Как рассчитать толщину стенки сосуда

Главная / Проектировщику / Справочная информация – ГОСТ СНИП ПБ / ГОСТ 14249-89 /

Версия для печати

1.1. Расчетная температура

1.1.1. Расчетную температуру используют для определения физико-механических характеристик материала и допускаемых напряжений.

1.1.2. Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.

За расчетную температуру стенки сосуда или аппарата принимают наибольшее значение температуры стенки. При температуре ниже 20 °С за расчетную температуру при определении допускаемых напряжений принимают температуру 20 °С.

1.1.3. Если невозможно провести тепловые расчеты или измерения и если во время эксплуатации температура стенки повышается до температуры среды, соприкасающейся со стенкой, то за расчетную температуру следует принимать наибольшую температуру среды, но не ниже 20 °С.

При обогреве открытым пламенем, отработанными газами или электронагревателями расчетную температуру принимают равной температуре среды, увеличенной на 20 °С при закрытом обогреве и на 50 °С при прямом обогреве, если нет более точных данных.

1.2. Рабочее, расчетное и пробное давление

1.2.1. Под рабочим давлением для сосуда и аппарата следует понимать максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

1.2.2. Под расчетным давлением в рабочих условиях для элементов сосудов и аппаратов следует понимать давление, на которое проводится их расчет на прочность.

Расчетное давление для элементов сосуда или аппарата принимают, как правило, равным рабочему давлению или выше.

При повышении давления в сосуде или аппарате во время действия предохранительных устройств более чем на 10%, по сравнению с рабочим, элементы аппарата должны рассчитываться на давление, равное 90% давления при полном открытии клапана или предохранительного устройства.

Для элементов, разделяющих пространства с разными давлениями (например, в аппаратах с обогревающими рубашками), за расчетное давление следует принимать либо каждое давление в отдельности, либо давление, которое требует большей толщины стенки рассчитываемого элемента. Если обеспечивается одновременное действие давлений, то допускается производить расчет на разность давлений. Разность давления принимается в качестве расчетного давления также для таких элементов, которые отделяют пространства с внутренним избыточным давлением от пространства с абсолютным давлением, меньшим чем атмосферное. Если отсутствуют точные данные о разности между абсолютным давлением и атмосферным, то абсолютное давление принимают равным нулю.

Если на элемент сосуда или аппарата действует гидростатическое давление, составляющее 5 % и выше рабочего, то расчетное давление для этого элемента должно быть повышено на это же значение.

1.2.3. Под пробным давлением в сосуде или аппарате следует понимать давление, при котором проводится испытание сосуда или аппарата.

1.2.4. Под расчетным давлением в условиях испытаний для элементов сосудов или аппаратов следует понимать давление, которому они подвергаются во время пробного испытания, включая гидростатическое давление, если оно составляет 5% или более пробного давления.

1.3. Расчетные усилия и моменты

За расчетные усилия и моменты принимают действующие для соответствующего состояния нагружения (например, при эксплуатации, испытании или монтаже), усилия и моменты, возникающие в результате действия собственной массы присоединенных трубопроводов, ветровой, снеговой и других нагрузок.

Расчетные усилия и моменты от ветровой нагрузки и сейсмических воздействий определяют по ГОСТ 24756.

1.4. Допускаемое напряжение, коэффициенты запаса прочности и устойчивости

1.4.1. Допускаемое напряжение [s] при расчете по предельным нагрузкам сосудов и аппаратов, работающих при статических однократных* нагрузках, определяют:

• для углеродистых и низколегированных сталей

(1)

• для аустенитных сталей

(2)

* Если сосуды и аппараты работают при многократных статических нагрузках, но количество циклов нагружения от давления, стесненности температурных деформаций или других воздействий не превышает 103, то такая нагрузка в расчетах на прочность условно считается однократной. При определении числа циклов нагружения не учитывают колебание нагрузки в пределах 15 % расчетной.

Предел ползучести используют для определения допускаемого напряжения в тех случаях, когда отсутствуют данные по пределу длительной прочности или по условиям эксплуатации необходимо ограничить величину деформации (перемещения).

При отсутствии данных по условному пределу текучести при 1 %-ном остаточном удлинении допускаемое напряжение для аустенитной стали определяют по формуле (1).

Для условий испытания допускаемое напряжение определяют по формуле

(3)

Для условий испытаний сосудов и аппаратов из аустенитных сталей допускаемое напряжение определяют по формуле

(4)

1.4.2. Коэффициенты запаса прочности должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 1.

