Сосуды и аппараты

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

Определение напряжений в местах пересечений штуцеров с обечайками и днищами при
воздействии давления и внешних нагрузок на штуцер

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения» (ОАО НИИХИММАШ); Закрытым акционерным обществом «Петрохим Инжиниринг» (ЗАО Петрохим Инжиниринг); Открытым акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения» (ОАО ВНИИНЕФТЕМАШ); Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 260 «Оборудование химическое и нефтегазоперерабатывающее»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. № 503-ст

4 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных и европейских стандартов: Директивы 97/23 ЕС Европейского Парламента и Совета от 29 мая 1997 г. по сближению законодательств государств-членов, касающейся оборудования, работающего под давлением; ЕН 13445-3:2002 «Сосуды, работающие под давлением. Часть 3. Расчет» (EN 13445-3:2002 «Unfired pressure vessel - Part 3: Design»)

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Содержание

Сосуды и аппараты

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

Определение напряжений в местах пересечений штуцеров с обечайками и днищами
при воздействии давления и внешних нагрузок на штуцер

Vessels and apparatus. Norms and methods of strength calculation.
Determination of stresses at nozzle-to-shell and head junctions under action
of pressure and external loads on the nozzle

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает методы расчета напряжений в местах пересечения штуцеров с цилиндрическими обечайками и сферическими днищами при нагружении внутренним давлением и внешними статическими нагрузками на штуцер. Методы расчета применимы при расположении штуцеров перпендикулярно к стенке сосуда.

Настоящий стандарт применяется совместно с ГОСТ Р 52857.1, ГОСТ Р 52857.3.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования

ГОСТ Р 52857.3-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

С₁; С₂; С₃ - коэффициенты;

D_c - средний диаметр обечайки у отверстия, мм;

d_c - средний диаметр штуцера, мм;

L - ширина накладного кольца, мм;

l - длина штуцера, мм;

F - осевые усилия, Н;

М_х - изгибающий момент в окружном направлении обечайки, Н·мм;

М_у - изгибающий момент в продольном направлении обечайки, Н·мм;

М_В - изгибающий момент, действующий на штуцер сферического днища, Н·мм;

N_р - число циклов нагружения давлением;

N_F - число циклов нагружения от осевого усилия;

р - расчетное внутреннее избыточное давление, МПа;

R_c - средний радиус оболочки около отверстия, мм;

s - толщина стенки обечайки или днища, мм;

s₁ - толщина стенки штуцера, мм;

s₂ - толщина стенки накладного кольца, мм;

s₃ - эквивалентная расчетная толщина стенки, мм;

α_р; α_F; α_M - коэффициенты концентрации напряжений около штуцера;

λ_с - геометрический параметр для цилиндрической обечайки;

λ_s - геометрический параметр для сферического днища.

4 Общие положения

Приведенный в настоящем стандарте метод расчета по определению напряжений в месте пересечения штуцеров с обечайками и днищами применяется в качестве дополнения к расчету по ГОСТ Р 52857.3, когда по тем или иным условиям не применим метод расчета по предельным нагрузкам. Такие условия возникают, когда сосуд работает при переменном режиме нагружения и возможно разрушение из-за накопления пластических деформаций или усталости металла либо под воздействием агрессивной среды в аппарате снижаются пластические свойства материала.

В связи со сложностью расчета напряжений в местах пересечения штуцеров с корпусом сосуда допускается применять другие методы расчета, например численные методы исследований напряжений, основанные на методе конечных элементов или экспериментальные методы определения напряжений.

5 Расчет напряжений в цилиндрической обечайке (см. рисунок 1)

Рисунок 1 - Схема нагружения штуцера внешними нагрузками

5.1 Условия применения расчетных формул

Формулы применимы при следующих условиях:

а) 0,001 ≤ s/D_c ≤ 0,1;

б)

в) штуцер расположен на расстоянии не менее  от других местных нагрузок;

г) толщина штуцера, равная s₁ должна сохраняться на длине

5.2 Определение эквивалентной толщины стенки обечайки около штуцера

Эквивалентную толщину стенки обечайки около штуцера вычисляют по формулам:

а) если накладного кольца нет, то

s_э = s;

б) если установлено накладное кольцо, то при

если

5.3 Определение максимальных напряжений

5.3.1 Определение максимального напряжения от внутреннего давления

Максимальное напряжение от внутреннего давления вычисляют по формуле

                                                          (1)

5.3.2 Определение максимального напряжения от осевого усилия

Максимальное напряжение от осевого усилия вычисляют по формуле

                                                                                                     (2)

Коэффициент С₁ определяют по графику, приведенному на рисунке 2, или вычисляют по формуле

Рисунок 2 - График для определения С₁

Коэффициенты а₀ - а₄ определяют по таблице 1.

Таблица 1 - Коэффициенты для определения С,

5.3.3 Определение максимального напряжения от изгибающего момента М_х

Максимальное напряжение от изгибающего момента М_х вычисляют по формуле

                                                                                                (3)

Коэффициент С₂ определяют по графику, приведенному на рисунке 3, или вычисляют по формуле

Коэффициенты а₀ - а₄ определяют по таблице 2.

