СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, турбин и трубопроводов ТЭС. Контроль состояния металла. Нормы и требования
Подождите немного. Документ загружается.
П.5 Поверочный расчёт на хрупкую прочность
П.5.1 Общие положения
П.5.1.1 Расчёт на сопротивление хрупкому разрушению оборудования ТЭС проводится для конкретных случаев и режимов
нагружения (эксплуатации), в частности, оговоренных требованиями раздела 8
настоящего стандарта.
П.5.1.2 Основными расчётными режимами являются:
- нормальные условия эксплуатации;
- гидравлические испытания.
Основными характеристиками материала, используемыми в расчёте,
я
вляются критический коэффициент интенсивности
напряжений (КИН) K
1c
, критическая температура хрупкости Т
k
и предел текучести σ
T
0,2
.
В случае изменения свойств металла в процессе эксплуатации данный фактор учитывают путём введения в расчёт сдвиг
а
критической температуры хрупкости.
П.5.1.3 Сопротивление хрупкому разрушению для выбранного расчётного (в частности гипотетического) дефекта в виде
трещины будет обеспечиваться при выполнении условия:
К
1
≤ [К
1
],
где [К
1
] - допускаемое значение коэффициента интенсивности напряжений К
1
.
П.5.1.4 Поверочный расчёт на сопротивление хрупкому разрушению допускается не проводить в следующих случаях:
- Элементы оборудования изготовлены из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса или цветных сплавов;
- Материалы элементов оборудования (включая сварные соединения) имеют предел текучести при 20 °С менее 300 МПа,
а
толщина стенки элемента составляет не более 25 мм при условии, что расчётная температура превышает минус 20 °С.
П.5.2 Расчёт коэффициентов интенсивности напряжений
П.5.2.1 Коэффициент интенсивности напряжений для выбранных расчётных трещин определяют аналитически или
численным методом.
П.5.2.2 Допускается для поверхностных трещин полуэллиптической конфигурации определять коэффициент интенсивности
напряжений по формуле:
где η - коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений; σ
р
- составляющая напряжений растяжения; σ
q
-
составляющая изгибных напряжений; v
p
= 1 + 0,12(1 - а/с); v
q
= 1 - 0,64 · а/h, (h - длина зоны, в пределах которой составляющая
изгибных напряжений сохраняет положительное значение);
а и с - полуоси эллипса (полуэллипса): глубина и полудлина трещины соответственно.
Формулой допускается пользоваться при a ≤ 0,3S и а/с ≤ 0,66. Размерность входящих в формулы величин: а, с, S - мм; σ
р
,
σ
q
- МПа; К
1
- МПа · м.
П.5.2.3 Составляющую напряжений растяжения определяют по формуле:
где j - координата; σ
j
- функция изменения напряжений по толщине стенки; S - толщина стенки в расчётном сечении.
Значение составляющей напряжений изгиба определяют по формуле:
σ
jq
= σ
jn
- σ
jp
,
где σ
jn
- значение функции изменения напряжений по толщине стенки в точке n.
П.5.2.4 При расчёте элементов от действия внутреннего давления допускается распределение напряжений по толщине стенки
аппроксимировать линейной функцией. Тогда параметр h = 0,5S.
П.5.2.5 При расчёте дефектов, находящихся в зонах, где отсутствует концентрация напряжений, принимают η = 1.
П.5.2.6 Коэффициент η для зон перехода жесткостей (соединение фланцев с цилиндрической частью корпуса, галтели и др.)
определяют по формуле:
при 0 < S/ρ ≤ 5 η = 1 + (К
σ
- 1)
0,7
· 1,8/(S/ρ);
при S/ρ > 5 η = 1 + (K
σ
- 1)
0,7
· 9/(S/ρ)
2
При η > K
σ
принимают η = K
σ
.
В формулах ρ - радиус кривизны концентратора в рассчитываемом сечении; К
σ
- теоретический коэффициент концентрации
(допускается принимать равным значению К
σ
при растяжении).
П.5.2.7 Коэффициент η для зон отверстий (присоединения патрубков, штуцеров, труб) определяют по формулам:
при S/r ≤ 0,8 η = [1 + 5(К
σ
- 1)ехр(-0,86S/r)]
1/
2
при S/r > 0,8 η = [1 + 2(К
σ
- 1)/(S/r)]
1/
2
,
где r - радиус отверстия.
П.5.2.8 Для поверхностных продольных трещин (полуэллиптической конфигурации) в трубных элементах рекомендуется
определять коэффициент интенсивности напряжений по формуле:
где Ф = 1 - в точке вершины трещины, - в точке выхода трещины на поверхность.