Таблица 1

Для сосудов и аппаратов группы 3, 4 по «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» Госгортехнадзора СССР коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению nв допускается принимать равным 2,2.

В случае, если допускаемое напряжение для аустенитных сталей определяют по формуле (1), коэффициент запаса прочности nт по условному пределу текучести Rp0,2 для рабочих условий принимается равным 1,3.

Для сосудов и аппаратов, работающих в условиях ползучести при расчетном сроке эксплуатации 104 до 2×105 ч, коэффициент запаса прочности nд равен 1,5. При расчетном сроке эксплуатации 2×105 ч допускается коэффициент запаса прочности nд принимать равным 1,25, если выполняют контроль жаропрочности и длительной пластичности материала в эксплуатации, а отклонение в меньшую сторону длительной прочности и ползучести от среднего значения не превышает 20%.

Расчет на прочность цилиндрических обечаек и конических элементов, выпуклых и плоских днищ для условий испытания проводить не требуется, если расчетное давление в условиях испытания будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на 1,35.

1.4.3. Поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям (h) должен быть равен единице, за исключением стальных отливок, для которых коэффициент h имеет следующие значения:

• 0,8 – для отливок, подвергающихся индивидуальному контролю неразрушающими методами;
• 0,7 – для остальных отливок.

1.4.4. Для сталей, широко используемых в химическом, нефтехимическом и нефтеперерабатывающем машиностроении, допускаемые напряжения для рабочих условий при h = 1 должны соответствовать приведенным в приложении 1.

1.4.5. Для стального листового проката, изготовляемого согласно техническим условиям по двум группам прочности, допускаемые напряжения для первой группы прочности принимают по табл. 5 приложения 1. Для листового проката второй группы прочности (стали ВСт3пс, ВСт3сп, ВСт3Гпс и 09Г2С) допускаемое напряжение, принимаемое по табл. 5 приложения 1, увеличивают на 6%, а для стали 09Г2 – на 7 %. При применении сталей ВСт3пс ВСт3сп и ВСт3Гпс второй группы прочности при температуре выше 250 °С, а сталей 09Г2С и 09ГС второй группы прочности при температуре выше 300 °С допускаемые напряжения принимают такими же, как для стали первой группы.

1.4.6. Разрешается допускаемое напряжение при температуре 20 °С определять по п. 1.4.1, принимая гарантированные значения механических характеристик в соответствии со стандартами или техническими условиями на стали с учетом толщины листового проката. При повышенных температурах допускаемые напряжения, принимаемые с учетом толщины проката и групп прочности стали, разрешается определять по нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке.

1.4.7. Расчетные механические характеристики, необходимые для определения допускаемых напряжений при повышенных температурах для сталей, не приведенных в приложении 1, определяют после проведения испытаний представительного количества образцов, обеспечивающих гарантированные значения прочностных свойств.

1.4.8. Для элементов сосудов и аппаратов, работающих в условиях ползучести при разных за весь период эксплуатации расчетных температурах, в качестве допускаемого напряжения разрешается принимать эквивалентное допускаемое напряжение [s]экв, вычисляемое по формуле

,(5)

где [s]i = [s]1; [s]2; … [s]n – допускаемое напряжение для расчетного срока эксплуатации при температурах ti (i = l, 2 …);

Ti – длительность этапов эксплуатации элементов с температурой стенки соответственно ti (i = l, 2 …), ч;

– общий расчетный срок эксплуатации, ч;

m – показатель степени в уравнениях длительной прочности стали (для легированных жаропрочных сталей рекомендуется принимать m = 8).

Этапы эксплуатации при разной температуре стенки рекомендуется принимать по ступеням температуры в 5 и 10 °С.

1.4.9. Для сосудов и аппаратов, работающих при многократных нагрузках, допускаемую амплитуду напряжений определяют по ГОСТ 25859.

1.4.10. Для элементов сосудов и аппаратов, рассчитываемых не по предельным нагрузкам (например, фланцевых соединений) допускаемые напряжения должны определять по соответствующей нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке.

1.4.11. Расчетные значения предела текучести, временного сопротивления и коэффициентов линейного расширения приведены в приложениях 2, 3.

1.4.12. Коэффициент запаса устойчивости (nу) при расчете сосудов и аппаратов на устойчивость по нижним критическим напряжениям в пределах упругости следует принимать:

• 2,4 – для рабочих условий;
• 1,8 – для условий испытания и монтажа.

