М., Гипро-каучук, 1981.

14.    Расчет трубопроводов на прочность по програше "Астра" (Указание по подготовке исходных данных и проведению расчетов) . Л., ЦКГИ, 1981.

15.    Руководство по автоматизированному расчету на прочность линейной части трубопроводов.Р 499-83. 11., ВНИИСТ, 1983.

16.    Внедрение систем автоматизированного проектирования в организациях Всесоюзного объединения "Союзстройпроект” (Отчет, Номер государственной регистрации 8I0I2I07) ,М., 1981.

19

Рекомендации к расчету трубопроводов на „долговечность по теории предельных процессов нагружения

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящие Рекомендации разработаны в развитие разделов СВиП "Магистральные трубопровода. Нормы проектирования" по расчету трубопроводов на прочность и отраслевых документов [i], [2] 1 могут быть использованы при расчете долговечности магистральных трубопроводов, валхяая все стадии его сооружения н эксплуатации.

1.2.    Под долговетаостью элементов магистральных трубопроводов понимается свойство элементов сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния, т.е. появления ыицротрещин длиной 2-5 ш.

Показателями долговечности являются ресурс и срок службы.

Технический ресурс характеризуется наработкой элемента от начала строительства трубопровода до перехода элемента в предельное состояние.

Срок службы злемента равен календарной продолжительности от начала эксплуатации трубопровода до перехода злемента в предельное состояние. Ресурс (срок службы) как случайная величина характеризуется такими показателями: средний ресурс (срок службы), гяыма процентный ресурс (срок службы) ж назначенный ресурс (срок службы).

Под назначенным ресурсом (сроком службы) понимается суммарная наработка злемента, при достижении которой его применение в магистральном трубопроводе должно быть прекращено.

1.3_# Основная цель проведения расчетов элементов магистральных трубопроводой на долговечность в процессе проек-

Ейесены отделом прочности ж надежности конструкций магистральных трубопроводов НЙЮГа

промни состоят в обеспечена веачнны назначенного ресурса (срока слуябн) всех мементов выбранной конструктивной схемы магистрального трубопровода.

1.4. Проведение расчетов включает два этапа.

На первом этапе определяется характеристики напряженного состояния основных элементов трубопроводов при эксплуатационном нагружена. К этим характеристикам относятся максимальные и минимальные значения компонент напряжений в элементе и число их появлений в течение I года эксплуатации иди средние значения и амплитуды напряжений и число их появлений в течение того же срока.

Максимальные и минимальные значения компонент напряжений в элементах определяется в такой последовательности:

в основных сечениях трубопровода находятся компоненты усилий и моментов решением задачи об упругом равновесии пространственной стержневой системы, соответствующей принятому конструктивному' решению трубопровода, под действием основных сочетаний нагрузок и воздействий;

рассчитывается напряженное состояние элементов под действием указанной выше системы усилий и моментов, и по этим данным вычисляются искомые максимальные и минимальные значения компонент напряжений.

Число появлений данных нагрузок и воздействий и их сочетаний в течение I года эксплуатации характеризует изменчивость эксплуатационного нагружения.

На втором этапе оценивается долговечность элементов по данным характеристик напряженного состояния, найденным на первом этапе расчета. Методика оценки долговечности элементов магистральных трубопроводов базируется на теории предельных процессов нагружения ]3]-[б].Всли в некоторых элементах величина расчетного ресурса оказывается ниже назначенного,следует изменить конструктивную схему таким образом,чтобы напряженность данного элемента уменьшилась до требуемого уровня. В противном случае возникает необходимость в уменьшении назначенного ресурса для данных элементов.

