Нормальные напряжения в трубе

Определение напряжений в трубопроводе.

Трубопровод, уложенный в грунт, находится под воздействием внешних сил. Эти силы вызывают сложные напряжения в теле трубы и стыковых соединениях.

В результате действия внутреннего давления в теле трубы возникают следующие главные нормальные напряжения; продольные, кольцевое, радиальное. (см. рис. 1).

2.1. Определяется радиальное напряжение, обусловленное внутренним давлением, равное ему по величине и противоположное по направлению

Рис.1. Напряжение в теле трубы

2.2. Определяется по формуле Мариотта кольцевое напряжение, возникающее в трубе под действием внутреннего и внешнего давлений.

Где d – внутренний диаметр трубы, м

= 240,0

2.3. Определяется продольное напряжение, возникающее от внутреннего давления

где μ – коэффициент Пуассона (коэффициент поперечного сужения при продольном растяжении). Для стали μ = 0,3

= 72,0 МПа

2.4. Определяется по формуле Гука продольное напряжение, возникающее вследствие изменения температуры трубопровода

Где α – коэффициент линейного расширения металла, град -1 . Для стали α = 000012 град -1 =

E – модуль упругости стали при растяжении, сжатии и изгибе трубы (модуль Юнга), МПа.

T₁ – наименьшая температура грунта на глубине укладки трубы, К;

T₂ – температура воздуха во время укладки трубопровода в траншею, К;

2.5. Определяются продольные напряжения, появляющиеся в трубе при ее холодном упругом изгибе, который является следствием неровностей рельефа

Где ρ_и — радиус изгиба трубы, м. В соответствии со СНиП III – 42-80 * радиус изгиба трубы равен не менее 1000 D_y – условный диаметр трубопровода. У проектируемого газопровода ρ_и = 1000 м.

Проверка прочности трубопровода при эксплуатации

При эксплуатации трубопровода совместное действие внутреннего давления и изгибающих условий может вызвать гораздо большие суммарные напряжения в продольном направлении трубы, чем в момент испытаний. Уязвимым местом трубопровода в этом случае могут оказаться поперечные сварные швы. Прочность поперечных сварных швов в наиболее тяжелый период эксплуатации проверяют из условия, что суммарная продольная нагрузка должна быть меньше расчетного сопротивления трубы (так называемой несущей способности трубы).

Где n_p, n_t, n_pи – коэффициенты перегрузки, которые при учете совместного действия могут быть приняты равными единице.

Прочность трубопровода при эксплуатации обеспечена.

Источник

Таблица напряжений в трубопроводе

Таблицы напряжений выглядят по разному, в зависимости от выбранного в общих данных нормативного документа и режима расчета:

Описание таблицы напряжений, для режима распространения сейсмических норм в грунте приведено в соответствующем разделе.

В таблице «напряжения в трубопроводе» выдаются результаты по тем расчетным состояниям, которые являются обязательными для соответствующего нормативного документа.

Могут быть показаны напряжения как для каждого отдельного рабочего режима, так и максимальные напряжения из всех режимов, чтобы оценить работу трубопровода в целом во всех режимах. Максимальные напряжения и соответствующие им допускаемые напряжения в каждой ячейке выдаются из того режима, в котором отношение расчетного напряжения к допускаемому имеет наибольшее значение.

Напряжения рассчитываются в прямых трубах (в начале и конце каждого участка), отводах (в начале и конце) и тройниках (в трех сечениях). См. раздел «внутренние усилия в участках трубопровода». Поэтому для более точного вычисления напряжений следует разбивать длинные участки (вводить промежуточные узлы), защемленные в грунте (длиной более 150 диаметров). Также рекомендуется вводить промежуточные узлы в середине пролета между опорами на надземных участках для более точного вычисления напряжений.

Если условия прочности не выполняются, соответствующая ячейка закрашивается красным цветом, а в последней графе таблицы появляется номер примечания, текст которого можно прочитать, подведя курсор к этому номеру (см. рис. ниже). В распечатке тексты примечаний располагаются внизу под таблицей. При соблюдении условий прочности графа «примечания» остается пустой.

Критерии прочности по РД 10-249-98 п. 5.1 и 5.2

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок ( I этап расчета)

Допускаемое напряжение от весовых нагрузок

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии ( II этап расчета)

В соответствии с требованиями РД 10-249-98, п. 5.2 для низкотемпературных трубопроводов напряжения в рабочем и холодном состоянии от всех воздействий не определяются и не оцениваются.

Допускаемое напряжение для всех воздействий в рабочем состоянии

1.5 [σ] _раб . В случае, когда согласно нормам напряжения не проверяются, выводится «Нет»

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в холодном состоянии

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в холодном состоянии ( IV этап расчета)

В соответствии с требованиями РД 10-249-98, п. 5.2 для низкотемпературных трубопроводов напряжения в рабочем и холодном состоянии от всех воздействий не определяются и не оцениваются.

