Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

Таким образом, рекомендации по расположению компенсаторов на трубопроводе и

установке опор для четкой фиксации воспринимаемых ими перемещений нужно соблю-

дать всегда, если даже из анализа расчетной модели это делать не обязательно.

3. Распространенная ошибка - при проведении расчетов по ПС Старт растяжку

осевого компенсатора задают соответствующей предварительной растяжкой трубопро-

вода. Растяжка осевого компенсатора делается с целью увеличения величины его осевого

хода. Эта растяжка при правильном ее выполнении не должна вызывать в трубопроводе

никаких начальных усилий. То же самое относится к компенсаторам угловым и сдвиго-

вым и универсальным, в которых в качестве гибких элементов используются сильфоны

или линзы. Предварительная же растяжка трубопровода предназначена для создания в

нем начальных усилий противоположного знака с тем, чтобы разгрузить его в рабочем

состоянии от температурного нагрева. Путать эти растяжки, имеющие разную приро-

ду, недопустимо. Нужно запомнить простое правило – при использовании ПС Старт

растяжка компенсаторов учитывается следующим образом

- для осевого компенсатора – увеличением допустимой величины осевого хода;

- для углового компенсатора – увеличением допустимой величины угла поворота;

-для сдвигового компенсатора – увеличением допустимой величины бокового хода.

При 50% -ной растяжке компенсатора допустимые величины обычно составляют

удвоенные величины допустимого хода по каталогу. Например, полученная в результате

расчета деформация осевого компенсатора при наличии растяжки не должна превышать

. При отсутствии растяжки эта величина уменьшается наполовину



. Для нестан-

дартных компенсаторов растяжку следует «держать в уме» при анализе результатов (таб-

лица «Деформации компенсаторов»).

Вообще, к учету растяжки компенсаторов нужно подходить весьма осторожно.

Как уже говорилось, эта процедура требует особой тщательности при выполнении мон-

тажных работ. К сожалению, и это подтверждается многочисленными фактами из прак-

тики, наши монтажные организации пока не могут обеспечить такое качество монтажа

трубопровода с компенсаторами, при котором после его завершения в трубопроводе не

было бы никаких случайных перекосов, вызывающих начальные напряжения. И если при

установке осевых компенсаторов эта проблема решается достаточно просто, благодаря

возможности четкой фиксации осевых перемещений трубопровода независимо от нали-

чия возможных отклонений, то при использовании других типов компенсаторов добиться

желаемых результатов от реализации растяжки совсем непросто. Поэтому желательно в

этих случаях обходиться без предварительной растяжки.

4. Создавая кинематическую цепь с использованием компенсаторов, необходимо

сохранять геометрическую неизменяемость трубопровода как стержневой системы. В

противном случае конструкция трубопровода не будет выполнять своего назначения –

воспринимать действующие нагрузки и передавать их на опоры, а результаты расчета

получатся недостоверными.

Лекция 4

Тройниковые соединения

Оглавление

1. Допустимое давление в тройниках..................................................................................2

2. Напряжения, обусловленные дополнительными нагрузками.......................................5

3. Ограничения, накладываемые на расположение ответвлений при использовании

ПС Старт.................................................................................................................................9

4. Литература .......................................................................................................................10

1. Допустимое давление в тройниках

При использовании ПС Старт нередко задают вопросы типа: «Почему принятый

по ГОСТу тройник не держит давление?». Рассмотрим эту проблему подробнее.

В нормах по расчету трубопроводов на прочность, как зарубежных [8], так и отече-

ственных [2], [3], [6], для определения допустимого давления в тройниковых соединениях

обычно используется метод замещения площади. Его сущность заключается в том, что

площадь, удаленная из стенки магистрали (расчетная толщина стенки трубы магистрали,

умноженная на диаметр ответвления в свету), замещается избыточной толщиной стенки

магистрали, и/или ответвления, а при наличии накладки – и дополнительной площадью

сечения накладки.

Допустимое давление рассчитывается по формуле









 . (1)

Коэффициент несущей способности



≥1 показывает, во сколько раз расчетная толщина

стенки магистрали тройника s

должна быть больше расчетной толщины стенки трубы

того же наружного диаметра

. Для трубопроводов, в которых температурный нагрев не

вызывает ползучести материала, номинальное допускаемое напряжение равно

















5142

min

Минимальный запас по пределу прочности

- 2.4. Если же

51,

42,

, то этот коэффи-

циент возрастает. Например, для стали 20

= 410 МПа,

σ = 230 МПа



МПа

σ 153

230

410

min 















имеем

7.2

153

410



. Коэффициент запаса по пределу прочности 2.7 характерен для боль-

шинства углеродистых и низколегированных трубных сталей. Cоответственно формулу

(1) для Р можно преобразовать









pв

35.17.2

 . (1а)

