МЕТОДИКА РАСЧЕТА СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НА ПРОЧНОСТЬ

Руководство Р.037-2010

Москва

2016

приказами Российского Речного Регистра от 31.12.2010 № 70-н, от 13.09.2016 № 54-п (Извещение № 1 об изменении)

Введено в действие с 31.12.2010, Извещение № 1 об изменении — е 19.09.2016

Издание    1

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

© Российский Речной Регистр, 2016

/ Общие положения

межтрубном пространстве 1_мр равно расстоянию между перегородками, для теплообменных аппаратов без поперечных иди винтообразных перегородок в межтрубном пространстве /_пер равно расстоянию между трубными решетками;

/кнр — приведенная расчетная длина обечайки кожуха, учитывает конструктивную схему кожуха, мм;

— длина цилиндрической части расширителя на кожухе, мм;

L_K — длина кожуха между фланцами, мм;

L,:c_P— длина перегородки в полости камеры (крышки), с помощью которой организуются ходы в трубах, мм;

L, — рабочая длина трубы, мм;

^грао — расстояние между трубными решетками, мм;

/я,, т₂— коэффициенты влияния давления на изгиб фланцев, мм²;

М— приведенный изгибающий момент, распределенный по краю трубной решетки, (П мм)/мм;

Л/_а — приведенный изгибающий момент, распределенный по периметру трубной решетки, (Н-мм)/мм;

М_к — приведенный момент, изгибающий обечайку кожуха, (Нмм)/мм;

М_кЛ— приведенный дополнительный момент, изгибающий обечайку кожуха, (Н мм)/мм;

Л/_т— приведенный момент, изгибающий трубу, (Н мм)/мм;

Л/₁₍| — дополнительный приведенный момент, изгибающий трубу, (Нмм)/мм;

[М_к]— допускаемый приведенный момент, изгибающий обечайку кожуха, (Н’мм)/мм;

[М_Т]— допускаемый приведенный момент, изгибающий трубу, (Нмм)/мм;

M_mtx— максимальный приведенный расчетный изгибающий момент в перфорированной части трубной решетки, (Н мм)/мм;

п_кои — число волн (линз) компенсатора;

п_ку— коэффициент запаса устойчивости обечайки кожуха;

Руководство Р.037-2010 с изменением Ля 1

п_у— коэффициент запаса устойчивости труб;

N— число циклов нагружения соединения; п_л — число труб;

р—расчетное давление, МПа;

Рк — расчетное давление, равное максимально возможному перепаду давлений, действующих на трубную решетку, МПа;

д, р_ил— давление теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве соответственно, МПа;

\р\— допускаемое давление, МПа;

— допускаемое напряжение в вальцовочном соединении тру

бы и трубной решетки, МПа;

Q— приведенная перерезывающая сила, распределенная по краю трубной решетки, Н/мм;

Ож— приведенная перерезывающая сила, распределенная по периметру трубной решетки. Н/мм;

Q_K— приведенная сила, перерезывающая кожух. Н/мм;

г_кш — радиус волны (линзы) компенсатора со стороны внутренней поверхности, мм;

/?,,/?>— радиусы центров тяжести фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, мм;

Д, — наибольший радиус кривизны выпуклого днища камеры (крышки) 1, мм;

/?— наибольший радиус кривизны выпуклого днища камеры (крышки) 2, мм;

Kpi rn — радиус кривизны тарелки тарельчатою днища, мм;

Дн — верхний предел текучести, МПа;

Д_L— нижний предел текучести, МПа;

Д_ы— то же при расчетной температуре, МПа;

Д,— временное сопротивление материала на растяжение, МПа;

Д,,— то же при расчетной температуре, МПа;

5,р— фактическая толщина трубной решетки в зоне кольцевой канавки для уплотнения крышки, мм;

s_K — фактическая толщина стенки обечайки кожуха, мм;

1 Общие положения

5_К, — толщина стенки кожуха в месте соединения кожуха с трубной решеткой или фланцем, мм;

5_КР?— толщина стенки камеры (крышки) в месте соединения с трубной решеткой или фланцем кожуха, мм;

5_кр, — фактическая толщина стенки камеры (крышки) У, мм;

5_кр; — фактическая толщина стенки камеры (крышки) 2, мм; 5_П1Тр_Кр|—толщина стенки патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) У, мм;

•*п«ркр2 — толщина стенки патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) 2, мм;

j_Rcp— фактическая толщина перегородки в полости камер (крышек), мм;

5_Р — фактическая толщина трубной решетки, мм;

