Методика расчета прочности стенки магистрального трубопровода по СНиП 2.05.06-85*

Подождите немного. Документ загружается.

МЕТОДИКА

расчета прочности стенки магистрального трубопровода по СНиП 2.05.06-85*

(составитель Ивлев Д.В.)

Расчет прочности (толщины) стенки магистрального трубопровода несложен, но при его

выполнении впервые возникает ряд вопросов, откуда и какие берутся значения в формулах.

Данный расчет прочности производится при условии воздействия на стенку трубопровода только

одной нагрузки – внутреннего давления транспортируемого продукта. При учете воздействия

других нагрузок должен проводиться проверочный расчет на устойчивость, который в данной

методике не рассматривается.

1. Расчет толщины стенки трубопровода

Номинальная толщина стенки трубопровода определяется по формуле (12) СНиП 2.05.06-85*:

где

pnR

Dpn

)(2









n - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению в трубопроводе,

принимаемый по табл.13* СНиП 2.05.06-85*:

Характер

нагрузки и

воздействия

Нагрузка и воздействие Способ прокладки трубопровода Коэффициент

надежности по

нагрузке

подземный,

наземный (в насыпи)

надземный

Временные

длительные

Внутреннее давление для газопроводов + + 1,10

Внутреннее давление для нефтепроводов и

нефтепродуктопроводов диаметром 700—1200 мм с

промежуточными НПО без подключения емкостей

+ + 1,15

Внутреннее давление для нефтепроводов диаметром 700—1200

мм без промежуточных или с промежуточными НПС,

работающими постоянно только с подключенной емкостью, а

также для нефтепроводов и нефтепродуктопроводов диаметром

менее 700 мм

+ + 1,10

р - рабочее давление в трубопроводе, в МПа;

- наружный диаметр трубопровода, в миллиметрах;

- расчетное сопротивление растяжению, в Н/мм

. Определяется по формуле (4) СНиП 2.05.06-

85*:

где



- временное сопротивление разрыву на поперечных образцах, численно равное пределу

прочности σ

металла трубопровода, в Н/мм

. Это значение определяется нормативными

документами на сталь. Очень часто в исходный данных указывается только класс прочности

металла. Это число примерно равно пределу прочности стали, переведенное в мегапаскали

(пример: 412/9,81=42). Класс прочности конкретной марки стали определяется анализом в

заводских условиях только для конкретной плавки (ковша) и указывается в сертификате на сталь.

Класс прочности может в небольших пределах различаться от партии к партии (на пример, для

стали 09Г2С – К52 или К54). Для справок можно пользоваться следующей таблицей:

Класс прочности К42 К52 К54 К55 К56 К60

Предел прочности σ

, Н/мм

412 510 530 540 550 590

Предел текучести σ

, Н/мм

245 360 380 380 390 480

Отношение предела прочности к

пределу текучести σ

/ σ

0,59 0,71 0,72 0,70 0,71 0,81

Примерная марка стали с

данным классом прочности

Сталь 20 09Г2С 10Г2ФБЮ

m - коэффициент условий работы трубопровода в зависимости от категории участка

трубопровода, принимаемый по таблице 1 СНиП 2.05.06-85*:

Категория трубопровода и

его участка

Коэффициент условий работы трубопровода при расчете его на

прочность, устойчивость и деформативность m

В 0,60

І 0,75

ІІ 0,75

ІІІ 0,90

IV 0,90

Категория участка магистрального трубопровода определяется при проектировании согласно

таблицы 3* СНиП 2.05.06-85*. При расчете труб, применяемых в условиях интенсивных вибраций,

коэффициент m может быть принят равным 0,5.

