Презентация с курсов по работе на программе СТАРТ

obuchenie-start.pdf

Теоретические основы
различного назначения
к.т.н. старший научный сотрудник
Матвеев Алексей Вадимович
Проверьте свои знания
В чем различие между мертвой и неподвижной опорой в СТАРТ
когда ту или иную опору следует задавать при оценке прочности
Что такое расчетная температура и температура монтажа при
оценке компенсации температурных расширений?
Что такое прибавка на коррозию и технологическое утонение.
Для чего они используются в СТАРТ?
Что такое повреждаемость и единицы ее измерения?
Почему иногда выбранный по ГОСТу тройник не держит
Может ли один и тот же материал иметь разные допускаемые
Как снизить напряжения от весовых нагрузок и как снизить
напряжения от всех воздействий в рабочем состоянии?
Что такое режимы ПДН и ПДК(ПДКОН) согласно нормам?
Что такое фрикционные и фиктивные связи в СТАРТ и как их
Что такое эффективная площадь сильфонных компенсаторов и
для чего она используется в СТАРТ?
В каких случаях можно применять стандартную направляющую
опору в СТАРТ а в каких этого делать нельзя?
Лекция №1 – «Расчетная модель трубопровода»
Лекция №2 – «Моделирование работы опор»
Лекция №3 – «Моделирование работы компенсаторов»
Лекция №4 – «Тройниковые соединения»
Лекция №5 – «Допускаемые напряжения и оценка прочности»
Лекция №6 – «Анализ и интерпретация результатов»
Лекция №7 – «Приемы работы в СТАРТ»
Лекция №8 – «Казусы»
Расчетная модель отличается от
реальной конструкции трубопровода
Критерии выбора расчетной модели
Следует исходить из возможной формы
деформации и разрушения конструкции
трубопровода подкрепленной практическим
Качественно правильно отражать упругое
поведение конструкции под нагрузкой
Ставить конструкцию трубопровода в менее
благоприятные условия чем те которые
могут иметь место в действительности
(обеспечивать разумные запасы прочности)
Не выходить за рамки ограничений теории
используемой для решения поставленной
Расчетная модель может быть различной в
зависимости от цели расчета
Для определения допустимого давления –
заглушенный на концах сосуд в форме цилиндра
Для определения допустимых расстояний между
опорами – многопролетная неразрезная балка
При оценке прочности от действия дополнительных
нагрузок – рамная стержневая или оболочечная
Схематизация элементов конструкции
С расчетной точки зрения трубопровод (его
геометрический образ) можно представить как
конструкцию составленную из оболочек вращения или
Рис. 1. Оболочки вращения (двумерная задача)
Рис. 2. Стержни (одномерная задача)
В СТАРТ используется:
Для труб – стержневая
Для отводов – учитывается
повышенная податливость за
счет овализации сечения
Для тройников – учитывается
податливость ответвления
пересекающихся оболочек)
О пределах применимости стержневой
Схематизация внешних воздействий
Силовые (кгс тс Н МПа и т.д.)
Деформационные (перемещения и повороты закреплений
монтажный растяг: см мм градус и т.д.)
Распределенные по длине трубопровода: собственный вес труб
вес продукта изоляции равномерный нагрев
Сосредоточенные: веса арматуры отводов распорные усилия от
давления нагрев присоединенного оборудования растяжка
смещения опор от нагрева присоединенного оборудования.
Это температура наружного воздуха при которой трубопровод
превращается в неразрезную конструкцию
(при которой заваривается последний стык)
Если точно известно что монтаж будет закончен в летнее время то
можно принимать температуру воздуха теплого периода года по
СНиП 23-01-99* Строительная климатология
Если время монтажа неизвестно то в запас прочности принимается
температура воздуха холодного периода года по СНиП 23-01-99*. Но
не ниже температуры при которой разрешается проведение
сварочных работ (как правило это -200С).
Для трубопроводов бесканальной прокладки с ППУ температуру
монтажа обычно принимают 00С. Предполагается что последний
стык замыкается когда вся траншея засыпана поэтому
отрицательной температуры в трубах быть не может.
Температуры наиболее холодной пятидневки и абсолютно
минимальная температура используются для выбора материала (по
твердости и хладноломкости) и не имеют отношения к температуре
Расчетная температура
Какую расчетную температуру трубопровода следует принимать?
Согласно техническим требованиям для тепловых сетей в г. Москве – 1500С
(максимально возможная температура)
5 всего суток в отопительный период! Следовательно такую температуру можно
считать кратковременной (режим ПДКПДКОН)
0 1.5 + 140 5.5 + 130 10 + 120 30 + 110 40 + 100 33 + 90 30 + 90 30 + 90 30 21695
5 + 5.5 + 10 + 30 + 40 + 33 + 30 + 30 + 30
Средняя температура за отопительный период – 1050С (режим ПДН)
Согласно СП 41-105-2002 (бесканальная прокладка) расчетная температура 1300С
Температура испытаний
Температура при которой проводятся испытания герметичности
Как правило принимается +200С.
