СОСУДЫ И АППАРАТЫ СТАЛЬНЫЕ

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ
ПРИ МАЛОЦИКЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

ГОСТ 25859-83
(СТ СЭВ 3648-82)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

Москва

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 11 июля 1983 г. № 3046 срок введения установлен

с 01.07.84

Несоблюдение стандарта преследуется по закону

Настоящий стандарт распространяется на стальные сосуды и аппараты, применяемые в химической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности и отвечающие требованиям ГОСТ 24306-80, и устанавливает нормы и методы их расчета на прочность при количестве главных циклов нагружения от давления, стесненности температурных деформаций или других видов нагружений от 10³ до 5 ^. 10⁵ за весь срок эксплуатации сосуда.

Настоящий стандарт должен применяться совместно с ГОСТ 14249-80.

Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 3648-82.

1. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

1.1. Расчетные формулы настоящего стандарта применимы при условии, что расчетные температуры не превышают значений, при которых учитывают ползучесть материалов, т. е. при таких температурах, когда допускаемое напряжение определяют по ГОСТ 14249-80 по пределу текучести или временному сопротивлению (пределу прочности).

Если нет точных данных, то формулы применимы при условии, что расчетная температура стенки из углеродистой стали не превышает 380 °С, из низколегированной стали 420 °С и из аустенитной стали 525 °С.

1.2. Расчетные формулы применимы для сосудов, отвечающих условиям прочности при статических нагрузках по нормативно-технической документации.

1.3. Расчетные формулы применимы для элементов сосудов и аппаратов, для которых в нормативно-технической документации не приведен расчет на малоцикловую усталость.

2. ЦИКЛЫ НАГРУЖЕНИЯ

2.1. Под циклом нагружения понимают последовательность изменения нагрузки, которая заканчивается первоначальным состоянием и затем повторяется.

2.2. Под размахом колебания нагрузки следует понимать абсолютное значение разности между максимальным и минимальным ее значениями в течение одного цикла.

2.3. При расчете на малоцикловую усталость учитывают следующие циклы нагружения:

1) рабочие циклы, которые имеют место между пуском и остановом рассчитываемого сосуда и относятся к нормальной эксплуатации сосудов;

2) циклы нагружения при повторяющихся испытаниях давлением;

3) циклы дополнительных усилий от воздействия крепления элементов - сосуда или аппарата и крепления трубопроводов;

4) циклы нагружения, вызванные стесненностью температурных деформаций при нормальной эксплуатации сосудов.

2.4. При расчете на малоцикловую усталость не учитывают циклы нагружения от:

а) ветровых и сейсмических нагрузок;

б) нагрузок, возникающих при транспортировании и монтаже;

в) нагрузок, у которых размах колебания не превышает 15 % для углеродистых и низколегированных сталей, а также 25 % для аустенитных сталей от допускаемого значения, установленного при расчете на статическую прочность. При совместном действии нагрузок по подпунктам а-в этим условиям должна удовлетворять сумма размахов нагрузок. При определении суммы размахов нагрузок от различных воздействий не учитывают вспомогательную нагрузку, которая составляет менее 10 % от всех остальных нагрузок;

г) температурных нагрузок, при которых размах, колебания разности температур в двух соседних точках менее 15 °С для углеродистых и низколегированных сталей и 20 °С для аустенитных сталей. Под соседними точками следует понимать две точки стенки сосуда, расстояние между которыми не превышает , где D - диаметр сосуда, s - толщина стенки сосуда.

д) размахов колебаний температуры в месте соединения материалов с различными коэффициентами линейного расширения, которые не превышают 50 °С.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

2.5. Размах колебания главных нагрузок определяют на основе рабочих значений этих нагрузок.

2.6. Число циклов нагружения определяют по установленной в документации долговечности сосуда или аппарата. При отсутствии таких данных принимают долговечность 10 лет.

3. УСЛОВИЯ ПРОВЕРКИ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

3.1. Расчет на малоцикловую усталость не проводят, если имеются положительные результаты эксплуатации аналогичного сосуда при тех же условиях работы и в течение времени не менее расчетной долговечности.

3.2. Расчет на малоцикловую усталость по разд. 4 и 5 не проводят, если для всех элементов сосуда выполняются следующие условия:

1) все изменения нагрузок, кроме давления, удовлетворяют условиям п. 2.4;

2) размах давления принимают постоянным в течение всего срока эксплуатации;

3) удовлетворяется условие

N_p < [N_p]                                                             (1)

для всех элементов сосуда. Допускаемое число циклов нагружения давлением [N_p] определяют по черт. 1-3.