- коэффициент надежности по материалу, принимаемый по табл.9 СНиП 2.05.06-85*:

Характеристика труб Значение коэффициента

надежности по материалу к

1. Сварные из малоперлитной и бейнитной стали контролируемой прокатки и термически упрочненные трубы,

изготовленные двусторонней электродуговой сваркой под флюсом по сплошному технологическому шву, с

минусовым допуском по толщине стенки не более 5% и прошедшие 100%-ный контроль на сплошность основного

металла и сварных соединений неразрушающими методами

1,34

2. Сварные из нормализованной, термически упрочненной стали и стали контролируемой прокатки,

изготовленные двусторонней электродуговой сваркой под флюсом по сплошному технологическому шву и

прошедшие 100%-ный контроль сварных соединений неразрушающими методами. Бесшовные из катаной или

кованой заготовки, прошедшие 100 %-ный контроль неразрушающими методами

1,40

3. Сварные из нормализованной и горячекатаной низколегированной стали, изготовленные двусторонней

электродуговой сваркой и прошедшие 100%-ный контроль сварных соединений неразрушающими методами

1,47

4. Сварные из горячекатаной низколегированной или углеродистой стали, изготовленные двусторонней электро-

дуговой сваркой или токами высокой частоты. Остальные бесшовные трубы

1,55

Примечание. Допускается применять коэффициенты 1,34 вместо 1,40; 1,4 вместо 1,47 и 1,47 вместо 1,55 для труб, изготовленных двухслойной

сваркой под флюсам или электросваркой токами высокой частоты со стенками толщиной не болев 12 мм при использовании специальной

технологии производства, позволяющей получить качество труб, соответствующее данному коэффициенту к

Ориентировочно можно принимать коэффициент для стали К42 – 1,55, а для стали К60 – 1,34.

- коэффициент надежности по назначению трубопровода, принимаемый по табл.11 СНиП 2.05.06-

85*:

Условный

диаметр

трубопровода,

мм

Значение коэффициента надежности по назначению трубопровода k

для газопроводов в зависимости от внутреннего давления  для нефтепроводов и

нефтепродуктопроводов

 5,4 МПа

р55 кгс/см

5,4 <р 7,4 МПа

55 < р  75 кгс/см

7,4 <р 9,8 МПа

75 < р  100 кгс/см

500 и менее 1,00 1,00 1,00 1,00

600-1000 1,00 1,00 1,05 1,00

1200 1,05 1,05 1,10 1,05

1400 1,05 1,10 1,15 —

К получаемому по формуле (12) СНиП 2.05.06-85* значению толщины стенки бывает необходимо

прибавить припуск на коррозионное поражение стенки за время эксплуатации трубопровода.

Расчетный срок эксплуатации магистрального трубопровода указывается в проекте и обычно

составляет 25-30 лет.

Для учета наружного коррозионного поражения по трассе магистрального трубопровода

проводится инженерно-геологическое обследование грунтов. Для учета внутреннего коррозионного

поражения производится анализ перекачиваемой среды, наличия в нём агрессивных компонентов.

Характеристика воздействия Скорость коррозионного проникновения, мм/год

неагрессивное менее 0,01

слабоагрессивное 0,01 – 0,1

среднеагрессивное 0,1 – 0,5

сильноагрессивное более 0,5

Для примера, природный газ, подготовленный к перекачке, относится к слабоагрессивной среде.

Но наличие в нём сероводорода и (или) углекислого газа в присутствии паров воды может

увеличит степень воздействия до среднеагрессивного или сильноагрессивного.

К получаемому по формуле (12) СНиП 2.05.06-85* значению толщины стенки прибавляем

припуск на коррозионное поражение и получаем расчетное значение толщины стенки, которое

необходимо округлить до ближайшего большего стандартного (смотреть, например, в ГОСТ 8732-

78* «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент», в ГОСТ 10704-91 «Трубы

стальные электросварные прямошовные. Сортамент», или в технических условиях

трубопрокатных предприятий).