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 231 из 261
При условии линейного распределения напряжений по толщине стенки элемента для трещин продольной (вдоль
образующей) ориентации величина приведенного напряжения σ
*
в точке вершины трещины:
где:
для трещин на наружной поверхности -
σ
*
φ
= σ
φ
н
(окружное напряжение на наружной поверхности),
для трещин на внутренней поверхности -
σ
*
φ
= σ
φ
вн
(окружное напряжение на внутренней поверхности),
Приведенное напряжение σ
*
в точке выхода продольной трещины на поверхность элемента определяют по формуле
σ
*
= σ
*
φ
- 0,18G · а,
где σ
*
φ
и G - аналогично предыдущему случаю.
Для угловой трещины четвертьэллиптической конфигурации расчёт ведётся по приведенным в данном пункте формулам, з
а
исключением формул для параметра Ф. Величина параметра Ф для угловых трещин определяется по формулам:
Ф = 1,08 + 0,8(а/s)
4
- для точки пересечения контура трещины с радиальным направлением трубного элемента (т.е. по
толщине элемента);
- для точки выхода трещины на поверхность элемента.
Приведённые в настоящем подпункте формулы для определения КИН справедливы при условии a/s ≤ 0,7 и а/с ≤ 0,66.
П.5.2.9 Для сквозных трещин (продольных) на кромках отверстия в цилиндрических или плоских элементах допускается
определять коэффициент интенсивности напряжений по следующим формулам:
где
σ - напряжение (окружное) от действия внутреннего давления;
r - радиус отверстия;
F
1
= 0,15lnа - 0,08а
1,3
+ 1,11,
Формулы справедливы для длин трещин а ≤ 1,5r.
Примечания
1. Для цилиндрических элементов под внутренним давлением:
2. Для плоских элементов формула справедлива, если напряжения в направлении, перпендикулярном трещине (σ), вдвое превышают напряжения,
действующие вдоль направления трещины.
П.5.2.10 Допускается использовать иные аналитические или численные методы решения краевой задачи для определения
коэффициентов интенсивности напряжений в элементах оборудования применительно к трещинам различного вида и
конфигурации и различным схемам нагружения при условии согласования методики расчёта со специализированной
организацией.
П.5.3 Допускаемые значения коэффициентов интенсивности напряжений
П.5.3.1 Допускаемые значения КИН зависят от приведенной температуры (Т - Т
k
) и расчётного случая. Для определения
допускаемого значения КИН используют зависимость критического коэффициента интенсивности напряжений К
с
о
т
приведенной температуры (Т - Т
k
) для данного материала. Указанные зависимости получают по результатам испытаний
материала на статическую трещиностойкость (вязкость разрушения) в соответствии с требованиями ГОСТ
25.506-85. Н
а
основании зависимости К
1с
от (Т - Т
k
) определяют зависимость допускаемого КИН [K
1
] от [Т - Т
k
] как огибающую двух
кривых, одна из которых получается делением ординат исходной кривой (т.е. К
1с
) на коэффициент запаса прочности n
i
, другая
смещением исходной кривой вдоль оси абсцисс на величину температурного запаса ΔТ
i
. Принимается следующие значения
коэффициентов запаса:
- для нормальных условий эксплуатации n
1
= 2; ΔТ
1
= 30 °С;
- для гидравлических испытаний n
2
= 1,5; ΔТ
2
= 30 °С;
- для аварийных ситуаций (в случае проведения расчёта по данному режиму) n
3
= 1; ΔТ
3
= 0 °С;
П.5.3.2 При отсутствии экспериментально полученных зависимостей критических КИН (К
1с
) от приведенной температуры
(Т - Т
k
) допускается для сталей перлитного класса и высокохромистых сталей и их сварных соединений с пределом текучести
при 20 °С не более 600 МПа использовать обобщённую зависимость критических КИН от приведенной температуры:
К
1с
= 26 + 36ехр[0,02 · (Т - Т
k
)].
При этом зависимости допускаемого КИН [К
1
] от [Т - Т
k
] имеют вид:
- [К
1
]
1
= 13 + 18exp[0,02 - (Т - Т
k
)] - для нормальных условий эксплуатации;
- [K
1
]
2
= 17 + 24exp[0,018 - (Т - Т
k
)] - для гидравлических испытаний.
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 232 из 261
П.5.3.3 Величина критической температуры хрупкости материала определяется экспериментально согласно указаниям п.
4.3.7
настоящего Стандарта. При отсутствии данных по критической температуре хрупкости металла допускается принимать:
Т
к
= 50 °С - для углеродистых (ст3, ст20, 22К) сталей;
Т
к
= 40 °С - для сталей 15ГС, 16ГС, 15М (16М), 09Г2С;
Т
к
= 70 °С - для стали 16ГНМ;
Т
к
= 30 °С - для сталей 16ГНМА, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф.
Приведенные выше значения Т
k
относятся также к сварным соединениям указанных сталей. Эти значения Т
k
могу
т
использоваться для проведения оценочных расчётов на хрупкую прочность при условии, что структура и свойства металл
а
отвечают требованиям соответствующей нормативной документации (национальным стандартам, техническим условиям,
Правилам Государственного надзорного органа [10
12]) и раздела 7 настоящего стандарта.