Допускаемое напряжение для всех воздействий в холодном состоянии

1.5 [σ] ₂₀ . В случае, когда согласно нормам напряжения не проверяются, выводится «Нет»

При расчетах по п. 5.1 (оценка циклической прочности) суммарная повреждаемость ( III этап расчета) равна

Расчетная амплитуда напряжений

Расчетная амплитуда напряжений (п. 5.2.7.3)

В соответствии с требованиями РД 10-249-98, п. 5.2 для высокотемпературных трубопроводов оценка усталостной прочности не производится, поэтому расчетная и допускаемая амплитуды не вычисляются.

Допускаемая амплитуда напряжений

Допускаемая амплитуда напряжений (п. 5.2.7.3):

Расчетное количество циклов не может быть менее 3000, поэтому амплитуда всегда задается не менее чем при 3000 циклах.

В соответствии с требованиями РД 10-249-98, п. 5.2 для высокотемпературных трубопроводов оценка усталостной прочности не производится, поэтому расчетная и допускаемая амплитуды не вычисляются.

[σ] _раб — допускаемое напряжение при рабочей температуре T _раб, [σ] ₂₀ — допускаемое напряжение при нормальной температуре

Критерии прочности по ГОСТ Р 55596-2013 и ГОСТ 32388-2013, режим ПДН

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Допускаемое напряжение от весовых нагрузок

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Соблюдение условий прочности от всех воздействий в рабочем и холодном (при наличии растяжки) состояниях обязательно только для труб и не обязательно для отводов и тройников (врезок)

Допускаемое напряжение для всех воздействий в рабочем состоянии

1.5 [σ] _раб . В случае, когда согласно нормам напряжения не проверяются, выводится «Нет»

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в холодном состоянии

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в холодном состоянии

Соблюдение условий прочности от всех воздействий в рабочем и холодном (при наличии растяжки) состояниях обязательно только для труб и не обязательно для отводов и тройников (врезок)

Допускаемое напряжение для всех воздействий в холодном состоянии

1.5 [σ] ₂₀ . В случае, когда согласно нормам напряжения не проверяются, выводится «Нет»

Эквивалентное напряжение от всех воздействий при испытаниях

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок при испытаниях

Допускаемое напряжение от всех воздействий при испытаниях

Для тройников, отводов и переходов 1.5( [σ] _исп+ [σ] ₂₀ )

Размах напряжений при переходе из рабочего в холодное состояние

Размах напряжений при переходе из рабочего в холодное состояние

Допускаемый размах напряжений

Минимальное значение из двух величин

Допускаемое эквивалентное число полных циклов для трубопровода

[σ] _раб — допускаемое напряжение при рабочей температуре T _раб, [σ] ₂₀ — допускаемое напряжение при нормальной температуре

Критерии прочности по ГОСТ Р 55596-2013 и ГОСТ 32388-2013, режим ПДКОН

Следует иметь в виду, что режим ПДН является обязательным для ГОСТ Р 55596-2013 . При этом учитываются только постоянные и длительные временные нагрузки. Режим ПДК является дополнительным. Допускаемые напряжения при этом принимаются выше, но должны обязательно учитываться дополнительные нагрузки (кратковременные).

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Допускаемое напряжение от весовых нагрузок

1.5 [σ] _раб . В случае, когда согласно нормам напряжения не проверяются, выводится «Нет»

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Допускаемое напряжение для всех воздействий в рабочем состоянии

1.9 [σ] _раб . В случае, когда согласно нормам напряжения не проверяются, выводится «Нет»

Для тройников, отводов и переходов 1.5( [σ] _раб+ [σ] ₂₀ )

Г ОСТ 32388-2013 Пластиковые трубопроводы

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Допускаемое напряжение от весовых нагрузок

Kу — коэффициент условий работы трубопровода

Kc — коэффициент прочности соединения труб и деталей

Kх — коэффициент химической стойкости

Kп — коэффициент условий прокладки

— нормативное длительное сопротивление разрушению

где коэффициенты A,B,G,J — характеристики материала из базы данных по материалам,

— срок службы, заданный в общих данных,

— рабочая температура, задаваемая в свойствах участка,

— соответствующий рабочей температуре коэффициент запаса из базы данных по материалам.

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Допускаемое напряжение для всех воздействий в рабочем состоянии

Kт — коэффициент для самоуравновешенных нагрузок

Kц — коэффициент циклической прочности

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в холодном состоянии

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в холодном состоянии

Допускаемое напряжение для всех воздействий в холодном состоянии

Вычисляется аналогично допускаемым напряжениям от всех воздействий, но

— монтажная температура, задаваемая в общих данных,

— соответствующий монтажной температуре коэффициент запаса из базы данных по материалам.