Формулу (1) применяют на основании расчета отдельных узлов при соответствующих значениях ξ η [σ] и [р]. Допускается проводить расчет аппарата в целом при наибольших значениях ξ η [σ] и наименьшем [р].

3.3. Если условие формулы (1) не выполняется, то проводят либо упрощенный, либо уточненный расчет на малоцикловую усталость по разд. 4 или 5.

Допускается уточненный расчет не проводить, если упрощенный расчет дает положительные результаты.

Допускаемое число циклов нагружения давлением для элементов сосудов и аппаратов из углеродистых сталей

Черт. 1

Примечание. Номограмма построена при значениях А = 60 ^. 10³ МПа, В = 150 МПа, t = 380 °С.

Допускаемое число циклов нагружения давлением для элементов сосудов и аппаратов из низколегированных сталей

Черт. 2

Примечание. Номограмма построена при значениях А = 45 ^. 10³ МПа, В = 230 МПа, t = 420 °С.

Допускаемое число циклов нагружения давлением для элементов сосудов и аппаратов из аустенитных сталей

Черт. 3

Примечание. Номограмма построена при значениях А = 60 ^. 10³ МПа, В = 270 МПа, t = 525 °C

4. УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

4.1. Для всех нагруженных элементов сосуда должно выполняться условие

.                                                             (2)

Значение допускаемого числа циклов нагружения j-го вида определяют по разд. 6 в зависимости от амплитуды напряжения j-го вида.

4.2. Амплитуду напряжений при нагружении j-го вида определяют по формуле:

,     (3)

где ξ и η определяют по табл. 1 и 2. При расчете гладкой обечайки, коэффициент принимают только для продольных сварных швов.

Значения [М] и [F] определяют по ГОСТ 14249-80, ГОСТ 24757-81 и ГОСТ 25221-82.

Таблица 1

Примечание. Значение ξ действительно только в том случае, когда площадь поперечного сечения и момент сопротивления сварного соединения не меньше соответствующих значений в наиболее слабом элементе узла.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

5. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

5.1. Уточненный расчет на малоцикловую усталость основан на определении напряжений для упругого материала по теории пластин, оболочек, колец и балок: при линейном распределении напряжений по толщине стенки. При расчете определяют напряжения для проверяемого узла в нескольких точках каждого элемента на внутренней и наружной поверхностях в трех направлениях.

Полученные таким образом решения для некоторых наиболее типичных узлов приведены в справочном приложении 1.

5.2. Для упрощения расчетов эпюры циклов нагружения принимают в виде прямоугольников (черт. 4), причем количество циклов определяют при постоянной нагрузке, или одна нагрузка может иметь в одном главном цикле (пуск в эксплуатацию и останов) несколько второстепенных целых циклов.

5.3. Для каждого вида нагрузки рассчитывают размах отдельных составляющих напряжений Δσ_х, Δσ_y, Δσ_z, Δτ_хy, Δτ_хz, Δτ_yz, Δσ₁, Δσ₂, Δσ₃ как разность напряжений обоих нагруженных состояний, входящих в цикл.

Таблица 2

(Измененная редакция, Изм. № 1).

Черт. 4

Амплитуду напряжений для каждого цикла определяют по формуле

                        (4)

при расчетах с помощью ЭВМ допускается амплитуду напряжений определять по формуле

;     (5)

для плоского напряженного состояния при главных напряжениях Δσ₁ и Δσ₂

.                                     (6)

5.4. Значение эффективного коэффициента концентрации напряжения К_σ определяют по формуле

K_σ = 1 + q(α_σ - 1),                                                            (7)

где   0 < q < 1 - коэффициент чувствительности материала к концентрации;

α_σ - теоретический коэффициент концентрации.

Значения q и α_σ определяют в зависимости от применяемых материалов и концентрации напряжений. При отсутствии точных данных

K_σ = ρξ / φ,                                                          (8)

где      φ - коэффициент прочности сварного шва по ГОСТ 14249-89;

ξ - определяют по табл. 1.

ρ = 1,0 для шлифованных поверхностей и сварных швов;

ρ = 1,1 для необработанных поверхностей и швов.