1.5. Расчетные значения модуля продольной упругости

1.5.1. Расчетные значения модуля продольной упругости Е для углеродистых и легированных сталей в зависимости от температуры должны соответствовать приведенным в приложении 4.
1.6. Коэффициенты прочности сварных швов

При расчете на прочность сварных элементов сосудов и аппаратов в расчетные формулы следует вводить коэффициент прочности сварных соединений:

• jр – продольного шва цилиндрической или конической обечаек;
• jт – кольцевого шва цилиндрической или конической обечаек;
• jк – сварных швов кольца жесткости;
• ja – поперечного сварного шва для укрепляющего кольца;
• j, jА, jВ – сварных швов выпуклых и плоских днищ и крышек (в зависимости от расположения).

Числовые значения этих коэффициентов должны соответствовать значениям, приведенным в приложении 5.

Для бесшовных элементов сосудов и аппаратов j = 1.

1.7. Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов

1.7.1. При расчете сосудов и аппаратов необходимо учитывать прибавку к расчетным толщинам элементов сосудов и аппаратов.

Исполнительную толщину стенки элемента сосуда и аппарата должны определять по формуле

s ³  sp + c, (6)

где sp – расчетная толщина стенки элемента сосуда и аппарата.

Прибавку к расчетным толщинам следует определять по формуле

c = c1 + c2 + c3. (7)

При поверочном расчете прибавку вычитают из значений исполнительной толщины стенки.

Если известна фактическая толщина стенки, то при поверочном расчете можно не учитывать c2 и c3.

1.7.2. Обоснование всех прибавок к расчетным толщинам должно быть приведено в технической документации.

При двухстороннем контакте с коррозионной и (или) эрозионной средой прибавку c1 для компенсации коррозии и (или) эрозии должны соответственно увеличивать.

Технологическая прибавка c3 предусматривает компенсацию утонения стенки элемента сосуда или аппарата при технологических операциях – вытяжке, штамповке, гибке труб и т. д. В зависимости от принятой технологии эту прибавку следует учитывать при разработке рабочих чертежей.

Прибавки c2 и c3 учитывают в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5% номинальной толщины листа.

Технологическая прибавка c3 не включает в себя округление расчетной толщины до стандартной толщины листа.

При расчете эллиптических днищ, изготовляемых штамповкой, технологическую прибавку c3 для компенсации утонения в зоне отбортовки не учитывают, если ее значение не превышает 15% расчетной толщины листа.

1.8. Проверка на усталостную прочность

1.8.1. Для сосудов и аппаратов, работающих при многократных нагрузках с количеством циклов нагружения от давления, стесненности температурных деформаций или других воздействий более 103 за весь срок эксплуатации, кроме расчета по настоящему стандарту, следует выполнять проверку на усталостную прочность.

1.8.2. Сосуды и аппараты, работающие при многократных нагрузках, проверяют на циклическую прочность по ГОСТ 25859.

<< к содержанию  ГОСТ 14249-89 / вперед >>

Главная / Проектировщику / Справочная информация – ГОСТ СНИП ПБ / ГОСТ 14249-89 /

Версия для печати

2.1. Расчетные схемы

2.1.1. Расчетные схемы цилиндрических обечаек приведены на черт. 1-4.

2.2. Условия применения расчетных формул

2.2.1. Расчетные формулы применимы при отношении толщины стенки к диаметру

Чертеж 1. Гладкие цилиндрические обечайки

а – обечайка с фланцем или с плоским днищем, б – обечайка с жесткими перегородками

Чертеж 2. Гладкие обечайки с выпуклыми или коническими днищами

а – обечайка с отбортованными днищами, б – обечайка с неотбортованными днищами

Чертеж 3. Гладкие обечайки с рубашкой

Чертеж 4. Цилиндрическая обечайка, подкрепленная кольцами жесткости

Примечание. Черт. 1-4 не определяют, конструкцию и приведены только для указания расчетных размеров.

2.2.2. Расчетные формулы, приведенные в пп. 2.3.2; 2.3.4 – 2.3.7 и 2.4.2 следует применять при условии, что расчетные температуры не превышают значений, при которых учитывается ползучесть материалов, т.е. при таких температурах, когда допускаемое напряжение определяют только по пределу текучести или временному сопротивлению (пределу прочности). Если нет точных данных, то формулы допускается применять при условии, что расчетная температура стенки обечайки из углеродистой стали не превышает 380 °С, из низколегированной 420 °С, а из аустенитной 525 °С.