— фактическая толщина второй трубной решетки, мм; s_Pk — толщина трубной решетки в сечении канавки для размещения прокладок под уплотнения перегородок в полости камер (крышек), мм;

5р— расчетная толщина трубной решетки, мм; s_T— фактическая толщина стенки трубы, мм; jj — расчетная толщина стенки трубы, мм;

t— расчетная температура стенки трубы, °С; t[ — температура теплоносителя в межтрубном пространстве на входе в теплообменный аппарат, °С;

t[ —температура теплоносителя в межтрубном пространстве на выходе из теплообменного аппарата, °С;

t\ —температура теплоносителя в трубах на входе в теплообменный аппарат, °С;

t\ —температура теплоносителя в трубах на выходе из тсплооб-менного аппарата, °С;

(_ли—температура окружающего воздуха в условиях эксплуатации, °С;

/_Кср — средняя температура стенки обечайки кожуха в эксплуатационном режиме, °С;

Руководство Р.037-2010 с изменением № 1

t_n — расстояние между осями рядов отверстий в трубной решетке, размещенных с двух сторон от пата (канавки) иод прокладку, мм;

t_p— шаг труб в трубном пучке, наименьший, мм;

t_c — температура окружающей среды при сборке теплообменного аппарата, °С;

4^Р— средняя температура стенки трубы в эксплуатационном режиме, °С;

а, — коэффициент теплоотдачи в межтрубиом пространстве, Вт/(м^?К);

<Х; — коэ(|х|)ициент теплоотдачи в трубах, Вт/(м^;К);

а,_Р— линейный коэффициент термического расширения материала трубной решетки, 1 /К;

а„— линейный коэффициент термического расширения материала труб, 1/К;

а_1К — линейный коэффициент термического расширения материала обечайки кожуха, 1/К;

Р— коэффициент жесткости системы трубная решетка - трубы, 1/мм;

Ро— угол наклона конических элементов расширителя к оси кожуха теплообменного аппарата, град.;

5 — высота сварного шва в месте приварки трубы к трубной решетке, мм;

8_ком — фактическая толщина стенки компенсатора, мм;

5_ряг — фактическая толщина стенки расширителя на кожухе, мм;

At—разность температур, температурный напор, °С;

Ар — перепад давлений теплоносителя, циркулирующего в трубах, между ходами, которые разделяет перегородка в полости камеры (крышки), МПа;

Фь;— коэффициент прочности сварного шва колец жесткости, подкрепляющих обечайку кожуха;

Фр — эффективный коэффициент ослабления трубной решетки;

фк_Р1 — коэффициент прочности сварного соединения в днище камеры (крышки) 1;

1 Общие положения

Фк_р; — коэффициент прочности сварного соединения в днище камеры (крышки) 2;

Фгк — коэффициент прочности кольцевого сварного шва обечайки кожуха;

фгк*— коэффициент прочности кольцевого сварного шва кольца жесткости обечайки кожуха;

<Ргр— коэффициент уменьшения допускаемого напряжения в трубе при продольном изгибе;

(р,р— коэффициент ослабления трубной решетки;

(р_р— коэффициент прочности продольных сварных швов;

Ф_рТ— коэффициент прочности продольных сварных швов сварных труб;

Ф_рК — коэффициент прочности продольных сварных швов обечайки кожуха;

X — параметр гибкости труб;

г| — коэффициент влияния давления на элемент конструкции;

Пр — коэффициент влияния давления на трубную решетку; г|,— коэффициент влияния давления на трубы; ц/₀ — коэффициент жесткости перфорированной плиты; р — приведенное отношение жесткости труб и жесткости кожуха; р, — приведенное отношение жесткости труб к жесткости фланцевого соединения кожуха и камеры (крышки);

а_1Х, ^ai — расчетные напряжения в трубе в осевом направлении, МПа;

а_л— расчетные напряжения в трубе в окружном направлении, МПа;

сг_Р| — и нибные напряжения в месте соединения трубной решетки е кожухом, МПа;

а_Р; — изгибные напряжения в перфорированной части трубной решетки, МПа;

[а_а]— допускаемая амплитуда упругих напряжений, МПа;

[а]_к — допускаемое напряжение материала обечайки кожуха, МПа;

Руководство Р.037-2010 с изменением N9 1

[о]    —    допускаемое    напряжение    материала    камер    (крышек).