Эквивалентное напряжение от всех воздействий при испытаниях

Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок при испытаниях

Допускаемое напряжение от всех воздействий при испытаниях

= 24 часа

— температура испытаний, задаваемая в общих данных

= коэффициент запаса прочности из базы данных по материалам для испытаний

Эквивалентное напряжение от не самоуравновешенных кратковременных нагрузок (режим ПДКОН)

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии от кратковременных нагрузок (режим ПДКОН)

= 24 часа

— рабочая температура, задаваемая в свойствах участка,

= коэффициент запаса прочности из базы данных по материалам для ПДКОН (max2)

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии от кратковременных нагрузок (режим ПДКОН)

Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии от кратковременных нагрузок (режим ПДКОН)

= 24 часа

— рабочая температура, задаваемая в свойствах участка,

= коэффициент запаса прочности из базы данных по материалам для ПДКОН (max2)

Критерии прочности по СНиП 2.05.06-85 / СП 36.13330.2012 / СП 33.13330.2012

К сожалению, критерии прочности, приведенные в СНиП 2.05.06-85 обладают существенными недостатками, связанными с тем, что документ разрабатывался в основном для линейной части. А именно: в стандарте не учитываются касательные напряжения от кручения и отсутствует методика расчета тройников и отводов . Если же расчетная схема трубопровода представляет собой пространственную стержневую конструкцию (сложные узлы трубопровода, обвязка насосных или компрессорных станций) , то касательные напряжения от кручения могут существенно влиять на прочность, а также необходимо производить оценку прочности отводов и тройников.

Автором СНиП 2.05.06-85 Айнбиндером А.Б. была выполнена доработка , суть которой состоит во введении дополнительных критериев, учитывающих касательные напряжения от кручения . В таком виде они и реализованы в СТАРТ-ПРОФ и позволяют оценивать прочность произвольных пространственных систем трубопроводов.

Таблица напряжений для СНиП 2.05.06-85 выглядит следующим образом:

Кольцев ое напряжени е расчетное и допускаемое

Для любых трубопроводов п. 8.22 формула (12), п. 8.63 формула (59) СНиП 2.05.06-85, п. 12.3 формула (10), п. 12.8.1 формула (51) СП 36.13330.2012 :

Кольцев ое напряжени е нормативное и допускаемое

Для подземных труб условие п. 8.26 формула (30) СНиП 2.05.06-85, п. 12.4.2 формула (12) СП 36.13330.2012:

Продольное осевое напряжение расчетное и допускаемое

,

N — усилие из расчета на расчетные нагрузки с учетом коэффициентов надежности по нагрузке и с учетом распорных усилий от давления

В СП 36.13330.2012 данное условие прочности отсутствует, но по личной рекомендации автора СНиП 2.05.06-85 Айнбиндера А.Б. (в 2015 году) проверка этого условия была сохранена в СТАРТ-ПРОФ для СП 36.13330.2012.

Продольное фибровое напряжение (приведенное)

Максимальное фибровое эквивалентное напряжение в крайних волокнах сечения , вычисляется отдельно для сжатой и отдельно для растянутой зоны поперечного сечения

Для надземных труб (п. 8.34 формула (42) с учетом примечания 1 п. 8.35 СНиП 2.05.06-85, п. 12.5.2 формула(33) СП 36.13330.2012 ) используется условие:

отличие заключается только в дополнительном учете касательного напряжения от кручения .

Также коэффициент кси4 с учетом касательных напряжений от кручения может быть записан в виде:

Продольные напряжения вычисляются по формуле

усилия определяются из расчета на расчетные нагрузки (с учетом коэффициентов надежности по нагрузке).

N — продольная сила, вычисленная с учетом распорных усилий от внутреннего давления. Добавка от давления получается автоматически и отличается для защемленных и не защемленных труб.

Для подземных труб (п. 8.26 формула (29) СНиП 2.05.06-85, п.12.4.2 формула(11) СП 36.13330.2012 ):

отличие заключается только в дополнительном учете касательного напряжения от кручения .

Коэффициент кси3 с учетом касательных напряжений от кручения может быть записан в следующем виде:

усилиям определяются из расчета на нормативные нагрузки (без учета коэффициентов надежности по нагрузке).