Поскольку испытания часто производятся водой то
отрицательные температуры не допускаются из за возможного
Примеры схематизации и характерные
Не должно быть близко расположенных креплений
(со связями в одном и том же направлении)
Если трубопровод присоединен к оборудованию то
следует задавать смещения опор от нагрева
Если неизвестно продолжение трассы – нельзя
оставлять свободные концы. Следует обязательно
ставить неподвижную опору (в запас прочности)
Нельзя выходить за рамки стержневой модели
Реальная конструкция опор и расчетная модель
Пример 1. Схема с подпятником
Пример 2. Обвязка колонного аппарата
Пример 3. Расчетная модель
трубопровода со свободными концами
Пример 4. Расчетная модель с
аппаратом представленным как труба
большого диаметра с тройниками
Для расчета такой системы
можно предложить четыре
варианта расчетных схем с
разной степенью детализации
-й вариант (самый грубый). Все штуцера заменяются мертвыми
опорами с заданными смещениями. Два трубопровода
рассчитываются отдельно
-й вариант. Учитывается локальная податливость штуцеров.
Все штуцера заменяются нестандартными креплениями (СТАРТШтуцер или Штуцер-МКЭ) с заданными смещениями. Два
трубопровода рассчитываются отдельно
-й вариант. Учитывается локальная податливость штуцеров и
общая податливость всего аппарата. Аппарат заменяется
стержневой моделью локальная податливость учитывается
нестандартными компенсаторами. При этом оценивается только
прочность трубопровода (не аппарата!)
-й вариант. Наиболее точный. Совместная работа трубопровода и аппарата
моделируется с помощью МКЭ оболочечными конечными элементами.
Расчет ведется по любой из МКЭ программ (Ansys Nastran Cosmos Scad
Lira и т.д.). Выполнение такого расчета требует высокой квалификации
инженера-расчетчика и как правило выполняется только для нестандартных
или ответственных конструкций
Класс решаемых задач по ПС
По программной системе рассчитываются трубопроводы
у которых суммарная степень статической и
кинематической неопределимости N составляет:
N рассчитывается по следующей формуле:
N = 6·(мо + кз -1) +3·(ск + нп + но+тр) +3 гр + m·пд +пр + пу
+2·(ку +кс) + ко +(кр +кп) + 12нск + 9 нок
«Моделирование работы опор»
Понятия линейной и угловой
Закрепление тела от линейных перемещений вверх и вниз –
линейных перемещений
направлении а также от
линейных связи и одна
Фрикционная (трение)
отклонения подвесок)
Условные обозначения связей
- жесткая линейная двухсторонняя связь
- жесткая линейная односторонняя связь
- упругая линейная связь
- жесткая угловая двухсторонняя связь
- упругая угловая связь
Скользящая опора (шарнирноподвижная)
Схема реальной опоры
Неподвижная опора без защемления
(шарнирно-неподвижная)
Мертвая опора (неподвижная с
Варианты различных направляющих опор
(моделируются нестандартными креплениями)
Подвижная опора с боковыми
При отсутствии зазора
Пружинные опоры и подвески
Изменение реакции при переходе трубопровода из холодного в рабочее
состояние и наоборот не должно выходить за рамки ограничений
Грузоподъемность упругой опоры должна быть достаточной для восприятия
реакций в рабочем и холодном состоянии
Подбор состава цепей в пружинных
Идеал к которому при подборе пружины всегда следует
стремиться чтобы трубопровод работал на восприятие
собственных температурных расширений как невесомая
пружина. Исходя из этого положения реакции упругих опор
подбираются таким образом чтобы снять вес у нагретого
Другими словами в каждой точке закрепления реакция упругой
опоры должна быть такой чтобы от действия веса
вертикальное перемещение было равно нулю.
Пружинная опора (скользящая катковая)
Опоры постоянного усилия
Модель взаимодействия трубопровода с
грунтом при бесканальной прокладке
В среде проектировщиков трубопроводов принято делить все опоры на подвижные
и неподвижные. В свете изложенного следует признать такую классификацию
чрезмерно упрощенной
Любая теоретическая модель описывает реальную конструкцию с некоторым
приближением. Например не существует в чистом виде мертвых и шарнирно –
Нельзя путать термины принятые для креплений в программной системе СТАРТ
с терминологией используемой в обиходе конкретной проектной фирмы. Если Вы
взяли из альбома типовых конструкций опору то это не значит что при схожести
названий ее работа будет соответствовать стандартному креплению в
терминологии ПС СТАРТ!