П.5.3.4 Допускаемые значения КИН, определяемые согласно п.п. П.5.3.1 П.5.3.3 настоящего раздела Приложения,
используют при расчёте в рамках температурных границ хрупкой области: Т < (T
k
)
d
, где (T
k
)
d
- температурная границ
а
хрупкой области.
Для определения допускаемых значений КИН в переходной области (между хрупкой и квазихрупкой)
р
екомендуется
использовать подход «мастер-кривой».
Температурная граница перехода от хрупкой к квазихрупкой области (T
k
)
d
определяется приведенной температурой |Т - Т
k
|
*
согласно соотношению:
или для сталей перлитного класса и высокохромистых сталей: (см. п. П.5.3.2):
где для поверхностной несплошности (трещины):
для подповерхностной несплошности (трещины):
где b - расстояние от центра несплошности до свободной поверхности (а, b, с, S - мм; σ
T
0,2
МПа).
П.5.3.5 При выполнении расчётов в квазихрупкой области в интервале температур
(T
k
)
d
< Т ≤ (T
k
)
d
+ 80 °С разрешается принимать допускаемый коэффициент интенсивности напряжений по следующем
у
условию:
- при каждом повышении температуры относительно (Т
k
)
d
на 10 °С вплоть до Т = (T
k
)
d
+ 50 °С значение [K
1
] увеличивается
на 10 % относительно его опорного значения при Т = (T
k
)
d
;
- при последующем увеличении температуры на каждые на 10 °С вплоть до Т = (T
k
)
d
+ 80 °С величина [K
1
] увеличивается н
а
20 % относительно его значения при Т = (T
k
)
d
+ 50 °С;
П.5.3.6 При расчётной температуре выше температурной границы (T
k
)
d
+ 80 °С расчёт на хрупкую прочность не проводится.
П.5.3.7 При необходимости определения допускаемой температуры гидравлического испытания проводится расчёт н
а
хрупкую прочность с целью определения допускаемой температуры [T
h
] из условия: К
1
h
= [K
1
]
2
.
Величина K
1
h
определяется в соответствии с п. П.5.2 настоящего Приложения и далее с использованием зависимости [K
1
]
2
=
f([T - T
k
]) согласно п.п. П.5.3.1, П.5.3.2 находят значение [[T
h
] - Т
k
] и затем с учётом величины Т
k
устанавливают значение
[T
h
].
Определённое согласно данному подпункту значение допускаемой температуры гидроиспытаний должно соблюдаться как
при выдержке под пробным давлением, так и при выдержке (для осмотра) при рабочем давлении.
П.5.3.8 При необходимости подтверждения несущей особенности (работоспособности) элементов оборудования с
трещиноподобным дефектом в области вязкого состояния металла, т.е. при Т > (T
k
)
d
+ 80 °С, допускается выполнять расчёт с
использованием аппарата нелинейной механики разрушения.
Для поверхностных трещин в цилиндрических элементах, работающих под внутренним давлением, предельно допустимые
размеры трещиноподобного дефекта допускается определять согласно следующим соотношениям.
- Для дефектов, ориентированных в кольцевом направлении:
где α - угол, характеризующий протяжённость несплошности в кольцевом направлении; σ
m
- общие мембранные
напряжения; σ
q
- общие изгибные напряжения; [σ]
i
- допускаемые напряжения: [σ]
1
= σ
T
0,2
/1,5 - для нормальных условий
эксплуатации и [σ]
2
= σ
T
0,2
/1,25 - для гидравлических испытаний.
- Для дефектов, ориентированных в продольном направлении:
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 233 из 261
σ
m
+ 0,67σ
в
= σ
T
0,2
[1 - n
ai
(1 - K
F
)],
где n
ai
: n
a1
= 3; n
а2
= 2.
Одновременно при расчётной температуре Т ≥ (T
k
)
d
+ 80 ° С в качестве критерия предельного состояния детали с
трещиноподобными дефектами (при температуре эксплуатации до 450 ° С) допускается рассматривать условие достижения
трещиной при коррозионно-усталостном механизме развития повреждённости значения скорости коррозионно-циклического
роста в циклах «пуск-останов» оборудования на уровне 10
-2
мм/цикл. Соответствующие указанной скорости развития трещин
коррозионной усталости значения размаха КИН в цикле «пуск-останов» (ΔК
1
) допускается принимать равными:
[ΔК
1
]
cc
= 40 МПа · м - для стали 20;
[ΔК
1
]
сс
= 45 МПа · м - для стали 22К;
[ΔК
1
]
сс
= 47 МПа · м - для стали 12Х1МФ;
[ΔК
1
]
cc
= 36 МПа · м - для стали 15ГС(16ГС);
[ΔК
1
]
cc
= 45 МПа · м - для стали 16ГНМ(А);
[ΔК
1
]
cc
= 80 МПа · м - для стали 30ХНМФ.
