РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ КОТЛОВ, ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И СОСУДОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Руководство Р.О10-2004

Москва

2016

Утверждено	приказом Российского Речного Регистра № 32-пот 24.12.2004
Введено в действие	с 07.02.2005
Издание	1 с изменением № 1
Изменение № 1	утверждено приказом Российского Речного Регистра №47-п от 08.09.2016 и введено в действие с 14.08.2016

Ответственный за выпуск — С. В. Канурный Оригинал-макет — Е. Л. Багров

4 Основные расчетные параметры

4.3 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

4.3.1    Для сталей в качестве расчетных характеристик должны приниматься:

.1 верхний предел текучести R_cU при 20 °С или условный предел текучести /?_|У)2 при расчетных температурах до 50 °С;

.2 нижний предел текучести R_cl t при расчетных температурах от 50 до 350 °С;

.3 меньшее из значений минимального предела текучести R_cL/l и среднего значения предела длительной прочности за 100 тыс. ч R _1(ЮОоо при рас-

ni/l

четной температуре выше 350 °С.

4.3.2    Для материалов без явно выраженной площадки текучести в качестве расчетной характеристики должно приниматься минимальное значение временного сопротивления R_{m l} при расчетной температуре.

4.3.3    Для nyiyua и цветных сплавов в качестве расчетной характеристики должно приниматься минимальное значение временного сопротивления R_nx при 20 °С.

4.3.4    При использовании цветных металлов и их сплавов необходимо учитывать, что нагрев при обработке и сварке уменьшает прочность металла, поэтому при расчете на прочность деталей и узлов из этих металлов следует принимать характеристики прочности, соответствующие их состоянию после те рм ичес кой обработки.

4.3.5    Рекомендуемые значения характеристик сталей приведены в табл. 4.3.5-1 — 4.3.5-3. Данные этих таблиц могут быть заменены следующими уравнениями:

для углеродистой стали 10    ,    =194,77228-0,00028653 г¹¹¹⁹³⁶;

для углеродистых сталей 12К и 15К

= 206,15318 - 0,0015018513 /¹*⁶³³⁴⁷³;

для углеродистой стали Ст. 3    /^    ,    =    203,54105 - 0,00018332 Г'^{11 3203};

для углеродистых сталей 16К, 20 и 20К

R_tUx = 238,43052 - 0,0075417499 г¹’^6141531;

для углеродистой стали 18К    /^    ,    =    258,0561-0,007320873/¹’^6189428;

для легированной стали 15ХМ    R_cl, = 226,41622 - 0,0000232686 Г'^{334    557};

R кюооо =(42,852949 -0,0027634 • /^к5 V ;

nvt    \    /

Р.010-2004 «Расчет на прочность котлов ...»

дня легированной стали 12Х1МФ /^_Vl =256,93792 - 0,0000738467 г²'^2033129;

R _1100000 = ^95160,958 - 0.00051186 • I³;

для легированных сталей 16ГС и 09Г2С

R_tlA = 264,2894 - 0,00088333563 г¹'^9598587;

Я^оомо =(-4,1987356 + 2739668,5/г²)²;

для легированной стали с повышенным содержанием марганца 22ГК

R_cl/l = 339,02223 - 0,056619199 Г¹’^2357579;

R ,00000 =- 179,36368 + 58362700 /Z²;

m/t

для углеродистых сталей 10, 12К и 15К

R_ai ,,«000 = (-5.1857177 + 2569198,5 / f² )²;

для углеродистых сталей 16К, 18К, 20 и 20К

R оси» =(-9,647793 +I72866.37//'⁵)² .

Для материалов, не упомянутых в табл. 4.3.5-1 - 4.3.5-3, характеристики прочности являются предметом специального рассмотрения Речным Регистром.

Характеристики прочности котельных сталей принимаются но стандартам.

4.3.6 Допускаемое напряжение а, применяемое при расчете прочных размеров, должно определяться по формуле, МПа:

° = *о/*о,    (43.6)

где Х₀ - характеристика прочности материала, МПа, принимаемая согласно 4.3.1 — 4.3.5;

k_G - коэффициент запаса прочности, выбираемый согласно 4.4 соответственно принятой характеристике прочности.

