Система трубопроводов состоит из множества различных компонентов, таких как колена, отводы, переходы, тройники, арматура и фланцы. Однако при анализе напряжений в трубах эти компоненты идеализируются в два типа элементов:
- Первые из них представляют собой стержневой элемент прямой трубы
- Вторые — изогнутый элемент трубы
Система трубопроводов в основном зависит от изгиба, поглощающего температурное расширение и другие нагрузки, которые создают смещения. Когда прямая труба подвергается изгибу, она ведет себя как любая прямая балка, т.е. ее поперечное сечение остается круглым, а максимальное напряжение возникает на крайнем внешнем волокне.
Но под действием изгибающего момента компонент трубопровода ведет себя иначе, чем изогнутая балка: круглое поперечное сечение изгиба становится овальным.
Рисунок 1. Овализация отвода
Коэффициенты SIF и гибкости используются именно для того, чтобы учесть такое поведение компонента трубопровода, которое отличается от прямой трубы.
Существующие нормативы требуют использовать коэффициенты интенсивности напряжений (SIF, или i-факторы) и коэффициенты гибкости (k-факторы) при проверке соответствия компонентов и соединений трубопроводов, которые подвергаются различным нагрузкам, включая циклические, которые могут привести к усталостным разрушениям.
В Российской Федерации в последние годы чаще всего используются классические российские нормативные документы. При этом как многие проектные институты нашей страны продолжают сотрудничать с институтами дружественных зарубежных стран – а это значит, что специалистам российских институтов необходимо пользоваться и иностранными нормативными документами. Молодые инженеры российских проектных институтов часто сталкиваются с вопросами, которые не освещены в источниках прямого доступа, а иностранные нормативные документы на русском языке бывает весьма трудно найти и чаще всего на это нет времени.
Один из частых вопросов – как определить SIF и коэффициенты гибкости в разных точках и участках трубопровода?
Предлагаем вашему вниманию обзор специфических расчетов, нормативный документ на которые сложно найти в открытом доступе.
В этой статье мы более подробно рассмотрим термины «коэффициент интенсивности напряжения», «коэффициент гибкости» и нашумевший в последнее время норматив ASME B31J.
1 Что такое коэффициент гибкости?
Для ответвлений и переходов коэффициент гибкости представляет собой отношение вращения одного конца элемента нулевой или незначительной длины относительно противоположного конца того же элемента, когда на каждом конце действуют равные и противоположные моменты. Для отводов, коэффициент гибкости — это коэффициент, основанный на эффективной длине соответствующей трубы, который увеличивает гибкость элемента для имитации эффекта овализации отвода, который применяется по всей длине дуги изгиба.
2 Что такое коэффициент интенсивности напряжений (SIF)?
Коэффициент интенсивности напряжений, или SIF — это коэффициент усталостной прочности компонента трубопровода, который представляет собой отношение упруго рассчитанного номинального напряжения в соответствующей трубе, вызывающего появление сквозной трещины за заданное количество циклов в прямом стыковом сварном шве трубы, к упруго рассчитанному номинальному напряжению в соответствующей трубе, используемой с компонентом, которое вызывает сквозную трещину за такое же количество циклов в компоненте или прикрепленной трубе.
SIF используется для оценки самоограничивающихся напряжений, полученных в результате малоцикловых усталостных испытаний.
В каждом нормативе есть таблицы или формулы, в которых перечислены и объяснены коэффициенты гибкости и SIF для большинства распространенных компонентов, используемых в системе трубопроводов.
Хотя коэффициенты гибкости, используемые для расчета сил и моментов трубопровода, одинаковы, SIF немного различаются в разных нормативах. Наиболее сложным является представление SIF в нормативном документе на технологические трубопроводы, так как в нем представлены категории в плоскости и из плоскости для каждого типа компонента.
Рисунок 2. Направления моментов, действующих на элементы трубопровода
Цель состоит в том, чтобы применить различное усиление напряжения в разных направлениях момента. Обычно для каждого компонента сначала нужно рассчитать характеристику гибкости h. На основе этой характеристики гибкости рассчитываются коэффициент гибкости и SIF.
Из формул, представленных в нормативном документе, видно, что для всех различных компонентов по-разному рассчитываются только характеристики гибкости. А вот коэффициент гибкости и SIF рассчитываются более или менее одинаково для всех компонентов.
3 А что представляет собой норматив В31J и почему он вдруг появился?
Целью использования ASME B31J является улучшение существующих SIF и k-факторов для получения экспериментально оцененных более точных значений и реалистичных результатов. Шаг за шагом, в каждом выпуске В31J появлялись сначала процедуры тестирования для определения SIF, потом экспериментально оцененные определения, основанные на геометрии компонентов. Последний выпуск объединил всё лучшее из прошлых версий и обновил их.
Все значения SIF и коэффициента гибкости оцениваются расчетами на основе эмпирических, экспериментальных данных и данных МКЭ, полученных при наблюдении за процедурами испытаний.