Условие соблюдения прочности элемента с трещиноподобным дефектом для данного расчётного случая будет иметь вид:
ΔK
1
≈ K
1
max
≤ [ΔK
1
]
cc
, где К
1
max
- максимальное значение КИН в цикле «пуск-останов» оборудования.
П.5.4. Расчёт долговечности элементов оборудования с учётом кинетики трещиноподобных дефектов (расчёт
живучести)
П.5.4.1 Данный метод расчёта служит для оценки продолжительности временной эксплуатации элементов оборудования с
учётом наличия в них дефектов металла, превышающих по размерам допускаемые правилами контроля или нормами качества.
П.5.4.2 Основными случаями применения данного метода расчёта являются:
- по результатам неразрушающего контроля в металле элементов оборудования выявлены дефекты,
р
азмеры которых
превышают допускаемые на данный метод контроля и нормами качества размеры несплошностей;
- по результатам оценки ресурса элементов оборудования установлено, что какие-либо из этих элементов исчерпали свой
р
есурс по показателям циклической или длительной прочности и дальнейшая их эксплуатация возможна с пониженными
относительно установленных требований коэффициентами запаса прочности.
П.5.4.3 Период живучести элемента конструкции определяется наработкой или количеством циклов, в течение которых
исходный дефект заданных размеров разовьётся до величины критического размера.
В случае обнаружения в металле элемента дефекта он принимается в качестве исходного. В соответствии с выбранной
схемой аппроксимации дефекта устанавливается его тип, конфигурация и размеры.
В случае, если дефекты в металле по результатам неразрушающего контроля не выявлены, но некая группа элементов
выработала свой ресурс по критериям циклической или длительной прочности, в качестве исходного принимаю
т
гипотетический дефект. В этом случае тип и форма дефекта принимаются исходя из опыта повреждаемости рассматриваемого
вида элементов с учётом соблюдения принципа консервативности (т.е. по возможности наиболее неблагоприятными), а размеры
дефекта устанавливают по соображениям максимально возможного в реальности размера, который может быть пропущен при
контроле.
П.5.4.4 Предельно допускаемый размер дефекта определяют из условия соблюдения хрупкой прочности согласно п.п. П.5.1,
П
.5.3 настоящего Приложения:
К
1
= [К
1
].
Величину КИН (К
1
) вычисляют в соответствии с п. П.5.2, а допускаемый КИН - согласно п. П.5.3.
П.5.4.5 Для расчёта кинетики дефекта используют экспериментально полученные кинетические диаграммы усталостного,
коррозионно-усталостного или длительного статического разрушения.
Уравнение кинетической диаграммы усталостного разрушения имеет вид:
где ΔК - размах коэффициента интенсивности напряжений в цикле, R - коэффициент асимметрии цикла, С
0
и n
0
-
характеристики материала.
Уравнение кинетической диаграммы коррозионно-усталостного разрушения имеет вид:
где С
j
= С
1
и n
j
= n
1
при - 1-ый участок,
С
j
= С
2
и n
j
= n
2
при - 2-ой участок,
где ΔК
*
- характерная точка диаграммы, соответствующая переходу от 1-го ко 2-ому участку.
Уравнение кинетической диаграммы длительного статического разрушения допускается представлять в виде:
где τ - время; С и n - характеристики материала, зависящие в том числе от температуры.
П.5.4.6 Алгоритм (основные этапы) расчёта живучести элемента:
- схематизация исходного расчётного дефекта (
у
становление вида и конфиг
у
рации трещины) и определение его размеров;
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 234 из 261
- анализ напряжённого состояния элемента в расчётном сечении и определение эпюры главных растягивающих напряжений
(σ
1
) в плоскости трещины вдоль траектории её развития;
- Расчёт коэффициента интенсивности напряжений (K
1
) в функции от характерного размера трещины (глубины или длины);
- Установление вида кинетической диаграммы роста трещины в зависимости от механизма разрушения (см. п. П.5.4.5) и
выбор эмпирических констант кинетического уравнения;
- Определение предельно допустимого размера дефекта по условиям хрупкой прочности (п. П.5.4.4) или по условиям вязко-
хрупкого (или вязкого) разрушения (см. п.п. П
.5.3.5 П.5.3.8 настоящего Приложения).
- Расчёт периода живучести элемента путем интегрирования кинетических диаграмм разрушения от фиксированного
исходного размера (а
0
) до предельно допустимого размера (a
c
*
) дефекта.
Упрощенная блок схема программы для решения задачи оценки живучести показана на рисунке П.6.
П.5.4.7 По данным анализа о распределении главных нормальных (по отношению к плоскости трещины) напряжений и
характерных размеров дефекта строят зависимость изменения КИН для выбранной точки контура трещины, которую
используют для формирования циклов изменения КИН при циклическом нагружении или формирования блоков режимов
длительного статического нагружения (при нестационарном нагружении).
