МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ И НАЗНАЧЕННОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДОВ

METHODICAL SUPPORT OF THE STRENGTH AND RESOURCE ASSIGNMENTS PIPELINES

Vladimir Osipov

сandidate of Science, general director, Ltd. Bin-NIT,

Russia, Vladimir

Denis Belov

general director, Ltd. PromTehEkspert,

Russia, Vladimir

Yaroslav Logwin

lead engineer, Ltd. PromTehEkspert,

Russia, Vladimir

Maksim Esin

lead engineer, Ltd. PromTehEkspert,

Russia, Vladimir

АННОТАЦИЯ

В статье приведена оценка методического обеспечения расчетов на прочность и назначенного ресурса трубопроводов. Приведен пример успешного сочетания разработки национальных стандартов и практической реализации их на базе программного обеспечения СТАРТ.

ABSTRACT

The article presents the evaluation of methodological support of strength calculations, and the assigned resource pipelines. An example of a successful combination of the development of national standards and their practical implementation on the basis of software START.

Ключевые слова: трубопроводы; расчет на прочность; назначенный ресурс.

Keywords: pipelines; strength calculation; assigned resource.

В настоящее время на опасно-производственных объектах широко используются стальные и неметаллические трубопроводы. В связи с изменениями требований к уровню промышленной безопасности постоянно разрабатывается новое методическое обеспечение и обновляется действующее [12; 13]. Изменения в области экспертизы промышленной безопасности и внедрение технических регламентов, также оказывают влияние на эволюцию расчетов на прочность и назначенный ресурс трубопроводов [13; 14]. Использование современного методического обеспечения способствует внедрению инновационных разработок трубопроводного транспорта, таких как трубопроводы «КАСАФЛЕКС» – гибкие высокотемпературные теплоизолированные трубы и «ИЗОПРОФЛЕКС» – гибкие полимерные теплоизолированные трубы повышенной надежности [1].

В настоящее время выбор нормативного документа при проведении конкретного расчета является персональной ответственностью специалиста. В таблице 1 приведен список, действующих нормативных документов, регламентирующих расчеты на прочность и назначенного ресурса, проведена их оценка (знак «+» означает, что документ отражает современный уровень, знак «-» означает, что документ устарел и его использование не отражает современный уровень безопасности).

Таблица 1.

Нормативные документы

Указанные в таблице 1 нормативные документы регламентируют:

• расчетные сочетания нагрузок и воздействий для оценки прочности;
• определение расчетных напряжений;
• критерии прочности;
• назначенный ресурс.

Наиболее напряженными деталями трубопровода являются отводы, тройники, переходы. По сравнению с трубами в отводах и тройниках имеет место значительная концентрация напряжений, обусловленная изгибом и продольными силами. Перечисленные выше нормы подходят к расчету этих напряжений по-разному (таблица 2) – знак «+» означает, что определение напряжений в нормативном документе регламентировано, знак «-» означает, что оно не регламентировано и для этих целей допускается использовать любую испытанную методику.

Таблица 2.

Напряжения в отводах и тройниках

Прочность труб, отводов, переходов и заглушек на избыточное внутреннее давление регламентируется всеми действующими нормами расчета трубопроводов на прочность. Остальные виды расчетов регламентированы отдельными нормативными документами, оценка которых приведена в таблице 3 – знак «+» означает, что выполнение расчета регламентировано, знак «-» означает, что не регламентировано.

Таблица 3.

Наименование расчетов элементов

Все нормы подразделяют нагрузки, действующие на трубопровод, на силовые и деформационные. К силовым нормам относятся внутреннее давление, вес трубопровода, изоляции и продукта и т. п. К деформационным – температурные удлинения, растяжка. Опасность силового и деформационного нагружения различна. Нормативные документы оценивают статическую прочность по допускаемому напряжению. Номинальное допускаемое напряжение – это величина напряжения, используемая для определения допустимого по условиям прочности давления по принятому диаметру, толщине стенки трубопровода и марке материала. Номинальное допускаемое напряжение определяется как наименьшее из двух значений [1; 2; 5]:

,                                          (1)

где: σ_в – временное сопротивление материала при рабочей температуре (предел прочности);

σ_p – предел текучести материала при рабочей температуре;

n₁, n₂ – коэффициенты запаса соответственно по пределу прочности и пределу текучести.

Оценка прочности одного и того же трубопровода может давать различные результаты при использовании разных норм. Это связано с тем, что коэффициенты, принимаемые в расчетах, отличаются в различных нормах (таблица 4).