2. Проверка выбранной толщины стенки по испытательному давлению

После строительства магистрального трубопровода производится испытания как самого

трубопровода, так и отдельных его участков. Параметры испытаний (испытательное давление и

время испытания) указаны в таблице 17 СНиП III-42-80* «Магистральные трубопроводы».

Проектировщику необходимо следить, что бы выбранные им трубы обеспечивали необходимую

прочность при проведении испытаний.

На пример: производится гидравлическое испытание водой трубопровода Д1020х16,0 сталь К56.

Заводское испытательное давление труб 11,4 МПа. Рабочее давление в трубопроводе 7,5 МПа.

Геометрический перепад высот по трассе 35 метров.

Нормативное испытательное давление:

МПарР

ИСП

25,115,75,15,1 

Давление от геометрического перепада высот:

МПаПаgHР

34,03433503581,91000 



Итого, давление в нижней точке трубопровода будет составлять

МПаРРР

ГИСП

59,1134,025,11 

, что больше заводского испытательного давления и

целостность стенки не гарантируется

МПаМПа 4,1159,11 

Расчет испытательного давления трубы производится по формуле (66) СНиП 2.05.06 – 85*,

идентичной формуле указанной в ГОСТ 3845-75* «Трубы металлические. Метод испытания

гидравлическим давлением». Расчетная формула:

где

МИН

2 





мин

– минимальная толщина стенки трубы, равная разности номинальной толщины δ и

минусового допуска δ

ДМ

, мм. Минусовой допуск – разрешенное изготовителю труб уменьшение

номинальной толщины стенки трубы, которое не уменьшает общей прочности. Величина

минусового допуска регламентируется нормативными документами. Для примера:

Нормативный документ Нормируемый показатель минусового допуска

ГОСТ 8731-74 «Трубы стальные

бесшовные горячедеформированные.

Технические условия»

Таблица 3

Наружный

диаметр, мм

Толщина

стенки, мм

Предельные отклонения по толщине стенки

труб точности изготовления, %

повышенной обычной

До 219

До 15

включ.

±12,5 +12,5

-15,0

Св. 15 до

+10,0

-12,5

±12,5

30 и выше ±10,0 +10,0

-12,5

Св. 219 До 15

включ.

+12,5

-15,0

Св. 15 до

±12,5

30 и выше +10,0

Наружный

диаметр, мм

Толщина

стенки, мм

Предельные отклонения по толщине стенки

труб точности изготовления, %

повышенной обычной

-12,5

ГОСТ 10704-91 «Трубы стальные

электросварные. Сортамент».

6. Предельные отклонения по толщине стенки должны соответствовать:

±10% - при диаметре труб до 152 мм;

По ГОСТ 19903 - при диаметре труб свыше 152 мм для максимальной

ширины листа нормальной точности.

ТУ 1381-012-05757848-2005 на трубы

DN500-DN1400 ОАО «Выксунский

металлургический завод»

Пункт 1.2.4 «Минусовой допуск не должен превышать:

- 5% от номинальной толщины стенки труб с толщиной стенки менее 16 мм;

- 0,8 мм для труб с толщиной стенки от 16 до 26 мм;

- 1,0 мм для труб с толщиной стенки свыше 26 мм.»

Определяем минусовой допуск толщины стенки трубы по формуле

Дм

ДМ





Определяем минимальную толщину стенки трубопровода:

ДММИН





R – допускаемое напряжение разрыву, МПа. Порядок определения этой величины

регламентируется нормативными документами. Для примера:

Нормативный документ Порядок определения допускаемого напряжения

ГОСТ 8731-74 «Трубы стальные

бесшовные горячедеформированные.

Технические условия»

Пункт 1.9. Трубы всех видов, работающие под давлением (условия работы

труб оговариваются в заказе), должны выдерживать испытательное

гидравлическое давление, вычисляемое по формуле, приведенной в ГОСТ

3845, где R - допускаемое напряжение, равное 40% временного

сопротивления разрыву (нормативного предела прочности) для данной марки

стали.