Коэффициент асимметрии цикла определяют по формуле:
где K
min
и K
max
- минимальные и максимальные соответственно значения КИН в цикле нагружения; i - блок циклов
нагружения, формируемый аналогично формированию блоков циклов (режимов нагружения) при расчёте на малоцикловую
усталость (п. 6.3.6
настоящего стандарта). При |R
i
| > 1 принимают R
i
= -1.
Исходные данные
Рисунок П.6 - Блок-схема программы расчёта живучести
П.5.4.8 Расчёт приращения дефекта при циклическом нагружении от a
i
0
до а
ik
при i-ом блоке циклов выполняют по формуле:
Расчёт приращения дефектов для условий коррозионно-циклической усталости выполняют по формуле:
где j = 1 или 2 в зависимости от того, какому участку диаграммы (1 или 2, см. п.п. П.5.4.5) соответствует рассматриваемый
этап развития трещины:
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 235 из 261
при - j = 1;
при - j = 2.
Допускается с погрешностью в запас прочности аппроксимировать кинетическую диаграмму коррозионно-усталостной
трещиностойкости только вторым участком (экстраполируя его в низкоамплитудную область диаграммы). Тогда вся диаграмм
а
будет соответствовать участку при j = 2., т.е.:
П.5.4.9 Расчёт приращения дефектов для длительного статического нагружения выполняют по формуле:
где τ - время наработки; а
τ0
- начальный размер дефекта; а
τk
- конечный размер дефекта с учётом приращения за время τ; К
1
- величина КИН.
Если в процессе эксплуатации имеет место изменение параметров работы,
р
асчёт подрастания дефекта следует выполнять
отдельно для каждого режима статического нагружения:
где τ
i
- наработка при i-ом режиме нагружения.
Допускается на весь расчётный период длительного статического нагружения устанавливать эквивалентный
(квазистационарный) режим при условии, что наибольшая разница между различными значениями напряжения в конкретной
точке не превышает 20 % от их максимального значения. Эквивалентное напряжение определяют по формуле:
где М - количество этапов (режимов) работы оборудования с разными параметрами.
При нестационарности температурного режима следует использовать кинетические диаграммы длительного статического
разрушения, полученные для температуры, соответствующей максимальной температуре эксплуатации.
П.5.4.10 Рекомендуется расчёт периода живучести выполнять путём кусочно-линейного интегрирования (см. схему н
а
рисунке П.6) в соответствии с формулами п.п. П.5.4.8, П.5.4.9. В этом случае зависимость КИН от характерного размер
а
трещины аппроксимируется кусочно-линейной функцией с разбиением по аргументу (размеру трещины) на элементарные
отрезки Δа:
Δа ≤ 0,1 · (а
*
c
- а
0
).
П.5.4.11 Допускается пользоваться упрощёнными формулами для расчёта живучести элемента в случае, если конечная
глубина дефекта (а
*
с
) не превышает 25 % от толщины стенки элемента (для поверхностных трещин) или 25 % от характерной
ширины элемента (для сквозных трещин). Упрощенное уравнение для расчёта живучести при циклическом нагружении имеет
вид:
- для n
0
2;
- для n
0
= 2,
где М
1i
- параметр формы трещины.
Для поверхностных полуэллиптических трещин допускается принять:
где с - полудлина трещины на поверхности элемента.
Упрощенное уравнение для расчёта живучести при длительном статическом нагружении имеет вид:
- для n 2;
- для n = 2.
П.5.4.12 Для упрощения расчётов живучести при циклическом (коррозионно-циклическом) нагружении допускается
устанавливать единый режим циклического нагружения при постоянном (эквивалентном)
р
аспределении в расчётном сечении
размаха напряжений в цикле (Δσ
экв
) при условии, что наибольшая разница между различными значениями размаха напряжения
в конкретной точке элемента (при различных режимах) не б
у
дет превышать 20 % от максимального его значения.
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 236 из 261
Эквивалентный размах напряжения определяют по формуле:
где k - количество режимов (блоков) нагружения.
П.5.4.13 Коэффициент запаса прочности при расчёте живучести допускается принимать (с учётом коэффициентов запаса,
заложенных в величину предельно допускаемого размера дефекта [а
c
*
]):
n
N
= 3 - для условий циклического или коррозионно-циклического нагружения;
n
τ
= 4 - для условий длительного статического нагружения.
Допускается величину предельно допустимого дефекта определять без учёта коэффициентов запаса прочности (n = 1, ΔТ = 0
- см. п.п. П
.5.3.1); в этом случае коэффициент запаса прочности при расчёте живучести должен приниматься не менее 10: n
N
=
n
τ
= 10.