В РД 10-249-98 [5] и ГОСТ 32388-2013 [2] соблюдение условий статической прочности обязательно только при совместном воздействии веса и внутреннего давления в рабочем состоянии. Соблюдение условий статической прочности от всех воздействий в рабочем состоянии не является обязательным, если выполняется условия циклической прочности.

Циклическая прочность характеризуется амплитудами переменных напряжений в циклах. Чем ниже амплитуды, тем больше допустимое количество циклов, следовательно – и долговечность трубопровода. В трубопроводах циклическое нагружение обусловлено периодическими изменениями рабочих параметров среды: температуры и давления. В основе оценки циклической прочности лежит принцип суммирования повреждений:

,                                                    (2)

где: N_i – число циклов нагружения данного типа;

[N_i] – допускаемое число циклов нагружения по расчетным кривым или по формулам для малоцикловой усталости.

Назначенный ресурс трубопровода определяется как минимальное значение ресурса составляющих его элементов и соединений. Под назначенным ресурсом понимается расчетное значение наработки (в годах, тыс. час), при достижении которой эксплуатация трубопровода должна быть прекращена для оценки остаточной прочности.

Таблица 4.

Коэффициенты запаса, принимаемые по различным нормам

Назначенный ресурс [1; 2]:

• по циклической прочности определяют следующим образом:

,                                                           (3)

где: N_r – расчетное число полных циклов нагружения за один год непрерывной

эксплуатации трубопровода;

N_c – допустимое число полных циклов нагружения элемента.

• по коррозионному износу стенки элемента определяют следующим образом:

                                               (4)

где: ν₁ – расчетная скорость внутренней коррозии мм/год;

ν₂ – расчетная скорость наружной коррозии мм/год;

S – номинальная толщина стенки элемента, мм;

S_r – расчетная толщина стенки элемента, мм;

c₁– технологическая прибавка.

Назначенный ресурс определяется как наименьшее из двух значений:

.                                               (5)

Методическое обеспечение расчетов на прочность и назначенного ресурса в настоящее время это, не только нормативная документация, но и современное программное обеспечение, реализующее принципы математического моделирования (рисунок 1). Эффективным инструментом для специалистов по расчетам трубопроводов, мы считаем программу СТАРТ (НТП «Трубопровод», г. Москва), разработчики которой являются авторами нормативных документов [1; 2].

Средствами СТАРТ рассчитываются как самокомпенсирующиеся трубопроводы, в которых компенсация температурных расширений обеспечивается гибкостью самой трубопроводной трассы, так и трубопроводы со специальными компенсирующими устройствами, выполненными в виде сильфонных, линзовых, сальниковых и других видов компенсаторов.

Рассчитываются трубопроводы практически любой сложности [3]:

• надземные, в канале, защемленные в грунте;
• плоские, произвольные пространственные, разветвленные, с замкнутыми контурами;
• с различными конструкциями концевых и промежуточных опор;
• подверженные разнообразным внешним воздействиям (температурное расширение, сосредоточенные и распределенные нагрузки, смещение опор, предварительная растяжка, распор от внутреннего давления и т. д.);
• работающие при средних и высоких температурах (учитывается эффект ползучести и релаксации напряжений согласно нормам);
• из различных материалов: стальные, из цветных металлов, из стеклопластика [4];
• с внутренним избыточным давлением как до, так и свыше 10 МПа, а также с наружным избыточным давлением (вакуум) – для таких участков проводится проверка местной устойчивости стенок;
• возможен расчет нескольких не связанных трубопроводов в одном файле.

Рисунок 1. Общий вид интерфейса СТАРТ

Список литературы:

1. ГОСТ Р 55596-2013 Сети тепловые. Нормы и методы расчета на прочность и сейсмические воздействия.
2. ГОСТ 32388-2013 Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия.
3. Какие трубопроводы рассчитывает СТАРТ – [Электронный ресурс] – URL: http://www.truboprovod.ru/cad/soft/ctart.shtml/. (Дата обращения 10.02.2016 г.).
4. ISO 14692-3:2002 Нефтяная промышленность и газовые отрасли промышленности – Стеклопластиковый (GRP) трубопровод – Часть 3: Системное проектирование (14692-3:2002 ISO) – (Исправление включенный AC:2006).
5. РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды (с изменением № 1).
6. РД 10-400-01. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей.
7. РТМ 38.001-94. Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов.
8. СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*.
9. СА 03-003-07 Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов.
10. СТО 10.001-2009. Тепловые сети. Нормы и методы расчета на прочность. Ассоциация РОСТЕХЭКСПЕРТИЗА.
11. СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы.
12. Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
13. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор)» от 14.11.2013 г. № 538.
14. Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27.12.2002 г. № 184-ФЗ (ред. от 01.01.2014 г.).