ГОСТ 10705-80 «Трубы стальные

электросварные. Технические

условия.»

Пункт 2.11. Трубы должны выдерживать испытательное гидравлическое

давление. В зависимости от величины испытательного давления трубы

подразделяют на два вида:

I - трубы диаметром до 102 мм - испытательное давление 6,0 МПа (60

кгс/см

) и трубы диаметром 102 мм и более - испытательное давление 3,0

МПа (30 кгс/см

);

II - трубы группы А и В, поставляемые по требованию потребителя с

испытательным гидравлическим давлением, рассчитанным по ГОСТ 3845,

при допускаемом напряжении, равном 90% от нормативного предела

текучести для труб из данной марки стали, но не превышающее 20 МПа (200

кгс/см

ТУ 1381-012-05757848-2005 на трубы

DN500-DN1400 ОАО «Выксунский

металлургический завод»

С испытательным гидравлическим давлением, рассчитанным по ГОСТ 3845,

при допускаемом напряжении, равном 95% от нормативного предела

текучести (согласно п. 8.2 СНиП 2.05.06-85*)

– расчетный диаметр трубы, мм. Для труб диаметром менее 530 мм, расчетный диаметр равен

среднему диаметру трубы, т.е. разности номинального диаметра D и минимальной толщины

стенки δ

мин

МИНР





Для труб диаметром 530 мм и более, расчетный диаметр равен внутреннему диаметру трубы, т.е.

разности номинального диаметра D и удвоенной минимальной толщины стенки δ

мин

МИНР



2

Приложение 1

Проверочный расчет газопровода DN1000 на прочность

1.1 Задача расчета:

Проверка толщины стенки трубопроводов DN1000 на заменяемых участках категории «В» в ходе

капитального ремонта межцеховых коммуникаций КЦ-2 КС «Н-ская» магистрального газопровода

«Уренгой-Новопсков», Н-ского ЛПУМГ.

1.2 Данные для расчета:

Наружный диаметр трубопровода: Dн 1020 мм;

Перекачиваемый продукт: газ природный;

Рабочее давление: р=7,4 МПа;

Особые условия: участок – категория В.

Материал трубопровода DN1000: согласно ТУ1381-012-05757848-2005 (ОАО «Выксунский

металлургический завод»): класс прочности стали – К60; временное сопротивление разрыву на

поперечных образцах σ

- 590 Н/мм

(60 кгс/мм

); предел текучести σ

- 480 Н/мм

(49 кгс/мм

);

относительное удлинение - 20%, минусовой допуск толщины стенки: до 16 мм – 5% толщины

стенки; от 16 мм до 26 мм – δ

МД

= 0,8 мм.

Срок службы трубопроводов – 25 лет.

Скорость коррозионного проникновения – 0,01 мм/год.

1.3 Условия расчета:

Коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению в трубопроводе,

принимаемый по табл.13 [1]; n =1,1.

Коэффициент условий работы трубопровода категории В, принимаемый по табл.1 [1]; m=0,6

Коэффициент надежности по материалу, принимаемый по табл.9 [1]; k

=1,34;

Коэффициент надежности по назначению трубопровода DN1000, принимаемый по табл.11 [1];

=1,00;

Отношение допустимого напряжения от предела текучести, принимаемое по п. 13.16 [1]-0,95

1.4 Расчет толщины стенки трубопровода DN1000:

1.4.1 Определяем номинальную толщину стенки трубопровода:

где

npR

npD

],1)[12(

)(2







– расчетное сопротивление растяжению:

где

],1)[4(



- нормативное сопротивление напряжению R

=σ

=590 Н/мм

/17,264

00,134,1

60,0590

ммНR 





мм2,15

)4,71,117,264(2

10204,71,1











прибавка на коррозию:

мм

25,001,025 



толщина стенки с прибавкой на коррозию:

мм45,1525,02,15 



принимаем толщину стенки трубы равной существующей – 16,0 мм,

т.е. выбранная толщина стенки обеспечивает необходимую прочность при испытании.