4.4 КОЭФФИЦИЕНТЫ ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ

4.4.1 Для определения допускаемых напряжений должны бьггь использованы коэффициенты запаса прочности, приведенные в табл. 4.4.1-1 для элементов котлов, экономайзеров, пароперегревателей и в табл. 4.4.1-2 — для элементов теплообменных аппаратов и сосудов под давлением.

Коэффициенты запаса прочности для жаровых труб, огневых камер и подобных элементов указаны в 4.4.3.

4 Основные расчетные параметры

Таблица 4.3.5-1

МПа Расчетная температура, °С Марка стали 20 100 200 250 300 350 400 450 Нижний предел текучести стали, МПа Углеродистая стать 10 330 195 186 177 162 147 127 108 78 Углеродистые стати 12К и 15К 350 205 1% 181 167 142 118 98 78 Углеродистая стать Ст. 3 370 205 196 186 177 157 - - - Углеродистые стати 16К. 20 и 20К 400 235 226 206 186 157 137 118 98 Углеродистая стать 18К 430 255 245 226 206 177 157 137 118 Легированная стаи» 15ХМ 440 225 226 221 216 216 206 196 191 Легированная сталь 12X1МФ 440 255 255 250 245 235 226 216 206 Легированные стати 16ГС и 09Г2С 450 265 255 235 226 196 177 157 123 Легированная стать с повышенным содержанием марганца 22ГК 530 335 324 304 284 275 255 245 235

Таблица 4.3.5-2

МПа Расчетная температу ра, °С Марка стали *н. МПа 370 380 390 400 410 420 430 440 450 Предел длительной прочности стали. МПа Углеродистые стали 10, 12К. 330- 195- 186 157 137 118 103 88 74 64 59 15К 350 205 Углеродистые стали 16К. 18К. 440- 235- 216 186 162 142 127 108 98 83 69 20 и 20К 430 255 Легированная стать 15ХМ 440 225 265 Легированные стати 16ГС, 09Г2С 450 265 255 216 186 167 147 127 113 98 88 Легированная стать с повышенным содержанием марганца 221 К 530 335 245 226 206 186 167 157 137 118 103

Таблица 4.3.5-3

л*. МПа Л.Н- МПа Расчетная температу ра. °С Марка стали 460 470 480 490 | 500 510 520 530 Предел длительной прочности стали. МПа Легированная стать 15ХМ 440 225 245 226 196 157 137 118 103 88 Легированная стал» 12Х1МФ 440 225 - - 196 186 177 167 152 137 Легированные стати 16ГС, 09Г2С 450 265 78 69 - - - - - - Легированная стать с повышенным содержанием марганца 22ГК 530 335 93 83 74 69 59 49 34 25

4 Основные расчетные параметры

4.4.2    Коэффициенты запаса прочности, приведенные в табл. 4.4.1-1 и 4.4.1-2, действительны для сталей, у которых отношение предела текучести к временному сопротивлению не более:

0,65 - для углеродистых сталей;

0,70 - для легированных сталей;

0,75 - для высокопрочных сталей.

Для деталей с отношением предела текучести к временному сопротивлению, превышающим указанные значения, коэффициент запаса прочности в каждом случае является предметом специального рассмотрения Речным Регистром.

4.4.3    Если в качестве расчетной характеристики принимается минимальное значение временною сопротивления R_m/l (см. 4.3.2), коэффициент запаса прочности должен быть не менее 3,7.

4.5 КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОЧНОСТИ

4.5.1 Коэффициенты прочности сварных соединений должны приниматься по табл. 4.5.1-1 в зависимости от конструкции соединения и способа сварки; при этом значение коэффициента прочности сварною соединения (р в зависимости от класса котлов, теплообменных аппаратов и сосудов под давлением (см. табл. 4.5.1-2) следует принимать не менее указанного в табл. 4.5.1-3.

Таблица 4.5.1-1 Значения коэффициента прочности сварных соелинений <р

Сварной шов Мсхапи тированная ручная сварка Автоматическая сварка Стыковое соединение Нахлссточнос соединение С тыковос сччминснис Нахлссточнос соединение Двусторонний 0.9 0.7 1,0 0.8 Односторонний - 0.6 - 0.7 Односторонний на подкладке 0.8 - 0.9 - Односторонний без подкладки 0,7 - 0.8 -

Примечания: 1. Во всех случаях должно быть обеспечено полное сплавление основного металла с наплавленным металлом корня шва. 2. Для электрошлаковой сварки коэффициент прочности сварного шва соединения <р= 1,0.

