www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс ряда отраслей промышленности, в первую очередь энергетической, нефтеперерабатывающей и химической, выдвигает все более сложные задачи в области конструирования и расчетов трубопроводов. Увеличение единичной мощности и производительности агрегатов, повышение температуры и давления рабочей среды, усложнение схем взаимодействия между агрегатами и т. д. — все это ставит трубопроводы в более тяжелые условия нагружения, повышает их ответственность, приводит к увеличению их стоимости.

При проектировании трубопроводов следует добиваться обеспечения их надежности при минимальных затратах, эта задача решается выбором правильных проектных решений, применением новых, усовершенствованных трубопроводных элементов и деталей. Особое значение имеют расчеты на прочность они являются основой проектирования трубопроводов и конструирования их элементов.

Можно отметить ряд крупных достижений в области трубопроводостроения. Они имеются во всех звеньях производственного цикла, начиная от расчетно-проектных разработок до монтажа и наладки. Особенно большие достижения относятся к расчетам прочности. За последние 10—15 лет коренным образом был пересмотрен весь комплекс прочностных расчетов трубопроводов. Этому обновлению расчетных методов способствовало не только расширение и ужесточение требований к трубопроводам. Решающее значение имело внедрение ЭВМ в практику расчетов прочности трубопроводов. Применение ЭВМ открыло возможность проведения расчетного анализа прочности сложных трубопроводных систем на уровне требований, предъявляемых к расчету тяжело-нагруженных и ответственных элементов оборудования.

Современный расчет прочности трубопровода является сложным, разветвленным, многоэтапным. В укрупненном плане весь комплекс прочностных расчетов трубопровода можно разбить на следующие четыре группы расчеты на прочность отдельных деталей (элементов) труб, колен, тройников и т. д., расчеты на прочность трубопровода в целом с учетом всего комплекса нагрузок, возникающих при стационарных условиях эксплуатации, расчеты на прочность в целом с учетом нестационарных температурных режимов, специальные расчеты прочности трубопровода. Это деление является достаточно условным, но оно в целом правильно характеризует и содержание расчета трубопровода и последовательность его проведения. Рассмотрим подробнее каждую группу расчетов.

Расчеты на прочность отдельных трубопроводных элементов и детали имеют целью определение толщины стенок. Иногда эти расчеты называют проектными, конструктивными. Из действующих нагрузок учитывается только внутреннее давление — нaгрузка, которую принято считать основной. Как показывают экспериментальные исследования, дополнительные нагрузки (изгибающая, крутящая и т. д.) слабо влияют на величину разрушающего давления.

Расчеты производятся по методу предельных нагрузок. Этот метод, получивший значительное развитие благодаря работам отечественных ученых, применим для расчета изделий, изготовленных из металла, обладающего достаточной пластичностью. Он наиболее правильно учитывает работу материала изделия при статическом нагружении и позволяет конструировать его без излишних запасов прочности и с минимальным расходом материала. Метод предельных нагрузок применялся вначале для расчета изделий, работающих при умеренной температуре. Однако специальными исследованиями (экспериментальными и теоретическими) было показано, что его можно применять и для расчета изделий, работающих при высокой температуре, вызывающей интенсивную ползучесть. При этом в условии прочности предел текучести должен заменяться пределом длительной прочности.

В СССР, как и во всех промышленно развитых странах, расчеты трубопроводных элементов (кроме компенсаторов) нормированы в полном объеме (методика расчета напряжений, условия прочности и т. д.) и выполнение требований норм контролируется государственными органами. Методы и требования этих расчетов рассмотрены в гл. 4.

Расчеты трубопровода в целом с учетом всех нагрузок, возникающих при стационарных условиях эксплуатации, предназначены для выбора трассировки, мест установки и конструкции промежуточных опор. Эти расчеты называют иногда поверочными расчетами трубопровода на прочность при совместном действии нагрузок. Каждый расчет (этап) из этой группы выполняется при учете определенного частного сочетания нагружающих факторов, рассматривается рабочее, холодное и переходное состояния. Такой поэтапный расчет прочности трубопровода обусловлен особенностями действующих нагрузок и необходимостью оценки как статической, так и циклической его прочности, а также необходимостью определения температурных перемещений и нагрузок, передаваемых на оборудование.

Рассматриваемая группа расчетов может быть выполнена только при использовании ЭВМ. Работы по разработке программ расчета трубопроводов проводятся в нашей стране, начиная с начала 60 х годов, и в этой области достигнуты определенные успехи такие программы широко и эффективно применяются в промышленности.

Отметим некоторые новшества, введенные в последние годы в расчеты трубопроводов на прочность при совместном действии нагрузок.

1. Учитываются особенности напряженного состояния колен при изгибе. Проведенные исследования свидетельствуют о необходимости учета интенсификации напряжений в расчете прочности колен при воздействии изгибающих нагрузок.
2. Учитывается концентрация и интенсификация напряжений в тройниковых соединениях.
3. Коэффициент податливости колен (коэффициент Кармана) принимается с учетом влияния внутреннего давления и стесненности деформации вследствие сопряжения с прямолинейными трубами.
4. Учитывается начальная неправильность формы поперечного сечения колен (начальная овальность). Опыт эксплуатации трубопроводов последних лет подтверждает необходимость учета этого фактора в расчетах прочности трубопроводов.
5. Предусматриваются различные требования к расчету прочности низкотемпературных и высокотемпературных трубопроводов. К последним относятся трубопроводы, рабочая температура которых вызывает интенсивную ползучесть материала.
6. В расчетах высокотемпературных трубопроводов учитывается благоприятное влияние на прочность релаксации напряжений от самокомпенсации. В расчете усилий в холодном состоянии учитывается саморастяжка.

Расчеты второй группы также нормированы, но не в полном объеме нормированы формулы для расчета напряжений и условия прочности, а расчет внутренних сил и моментов можно определять по любой апробированной методике. Вопросы проведения этих расчетов рассмотрены в гл. 5, 7—11.

Расчеты трубопроводов с учетом нестационарных температурных режимов приобрели особое значение в последние годы. Это обусловлено требованиями повышения мобильности установок и сокращения затрат на подготовку трубопровода к включению в эксплуатацию. В связи с ростом давления и температуры рабочей среды все чаще применяют трубопроводы с очень толстыми стенками; в таких трубопроводах возникают значительные температурные напряжения от перепада температуры по толщине стенки, возникающего на нестационарном режиме. Расчеты с учетом нестационарных температурных напряжений предназначены для решения различных вопросов эксплуатации трубопроводов определения допустимой скорости прогрева, допустимой разности температур стенки и поступающей в них среды и т. д. Материалы, относящиеся к этой группе расчетов, приведены в гл. 13.

Расчеты четвертой группы (специальные расчеты) проводятся для учета влияния на прочность трубопровода некоторых особых факторов: силы веса воды, используемой при гидроиспытании; сейсмического воздействия, манометрического эффекта в коленах от неправильности формы сечения и т. д.

Достигнутые результаты в совершенствовании расчетного анализа прочности трубопроводов существенным образом повлияли на качество проектов трубопроводов. Раньше выбор трассировки трубопровода и системы его крепления основывался на традиционных принципах и интуиции проектировщика. Однако такой подход мог привести к излишнему увеличению длины трубопровода или к недостаточной его надежности. Теперь же имеется возможность принятия проектных решений на основе расчетного анализа. Это позволяет обеспечить надежность трубопровода без излишнего увеличения его стоимости.

Назад, на страницу описания