Для тройников п. 8.64* формула (62)* СНиП 2.05.06-85, 12.8.2 формула (54) СП 36.13330.2012 :

где — максимальные нормативные эквивалентные напряжения, вычисляются по специализированной методике с учетом геометрических размеров отводов и тройников . Напряжения вычисляются по усилиям, полученным из расчета на нормативные нагрузки (без учета коэффициентов надежности по нагрузке)

Для отводов в СНиП 2.05.06-85 и СП 36.13330.2012 отсутствуют какие-либо указания. В программе используется та же формула, что и для тройников

В режиме строительства допускаемые напряжения принимаются согласно 10.4.3 СП 86.13330.2014

Расчетное сопротивление по пределу прочности

Расчетное сопротивление R₂

Расчетное сопротивление по пределу текучести

— для надземных трубопроводов (воздушной прокладки), — для трубопроводов, защемленных в грунте , — для тройников и отводов

Г ОСТ Р 55989-2014

Продольное напряжение в трубе от осевой силы, вызванной температурными расширениями, весом и прохождением сейсмической волны должны быть меньше предела текучести

ГОСТ Р 55990-2014

Продольное напряжение в трубе от осевой силы, вызванной температурными расширениями, весом и прохождением сейсмической волны должны быть меньше предела текучести

СП 284.1325800.2016

Критерии прочности по ISO 14692:2002

1 – реальная кратковременная огибающая отказов, 2 – идеализированная кратковременная огибающая отказов, 3 – идеализированная долговременная огибающая отказов, 4 – нефакторизованная расчетная огибающая отказов, – факторизованная расчетная долговременная огибающая отказов

Упрощенная огибающая отказов

1 – реальная кратковременная огибающая отказов, 2 – идеализированная кратковременная огибающая отказов, 3 – идеализированная долговременная огибающая отказов, 4 – нефакторизованная расчетная огибающая отказов, 5 – факторизованная расчетная долговременная огибающая отказов

Упрощенная огибающая отказов для соединительных деталей и стыков при r=1

1 – линия соотношения напряжений от давления (2:1), 3 – идеализированная долговре-менная огибающая отказов, 4 – нефакторизованная расчетная огибающая отказов, 5 – фак-торизованная расчетная долговременная огибающая отказов

Упрощенная огибающая отказов для соединительных деталей и стыков при r>1

1 – линия соотношения напряжений от давления (2:1), 3 – идеализированная долговре-менная огибающая отказов, 4 – нефакторизованная расчетная огибающая отказов, 5 – факторизованная расчетная долговременная огибающая отказов

Напряжение от весовых нагрузок Sheff

Кольцевое эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Допускаемое от весовых нагрузок [Sh]

Для труб , для деталей . Коэффициент принимается 0.67, коэффициент при рабочей температуре

Напряжение от весовых нагрузок Saeff

Осевое эквивалентное напряжение от весовых нагрузок

Допускаемое от весовых нагрузок [Sa]

Коэффициент принимается 0.67, коэффициент при рабочей температуре

Для труб при использовании полной огибающей отказов:

если

если

Для труб при использовании упрощенной огибающей отказов:

Напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии Sheff

Рассчитывается аналогично, но от всех воздействий в рабочем состоянии

Допускаемое от всех воздействий в рабочем состоянии [Sh]

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при рабочей температуре

Напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии Saeff

Рассчитывается аналогично, но от всех воздействий в рабочем состоянии

Допускаемое от всех воздействий в рабочем состоянии [Sa]

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при рабочей температуре

Напряжение от всех воздействий в холодном состоянии Sheff

Рассчитывается аналогично, но от всех воздействий в холодном состоянии

Допускаемое от всех воздействий в холодном состоянии [Sh]

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при монтажной температуре

Напряжение от всех воздействий в холодном состоянии Saeff

Рассчитывается аналогично, но от всех воздействий в холодном состоянии

Допускаемое от всех воздействий в холодном состоянии [Sa]

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при монтажной температуре

Напряжение от всех воздействий в состоянии испытаний Sheff

Рассчитывается аналогично, но для состояния испытаний

Допускаемое от всех воздействий в состоянии испытаний [Sh]

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при температуре испытаний

Напряжение от всех воздействий в состоянии испытаний Saeff

Рассчитывается аналогично, но для состояния испытаний

Допускаемое от всех воздействий в состоянии испытаний [Sa]

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при температуре испытаний

ISO 14692:2017

Напряжение от весовых нагрузок

Коэффициент принимается 0.67, коэффициент при рабочей температуре

— кольцевое изгибное напряжение, вычисляемое по МКЭ

Для труб при использовании полной огибающей отказов:

Для труб при использовании упрощенной огибающей отказов:

Напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при рабочей температуре

Напряжение от всех воздействий в холодном состоянии

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при монтажной температуре

Напряжение от всех воздействий в состоянии испытаний

Рассчитывается аналогично, но коэффициент принимается 0.83, коэффициент при температуре испытаний

Источник