МПа;

[а]^ — допускаемое напряжение материала колец жесткости, подкрепляющих обечайку кожуха, МПа;

[а] —допускаемое напряжение материала перегородки в полости камеры (крышки), с помощью которой организуются ходы в трубах, МПа;

[а]_р— допускаемое напряжение материала трубной решетки,

МПа;

|а|_т— допускаемое напряжение материала труб при расчетной температуре, МПа;

т_Р1 — касательные напряжения в месте соединения трубной решетки е кожухом. МПа;

т_Р2 — касательные напряжения в перфорированной части трубной решетки, МПа.

1.5 Расчетная температу ра стенки

1.5.1    При определении расчетной температуры стенки необходимо учитывать коэффициенты теплоотдачи и температуры теплоносителей, омывающих стенку с обеих сторон, которые следует принимать но результатам подробного теплового расчета теплообмен-нот аппарата.

1.5.2    Для стенок, толщина которых не превышает 2,5 мм, расчетная температура стенки определяется по формуле

где а, — коэффициент теплоотдачи с той стороны стенки, которая омывается теплоносителем с температурой t_n;

а_? — коэффициент теплоотдачи с той стороны стенки, которая омывается теплоносителем с температурой t_v.

1.5.3 Для стенок, толщина которых превышает 2,5 мм, и стенок сложной формы расчетную температуру стенки определяют путем

СОДЕРЖАНИЕ

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

1.1    Область применения................................................................... 5

1.2    Принятые допущения................................................................. 6

1.3    Термины и их определения........................................................ 6

1.4    Обозначения параметров............................................................ 6

1.5    Расчетная температура стенки................................................... 16

1.6    Расчетное давление..................................................................... 17

1.7    Допускаемые напряжения, механические и физические

свойства материалов.................................................................... 17

1.8    Прибавки к расчетным толщинам............................................. 22

2    Проверка прочности труб трубного пучка................................ 24

2.1 Предварительные замечания...................................................... 24

2.2. Проверка толщины стенки труб, нагруженных внутренним

избыточным давлением............................................................... 25

2.3    Проверка толщины стенки труб, нагруженных наружным

избыточным давлением............................................................... 26

2.4    Проверка толщины стенки труб, нагруженных осевым растягивающим усилием.................................................................. 27

2.5    Проверка толщины стенки труб, нагруженных осевым

сжимающим усилием.................................................................. 28

2.6    Проверка толщины стенки труб, нагруженных изгибающим

моментом...................................................................................... 31

2.7    Проверка устойчивости труб, работающих иод совместным

действием различных нагрузок.................................................. 31

2.8    Расчетные напряжения в трубах................................................ 32

2.9    Проверка труб на статическую прочность................................ 32

Содержание

2.10    Проверка труб на прочность при малоцикловых нагрузках... 32

2.11    Проверка труб на устойчивость................................................. 33

2.12    Проверка жесткости труб........................................................... 33

2.13    Проверка прочности закрепления труб в трубных решетках 34

3    Проверка прочности трубных решеток..................................... 35

3.1    Проверка прочности неподвижных трубных решеток и

трубных решеток теплообменных аппаратов с компенсатором или расширителем на кожухе............................................. 35

3.2    Проверка прочности трубных решеток теплообменных ап

паратов с U-образными трубами, с подвижной трубной решеткой, плавающей головкой, температурным компенсатором на плавающей головке..................................................... 40

4    Проверка прочности перегородок в полости камер (крышек), с помощью которых организованы трубные ходы........ 42

5    Проверка прочности обечаек кожуха теплообменных аппаратов.............................................................................................. 42

5.1    Область применения и выполняемые проверки...................... 42

5.2    Расчет напряжений в обечайке кожуха..................................... 43

5.3    Проверка толщины стенки обечайки кожуха, не подкрепленной кольцами жесткости....................................................... 44

5.4    Проверка прочности и устойчивости обечайки кожуха, не

подкрепленной кольцами жесткости......................................... 49

5.5    Проверки, выполняемые в отношении обечайки кожуха,

подкрепленной кольцами жесткости......................................... 50

6    Проверка прочности камер (крышек)....................................... 51

7    Проверка прочности элементов пластинчатых теплообменных аппаратов.............................................................................. 59

Приложение А. Перечень исходных данных для расчета

кожухотрубных теплообменных аппаратов на прочность....... 60

Приложение Б. Список параметров, представляемых как результаты расчета кожухотрубных теплообменных аппаратов на прочность.......................................................................... 73

Приложение В. Характеристики жесткости и усилия в элементах конструкции кожухотрубных теплообменных аппаратов.............................................................................................. 79

1 Общие положения

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1Л Область распространения

1.1.1    Настоящее руководство является основным документом, регламентирующим выполнение расчетов на прочность элементов судовых теплообменных аппаратов, являющихся объектами технического наблюдения Российского Речного Регистра (далее - Речного Регистра) и применяемых для нагрева и охлаждения рабочих сред судовых двигателей, компрессоров, редукторов, холодильных установок, дейдвудных устройств, груэа и т. и. Руководство Р.010-2004 в части расчетов элементов теплообменных аппаратов на прочность должно использоваться в качестве справочного материала с момента утверждения настоящего руководства.