Приложение Р
(рекомендуемое)
Требования по химическому составу и механическим свойствам металла трубопроводов с температурой до 250° С и
давлением до 1,6 МПа
Таблица Р.1 - Химический состав стали элементов трубопроводов
Примечание:
1 Предельно допустимые минусовые отклонения химического состава сталей:
углеродистая: углерод - 0,02 %, марганец - 0,03 %, кремний - 0,02 %;
низколегированная кремнемарганцовистая: - кремний 0,1 %,
2 Предельно допустимые плюсовые отклонения химического состава сталей:
углеродистая: углерод - 0,03 %, марганец - 0,05 %, кремний - 0,03 %;
низколегированная кремнемарганцовистая: углерод - 0,02 %, марганец - 0,01 %, кремний - 0,05 %;
Таблица Р.2 - Механические свойства и показатели технологических испытаний металла элементов трубопроводов
(при комнатной температуре)
Примечание - В табл. Р.1 и Р.2 даны основные требования к составу и свойствам сталей, используемых при сооружении трубопроводов тепловых
сетей. Если производится идентификация марки стали для каких-либо элементов трубопровода, требуется выполнить детальный анализ полученных
данных по составу и свойствам исследуемого металла с целью установления его соответствия конкретной марке стали.
Приложение С
(рекомендуемое)
Методические рекомендации по расчёт
у
на прочность отремонтированных барабанов котлов высокого давления
Класс стали
Соде
р
жание элементов, %
С Mn Si S Р Cu
Бесшовные т
ру
бы
Углеродистая типа (ст 10, 20)
0,07 0,24 0,35 0,65 0,17 0,37
не более
0,040 0,040 0,25
Низколегированная
кремнемарганцовистая типа (15ГС, 16ГС,
09Г2С)
0,12 0,18
*)
0,90 1,30
*)
0,40 1,0
не более
0,040 0,035 0,30
*)
- для стали 09Г2С содержание углерода должно быть ≤ 0,12, а марганца - 1,30 1,70
Сварные трубы
Углеродистая (типа Ст3сп, ст10, 20)
0,07 0,24 0,35 0,65 0,12 0,37
не более
0,045 0,040 0,30
Низколегированная
к
р
емнема
р
ганцовистая типа
(
15ГС, 17ГС
)
0,12 0,20 0,90 1,30 0,40 1,0
не более
0,030 0,035 0,30
Литые
д
етали
Углеродистая типа (15Л, 20Л, 25Л, 30Л,
35Л)
0,12 0,40 0,30
0,90 0,20
0,42
не более
0,050 0,050
0,30 0,50
Низколегированная
к
р
емнема
р
ганцовистая типа 20ГСЛ
0,16 0,22 1,0 1,30 0,60 0,80
не более
0,030 0,030 0,30
Класс стали
Механические свойства
Технологические
показатели.
Угол загиба для сварного
соединения
Предел
прочности
σ
в
, МПа
Условный
предел
текучести
σ
0,2
, МПа
Относительное
удлинение
, %
Относительное
сужение
, %
Ударная
вязкость
KCU, кгс ·
м/см
2
Бесшовные трубы
Углеродистая типа (ст10, 20)
не менее
400 560 220 320
22,0 45,0 5,0 100°
Низколегированная
кремнемарганцовистая типа
(15ГС, 16ГС, 09Г2С)
не менее
480 580 280 420
17,0 40,0 4,0 80°
Сва
р
ные т
ру
бы
Углеродистая (типа Ст3сп, ст10,
20)
не менее
360 540 200 320
21,0 50,0 5,0 100°
Низколегированная
кремнемарганцовистая типа
(
15ГС, 17ГС
)
не менее
480 580 260 420
17,0 40,0 3,5 80°
Литые
д
етали
Углеродистая типа (15Л, 20Л,
25Л, 30Л, 35Л)
не менее
370 600 190 390
19,0 35,0 4,0 -
Низколегированная
кремнемарганцовистая типа
20ГСЛ
не менее
470 590 240 340
15,0 30,0 3,0 -
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 237 из 261
С.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
С.1.1 Настоящие Методические рекомендации определяют порядок поверочного расчёта на прочность отремонтированных
котельных барабанов, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. По результатам поверочного расчёт
а
устанавливается возможность эксплуатации барабана при номинальном (расчётном) давлении или определяется наибольшее
рабочее давление, при котором может быть допущена дальнейшая эксплуатация отремонтированного барабана.
С.1.2 Поверочному расчёту на прочность подлежат те элементы барабана (обечайка, днища, штуцера), из которых были
удалены дефектные участки металла.
С.1.3 Допустимое рабочее давление принимается равным наименьшему из значений, определенному для каждого из
проверенных элементов (обечаек, днищ и штуцеров).