5.5. Для полученного значения σ_A по формуле (11) определяют [N_j].

5.6. При известных значениях N_j и [N_j] для отдельных типов циклов нагружения определяют коэффициент линейного суммирования повреждений U, который должен удовлетворять условию формулы (2).

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСКАЕМОЙ АМПЛИТУДЫ НАПРЯЖЕНИЙ И ДОПУСКАЕМОГО ЧИСЛА ЦИКЛОВ НАГРУЖЕНИЯ

6.1. Допускаемую амплитуду напряжений определяют по формуле (9) или графикам черт. 5-8

.                                                (9)

6.2. Допускаемое число циклов нагружения определяют по формуле (10) или графикам черт. 5-8

,                                         (10)

где .                                                   (11)

Расчетная кривая усталости для углеродистых, сталей до температуры 380 °С

Черт. 5

Расчетная кривая усталости для низколегированных сталей до температуры 420 °С

Черт. 6

Расчетная кривая усталости для аустенитных сталей до температуры 525 °С

Черт. 7

Чертеж 8 исключен

(Измененная редакция, Изм. № 1).

6.3. Значения А и В в МПа определяют по табл. 3.

Таблица 3

(Измененная редакция, Изм. № 1).

6.4. Коэффициенты запаса прочности по числу циклов n_N = 10, по напряжениям n_σ=2.

6.5. В случае соединения сталей с разными механическими характеристиками определяющей является сталь, дающая меньшие значения [σ_А] и [N].

(Введен дополнительно, Изм. № 1).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Справочное

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНЫХ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Ниже приведены расчетные зависимости для определения наибольших упругих напряжений из условия напряженного состояния краевого эффекта в зонах сопряжения элементов сосудов и аппаратов. Зависимости получены методом строительной механики (метод сил) с использованием результатов и основных соотношений теории тонкостенных оболочек вращения и прикладной теории упругости. Зависимости получены для некоторых наиболее типичных узлов, когда сосуд или аппарат находится под действием внешних нагрузок (давление, температура).

Приведенные расчетные зависимости не исключают возможности использования решений, полученных другими способами (и для других узлов и типов сопряжении элементов), содержащихся в специальной и справочной литературе.

1. Составные оболочки вращения под действием внутреннего давления

1.1. Наибольшие упругие напряжения, возникающие под действием внутреннего давления в узлах сопряжения элементов сосудов и аппаратов, составленных из оболочек вращения (табл. 1), определяют следующими вычислениями:

а) определение вспомогательных безразмерных величин

 где i = 1; 2;

a₁₁ = f₁ + εδ³f₂; a = - (1- εδ⁴);

Таблица 1

Различные типы сопряжения оболочек

Δ = a₁₁ a₂₂ - a²;

b₁ = -u₁ + εδ²u₂ + f₁q₀₁ + εδ³f₂q₀₂;

b₂ = υ₁ + εδ²υ ₂ - q₀₁ + εδ⁴q₀₂;

Величины f_i, u_i, υ_i и q_0i (i = l; 2) в приведенных выражениях определяют по табл. 2.

Таблица 2

Сопровождающие функции и безразмерные распорные усилия для оболочек вращения

Примечание. Знак «+» в выражении для q₀₁ соответствует верхнему положению полюса оболочки (табл. 1 настоящего приложения);

(Измененная редакция, Изм. № 1).

б) вычисление краевого усилия Q_0i и изгибающего момента М₀ (черт. 1 настоящего приложения;

;

в) вычисление упругих напряжений в крайних волокнах обечаек по линии их сопряжения

;

,

где η_х = η_φ = 1 - для цилиндрической оболочки;

- для конической оболочки;

- для сферической оболочки;

- для эллипсоидальной оболочки.

Знак «+» в выражениях для напряжений относится к внешней поверхности оболочки.

1.2. Наибольшие упругие напряжения, возникающие при действии внутреннего давления в узлах сопряжения обечаек сосудов и аппаратов через распорное кольцо (черт. 2), определяют следующими вычислениями:

а) определение вспомогательных величин и коэффициентов

;

; (i = 1; 2)

;

;

;

;

;

;

Остальные параметры определяют по п. 1.1, а.

б) вычисление краевых усилий Q_i и моментов M_i

Схемы пересечения оболочек вращения различной ориентации

Черт. 1

Схемы сопряжения оболочек через кольцо жесткости

Черт. 2

в) вычисление упругих напряжений в крайних волокнах обечаек по линиям их сопряжения с распорным кольцом

;

.