4.5.2 Значение коэффициента прочности цилиндрических стенок, ослабленных отверстиями один а кош го диаметра, должно приниматься равным наименьшему из трех значений:

.1 коэффициента прочности цилиндрических стенок, ослабленных продольным рядом или коридорным нолем отверстий с одинаковым шагом (рис. 4.5.2.1), определенною по формуле

Таблица 4.5.1-2

1 ^именование оборудования 11араметры Класс Котлы, в том числе утилизационные, ком-бинированные, автономные водогрейные с температурой подогрева воды выше 115°С, а также паронагреватели и паросборники р >0,35 МПа I р ^0,35 МПа II Обогреваемые паром парогенераторы р > 1,6 МПа I р £ 1,6 МПа II Сосуды под давлением и теплообменные аппараты р >4,0 МПа или t >350 °С или 5 > 35 мм I 1,6 < р ^"4.0 МПа или 120 < г ^350 °С или 16 < s £35 мм II р£1,6 МПа и :^120°С и s<16 мм III Сосуды под давлением и теплообменные аппараты с токсичной, воспламеняющейся рабочей средой Любые I

Таблица 4.5.1-3

Оборудование Коэффициент прочности сварного соединения ф Класс I Класс II Класс III Котлы, пароперегреватели и паросборники 0.9 0.8 — Обогреваемые паром парогенераторы 0.9 0.8 — Теплообменные аппараты и сосуды под давлением 0.9 0,7 0.6

Ф = (a-d)/a;    (4.5.2.1)

.2 прицеленного к продольному направлению коэффициента прочности цилиндрических стенок, ослабленных поперечным рядом или полем отверстий с одинаковым шагом (рис. 4.5.2.1), определенного по формуле

<Р = 2 (<?! -d)/a_l;    (4.5.2.2)

.3 приведенного к продольному направлению коэффициента прочности цилиндрических стенок, ослабленных полем отверстий, расположенных в шахматном порядке и с равномерным расположением отверстий (рис. 4.5.2.3-1 и 4.5.2.3-2), определенного по формуле

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ

1    Область применения.................................................................................. 5

2    Используемые термины и обозначения................................................... 6

3    Исходные данные для расчета прочности............................................... 8

4    Основные расчетные параметры.............................................................. 9

4.1    Расчетное давление.................................................................................... 9

4.2    Расчетная температура............................................................................... 9

4.3    Характеристика прочности материалов и допускаемые напряжения....... 11

4.4    Коэффициенты запаса прочности............................................................ 12

4.5    Коэффициенты прочности........................................................................ 15

4.6    Прибавки к расчетным толщинам........................................................... 18

5    Цилиндрические и сферические элементы и трубы............................... 20

5.1    Элементы, подвергающиеся внутреннему давлению.............................. 20

5.2    Элементы, подвергающиеся наружному давлению................................ 21

6    Конические элементы............................................................................... 24

7    Плоские стенки, днища и крышки.......................................................... 27

7.1    Плоские днища и крышки........................................................................ 27

7.2    Стенки, подкрепленные связями............................................................. 29

7.3    Отбортовка плоских днищ........................................................................ 30

7.4    Укрепление вырезов.................................................................................. 31

8    Трубные решетки....................................................................................... 32

9    Выпуклые днища........................................................................................ 34

10    Тарельчатые днища.................................................................................... 37

11    Прямоугольные камеры............................................................................. 38

12    Укрепление вырезов в цилиндрических, сферических и конических

стенках и выпуклых днищах..................................................................... 40

12.1    Общие положения...................................................................................... 40

12.2    Размеры укреплений.................................................................................. 41

Содержание

12.3 Взаимное влияние вырезов........................................................................ 45

13    Связи............................................................................................................ 48

13.1    Размеры прочных связей........................................................................... 48

13.2    Соединения связей..................................................................................... 49

14    Потолочные балки...................................................................................... 51

15    Сварные соединения.................................................................................. 52

1 Область применения

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1    Настоящее Руководство яатяется основным документом, регламентирующим выполнение расчетов на прочность котлов, теплообменных аппаратов и сосудов под давлением для судов внутреннего и смешанного (рекаморе) плавания, находящихся иод техническим наблюдением Российского Речного Регистра в соответствии с 8.1.1 ч. IV I1K1IC.