С.1.4 Номинальное рабочее давление без проведения поверочного расчёта может быть сохранено в следующих случаях:
- при повреждениях в виде язвин, раковин или рисок глубиной не более 3 мм,
р
асположенных от кромки ближайшего
отверстия на расстоянии, не меньшем диаметра отверстия;
- при скруглении кромок отверстий на внутренней поверхности барабана радиусом до 10 мм.
- при заварке выборок и наплавке отверстий до номинальных размеров для обечаек и днищ барабанов из стали 16ГНМ
(16ГНМА) при использовании сварочных материалов, обеспечивающих значение предела текучести наплавленного металла при
температуре 350 °С не менее 250 МПа, а для обечаек и днищ барабанов из сталей 22К (20К), 16М (15М) при использовании
сварочных материалов, обеспечивающих
значение предела текучести наплавленного металла при температуре 320 °С не менее
180 МПа;
- при наружной кольцевой наплавке штуцеров, если объём наплавленного металла будет не менее объёма удаленного
дефектного металла штуцера;
- при установке на штуцер укрепляющей наружной втулки с плотной посадкой на штуцер, если толщина стенки втулки буде
т
не менее глубины поврежденного участка штуцера.
С.1.5 Если при ремонте барабана применяется бандажирование, то поверочный расчёт на прочность производится
экспертной организацией в установленном порядке.
С.1.6 Во всех случаях расчёт производится по наибольшей глубине выборки. Допускается определение длины и ширины
выборки по фактической площади поперечного сечения выборки:
С.2 ОБОЗНАЧЕНИЯ:
D
в
- внутренний диаметр обечайки или днища, мм;
d - диаметр отверстий или внутренний диаметр штуцера, мм;
S - толщина стенки обечайки или днища до ремонта, мм;
S
0
- минимальная толщина стенки обечайки или днища, при отсутствии ослаблений отверстиями (φ = 1), мм;
S
ш
- толщина стенки штуцера до ремонта, мм;
S
ош
- минимальная расчётная толщина стенки штуцера, мм;
S
f
- минимальная фактическая толщина стенки обечайки или днища, оставшаяся после удаления металла в дефектном
участке, мм;
l - длина выборки в направлении продольной оси барабана, мм;
b - ширина выборки в направлении, перпендикулярном продольной оси барабана, мм;
h - наибольшая глубина выборки, мм;
f, f
1
- фактическая площадь поперечного сечения выборки в продольном или поперечном направлении, определенная по
измерениям глубины в нескольких точках по длине или ширине выборки соответственно.
t - шаг между центрами соседних отверстий в продольном направлении, мм;
t
1
- шаг между центрами соседних отверстий в поперечном направлении, мм;
φ - исходный приведенный коэффициент прочности, учитывающий ослабление отверстиями;
φ
p
- приведенный коэффициент прочности барабана после ремонта;
[р] - допустимое рабочее давление в барабане после ремонта, МПа;
[σ] - допускаемое напряжение при рабочей температуре, МПа;
- поправочный коэффициент, представляющий отношение пределов текучести наплавленного и основного металла при
рабочих температурах;
α - угол между продольной осью барабана и расчётным направлением.
С.3 РАСЧЁТ ОБЕЧАЕК
С.3.1 Допустимое рабочее давление в цилиндрической части барабана определяется по формуле:
С.3.2 Допускаемое напряжение принимается согласно действующей в этой части нормативной документации. Для барабанов
котлов, проекты которых закончены до 01/IV 1977 г., допускаемое напряжение при поверочных расчётах принимается:
- для барабанов из стали 16ГНМ [σ] = 173 МПа. При изготовлении барабанов из листов с гарантированным пределом
текучести при температуре 350 °С не ниже 270 МПа разрешается принимать [σ] = 180 МПа.
- для барабанов из сталей 22К, 16М и других аналогичных марок сталей - минимальному пределу текучести, указанному в
паспорте котла, при рабочей температуре, деленному на запас прочности 1,5, но не более 130 МПа.
В случае определения фактических свойств металла барабана путем вырезки пробки и последующего испытания образцов
допускаемое напряжение определяется фактической величиной предела текучести наименее прочной обечайки при расчётной
температуре деления его на коэффициент запаса прочности 1,5.
В особых случаях, не указанных в настоящей Инструкции,
р
ешение о выборе допускаемых напряжений согласовывается
экспертной организацией в установленном порядке.
С.3.3 Коэффициент прочности обечаек φ
p
после ремонта определяется по приведенным ниже формулам в зависимости о
т
размеров дефектных участков и расположения их на барабане.
С.3.3.1 В сл
у
чае если
у
даленные дефектные
у
частки расположены межд
у
дв
у
мя отверстиями:
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 238 из 261
- по продольному направлению
- по поперечному направлению
- по косому направлению
где - сумма всех сечений выборок в пределах шага t (t
1
) Рисунок П.1.
В случае, если угол наклона края выборки металла к поверхности барабана меньше 45°, допускается определение расчётного
сечения по выражению f = 0,75 · l · h (f
1
= 0,75b · h).