1.4.2 Расчет испытательного давления по выбранной толщине стенки:

где

МИН

],1)[66(

2 





МИН

– минимальная толщина стенки трубопровода:

мм

ДММИН

2,158,00,16 



R – расчетное значение напряжения, принимаемое равным 95% от R

=σ

= 480 Н/мм

/45648095,095,0 ммНRR



ВН

– внутренний диаметр трубопровода:

ммDD

МИНHВН

6,9892,15210202 



МПаР

0,14

6,989

4562,152







Согласно ТУ1381-012-05757848-2005 ОАО «Выксунского металлургического завода»

заводское испытательное давление трубы диаметром 1020х16,0 мм, стали К60 равно 14,0 МПа,

что соответствует расчёту.

Приложение 2

Проверочный расчет газопровода DN100 на прочность

2.1 Задача расчета:

Проверка толщины стенки трубопроводов DN100 на заменяемых участках категории «В» в ходе

капитального ремонта межцеховых коммуникаций КЦ-2 КС «Н-ская» магистрального газопровода

«Уренгой-Новопсков», Н-ского ЛПУМГ.

2.2 Данные для расчета:

Наружный диаметр трубопровода: Dн 108 мм;

Перекачиваемый продукт: газ природный;

Рабочее давление: р=7,4 МПа;

Особые условия: участок – категория В.

Припуск толщины стенки на коррозию не производится.

Материал трубопровода DN100: согласно ГОСТ 8731 и ГОСТ 8732 (ОАО «Челябинский

трубопрокатный завод»): класс прочности стали – К42; временное сопротивление разрыву на

поперечных образцах σ

- 412 Н/мм

(42 кгс/мм

); предел текучести σ

- 245 Н/мм

(25 кгс/мм

);

относительное удлинение - 21%, минусовой допуск толщины стенки: до 15 мм – 15% толщины

стенки; от 15 мм до 30 мм – 12,5% толщины стенки; коэффициент надежности по материалу:

=1,55; отношение допустимого напряжения от временного сопротивления стали - 0,4

2.3 Условия расчета:

Коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению в трубопроводе,

принимаемый по табл.13 [1]; n =1,1.

Коэффициент условий работы трубопровода категории В, принимаемый по табл.1 [1]; m=0,60

Коэффициент надежности по назначению трубопровода DN100, принимаемый по табл.11 [1];

=1,00;

2.4 Расчет толщины стенки трубопровода DN100:

2.4.1 Определяем номинальную толщину стенки трубопровода:

где

npR

npD

],1)[12(

)(2







– расчетное сопротивление растяжению:

где

],1)[4(



- нормативное сопротивление напряжению R

=σ

=412 Н/мм

/5,159

00,155,1

60,0412

ммНR 





мм62,2

)4,71,15,159(2

1084,71,1











принимаем толщину стенки трубы равной существующей – 6,0 мм,

т.е. выбранная толщина стенки обеспечивает необходимую прочность при испытании.

2.4.2 Расчет испытательного давления по выбранной толщине стенки:

где

],3)[1(

2 



МИН

– минимальная толщина стенки трубопровода:

мм

ДМ

9,015,00,615,0 



мм

ДММИН

1,59,00,6 



R – расчетное значение напряжения, принимаемое равным 40% от R

, согласно пункта 1.9 [4]:

=σ

= 412 Н/мм

/8,16441240,040,0 ммНRR



– расчетный диаметр трубопровода:

МПаР

5,16

0,102

8,1641,52







Согласно ГОСТ 8731-74* и ГОСТ 8732-78* ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»

заводское испытательное давление трубы диаметром 108х6,0 мм, стали К42 равно 16,5 МПа, что

соответствует расчёту.