Значения коэффициентов η_x и η_φ принимают по п. 1.1.

l.3. Наибольшие упругие напряжения, возникающие по действием внутреннего давления в узле сопряжения оболочки вращения с плоским днищем (черт. 3), определяют следующими вычислениями:

Схема сопряжения оболочки с плоским днищем

Черт. 3

а) определение вспомогательных безразмерных величин

;

;

.

Значения u₂, f₂, n₂ и q₀₂ определяют по табл. 2 настоящего приложения;

б) вычисление краевого усилия Q₀ и момента M₀

;

в) вычисление напряжений в крайних волокнах оболочки

;

.

Значения коэффициентов η_х и η_φ определяют согласно п. 1.1, в.

Расчетные зависимости справедливы при выполнении следующих условий:

1) угловая меридиональная координата края сферической или эллипсоидальной оболочки

Θ_i > 15°;

2)                                           - для сферической, цилиндрической и эллипсоидальной оболочек;

                            - для конической оболочки;

3) ,

где h_к и b_к - размеры поперечного сечения распорного кольца (см. черт 2).

Кроме того, должны удовлетворяться условия, позволяющие считать оболочки достаточно длинными (табл. 3).

1.4. Соединение конического днища через тороидальную вставку с цилиндрической обечайкой сосуда или аппарата (черт 4).

Напряжения в тороидальной вставке (сечение Θ = Θ₀)

.

Напряжения в сварном соединении вставки с цилиндром

.

Напряжения в сварном соединении вставки с конусом

.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

Таблица 3

Условия «длинности» для оболочек вращения

(Измененная редакция, Изм. № 1).

В этих выражениях обозначены

.

Эскиз соединения конуса с цилиндром через тороидальную отбортовку

Черт. 4

Функцию Ф(λ_i) определяют соотношением

.

Значения аргументов λ_i равны

.

Окружные радиусы кривизны в соответствующих сечениях равны

R₂ = 0,5(D + s₂),

где           r₀ - радиус отбортовки;

Δ₁, Δ₂ - длины прямолинейных участков тороидальной вставки, примыкающих к обечайкам.

Расчетные зависимости применимы при выполнении условий

.

2. Составные оболочки вращения при воздействии температуры

2.1. Наибольшие упругие напряжения при непосредственном сопряжении обечаек, разнородных по термомеханическим свойствам (например, из углеродистых и аустенитных сталей), определяют следующими вычислениями

а) определение вспомогательных величин

a₁₁ = f₁ + εδ³f₂;

a₁₂ = -(1 - εδ⁴); ;

;

б) вычисление краевого усилия Q₀ и момента M₀

в) вычисление напряжений в крайних волокнах обечаек по линии их сопряжения

;

.

В приведенных соотношениях знак «+» относится к наружной поверхности обечайки. Кроме того, в зависимости от индекса (i = 1; 2) обечайки f_i выбирают по табл. 2.

Отсчет температуры стенки обечайки при определении температурных напряжений ведут от начальной температуры или температуры при монтаже сосуда или аппарата. Модули упругости Е₁, Е₂ и коэффициенты температурного удлинения α₁, α₂ материалов для каждой из сталей принимают постоянными в пределах рассматриваемого интервала, температур по гарантированным справочным данным. При отсутствии последних для приближенных расчетов можно использовать зависимости, представленные на черт. 5 настоящего приложения.

2.2. Наибольшие упругие напряжения при сопряжении разнородных по термомеханическим свойствам обечаек через распорное кольцо определяют следующей последовательностью вычислений:

а) определение вспомогательных величин

;

;

;

;

Зависимость модуля упругости* и коэффициента линейного расширения от температуры

_____________

* Значения модуля упругости Е взяты в соответствии с ГОСТ 14249-80.

1 - легированные стали; 2 - углеродистые.

Черт. 5

б) вычисление краевых усилий Q_i и моментов M_i (i = 1; 2)

в) вычисление напряжений в крайних волокнах обечаек по линии их сопряжения с распорным кольцом (i= 1, 2)

Расчетные зависимости данного раздела справедливы при выполнении условий п. 1.3 настоящего приложения.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Справочное

ТЕРМИНЫ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

Текст соответствует оригиналу