1.2    Расчет на прочность изделий, входящих в номенклатуру объектов технического наблюдения, осуществляемого Речным Регистром, допускается выполнять с применением других методик, стандартов предприятия и т. п. В этом случае Речному Регистру для специального рассмотрения должны быть представлены исходные данные, используемая методик! расчета и его результаты, которые будут проверены Речным Регистром расчетом по методике, изложенной в настоящем Руководстве.

1.3    Получаемые в результате расчета толщины стенок являются минимально допустимыми для нормальных условий эксплуатации.

Нормы и методы расчета на прочность не учитывают технологических припусков, которые должны вводиться в виде прибавок к расчетной толщине.

Должны учитываться дополнительные напряжения от внешних нагрузок (осевых усилий, изгибающих и крутящих моментов), действующих на рассчитываемый элемент (в частности, нагрузок от собственной массы, массы присоединенных деталей и т. п.).

Р.010-2004 «Расчет на прочность котлов ...»

2 ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕРМИНЫ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

2.1 В настоящем разделе описаны специальные термины, используемые в расчетах на прочность элементов котлов, теплообменных аппаратов и сосудов под давлением, которые следует понимать следующим образом.

.1 Рабочее давление — максимальное допускаемое давление при нормальном протекании рабочею процесса в продолжительном режиме, за исключением допускаемого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

.2 Расчетная температура стенки — средняя по толщине стенки температура, принимаемая в зависимости от температуры среды в условиях обогрева для определения допускаемых напряжений.

.3 Расчетное давление — давление, по которому производится расчет на прочность.

.4 Расчетная п а ро про изводите л ьн ость котла — наибольшее количество пара расчетных параметров, производимого котлом в час при продолжительном режиме работы.

.5 Стенки котлов, теплообменных аппаратов и сосудов под давлением — стенки, ограничивающие объем паровых и водяных, газовых и жидкостных пространств, в том числе стенки соединительных патрубков и корпусов запорных устройств.

.6 Сг е и к и необогреваемые — стенки, которые:

отделены от топочного пространства или от дымохода огнеупорной изоляцией, причем расстояние между ними и этой изоляцией составляет не менее 300 мм;

защищены огнеупорной изоляцией, не подверженной воздействию теплового потока излучения.

ЛСтенки, защищенные от воздействия теплового потока излучения — стенки, которые покрыты огнеупорной изоляцией или закрыты плотным рядом труб (с максимальным зазором между трубами в ряду до 3 мм) или двумя рядами труб, расположенных в шахмат-

2 Используемые термины и обозначения

ном порядке, с продольным шагом, не превышающим двух наружных диаметров грубы, или тремя и более рядами труб, расположенных в шахматном порядке, с продольным шагом, не превышающим двух с половиной наружных диаметров трубы.

.8 Глухое днище — днище, нс имеющее вырезов, или днище с вырезами, расположенными на расстоянии не менее 0,2 наружного диаметра от наружной) контура цилиндрической части, диаметр которых не превышает учетверенной толщины стенки, но не более 100 мм.

2.2 В Руководстве приняты следующие обозначения параметров: р —расчетное давление, МПа;

/ — расчетная температура, °С;

5 — толщина стенки, мм;

г_к —температура насыщения при данном давлении, °С;

Д/ — разность температур, температурный напор, °С;

/?_си —верхний предел текучести, МПа;

/?_с, —нижний предел текучести, МПа;

/?_С1 _л —то же при расчетной температуре, МПа;

R_m —временное сопротивление материала на растяжение, МПа;

R_ml —то же при расчетной температуре, МПа;

а —допускаемое напряжение, МПа; ср — коэффициент прочности; к_а — коэффициент запаса прочности; а — шаг отверстий, мм; d —диаметр отверстий, мм;

/ — площадь поперечного сечения, мм²;

1)_а —наружный диаметр, мм;

D — внутренний диаметр, мм; с — прибавка к размеру, мм;

Е —модуль упругости, МПа;

F —сила, Н.

Р.010-2004 «Расчет на прочность котлов ...»

