Разговоры по теме «Подводные расчеты допускаемых напряжений для режима ПДКОН − постоянно действующих и кратковременных нагрузок»
Нормативный документ ГОСТ 32388 интересен и многогранен. Часто бывает, что инженер, особенно новичок в расчетном направлении, сталкивается с неоднозначной трактовкой ограничений, прописанных в документе. Ведь норматив рассматривает и стальные трубопроводы, и полимерные, и трубы из цветных металлов, и ограничения по рабочему давлению и температуре, а еще криогенные, среднетемпературные, высокотемпературные, до 10 МПа, свыше, вакуумные и другие ограничения.
Этот ГОСТ определяет три типа режима работы для трубопроводов вне зависимости от типа и рабочих условий: ПДН, ПДКОН и испытания.
В режиме ПДН выполняются все положенные расчеты:
- Действие постоянных и длительных временных несамоуравновешенных нагрузок в рабочем состоянии;
- Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии;
- Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в холодном (нерабочем) состоянии;
- Расчет на малоцикловую усталость.
В режиме ПДКОН выполняется только расчет напряжений от действия постоянных, длительных временных, кратковременных и особых самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии. При этом допускаемые напряжения (от веса, от всех воздействий, от давления) принимаются как для кратковременных воздействий.
Следует иметь в виду, что режим ПДН является обязательным для ГОСТ 32388-2013. При этом учитываются только постоянные и длительные временные нагрузки. Режим ПДКОН является дополнительным. Допускаемые напряжения при этом численно принимаются выше, но должны обязательно учитываться дополнительные нагрузки (кратковременные).
Расчет допускаемых напряжений для него не однозначен, что приводит в тупик не только простых инженеров, но и высококвалифицированных специалистов, которые редко сталкивались с заданием кратковременных нагрузок. Разработчики программы СТАРТ рекомендуют выбирать тип ПДКОН для таких режимов, которые действуют очень непродолжительное время, - например, испытания, пропарка, выгиб или прогиб корпуса судна. В остальных ситуациях для упрощения расчетов разработчик рекомендует выбирать режим ПДН.
Корректна ли эта рекомендация? Наш совет грамотным специалистам − использовать режимы, которые соответствуют критериям прочности, указанным в ГОСТ 32388— 2013. А разобраться с допускаемыми напряжениями для временных режимов, таких, например, как ПДКОН, поможет эта статья.
ГОСТ 32388 однозначно трактует, что снеговая, гололедная, ветровая нагрузки, от срабатывания ПК и подвижного состава – кратковременные, а сейсмическая и другие динамические нагрузки относятся к особым (шифры с 11-16, таб. 6.1 ГОСТ). Уже это одно означает, что все описанные выше нагрузки нельзя рассматривать как постоянные или длительные.
Для средне- и высокотемпературных трубопроводов давлением до 10 МПа следует учитывать режимы и проверять систему на прочность для них согласно таблице 1.
Таблица 1. Критерии прочности.
Этап |
Нагрузки |
Условие прочности |
|
|
|
Среднетемпературный трубопровод |
Высокотемпературный трубопровод |
Режим ПДН |
|||
1 |
Действие постоянных и длительных временных несамоуравновешенных нагрузок в рабочем состоянии |
σе<1,1 [σ] |
σе<1,1 [σ] |
2 |
Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии |
- |
σе<1,5 [σ] |
3 |
Действие постоянных, длительных временных самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в холодном (нерабочем) состоянии |
- |
σе<1,5 [σ]20 |
4 |
Расчет на малоцикловую усталость |
Δσе,1 < [Δσе] |
- |
Режим ПДКОН |
|||
5 |
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и особых несамоуравновешенных нагрузок в рабочем состоянии |
σе< 1,5 [σ] |
σе< 1,5 [σ] |
6 |
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных и особых самоуравновешенных и несамоуравновешенных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии |
- |
σе<1,9[σ] |
Режим «сейсмика» |
|||
7 |
Действие постоянных, длительных временных, кратковременных несамоуравновешенных и сейсмических нагрузок в рабочем состоянии |
Для категорий Is: σе<1,6[σ] Для категорий IIs и IIIs: σе < 1,9 [σ] |
|
Из таблицы видно, что нормативный документ рассматривает допускаемые напряжения для режима ПДКОН в 1,5[σ] и 1,9[σ] в зависимости от температурного режима. Если мы будем использовать вместо режима ПДКОН режим ПДН, то поставим свою систему в худшие условия, что может привести к серьезным проблемам, которых в реальности могло бы и не быть.
Рассмотрим также допускаемые напряжения и для других материалов и рабочих условий в рамках ГОСТ.