1.1.2    Расчет на прочность судовых теплообменных аппаратов допускается выполнять с применением других методик, национальных стандартов, стандартов предприятия и т. и. В этом случае на рассмотрение Речному Регистру, помимо оформленного расчета, должны быть отдельно представлены исходные данные, перечисленные в приложении Л к настоящему руководству, а также результаты расчета, указанные в приложении Б к настоящему руководству.

1.1.3    Список исходных данных для расчета формируется на основании анализа чертежей основных элементов теплообменных аппаратов, на которых должны быть указаны все конструктивные размеры, в том числе высота сварных швов, радиусы центров тяжести, ширина канавок и т. п., а также сведения о материале, сварке, расчетных давлениях и температурах.

Руководство P.037-20I0 с изменением № 1

1.2 Принятые допущения

1.2.1    Принимается, что рассматриваемые в настоящем руководстве элементы судовых теплообменных аппаратов работают в условиях однократных и многократных статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением, а также иод действием внешних нагрузок (осевых усилий, изгибающих и крутящих моментов) на элементы теплообменного аппарата, в том числе нагрузок от собственной массы, массы присоединенных деталей и т. п.

1.2.2    Принимается, что отклонения от геометрической формы и неточности изготовления рассчитываемых элементов теплообменных аппаратов не превышают допусков, установленных нормативно -тех н ичес ко й до куме ита и ие й.

1.3 Термины и их определения

1.3.1    В настоящей главе описаны специальные термины, которые нужно понимать следующим образом.

.1 Рабочее давление — максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допустимою кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других прсдохранительных устройств.

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

.3Расчетное давление — избыточное давление, с использованием которого производится расчет на прочность (см. 1.6).

1.4 Обозначения параметров

1.4.1    В настоящем руководстве приняты следующие обозначения параметров:

я, — расстояние от оси кожуха до оси наиболее удаленной трубы, мм;

/ Общие положения

А*— фактическая площадь поперечного сечения кольца жесткости обечайки кожуха, мм⁷;

А, Ь)— высоты консольных частей фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, мм;

Ь_ж — расстояние между обращенными друг к другу плоскостями оснований двух соседних колец жесткости, подкрепляющих обечайку кожуха;

Ь_а — ширина канавок в трубной решетке для размещения прокладок под уплотнения перегородок в полости камер (крышек), мм;

Ь_гср — ширина (высота) перегородки в полости камер (крышек), мм;

с_к — прибавка к расчетной толщине стенки обечайки кожуха, мм; — прибавка к расчетной толщине стенки кольца жесткости обечайки кожуха, мм;

с_кон — прибавка к расчетной толщине стенки компенсатора температурных расширений, мм;

с_кр — прибавка к расчетной толщине стенки днища камеры (крышки), мм;

с_пср — прибавка к расчетной толщине перегородки в полости камеры (крышки), мм;

г_р— прибавка к расчетной толщине трубной решетки, мм; с_т — прибавка к расчетной толщине стенки трубы, мм; d — внутренний диаметр трубы, мм; d₀ — диаметр отверстия в трубной решетке под трубы, мм;

Aiuk — диаметр внутренней тарелки тарельчатого днища, мм;

*/"_ом,    —    соответственно    наружный    и    внутренний диаметры

компенсатора температурных расширений на кожухе, мм;

d_t:aтр,—диаметр выреза для вварки патрубка подвода теплоносителя в межтрубное пространство, мм;

Аир? — диаметр выреза для вварки патрубка отвода теплоносителя из межтрубного пространства, мм;

А — наружный диаметр трубы, мм;

Ai:«pi—диаметр выреза под первый патрубок в днище камеры (крышки) 1;

Руководство Р.037-2010 с изменением № 1

D_?l.„_р,—диаметр выреза иод второй патрубок в днище камеры (крышки) 1;

Д_пвтр2— диаметр выреза под первый патрубок в днище камеры (крышки) 2;

— диаметр выреза под второй патрубок в днище камеры (крышки) 2;

Д — диаметр окружности, вписанной в максимальную бсструб-ную зону, мм;

Д 1 — расчетный диаметр плоского днища камеры (крышки) 1, мм;

0_С? — расчетный диаметр плоского днища камеры (крышки) 2, мм;