«Моделирование работы
Работа гибкого элемента - сильфона
Сильфон представляет собой тонкую (от 07 до 15 мм)
гофрированную оболочку содержащую от 4-х до 11–и волн.
Сильфоны изготавливаются однослойными и многослойными.
Компенсирующая способность. Допускаемый
осевой боковой и угловой ход компенсатора
Компенсирующая способность на
Распор от внутреннего давления в
неразгруженных осевых компенсаторах
Распор от внутреннего давления
Полуразгруженный компенсатор
Распорное усилие примерно на 40% меньше чем в
неразгруженном компенсаторе
Разгруженный компенсатор
Моделирование работы
Внутренние связи в сечении
Жесткое соединение двух труб можно описать наличием
между ними трех линейных и трех угловых связей
Удаление одной из трех
внутренних связей моделирует
сдвиговой (а) угловой (б) и осевой
На самом деле полностью
устранить связи невозможно и они
заменяются упругими связями
обладающими некоторой
податливостью. Силами трения в
компенсаторах обычно
Схема реального компенсатора
Телескопический сальниковый
Расчетная модель компенсатора
Контроль осевого хода и перекоса осевого
компенсатора (версия 4.60)
Контроль осевого хода компенсатора
Δp - осевое перемещение растяжения-сжатия
Δγ - эквивалентное осевое перемещение от поворота
Контроль перекоса компенсатора
Осевой компенсатор как правило не имеет специальных устройств
предотвращающих его работу на изгиб и на сдвиг поэтому
необходимо ставить опоры слева и справа от компенсатора
предотвращающие его работу на изгиб и на сдвиг.
) Мертвая опора слева и две направляющих справа
) Слева и справа по две направляющих опоры
Должны быть опоры воспринимающие распорные усилия
неразгруженного компенсатора
Обязательно должны быть направляющие опоры
Нельзя ставить два подряд осевых компенсатора без промежуточных опор
Сдвиговые компенсаторы
Схемы реальных компенсаторов
Пространственный сдвиговой
компенсатор (стандартный)
Плоский сдвиговой компенсатор
Нельзя устанавливать подряд два сдвиговых
Угловые компенсаторы
Пространственный (карданный)
Пространственный угловой
компенсатор (карданный)
Плоский угловой компенсатор
(задается как нестандартный)
Схемы работы с угловыми
Нельзя устанавливать три угловых
компенсатора на одной линии
Универсальные компенсаторы
Универсальный компенсатор
трубопровода три линейных
связи (вдоль и поперек оси
трубопровода) и две угловых.
Δp - осевое перемещение растяжения
Δγ - эквивалентное перемещение от угла поворота
Δ - эквивалентное перемещение от сдвига
Стандартные компенсаторы в ПС
Обеспечивает линейное перемещение трубопровода
по оси соединяемых труб
Обеспечивает поворот соединяемых концов труб без
их кручения в плоскости поперечного сечения
Пространственный сдвиговый
поперек оси соединяемых труб (сдвиг – децентровку
Работа любого компенсатора зависит от двух факторов
- конструкции самого компенсатора
- конструкции трубопровода.
Нужно иметь в виду что при определении деформаций
компенсаторов начальное состояние трубопровода в ПС Старт
принимается не напряженным и не деформированным. Для
того чтобы смонтировать трубопровод так чтобы в нем не
было никаких начальных напряжений требуется специальная
последовательность операций которая на практике
выполняется далеко не всегда.
Не следует путать предварительную растяжку компенсатора с
целью увеличения осевого хода компенсатора и
предварительную растяжку трубопровода
Дефекты монтажа в схеме с
«Тройниковые соединения»
штампосварной тройник
Сварной тройник или врезка с
усиливающей накладкой
Расчет тройникового соединения
Прочность от внутреннего давления
(определение допустимого давления и
Прочность от одновременного действия
давления и всех остальных нагрузок
Прочность от внутреннего
Для определения допустимого
давления в тройниках используется
метод замещения площади (как в
отечественных так и в зарубежных
Для большинства углеродистых и
низколегированных сталей
[ ] = min 410 230 = 153 МПа
Суммарная прибавка 35%
Формула приведенная в
Пользоваться этой формулой можно только для
штампованных и штампосварных тройников по ГОСТ
376-2001 при следующих условиях:
Материал – углеродистая или низколегированная
Суммарная прибавка к толщине стенки не более 35%
Коэффициенты несущей способности тройника
врезка с усиливающей
Прочность от дополнительных
Влияние накладок на снижение
Коэффициенты интенсификации
Нестандартные тройники
Приемы снижения напряжений в
Ограничение расстояния между тройниками (врезками)
Расстояние между тройниками (врезками) не должно
превышать Lmin (см. РД 10-249)
Lmin ≤ 2 ( Dн s )(s c ) +
«Допускаемые напряжения и
Оценка прочности производится по допускаемым
напряжениям []. Величина допускаемых напряжений []
Расчетной температуры
Способа изготовления
Номинальные допускаемые напряжения [] для труб из стали 17ГС МПа
Механические свойства стали одного и того же химического состава могут отличаться
из-за разной микроструктуры металла. Эти различия обусловлены спецификой
производства (литье прокат штамповка и т.д.). Впервые учитываются в СТП 09-04-02
Для определения допускаемых напряжений [] можно
Данные содержащиеся в стандартах и технических условиях
Готовые табличные значения приведенные в нормах
расчета на прочность
При использовании табличных данных приведенных в нормах
нужно иметь в виду что они представляют собой наименьшие
значения допускаемых напряжений [] полученных на основании
обработки различных стандартов на трубы и детали из одинакового
Такой подход всегда обеспечивает запас прочности но при
необходимости можно использовать данные стандартов и
технических условий на конкретные трубы и детали.