Формула неудобна в использовании, поскольку в ней фигурирует не фактическая

(номинальная) толщина стенки детали – s, а расчетная - s

. Расчетная толщина отличается

от номинальной на величину суммарной прибавки с, которая включает прибавку на кор-

розию, возможное утонение стенки (минусовой допуск), округление до размера, имеюще-

гося в сортаменте. Если принять, что в среднем суммарная прибавка составляет 35% от

номинальной толщины, получаем

35.1

65.0





P 

(2)







. (2а)

Формула (2а) и приведена в ГОСТ 17380-2001 [5]. В ней коэффициент несущей

способности для тройников

1



0.6

, (3)

где

- соответственно наружный диаметр ответвления и магистрали .

Пользоваться формулой (2а) можно только для - штампованных или штампос-

варных тройников по ГОСТ 17376 - 2001 [7] при следующих дополнительных ограниче-

ниях:

 материал тройника – углеродистая или низколегированная сталь, у которой

вр



6.0

;

 суммарная прибавка к расчетной толщине не более 35% от номинальной толщины

стенки магистрали - c ≤ 0.35s;

На коэффициенте несущей способности остановимся подробнее. Принятые в

ГОСТе значения

η заимствованы из СНиПа [6], в котором для тройников они определятся

по графику, приведенному на рис. 1. Кривая 1 соответствует сварным тройникам или

врезкам без усиливающей накладки, кривая 2 – штампованным или штампосварным трой-

никам, кривая 3 – сварным тройникам или врезкам, усиленным накладкой. Выделенная

красным цветом прямая 4 соответствует формуле (3)

. Ее использование вместо кривой 2

обеспечивает определенный запас прочности при расчетах штампованных и штампосвар-

ных тройников. Но совершенно недопустимо использовать ее для сварных тройников

(кривая 1) и тройников с накладками (кривая 3), т.к. получаемые при этом результаты бу-

дут качественно неправильными.

Рис.1. Коэффициенты несущей способности тройника

Нужно иметь в виду, что рекомендуемые в СНиПе значения коэффициента несу-

щей способности тройников являются приближенными, поскольку они определяются

только конструкцией (тройник сварной, штампованный, с усиливающей накладкой) и от-

ношением диметра ответвления к диаметру магистрали. Если взять конкретные нормы

(например, РД 10-249-98 [2] или СТП 09-04-02 [3]), то в них этот коэффициент определя-

ется по-другому. Он рассчитывается аналитически и зависит не только от конструкции

тройника, диаметров ответвления и магистрали, но также и от суммарной площади усиле-

ния: увеличенной толщины стенки магистрали, и/или ответвления, ширины и толщины

усиливающей накладки. В результате рассчитанные значения η могут не совпадать с при-

нятыми в СНиПе [6].

Серьезным недостатком формулы (2а) является и ограничение суммарной прибав-

ки. Очевидно, что когда ее реальное значение превышает 35% от номинальной толщины

стенки магистрали, то не обязательно переходить на более толстую стенку. Пусть номи-

нальная толщина стенки изделия 10мм. Для трубопровода со средне агрессивной средой

при скорости 0.2 мм/год (пункт 1.10 ПБ 03-585 -03 [4]) и расчетном сроке службы 15 лет

прибавка на коррозию должна составить 3 мм. Прибавка, которая компенсирует возмож-

ное утонение стенки (минусовой допуск), - 1 мм. Таким образом, при номинальной тол-

щине стенки 10 мм, расчетная толщина не превысит



= 10 – 4 = 6 мм и

s6.0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

1,62

Тогда, подставляя это значение в формулу (1а), получаем













3.27.135.17.2

6.02







Вместо двойки в знаменателе получается 2.3 . Для сохранения коэффициента 2 толщину

требуется увеличить до 12 -ти мм.

Вывод очевиден. Вместо приведенных в ГОСТе формул (2а) и (3), нужно использо-

вать формулы определения допустимого давления, которые содержатся в нормах по рас-

чету прочности трубопроводов. При применении ПС Старт эта рекомендация выполня-

ется автоматически.

2. Напряжения, обусловленные дополнительными нагрузками

Температурные расширения трубопроводов являются причиной возникновения в

тройниковых соединениях осевых сил и изгибающих моментов. Эти силы и моменты по-

казаны на рисунке 2а.

При проектировании нужно принимать необходимые меры для локализации и сни-

жения этих воздействий. В этом состоит второе требование к обеспечению прочности

тройниковых соединений.