Д — диаметр окружности, в которую вписан трубный пучок, мм;

Дли! — наружный диаметр выпуклого днища камеры (крышки) 1;

Аин> — наружный диаметр выпуклого дниша камеры (крышки) 2;

Дртлк — диаметр окружности размещения крепежных отверстий тарельчатого дниша камеры (крышки), мм;

D™ —внутренний диаметр обечайки кожуха, мм;

Дф — внутренний диаметр полости камеры (крышки), стенка

(обечайка) которой приварена или выполнена заодно с фланцем камеры (крышки), мм;

Д, — наружный диаметр трубной решетки или участка элемента кожуха, приваренного к трубной решетке, мм;

Д,— наружный диаметр фланца камеры (крышки), мм;

A«:aipKi>i — диаметр большего отверстия в днище камеры (крышки) 1 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;

Апатркр! — диаметр меньшего отверстия в днище камеры (крышки) 1 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;

Апатркр; — диаметр большего отверстия в днище камеры (крышки) 2 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;

/ Общие положения

D„ :«тркр2 — диаметр меньшего отверстия и днище камеры (крышки) 2 для установки патрубка (штуцера) подвода или отвода теплоносителя, мм;

D_pac— диаметр расширителя на кожухе, мм;

D_cr— средний диаметр прокладки (наружный диаметр подвижной трубной решетки, перемещающейся при расширении труб в пределах уплотнения в кожухе), мм;

£,, Е) — модули продольной упругости материалов фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, МПа;

Е_к— модуль продольной упругости материала обечайки кожуха. МПа;

Екок — модуль продольной упругости материала компенсатора на кожухе, МПа;

Е_кр— модуль продольной упругости материала камеры (крышки), МПа;

Е_Р— модуль продольной упругости материала трубной решетки, МПа;

Ер,— модуль продольной упругости материала второй трубной решетки, МПа;

Е₁ — модуль продольной упругости материала труб, МПа;

/— площадь поперечного сечения, мм²;

F_K— осевая сила, действующая на кожух, Н;

F_Kd — дополнительная осевая сила, действующая на кожух. И;

F_p— допускаемая нагрузка на соединение трубы с трубной решеткой, определяется но результатам испытаний или но действующей нормативно-технической документации;

F₁ — осевое растягиваюшее или сжимающее трубу усилие, И;

F_1d — дополнительное осевое растягивающее или сжимающее трубу усилие, И;

[/^] —допускаемое осевое растягивающее или сжимающее усилие, II;

//,, И, — толщины тарелок фланцев кожуха и камеры (крышки) соответственно, мм;

#_Л1 — высота выпуклой части выпуклого днища камеры (крышки) 1, мм;

Руководство Р.037-2010 с изменением № 1

Я_л7 — высота выпуклой части выпуклого днища камеры (крышки) 2, мм;

ДмтрКР! — высота патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) 1, мм;

#_п„_ркр2 — высота патрубка подвода или отвода теплоносителя, установленного в днище камеры (крышки) 2, мм;

У_т — момент инерции поперечного сечения трубы, мм⁴; ка_е — эффективный коэффициент концентрации напряжении; к_К(М — осевая жесткость сильфонного компенсатора, Н/мм; к_Кр, — расчетный коэффициент, используемый при оценке прочности плоского днища камеры (крышки) 1;

ккр? — расчетный коэффициент, используемый при оценке прочности плоского днища камеры (крышки) 2; ку— модуль упругости системы труб. МПа/мм; ко — коэффициент запаса прочности;

Лк — расстояние между трубной решеткой и ближней к ней поперечной перегородкой, мм;

/_R— характерная длина, мм: для теплообменных аппаратов без поперечных перегородок в межтрубном пространстве /_к = 0.5Д; в противном случае 1_R = max{/_i:cp; 0,7/_1R};

/_в— глубина развальцовки трубы в трубной решетке, мм;

4*— расстояние по образующей обечайки между осевыми линиями соседних колец жесткости, мм;

/_ТР1 — расстояние между образующими патрубков днища камеры (крышки) 1, мм;

1_1р2 — расстояние между образующими патрубков днища камеры (крышки) 2, мм;

/„ — плечо, мм: если теплообменный аппарат не оборудован поперечными перегородками в межтрубном пространстве, то /„ = 0,5/^, в противном случае /_п =/_1R/3 ;

/,ф — приведенная расчетная длина труб, учитывает схему заделки трубы, мм;

4е_Р— расстояние между опорами труб, мм. Для теплообменных аппаратов с поперечными или винтообразными перегородками в