Допускаемые напряжения определяются по формуле
в20 - Временное сопротивление
(предел прочности) при
p - Предел текучести при
Диаграмма зависимости напряжений от
деформаций при разрушении стального образца
учитывающий изменение
допускаемых напряжений при
различных температурах
Значения коэффициента AT в зависимости от температуры
Углеродистая качественная с
содержанием углерода %
низколегированная или
Условия прочности согласно РД10-249-98 выглядят
От внутреннего избыточного давления
1 От расчетного давления
2. От давления испытаний (пробного давления)
От веса трубопровода и давления в рабочем состоянии
От всех воздействий в рабочем и холодном состояниях
1 Холодное состояние
От действия циклических нагрузок (выносливость циклическая прочность).
Определяется мера накопления повреждений:
Циклическая прочность (малоцикловая усталость)
Эксперименты Камерштейна А.Г. (Россия ВНИИСТ) и Маркла А. (США) 1960-е г.
Для прямой трубы из углеродистой стали с поперечным сварным швом
максимальный размах момента и максимальное число циклов (из
экспериментов Камерштейна и Маркла):
Для различных тройников отводов переходов и т.д:
(ii M i ) 2 + (io M o ) 2
Для отводов например коэффициенты интенсификации равны:
С учетом касательных напряжений от крутящего момента:
экв = и2 + 4 2 ≤ [ a ]
[ N 0 ]i = f ( a i )
График зависимости допустимого числа циклов до разрушения в зависимости от
амплитуды эквивалентных напряжений (для углеродистых сталей) из РД10-249-98
Формула накопления повреждений
- число расчетных циклов i-го типа
[ N 0 ]i = f ( a i ) - допустимое число циклов i-го типа (зависит от амплитуды)
- амплитуда эквивалентных напряжений цикла
Типовая температурная история (эквивалентная по повреждаемости). Получена
три года с наиболее суровыми зимами
Количество циклов в течение
Срок службы трубопровода служит для:
Оценки циклической прочности. Чем выше срок службы тем
больше количество циклов и больше повреждаемость
Для определения номинальных допускаемых напряжений
для высокотемпературных трубопроводов по РД 10-249-98
Толщина стенки. Суммарная прибавка
Номинальная толщина стенки s – фактическая толщина
стенки которая включает расчетную толщину на давление
sR прибавку на коррозию c1 минусовое отклонение по
толщине стенки c2 и округление до ближайшего размера в
Расчетная толщина стенки sR – минимальная толщина
необходимая для восприятия давления
Суммарная прибавка с – сумма прибавки на коррозию с1
минусового отклонения при изготовлении с2
s = sR + c1 + c2 + c3
При определении предельного давления используется
номинальная толщина стенки за вычетом прибавки на
коррозию и минусового отклонения c-s = s-c1-c2
При определении напряжений от остальных нагрузок –
используется номинальная толщина стенки s
Нормы оценки прочности трубопроводов
Нормативный документ
Стальные трубопроводы энергетических установок
с давлением более 0.7 кгcм2 и температурой более
Стальные трубопроводы водяных тепловых сетей и
паропроводов за пределами энергетических
Стальные технологические трубопроводы с
давлением до 100 кгсм2 и температурой от –200С
СТП 09-04-02 (001-СТПА)* [9]
давлением до 100 кгсм2 и температурой от –1960С
до 7000С и отношением толщины стенки к
наружному диаметру (s-c)D≤0.2
СНиП 2.05.06.-85 [6]
Стальные магистральные газо- и нефтепроводы с
давлением до 100кгсм3 и отсутствием ползучести
Область применения норм оценки прочности
Стальные трубопроводы
энергетических установок
водяных тепловых сетей и
паропроводов за пределами
Стальные технологические
Стальные магистральные
газо- и нефтепроводы
трубопроводы (Введены в
действие с 01.10.04 взамен
устаревшего РТМ 38.001-94)
Взамен устаревших норм РТМ 38.001-94
Улучшены методики расчета отводов и
тройников. В частности есть методика
расчета на изгиб тройников и врезок с
накладками (отсутствовавшая в
Устранены замеченные ошибки и
Приведен в соответствие с ПБ 03-585-03
Требования по расчету вакуумных
Будет реализован в версии СТАРТ 4.61