Рисунок 3 - График для определения С₂

Таблица 2 - Коэффициенты для определения С₂

5.3.4 Определение максимального напряжения от изгибающего момента М_у

Максимальное напряжение от изгибающего момента М_у вычисляют по формуле

                                                                                                (4)

Коэффициент С₃ определяют по графику, приведенному на рисунке 4, или вычисляют по формуле

Рисунок 4 - График для определения С₃

Коэффициенты а₀ - а₄ определяют по таблице 3.

Таблица 3 - Коэффициенты для определения С₃

5.4 Условия прочности при совместном действии статических нагрузок

Для пластичного в условиях эксплуатации материала условия прочности выполняются, если

                                                                          (5)

При направлении F_z от поверхности стенки сосуда σ_F имеет знак плюс.

Если материал не обладает достаточной пластичностью (удлинение при разрыве стандартного образца составит менее 14 %, а ударная вязкость на образцах KCV менее 27 Дж/см²), то допускаемое напряжение определяют на основании специальных исследований.

5.5 Условия прочности при малоцикловой нагрузке

Условия прочности при циклическом нагружении давлением р, осевым усилием на штуцер F_z и изгибающими моментами (М_х, М_у) проверяют по ГОСТ Р 52857.6.

Допускаемое число циклов определяют по ГОСТ Р 52857.6 . Амплитуды напряжений, необходимые для определения допускаемых чисел циклов, равны:

                                                      (6)

5.6 Проверку прочности штуцера от меридиональных напряжений выполняют по ГОСТ Р 52857.3.

6 Расчет напряжений в сферическом днище ¹⁾

6.1 Условия применения расчетных формул

Формулы применимы при следующих условиях:

а) 0,001 ≤ s/R_c ≤ 0,1;

б) расстояние от штуцера до другого концентратора напряжений должно быть не менее

в) толщина штуцера, равная s₁ должна сохраняться на длине l ≥

г) штуцер расположен перпендикулярно к поверхности оболочки;

д)

_______________

¹⁾ Расчет может быть применен для эллиптического днища, если расстояние от наружной кромки штуцера до центра днища, измеренного по хорде, не более 0,4 наружного диаметра днища. Средний радиус R_c принимается равным среднему радиусу в вершине днища.

6.2 Определение эквивалентной толщины стенки днища около штуцера

Эквивалентную толщину стенки днища около штуцера вычисляют:

а) если нет накладного кольца, то s_э = s;

б) если установлено накладное кольцо, то при  s_э=s + s₂, если

6.3 Определение максимальных напряжений

6.3.1 Определение максимального напряжения от внутреннего давления

Максимальное напряжение от внутреннего давления вычисляют по формуле

                                                                                                          (7)

где α_р - коэффициент концентрации, определяемый по графикам, приведенным на рисунках 5, 6.

Рисунок 5 - Коэффициенты концентрации в месте пересечения штуцера со сферической оболочкой при внутреннем давлении

Рисунок 6 - Коэффициенты концентрации в месте пересечения проходящего штуцера со сферической оболочкой при внутреннем давлении

6.3.2 Определение максимального напряжения от осевого усилия

Максимальное напряжение от осевого усилия вычисляют по формуле

                                                                                                  (8)

где α_z - коэффициент концентрации, определяемый по графикам, приведенным на рисунках 7, 8.

Рисунок 7 - Коэффициенты концентрации в месте пересечения штуцера со сферической оболочкой при осевом усилии на штуцер

Рисунок 8 - Коэффициенты концентрации в месте пересечения проходящего штуцера со сферической оболочкой при осевом усилии на штуцер

6.3.3 Определение максимальных напряжений от изгибающего момента

Максимальное напряжение от изгибающего момента вычисляют по формуле

                                                                                               (9)

где α_м - коэффициент концентрации, определяемый по графикам, приведенным на рисунках 9, 10.

Рисунок 9 - Коэффициенты концентрации в месте пересечения штуцера со сферической оболочкой при нагружении штуцера изгибающим моментом

Рисунок 10 - Коэффициенты концентрации в месте пересечения проходящего штуцера со сферической оболочкой при нагружении штуцера изгибающим моментом

6.4 Условия прочности при совместном действии статических нагрузок

Для пластичного в условиях эксплуатации материала условия прочности выполняются, если:

                                                                                       (10)

Если материал не обладает достаточной пластичностью (удлинение при разрыве стандартного образца составит менее 14 %, а ударная вязкость на образцах KCV менее 27 Дж/см²), то допускаемое напряжение определяют на основании специальных исследований.

6.5 Условия прочности при малоцикловой нагрузке

Условия прочности при совместном действии малоцикловой нагрузок от давления р, осевого усилия F_z и изгибающего момента М_B выполняются по ГОСТ Р 52857.6.

Амплитуды напряжений, необходимые для определения допускаемых чисел циклов, равны

                                                                                 (11)

6.6 Проверку прочности штуцера от продольных напряжений выполняют по ГОСТ Р 52857.3.

Ключевые слова: сосуды и аппараты, штуцера, определение напряжений, нормы и методы расчета на прочность