Что касается металлических трубопроводов с давлением свыше 10 МПа, с ними все просто: поверочный расчет таких объектов выполняют, согласно разделу 9, как для труб с давление менее 10 МПа, за исключением формул для расчета напряжений в отводах, тройниках (врезках).
Расчет вакуумных металлических трубопроводов (до ползучести) ведется практически так же, как и трубопроводов с нормальным давлением, за исключением толщин стенок и допустимого наружного избыточного давления:
- поверочный расчет трубопровода при испытаниях по режиму ПДКОН выполняют согласно разделу 9, при этом расчет ведут на внутреннее избыточное давление 0,2 МПа;
- поверочный расчет трубопровода с учетом наружного избыточного давления по режиму ПДН выполняют согласно разделу 9.
Теперь поговорим о низкотемпературных металлических трубопроводах. К низкотемпературным (криогенным) относят трубопроводы с температурой от -269 °С до -70 °С.
Условия прочности на всех этапах полного расчета трубопровода приведены в таблице 2. Оценку прочности на некоторых этапах не ведут.
Таблица 2. Критерии прочности для низкотемпературных трубопроводов.
Этап |
Нагрузки |
Условие прочности |
Режим ПДН |
||
2 |
Совместное действие постоянных и всех длительных временных нагрузок и воздействий в рабочем состоянии (при криогенных температурах) |
σе<[σ]* σе<2,5[σ]** |
4 |
Расчет на малоцикловую усталость |
Δσе,1 < [Δσе] |
Режим ПДКОН |
||
6 |
Совместное действие всех нагрузок и воздействий в рабочем состоянии |
σе<[σ]* σе<2,5[σ]** |
Режим «сейсмика» |
||
8 |
Совместное действие всех нагрузок и воздействий в рабочем состоянии и сейсмических нагрузок |
σе<[σ]* σе<2,5[σ]** |
* Условие только для труб
** Условие только для тройников, врезок, отводов и переходов
Как видно из Таблицы 2, предположение о том, что для режима ПДКОН можно использовать допускаемые напряжения режима ПДН, отчасти верно, но только для низкотемпературных металлических трубопроводов.
Что касается трубопроводов из полимерных материалов, то стандарт распространяется только на жесткие и гибкие неармированные трубопроводы и гибкие армированные трубопроводы, а жесткие армированные трубопроводы в стандарт не входят.
Трубопроводы из полимерных материалов в зависимости от физико-химических свойств транспортируемых по ним веществ подразделяют на группы и категории. Таким же образом, в зависимости от этих категорий, проходит и оценка прочности (категории трубопровода вы можете посмотреть в таблице 13.1, ГОСТ 32388— 2013).
Таблица 3. Критерии прочности для полимерных трубопроводов
Этап |
Нагрузки |
Условие прочности |
Режим ПДН |
||
1 |
Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок |
[σ] = КуКсКхКп, * Kу - коэффициент условий работы трубопровода Kc - коэффициент прочности соединения труб и деталей Kх - коэффициент химической стойкости Kп - коэффициент условий прокладки - нормативное длительное сопротивление разрушению |
2 |
Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии |
[σ] = КуКсКхКпКтКц, Kт - коэффициент для самоуравновешенных нагрузок Kц - коэффициент циклической прочности |
3 |
Эквивалентное напряжение от всех воздействий в холодном состоянии |
[σ] = КуКсКхКп, при монтажной температуре |
Режим ПДКОН |
||
4 |
Эквивалентное напряжение от весовых нагрузок при испытаниях |
[σ] = Кс, при температуре испытаний |
5 |
Эквивалентное напряжение от не самоуравновешенных кратковременных нагрузок |
[σ] = Кс |
6 |
Эквивалентное напряжение от всех воздействий в рабочем состоянии от кратковременных нагрузок |
[σ] = КсКт
|
* Параметры согласно ГОСТ 32388-2013, часть 13
Как видно из Таблицы 3, допускаемые напряжения режима ПДКОН тоже не соответствуют аналогичным напряжениям по ПДН.
Из такого ёмкого и лаконичного анализа можно сделать самонапрашивающийся вывод: режим ПДКОН не равен режиму ПДН – у каждого режима свои критерии, за исключением криогенных трубопроводов из металла.
Поэтому инженеру необходимо правильно выбирать критерии расчета при оценке прочности, а за основу брать нужный нормативный документ, но не рекомендации, какими бы простыми они не были.
Остались вопросы? Обращайтесь к нам!
Специалисты Группы компаний «Русский САПР» с радостью вам помогут решить ваши задачи и ответят на вопросы.
Работайте с нами, работайте с удовольствием!