Напряжения в отводах и тройниках
Напряжения обусловленные
изгибом и продольными силами
РД 10-249-98 пункт 5.1
РД 10-249-98 пункт 5.2
СТП 09-04-02 СА 03-003-07
«+» - определение напряжений регламентировано нормами
«-» - определение напряжений не регламентировано и допускается
использовать любую апробированную методику
Расчетные состояния в СТП 09-04-02 и РД 10-400-01
ПДН – постоянные и длительные временные нагрузки
ПДК (ПДКОН) – постоянные длительные временные и
Критерии прочности для режимов ПДН и ПДК(ПДКОН)
От всех воздействий в рабочем состоянии
От всех воздействий в холодном состоянии
Комментарии к нормам РД10-249-98 для расчета
трубопроводов пара и горячей воды
Пункт 5.2 – основан на документе РТМ 24.038.08-72 Расчет
трубопроводов энергетических установок на прочность
Пункт 5.1 – основан на ОСТ 108.031.09-85 Котлы стационарные
и трубопроводы пара и горячей воды (отменен)
Пункт 5.2 – используется для оценки прочности трубопроводов
Пункт 5.1 – для барабанов коллекторов и труб поверхностей
Высокотемпературные и низкотемпературные
Материал трубопровода
Температура транспортируемой среды °C
Углеродистые низколегированные
хромомолибденовые или
хромомолибденованадиевые стали
Низкотемпературные трубопроводы
Самыми опасными считаются
Деформационные воздействия
считаются не опасными поэтому
допускаемые напряжения
р = 160МПа E = 1.7 105 МПа
Этапы расчета трубопроводов
Расчет на действие весовой
Расчет для рабочего состояния
на совместное действие всех
нагружающих факторов
Учитываемые нагружающие факторы для
Внутреннее давление весовая нагрузка усилия
промежуточных опор в рабочем состоянии (рабочие
температурного расширения
(на самокомпенсацию)
(нерабочего) состояния на
совместное действие всех
Оценка статической прочности на совместное
действие указанных нагружающих факторов
Внутреннее давление весовая нагрузка
температурное расширение (самокомпенсация)
«собственные» смещения защемленных концевых
сечений усилия промежуточных опор в рабочем
Определение усилий воздействия трубопровода
Назначение этапа для трубопроводов
Внутреннее давление температурное расширение
сопротивления промежуточных опор
Весовая нагрузка усилия промежуточных
(нагрузки опор в холодном состоянии)
трубопровода из холодного состояния в рабочее)
Таблица напряжений СТАРТ для низкотемпературного
Реальная опасность от температурного нагрева появляется тогда когда
перепад температур не постоянен. Многократное чередование циклов
нагрев-охлаждение вызывает разрушение материала из-за развития
микротрещин (циклическая прочность выносливость)
Разрушение в результате чередования циклов нагрев – охлаждение
характеризуется пределом выносливости (усталости) 0.4в который для
углеродистых сталей составляет примерно 0.4 . Для стали 20 например в
=150 МПа. Коэффициент запаса по этому пределу прочности kk =2÷6. При
среднем значении kk =4 имеем следующие допускаемые напряжения
[ ] = 150 = 37.5МПа.
При определении расчетного количество циклов нормы исходят из
предположения что рабочие параметры транспортируемой среды в течение
полного срока службы трубопровода не меняются (пункт 5.2.1.1) т.е.
возможны только аварийные или плановые отключения (пункт 5.2.7.3).
Поэтому формулу накопления повреждений можно представить следующим
a – расчетная амплитуда переменных напряжений
[a] – допускаемая амплитуда переменных напряжений
Высокотемпературные трубопроводы
Ползучесть – самопроизвольное уменьшение напряжений
самокомпенсации в рабочем состоянии. Упругие деформации переходят в
Релаксация – возникновение напряжений обратного знака после
охлаждения высокотемпературного трубопровода подверженного
Для учета ползучести используются фиктивные температуры
t р.ф - фиктивная температура при расчете рабочего состояния (этап II)
t х.ф - фиктивная температура при расчете холодного состояния (этап IV)
t н - температура нагрева в рабочем состоянии
- коэффициент усреднения компенсационных напряжений
- коэффициент релаксации компенсационных напряжений.