Основные буквенные обозначения, характеристика внешнее нагрузок и напряженно-деФормиррванного состояния элементов трубопроводов

Р - нормативное давление для трубопроводной снствш,Ша (кгс/сы²);

P(t) - рабочее (эксплуатационное) давление в трубопроводе,

МПа (кгс/см²);

Р_к (к = 0,1,..., к) - относительные амплитуда рабочего давления, характеризующие спектр нагружения трубопровода;

U)_к (к = I,..., к) - частоты, являющиеся характеристикой изменчивости нагружения в период эксплуатации, причем U)j -несущая гармоника;    _

компоненты момента М , из которых две первые являются изгибающими, а третья^ 1футящей, кКм (кгс.см);

Al’Qi “ компоненты силы Q , из которых две первые являются реререзьшающими, а третья - осевой, кН (кге);

) б/г “ номинальные значения компонент^ напряжений, соответствующие внутреннему давлению Р, моменту М и силе

4    * *

компоненты истинных напряжений в элементе;

S_;, S₂, S_z - номинальные значения компонент девиатора напряжений;

S_n S_2i $3 - расчетные значения компонент девиатора напряжений;

б₀ - среднее значение напряжений;

К₆ - эффективный коэффициент концентрации напряжений в элементе трубопровода при статическом нагружении, характеризующий истинную концентрацию напряжений перед их разрушением;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений в элементе трубопровода при статическом нагружении, характеризующий концентрацию напряжений в упругой области;

К_с - эффективный коэффициент концентрации остаточных напряжений при переменном нагружении;

X, у * числа циклов;

X,,X^X-j - расчетные значения числа циклов (наработка за I год), обусловленные технологией перекачки продукта (остано-

5

вы КС и НЕС, суточные и сезонные колебания внутреннего давления газа и т.п.);

No'N/'Nz'Ni - базовые числа циклов, необходимые при аппроксимации экспериментальных данных по усталостной прочности стальных образцов;

t - срок службы трубопровода, год; t_Qi t₁ - базовые времена, необходимые при аппроксимации экспериментальных данных по длительной прочности стальных образцов.

Расчетная характеристика металла труб и соединительных деталей

П **

к ₇ - нормативное сопротивление металла труб и соединительных деталей, равное 6g , МПа (кгс/см²);

,б_т- соответственно минимальные значения временного сопротивления и условного предела текучести стали, при этом вероятность появления значений временного сопротивления и предела текучести, меньших этих минимальных значений, не превышает 0,05;

р - коэффициент, равный отношению предела текучести к пределу прочности стали, т.е. р*>= —^г;

Р** ~ коэффициент, равный отношению нижнего предела выносливости стального образца с V -образной выточкой ко временному сопротивлению стали, т.е. f**=    )

Pj - коэффициент, равный отношений пределов усталости

стали при пульсирующем одноосном нагружении и сдвиге при числе циклов ^2    »    ^т-^е*

J3₂ - коэффициент, равный отношению пределов усталости при пульсирующем двухосном = 6f 6^и однорсном нагружении при числе циклов, равном » т.е. ^3? =    )

П - коэффициент перегрузки, выбираемый согласно СНиП "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования*¹;

К₇ - коэффициент безопасности стали по статической проч

ности;

К1 - коэффициент, значение которого равно значению, приведенному в "Инструкции по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности”, уменьшенному на величину относите

льного технологического допуска по толщине трубы;

6

K_N- коэффициент безопасности по числу циклов;

Н_и - коэффициент надежности, определяемый согласно главе СНиП "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования”;

R~ R(t) - минимальное значение предела прочности стали, соответствующее эксплуатационному нагружению за ресурс t ;

R^{ = R[X) - минимальное значение предела усталости стали за X чисел циклов при сиодетричном нагружении;

R^{0)-R⁽⁰⁾U) - минимальное значение предела длительной прочности стали, соответствующее ресурсу X .