B31.1 и B31.3 содержат рекомендации по использованию B31J. Методы оценки ASME B31J можно использовать в сочетании с ASME B31.1 и ASME B31.3 редакций 2012 года и более поздних. ASME B31J можно использовать для металлических трубопроводов для расчета SIF и коэффициентов k.
Этот стандарт обеспечивает стандартный подход к расчету SIF, k-факторов и коэффициентов постоянного напряжения для компонентов трубопроводов и соединений всех типов, включая стандартные, нестандартные и патентованные фитинги.
Типичные испытания, проводимые в рамках оценки компонентов трубопровода, включают:
- испытание на разрыв
- SIF-тест
- тест К-гибкости
- тест на постоянную нагрузку
В необязательном Приложении А представлен стандартный метод расчета коэффициентов интенсивности напряжений. В необязательном Приложении B представлен стандартный метод расчета коэффициентов гибкости ответвлений. В необязательном приложении C показано, как следует использовать новые k-факторы ответвлений при расчете упругости трубопроводных систем, а в необязательном приложении D представлен стандартный метод расчета коэффициентов постоянного напряжения.
Коэффициенты SIF и гибкости были разработаны с использованием процедур испытаний и численных методов, описанных в настоящем стандарте и включенных в Таблицу 1-1. Эти значения следует использовать с моментом сечения соответствующей трубы.
4 Борьба коэффициентов: SIF ASME B31.3 SIF против SIF ASME B31J
Для каждого компонента норматив ASME B31J предоставляет 3 набора уравнений. Таким образом, мы можем сказать, что для каждого из трёх различных направлений (в плоскости, вне плоскости, при кручении) существует своё собственное уравнение для определения SIF и гибкости.
Рисунок 3. Сравнение SIF
Коэффициент SIF для магистральной части и патрубковой в плане (и из плана) рассчитывается по одинаковой формуле, без учёта, магистральная это часть или патрубковая. Используются 2 уравнения: одно для формулы в плане, второе для формулы из плана.
В это же время норматив ASME B31J предоставляет уникальные уравнения для каждого направления как для ответвления, так и для магистрали тройника. Если Нормы проектирования требуют использовать один коэффициент усиления напряжения (например, В31.1), следует использовать наибольший из SIF.
Рисунок 4. Схема тройника с точками расчета
5 Коэффициенты гибкости согласно ASME B31J и ASME B31.3
Во-первых, обновленные коэффициенты гибкости согласно B31J затрагивают только тройники, тогда как для других компонентов коэффициенты гибкости одинаковы. Сами коэффициенты гибкости тройника основаны на геометрии тройника и типе соединений и оценивались с помощью статического анализа для каждого тройника в модели.
Как и в случае с вычислениями SIF, значения гибкости ответвлений теперь не зависят от магистрали. Вот пример коэффициентов гибкости как для магистрали, так и для ответвления сварного тройника (рис. 5).
Рисунок 5. Сравнение коэффициентов гибкости
Таким образом, каждый тройник будет создавать шесть независимых коэффициентов гибкости, по одному для каждого направления, т. е. в плоскости, из плоскости и на кручение.
Получаем, что B31.3 в чистом виде ограничивает коэффициенты гибкости очень небольшим значением, что делает тройник более жестким, и цель норматива ASME B31J - обеспечить более подробный анализ гибкости, используя точные коэффициенты гибкости в соответствии с геометрией тройника.
Выводы
- Нормы ASME B31J обеспечивают более реалистичные и более точные коэффициенты SIF и гибкости и, следовательно, обеспечивают более реалистичные нагрузки по нормам, чем нормы ASME B31.1 и B31.3 в их стандартном виде.
- Гибкие возможности, используемые для соединений трубопроводов и патрубков большинством проектировщиков трубопроводов и сосудов под давлением или специалистов по анализу напряжений, основаны на старых технологиях. Эти гибкости оказывают значительное влияние на перемещения, силы и напряжения и часто искажают реальные результаты.
- Используя коэффициент B31J, можно найти множество возможностей сократить время проектирования, затраты на строительство, время анализа и затраты на обслуживание жизненного цикла.
- Наконец, в программах, которые поддерживают нормы ASME B31J (СТАРТ, AutoPIPE, CAESARII), расчеты SIF и гибкости выполняются простым щелчком мыши. Вам просто нужно предоставить информацию о геометрии, затем запустить анализ и просмотреть результаты!
Как использовать программное обеспечение для проведения указанных расчетов и не только, вам с удовольствием расскажут по время процесса обучения преподаватели ЧУ ДПО Институт САПР и ГИС (входит в состав Группы компаний «Русский САПР»).
Институт имеет лицензию на преподавательскую деятельность, в его портфеле – разнообразные курсы по прочностному анализу и теории проектирования трубопроводных систем.
За дополнительной информацией вы всегда можете обратиться к менеджерам компании.
Оставайтесь с нами! Работайте с удовольствием!
Наталья Гаврилина
Руководитель направления по системам инженерного анализа
АО "Бюро САПР"