Таблица напряжений СТАРТ для высокотемпературного
Коэффициенты прочности сварных швов
Коэффициент прочности продольного шва на давление. Для электросварных труб
с продольным швом выполняемым как правило в заводских условиях зависит от
вида сварки материала трубы расчетной температуры и объема контроля качества
сварки. Изменяется в пределах 0.7÷1.0. Для бесшовных труб равен 1.0 поскольку
сварной шов отсутствует
Коэффициент прочности поперечного шва на изгиб. Задается для поперечного
сварного шва выполняемого как правило на монтаже при расчете на изгиб.
Значения коэффициента зависят от материала способа изготовления труб
(бесшовные или электросварные) и расчетной температуры
Коэффициент прочности углового шва на давление. Используется при расчете
Допускаемые нагрузки на оборудование
Допускаемые нагрузки на штуцера аппаратов листовой
Определяются прочностью узла врезки штуцера в днища или обечайки
Допускаемые нагрузки на штуцера насосов и компрессоров
Определяются не прочностью а условиями нормальной работы агрегатов с
конструкции (колонны ёмкости теплообменники)
Ограничения по нагрузкам заводов-изготовителей не всегда обоснованны.
Допускаемые нагрузки можно определить расчетным путем. Например при
помощи программы НТП Трубопровод «Штуцер-МКЭ»
Максимально допустимые значения каждой компоненты
нагрузки при нулевых значениях остальных 5-ти компонент
Fx Fy Fz M x M y M z
Максимально допустимые значения нагрузок при
одновременном действии всех шести компонент
конструкции (колонны емкости теплообменники)
Если все нагрузки не превышают значений в 3-й строке – прочность
Если хотя-бы одна из нагрузок превышает значения в 1-й строке –
прочность точно не обеспечена
Если все нагрузки меньше значений в 1-й строке но одна или более из
них превышают значения в 3-й строке – требуется проверочный расчет
по программе Штуцер-МКЭ на заданные нагрузки
Допускаемые нагрузки на патрубки насосов и компрессоров
применяемых в нефтехимической промышленности
Допускаемые значения определяются условиями нормальной работы
агрегатов и обычно даются заводом-изготовителем. Однако нужно иметь в виду
что разнородность внутренних деталей агрегатов с движущимися частями как
правило не позволяет с достаточной точностью определять эти нагрузки.
Поэтому изготовитель вынужден полагаться на отдельные опытные данные или
экстраполировать результаты случайных испытаний. Все это приводит к
искусственному занижению допускаемых нагрузок
Допускаемые нагрузки на штуцера насосов и
Более плодотворным нам представляется подход основанный на изучении
упругой работы типовых схем трубопроводных обвязок. Установлено что
допускаемые нагрузки зависят от диаметров трубопроводной обвязки и способа
опирания агрегатов. В результате статистической обработки наблюдений
строятся эмпирические зависимости дающие допустимые значения этих
Впервые такой способ лег в основу стандарта NEMA Национальной
Электротехнической Ассоциации США NEMA SM 23 (1979) и впоследствии был
центробежным компрессорам и насосам API 617 (2002) API 610 (2004).
Корпус насоса 1 и фундамент 6 как правило являются самыми прочным элементами
конструкции. Станина 2 и опорная рама 5 заводами - изготовителями нередко
рассчитываются только на восприятие веса поэтому жесткость на изгиб у этих элементов
зачастую оказывается недостаточной для восприятия горизонтальных нагрузок и
изгибающих моментов от примыкающих трубопроводов. В результате появляется
опасность расцентровки валов электродвигателя и насоса в узле стыковки 4. Для того
чтобы допускаемые нагрузки на патрубки насосов увеличить в стандарте API 610
нефтяных насосов в усиленном исполнении (соответствующая маркировка 2Х и 3Х).
По данным американской фирмы Kellogg специализирующейся в области
проектирования и строительства установок нефтехимических производств
допустимые нагрузки на патрубки насосов обеспечиваются при соблюдении
следующего приближенного критерия:
экв - расчетное эквивалентное напряжение в трубопроводе (в месте его
примыкания к патрубку насоса) от всех воздействий в рабочем
- наружный диаметр трубопровода мм
С увеличением диаметра трубопровода эта величина уменьшается. Как
показывают расчеты для малых диаметров она составляет 40% (и более) от
номинального допускаемого напряжения а для больших - только 15%.
Допустимые нагрузки определяются двумя критериями. Один служит для
оценки допустимых нагрузок на патрубок а второй - на агрегат в целом. Оба
критерия должны выполняться одновременно.