С.3.3.2. В случае, если выборки находятся вне мостиков между двумя отверстиями, необходимо учесть все выборки,
расположенные в пределах расстояния от центра ближайшего отверстия, равного (см. рисунок П
.1.)
Рисунок С.1. - Примеры определения суммарной площади сечений выборок.
Коэффициент прочности определяется по следующим формулам:
- для продольного направления
- для поперечного направления
- для косого направления
С.3.3.3. Если оставшаяся после удаления дефектного участка толщина стенки оказывается меньше S
0
, то наряду с
определением коэффициента прочности по формулам п.п. С
.3.3.1. и С.3.3.2. настоящих Методических рекомендаций,
необходима проверка ослабления для одиночной выборки по формуле:
φ
р
= φ
в
· К,
где φ
в
- коэффициент прочности барабана с кольцевой выборкой - определяется по номограмме рисунка П.2. в зависимости
от параметров
и
К - коэффициент,
у
читывающий влияние поперечного размера b; определяется по номограмме рис
у
нка П.3. в зависимости о
т
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 239 из 261
параметров и (при принимается ), К ≥ 1.
Не допускается оставлять без заварки выборки глубиной более 35 % номинальной толщины листа при длине l (по
продольной оси барабана) более
С.3.3.4. Если выборка располагается в сварном шве барабана или в зоне влияния сварки, то коэффициент прочности,
определенный по п.п. С
.3.3.3 настоящих Методических рекомендаций, следует умножить на 0,93.
Зона термического влияния сварки в данном случае определяется расстоянием от линии сплавления в сторону основного
металла, равным ширине сварного шва, но не менее
Рисунок С.2. - Номограмма по определению коэффициента прочности барабана с кольцевой выборкой
Рисунок С.3. - Номограмма по определению коэффициента, учитывающего протяженность кольцевой выборки.
С.3.3.5 Если для удаления дефектного участка в барабане высверливается новое сквозное отверстие, заглушаемое лючком
или приваренным глухим штуцером, то коэффициент прочности для мостика между новым отверстием и ближайшим к нем
у
отверстием, имеющимся в барабане, должен быть определен в соответствии с действующей нормативной документацией
(Стандартами, Нормами и др.).
С.3.3.6 В случае заварки выборок или наплавки отверстий электродами, не удовлетворяющими условиями П.1.4. настоящих
Методических рекомендаций, при определении коэффициента прочности согласно п.п. 3.3.1 и 3.3.2 значения соответствующих
площадей (Σf) умножаются на поправочный коэффициент 1 - .
С.3.3.7 Для барабанов из стали 16ГНМ при использовании электродов типа Э42А (марок УОНИ-13/45, ЦУ-6 и подобных)
значение поправочного коэффициента принимается равным 0,75.
С.3.3.8 Для каждой обечайки следует найти минимальное значение коэффициента прочности после ремонта (φ
р
), и по этом
у
значению рассчитать допустимое рабочее давление для данной обечайки.
С.4. РАСЧЁТ ДНИЩ
С.4.1 Допустимое рабочее давление в днищах барабана после ремонта определяется в зависимости от размеров и мест
а
расположения дефектного участка по отношению к отверстию лаза или цилиндрическому борту.
С.4.2 Если кромки выборки находятся от кромки отверстия лаза на расстоянии, равном или меньшем , то допустимое
рабочее давление определяется обычным порядком: либо как для пары отверстий, одно из которых собственно выборка - оно
усилено остаточной толщиной металла в центе выборки, либо как для одиночного отверстия, при значении толщины стенки
(минимальной), оставшейся после
ремонта.
С.4.3 Если кромка выборки находится от кромки отверстия лаза на расстоянии, большем , то допустимое рабочее
давление определяется по формулам п.п. П
.3.1, 3.3.3. настоящих Методических рекомендаций.
С.4.4 Допускаемое напряжение принимается согласно П.3.2 настоящего Приложения.
С.4.5 В днищах допускается рассверловка новых отверстий с приваркой глухого штуцера по наружной или внутренней
стороне или с установкой затвора, если расстояние между кромками нового отверстия и лаза будет составлять не менее .
Поверочный расчёт на прочность в этом случае согласовывается со специализированной организацией в установленном
порядке.
С.5 РАСЧЁТ ШТУЦЕРОВ
С.5.1 Оставшаяся после ремонта толщина стенки штуцера на участке, расположенном за сварным швом, соединяющим
штуцер с барабаном, не должна быть меньше толщины S
ом
, требующейся по нормативному расчёту (пункт 6.3.4 настоящего
стандарта) для установленного рабочего давления.
Введено с 30.06.2008СТО 17230282.27.100.005-2008 Основные элементы котлов, т
у
рбин и тр
у
б
...
NormaCS® (NRMS10-05534) www.normacs.ru 15.07.2010 Стр. 240 из 261