Напряжения изгиба, возникающие у кромок отверстия, характеризуются коэффи-

циентами интенсификации, которые показывают, во сколько раз эти напряжения превы-

шают напряжения изгиба в сечениях магистрали или ответвления при отсутствии ослаб-

ления вырезом. Соответствующая расчетная модель представлена на рис. 3а. Рамный узел

с упругим шарниром в месте примыкания ответвления к магистрали. Упругий шарнир

а)

б)

Рис. 2. Тройниковое соединение

моделирует податливость соединения двух цилиндрических оболочек при работе на из-

гиб. Формулы для вычисления коэффициентов интенсификации приведены в нормах.

Рис. 3. К определению напряжений изгиба в

тройниковом соединении

Для трех сечений А-А, Б-Б и В-В, показанных на рисунке 3а, вычисляются напря-

жения по формуле



MiMi











Здесь

– изгибающий момент из плоскости тройника (на рисунке 3а это плоскость XY

для сечений А-А, Б-Б и плоскость ZX для сечения В-В),

– изгибающий момент в плоскости тройника (плоскость ZY),

N – осевые усилия растяжения – сжатия, вдоль оси магистрали или ответвления,

– коэффициент интенсификации напряжений изгиба из плоскости тройника,

– коэффициент интенсификации напряжений изгиба в плоскости тройника,

– коэффициент снижения прочности поперечного сварного шва,







;min





- коэффициент ослабления отверстием магистрали тройника,

W, F – момент сопротивления изгибу и площадь поперечного сечения.

Оценка прочности проводится по наибольшему значению σ. Наиболее эффектив-

ным способом снижения напряжений изгиба является усиление с помощью накладки, ши-

риной b (рис.2б). Усиление накладкой позволяет снизить коэффициенты интенсификации

в среднем в два раза, что влечет за собой соответствующее снижение напряжений изгиба.

А Б

)

а)

В В

Расчетные исследования показывают, что условия циклической прочности в тройниках

соблюдаются при значениях коэффициентов интенсификации не более 3,5 ÷ 4.

В таблице приведены коэффициенты интенсификации напряжений для двух про-

стых не равнопроходных врезок и тех же врезок, усиленных накладкой. Как видим, на-

кладка позволяет снизить напряжения изгиба в два и более раз.

Влияние накладок на снижение напряжений изгиба

Коэффициенты интенсификации напряжений

Врезка Накладка

отсутствует 7.4 5.8

219х159

= 5мм

3.0 2.5

отсутствует 7.0 5.5

630х325

= 7мм

3.5 2.9

В тех случаях, когда усиление накладкой выполнить невозможно, нужно увеличи-

вать толщину стенки магистрали тройникового соединения, поскольку увеличение тол-

щины стенки ответвления для снижения напряжений изгиба в подавляющем большинстве

случаев оказывается неэффективным.

Подчеркнем, что когда речь идет о снижении напряжений, вызванных температур-

ным нагревом, мероприятия по усилению тройникового ответвления являются дополни-

тельными.

+ δ

- δ

а) б) в)

Рис.4. Тройник на вертикальном стояке

Другими словами выполнение условий прочности от действия давления явля-

ется необходимым, но не достаточным – может потребоваться увеличение толщин

стенок или усиление накладкой в тех случаях, когда для безопасного восприятия

давления этого делать не нужно.

Для снижения усилий в тройниковых ответвлениях от температурных расширений

также используются специальные приемы конструирования трубопроводов.

На рисунке 4а показано неудачное конструктивное решение – установленный под

вертикальным стояком для восприятия веса подпятник обеспечивает перемещение трубо-

провода при нагреве только вертикально вверх. В нагретом трубопроводе тройниковое

соединение приподнимается над опорой, установленной на горизонтальном ответвлении,

в результате чего вес ответвления (включая вес арматуры) передается на штуцер в виде

большого изгибающего момента (рис. 4б).

На рисунке 4в показано правильное решение. Вместо подпятника, на некотором

расстоянии L от стояка поставлена скользящая опора. Теперь вес трубопровода, воспри-

нимается двумя опорами, а вертикальный стояк получил возможность перемещаться при

разогреве в обе стороны: вверх и вниз. Естественно, что схема будет так работать только

при правильном подборе расстоян

ия L .

На рисунке 5а картина аналогичная, но рецепт исправления другой – для того, что-

бы вес участка СВА в результате нагрева трубопровода не передавался на тройник, вместо

скользящей опоры в точке D ставится направляющая с двухсторонней связью по вертика-

ли (рис.5б). Тем самым обеспечивается температурное расширение участка АВ строго по

горизонтали. Для снижения напряжений изгиба в Z – образном повороте скользящая опо-

+δ

а) б)

Рис.5. Тройник на горизонтальном ответвлении