Первый критерий определяющий допустимую нагрузку на каждый патрубок
M R + 4 Da S R ≤ 25.3Da2
Da – наружный диаметр трубопровода м
– суммарный момент в месте примыкания
трубопровода к патрубку насоса тс м
– суммарная сила в месте примыкания трубопровода к
Второй критерий определяющий допустимую нагрузку на агрегат в целом
M С + 4 DС S С ≤ 25.3DС2
M Cx = M x 2 + M x 3
S Cx = S x 2 + S x 3
M Cy = M y 2 + M y 3
S Cy = S y 2 + S y 3
M Cz = M z 2 + M z 3
S Cz = S z 2 + S z 3 .
Dа 2 Dа 3 – диаметры всасывающего и нагнетательного патрубков м
Разница между слагаемыми в обоих вариантах не должна быть более 50
процентов от большего значения из этих двух величин. Другими словами как
для отдельного патрубка так и для агрегата в целом должны соблюдаться
M R 4 Da S R ≤ 0.5 ma 4 Da S R )
M C 4 DC S C ≤ 0.5 ma 4 DC S C )
Оценка прочности трубопроводов по СНиП 2.05.06-85
Используется метод предельных состояний общепринятый в
строительстве а не метод допускаемых напряжений принятый в
При определении толщины стенки в качестве расчетного
сопротивления R1 используется временное сопротивление стали
поскольку разрушение от давления может произойти только когда
напряжения достигают временного сопротивления
При расчете трубопровода на все воздействия считается что
несущая способность исчерпана при значительном
формоизменении конструкции вследствие изгиба. Поэтому в
качестве расчетного сопротивления R2 используется предел
- для любых участков независимо от
k1k н способа прокладки
- для участков воздушной прокладки
- для участков бесканальной прокладки
- нормативное сопротивление равное наименьшему значению предела
прочности (временного сопротивления) материала в
Критерии прочности трубопроводов по СНиП 2.05.06-85
Разрушение от внутреннего давления
Разрушение от совместного действия продольной силы и внутреннего давления
Значительное формоизменение при изгибе от действия давления весовых
нагрузок и температуры
экв = 12 + 22 1 2 ≤ R2
R1 R2 - Расчетные сопротивления принимаемые по
пределу прочности и пределу текучести
Преимущества метода предельных состояний
Номинальное допускаемое напряжение которым определятся толщина
стенки в РД 10-249-98 для углеродистых и низколегированных сталей как
правило меньше расчетного сопротивления R1
Прибавки на коррозию минусовой допуск и др. не влияют на значение
расчетной толщины стенки определяемой для предельного состояния.
Возможные утонения в процессе изготовления или эксплуатации учитываются
в соответствующих коэффициентах (условий работы - m надежности по
назначению трубопровода kн и.т.п.)
Главным резервом экономии металла при использовании метода предельных
состояний являются более высокие допустимые значения кольцевых
напряжений от действия внутреннего давления (первый критерий). Метод
оценки прочности по предельным состояниям прошел многолетнюю апробацию
на магистральных газо- и нефтепроводах работающих при сравнительно
невысоких температурных перепадах и позволил существенно снизить их
«Анализ и интерпретация
Ошибки программы. Встречаются крайне редко поскольку программа
постоянно тестируется и выявленные ошибки с каждой новой версией
Ошибки допущенные при создании исходных данных по
невнимательности не аккуратности и т.д. (например путаница в
единицах измерения различных величин опечатки и т.д.). Часть таких
ошибок выявляется благодаря системе логической проверки исходных
данных которая имеется в СТАРТ а часть удается выявить при
анализе результатов расчета которые должны соответствовать
физическому смыслу и ожиданиям инженера-расчетчика
Ошибки при формировании расчетной модели трубопровода из-за
недостаточной квалификации пользователя (например отсутствие
закреплений на свободных концах трубопровода). Для уменьшения
количества таких ошибок необходимо внимательно читать
документацию по программе а также пройти обучение на курсах
повышения квалификации
Некорректное использование программы (например попытки
моделирования аппарата с помощью участков труб и т.д.)
Возможна потеря точности для очень длинного трубопровода в грунте без
промежуточных мертвых или неподвижных опор.
Исправляется введением фиктивной мертвой опоры
Интерпретация результатов расчета
Когда получаемые результаты соответствуют представлению пользователя о
работе трубопровода но являются неудовлетворительными требуются
мероприятия по снижению напряжений нагрузок на опоры и т. п.
Когда выдаваемые программой нагрузки на штуцер аппарата не устраивают
конструктора аппарата необходимо либо изменить геометрию и параметры
обвязки либо учесть совместную работу трубопровода с аппаратом
установив нестандартное крепление учитывающего податливости штуцера
с помощью модуля СТАРТ-Штуцер.