Геометрические характеристики элементов трубопровода

- наружный диаметр трубы, ш;

К п°_н - наружные диаметры магистрали и ответвления тройников соответственно, мм;

Ю - наружный диаметр отвода, мм;

$ - расчетная толщина стенки труб и соединительных деталей, вам;

3* - толщина стенки труб и соединительных деталей для оценки конструктивной прочности соответствующего элемента трубопровода; равна расчетной толщине, уменьшенной на величину допускаемого технологического отклонения для данного элемента, мм;

-    расчетная толщина стенки магистральной части тройника, од;

-    угол конусности переходника, равный половине угла конуса при вершине, Рад;

-    радиус центральной оси отвода, од;

Ъ - средний радиус поперечного сечения трубы, од;

F, W, W_p - площадь, момент инерции, момент сопротивления, полярный момент сопротивления поперечного сечения трубы, определявши по 6# ,    ш/*₉    1ш^_у мы⁵;

J'¹ - "приведенный” момент инерции отвода или элементов расчетной модели тройника, мм^;

К_{р }} £ - коэффициенты, которые учитывают изменение изгибной жесткости отвода по сравнению с жесткостью трубы соответствующей толщины.

роватъ с помощью "нелинейной пространственной пружины" и в расчетах использовать метод последовательных приближений.

При задании характеристики "нелинейной пространственной пружины" систему координат рационально выбирать так, чтобы вертикальная ось была направлена по перпендикуляру к поверхности грунта, а две другие оси расположены в плоскости, перпендикулярной этой оси.

Вертикальная пружина характеризуется нелинейной жесткостью, зависящей не только от величины вертикального перемещения, но и от направления движения точки (вверх-вниз).

Жесткость вертикальной пружины должна зависеть также от величины угла между продольной осью элемента трубопровода и вертикалью.

Две горизонтальные пружины имеют нелинейные жесткости,зависящие от перемещения точки в горизонтальной плоскости.

2.2.    Рекомендуется использовать алгоритм и программы для расчета $ и М в таких системах на ЭШ [7]- [1б].

Специализированная программа для расчета разветвленных пространственных трубопроводов CT-OI института ^Гипрокаучук _ [13] позволяет определить компоненты момента М и усилия Q и компоненты номинальных напряжений в трубопроводах под действием вшеуказанных нагрузок.

Универсальная программа ПППАПЖБК ("Лира") [12] содержит ряд конечных элементов, использование которых позволяет более детально учитывать ряд особенностей конструкций.

Программа "Астра" [14] также предназначена для расчета сложных пространственных трубопроводов, при применении которых следует руководствоваться вышеуказанными требованиями.

Специализированный комплекс программ института ВНИИСТ [lo] предназначен для расчета плоских и пространственных (состоящих из двух участков, находящихся в горизонтальной и вертикальной плоскостях) конструктивных схем прокладки подземных трубопроводов. В этих программах отпор грунта учитывается в автоматическом режиме.

2.3.    Номинальные значения компонент напряжений» соответствующие усилию (з[ и моменту М , которые вычислены согласно пп.^.Х и 2.2, находят по следующим зависимостям:

9

л Р(Ю_Н ~ 2h)    2    = ± ^^мг ⁺ м2 ^ _4з

^s>—Ж    " ² ~ ^{W F}    '

з kHi +Qi .    £ ш—I, кеГо.21    _(э)

«Я*р    >    °/2 Wf,    ^(3}

Номинальные значения компонент девиатора напряжений определяю по форцулам (4) и (5):

S_} =6cos(j-$); S_z-6cos(-te)i 8=~Gcos8,    ₍₄)

РД0    ^    ^    A

e-j щ-KfHe, +р)^г+Ф_г+р)^г+ ^e(⁶,₃^+eu'>’ шзв-    «>

а значение среднего напряжения - no формуле

Затем находят расчетные значения компонент девиатора напряжений по соотношениям:    <т

0<:8<rj

St -1*зЧ ; 1 и чГ> (7) при л Л ^2 ~ ^3/ S3 = S2 •

2.4. Далее необходимо найти истинное напряженно-деформированное состояние элементов трубопроводов, либо значения коэффициентов Kg и , характеризующие наиболее напряженные области элементов.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений Kg элементов магистральных трубопроводов следует определять либо ре-иеннем задачи теории малых упруго пластических деформаций для этих элементов под действием расчетной системы нагрузок, усилий и моментов аналитически или численно, либо по результатам эко-

1

о

Категория магистральных трубопроводов и их участков