3 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ

3.1    База исходных данных для расчета формируется на основании анализа чертежей основных элементов котлов, теплообменных аппаратов и сосудов иод давлением, на которых должны быть указаны все конструктивные размеры, в том числе радиусы закруглений, сведения о материале, сварке, расчетных давлениях и температурах.

3.2    Расчетные давления и температуры сред, коэффициенты теплоотдачи в различных сечениях трубных пучков, полостях, зазорах и т. д. следует принимать по результатам подробного теплового расчета или экспериментального исследования котла, теплообменного аппарата, сосуда под давлением или их физических или математических моделей.

4 Основные расчетные параметры

4 ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

4.1 РАСЧЕТНОЕ ДАВЛЕНИЕ

4.1.1    Расчетное давление, с использованием которого производятся расчеты на прочность элементов котлов, теплообменных аппаратов и сосудов иод давлением, следует принимать равным рабочему давлению среды.

Гидростатическое давление должно учитываться при определении расчетного давления, когда оно превышает 0,05 МПа.

4.1.2    Для прямоточных котлов и котлов с принудительной циркуляцией расчетное давление должно приниматься с учетом гидродинамических сопротивлений в элементах котла при расчетной паропроизводительности.

4.1.3    Для плоских стенок, подвергающихся давлению с обеих сторон, за расчетное давление следует принимать наибольшее из действующих давлений. Стенки в виде изогнутых поверхностей, подвергающиеся давлению с обеих сторон, следует рассчитывать на наибольшее внутреннее и наружное давление. Если с одной стороны стенки давление ниже атмосферного, то за расчетное следует принимать давление с другой стороны стенки, увеличенное на 0,1 МПа.

4.1.4    Для экономайзеров за расчетное давление должна приниматься сумма рабочею давления в паровом коллекторе котла и гидродинамических сопротивлений в экономайзере, трубопроводах и арматуре при расчетной паропроизводительности котла.

4.1.5    Для тенлообменных аппаратов и сосудов под давлением холодильных установок расчетное давление должно приниматься согласно требованиям 9 ч. IV ПКНС.

4.2 РАСЧЕТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА

4.2.1 При определении допускаемых напряжений в зависимости от температуры среды и условий обогрева расчетная температура стенки должна приниматься не менее указанной в табл. 4.2.1.

Р.010-2004 «Расчет на прочность к отлов ...»

4.2.2    Расчетная температура обогреваемых стенок котла и омываемых паром необогреваемых стенок котла должна быть не менее 250 °С.

4.2.3    Применение неизолированных обогреваемых дымовыми газами стенок котлов толщиной более 20 мм допускается лишь для температур газов до 800 °С. Пели при толщине стенок менее 20 мм и температуре дымовых газов выше 800 °С имеются участки протяженностью более восьми диаметров труб, нс защищенные изоляцией или рядом груб, то расчетная температура стенки должна определяться с помощью отдельною расчета.

4.2.4    Расчетная температура стенок теплообменных аппаратов и сосудов под давлением холодильного агента должна приниматься равной 20 °С, если не могут возникнуть более высокие температуры.

Таблица 4.2.1

Элементы котлов, тенлообменкых аппаратов и сосудов иод дарением и условия их работы Расчетная температура стенки,°С 1 Элементы, подверженные воздействию теплового потока излучения: 1.1 Трубы котельные .'„+50 1.2 Трубы пароперегревателей т +50 1.3 Волнистые жаровые трубы .'„+75 1.4 Гладкие жаровые трубы, коллекторы, камеры, огневые камеры .'„+90 2 Элементы, обогреваемые горячими газами, но защищенные от воз- действия теплового потока излучения: 2.1 Обечайки, днища, коллекторы, камеры, трубные решетки и трубы гм + зо котельные 2.2 Коллекторы и трубы пароперегревателей при температуре пара до Гм+35 400 °С 2.3 Утилизационные котлы, работающие без режима термической чи- гм+30 стки поверхностей нагрева 2.4 То же с режимом термической чистки поверхностей нагрева 'v 3 Элементы, обогреваемые паром или жидкостями 'v 4 Элементы необогреваемые [ м

В таблице принято: Гм — наибольшая температура нагреваемой среды в рассматриваемом элементе; :v — наибольшая температура греющей среды.