Большие нагрузки на опоры могут быть следствием неправильного
наложения связей или отключения односторонних связей опор в нагретом
трубопроводе. При этом вес трубопровода переходит на соседние опоры и
создает значительные перегрузки. Выявить отключившиеся связи можно
из анализа таблицы нагрузок. Если реакция по направлению
односторонней связи равна нулю значит связь отключена.
Также для выявления причин невыполнения условий прочности необходимо
анализировать таблицы перемещений и внутренних усилий в
Напряжения по РД 10-400
всех воздействий в холодном
Усилия от веса в рабочем состоянии
Силы вдоль осей (тс)
Моменты вокруг осей (тс м)
Расчетная модель трубопровода факельной установки
Температура продукта +15ºС принятая температура монтажа -20ºС; температурный
перепад 35ºС; материал трубопровода - сталь 09Г2С. На концах трубопровода в
точках А и В – мертвые опоры в точке С – шарнирно неподвижная опора все
остальные промежуточные опоры на горизонтальном участке линии – скользящие.
Типоразмеры труб: на участке АБ – 1220х12 на остальных участках – 1020х10. В
результате расчета по ПС Старт в точке А получается изгибающий момент вокруг
оси Х Мх = 34 тс·м которому на первый взгляд неоткуда взяться – ведь
температурный перепад ничтожно мал. Попытка улучшить ситуацию отодвинув
неподвижную опору по направлению оси ОY на 15 метров дала еще худший
результат – этот момент увеличился до 115 тс·м.
Для трубы 1020х10 неподвижно закрепленной на концах осевая сила
N = α TEF = 1.2 10 5 35 2 10 6 317 = 266280кг 266тс
Выходом из положения является замена неподвижной опоры в точке С (рис. 7) на скользящую: при
этом изгибающий момент падает до 20 тс·м. Добиться большего без изменения
компоновочного решения к сожалению нельзя. Для анализа результатов в данном примере
достаточно простой логики: Г-образник АБС оказался слишком жестким. Температурный
перепад и вправду мал но зато диаметр 1000 мм!
Допустимый прогиб - важная характеристика жесткости
отсутствующая в нормах
Расстояние между промежуточными опорами трубопровода для любого
пролета кроме примыкающего к неподвижной опоре или компенсатору
определяются из расчета трубопровода как неразрезной многопролетной
балки нагруженной равномерно-распределенной нагрузкой
Допустимое провисание - важная характеристика
жесткости отсутствующая в нормах
Условие допустимого провисания (отсутствия обратного уклона) описывается системой двух уравнений
EI 2lcp x 6 lcp x + 4 x i = 0
- СНиП 41-02-2003 Тепловые сети
- А.Г. Камерштейн В.В. Рождественский М.И. Ручимский Расчет трубопроводов на
прочность Справочная книга Гостоптехиздат М. 1963
- ВГПИ Теплоэлектропроект. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых
сетей под ред. Д.А. Николаева Изд-во литературы по строительству М.1965
Какое допускаемое напряжение следует принимать
при испытаниях давлением?
Согласно ГОСТ 8731 и ГОСТ 8733 бесшовные трубы из углеродистой и
низколегированной стали должны выдерживать гидравлическое давление при
допускаемом напряжении равном 40% временного сопротивления разрыву для
В правилах устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов ПБ
-585-03 нормах расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов
пара и горячей воды СНИП 2.05.06-85 на магистральные трубопроводы
требование другое. Величина давления при гидроиспытаниях должна приниматься
такой чтобы напряжения в стенках трубы не превышали 90% от предела текучести
Очевидно оба требования будут идентичными при условии что для стали
Для стали 20 это условие не выполняется
Нужно предъявить заводу - изготовителю дополнительные более жесткие
требования в части проведения испытаний на давление 225МПа (в
ГОСТах на этот счет есть специальная оговорка) а не на 184МПа
Нормы РД 10-249-98 п. 5.2 ограничивают возможности оценки
Формулы для определения напряжений изгиба в Т-образных соединениях
даны в них только для равнопроходных или почти равнопроходных
сварных тройников и врезок. Для не равнопроходных сварных тройников и
врезок усиленных накладками а также штампованных (штампосварных)
тройников формулы отсутствуют. В пункте 5.2 РД 10-249-98 не только
приведена приближенная формула вычисления напряжений изгиба в
тройниках но и оценка прочности жестко привязана к этой формуле что
не позволяет использовать другие апробированные методы расчета
Для обхода этого ограничения – выполняется расчет по п. 5.2 с заменой всех
не равнопроходных тройников на нестандартные и произвести анализ
напряжений во всех элементах кроме тройников. Затем Выполнить расчет
того же трубопровода по п. 5.1 с реальными характеристиками тройников
и произвести анализ напряжений только в этих тройниках.