2.2.3. Для обечаек, подкрепленных кольцами жесткости, дополнительно к требованиям пп. 2.2.1 и 2.2.2 должны выполняться следующие ограничения:

• отношение высоты сечения кольца жесткости к диаметру

расчетные формулы следует применять при условии равномерного расположения колец жесткости;

• в тех случаях, когда кольца жесткости установлены неравномерно, значения b и l1 необходимо подставлять для того участка, на котором расстояние между двумя соседними кольцами жесткости максимальное;

если l2 > l1, то в качестве расчетной длины l принимается l2.

2.2.4. Расчетные формулы для обечаек, работающих под действием осевого сжимающего усилия, приведенные в п. 2.3.4, применимы при следующем условии:

Для обечаек, у которых , при отсутствии более точных расчетов, допускается пользоваться формулой (22).

2.3. Гладкие цилиндрические обечайки

2.3.1. Обечайки, нагруженные внутренним избыточным давлением

2.3.1.1. Толщину стенки следует рассчитывать по формуле

s ≥ sp + c, (8)

где  (9)

2.3.1.2. Допускаемое внутреннее избыточное давление следует рассчитывать по формуле

(10)

2.3.1.3. При изготовлении обечайки из листов разной толщины, соединенных продольными швами, расчет толщины обечайки проводят для каждого листа с учетом имеющихся в них ослаблений.

2.3.2. Обечайки, нагруженные наружным давлением

2.3.2.1. Толщина стенки

Толщину стенки приближенно определяют по формулам (11) и (12) с последующей проверкой по формуле (13)

s ≥ sp + c, (11)

где (12)

Коэффициент К2 следует определять по номограмме, приведенной на черт. 5. Примеры использования номограммы для расчета приведены на черт. 6.

Чертеж 5. Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением

Чертеж 6. Примеры использования номограммы (см. черт. 5)

I – определение расчетной толщины стенки;
II – определение допускаемого наружного давления; III – определение допускаемой расчетной длины; m – начало отсчета; n – промежуточные точки; ´ – конечный результат

2.3.2.2. Допускаемое наружное давление следует определять по формуле

.(13)

где допускаемое давление из условия прочности определяют по формуле

[p]п = .(14)

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяют по формуле

,(15)

где (16)

При определении расчетной длины обечайки l или L длину примыкающего элемента l3 следует определять по формулам

– для выпуклых днищ,

– для конических обечаек (днищ) без отбортовки, но не более длины конического элемента;

– для конических обечаек (днищ) с отбортовкой, но не более длины конического элемента.

Коэффициент K1 определяют по номограмме, приведенной на черт. 5.

Если полученное значение коэффициента K1 лежит ниже соответствующей штрихпунктирной линии (см. черт. 5), то величину [р] в предварительном расчете допускается определять по формуле

.(17)

2.3.3. Обечайки, нагруженные осевым растягивающем усилием

2.3.3.1. Толщину стенки следует рассчитывать по формуле

s≥sp + c,(18)

где .(19)

2.3.3.2. Допускаемое осевое растягивающее усилие следует рассчитывать по формуле

[F] = p(D + s – c)(s – c)[s]φт. (20)

2.3.4. Обечайки, нагруженные осевым сжимающим усилием

2.3.4.1. Допускаемое осевое сжимающее усилие следует рассчитывать по формуле

,(21)

где допускаемое осевое сжимающее усилие [F]п из условия прочности

[F]п = p(D + s – c)(s – c)[s], (22)

а допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости [F]Е из условия устойчивости

[F]Е = min {[F]Е1; [F]Е2}. (23)

В формуле (23) допускаемое осевое сжимающее усилие [F]Е1, определяют из условия местной устойчивости в пределах упругости по формуле

(24)

а допускаемое осевое сжимающее усилие [F]Е2 – из условия общей устойчивости d пределах упругости по формуле

(25)

Гибкость l, определяют по формуле

.(26)

Приведенную расчетную длину lпр принимают по черт. 7

Примечание. В случае, если  < 10, формула (23) принимает вид

[F]Е = [F]Е1.

Приведенная расчетная длина lпр

2.3.4.2. Для рабочих условий (пу = 2,4) допускаемое сжимающее усилие можно определять по формуле

[F] = .(27)

Коэффициенты φ1 и φ2 следует определять по черт. 8 и 9.

2.3.5. Обечайки, нагруженные изгибающим моментом

2.3.5.1. Допускаемый изгибающий момент следует рассчитывать по формуле

,(28)

где допускаемый изгибающий момент [М]п из условия прочности рассчитывают по формуле

[М]п = П/4 D(D+s – c)(s – c)[s] D/4 [F]п,(29)

а допускаемый изгибающий момент [М]Е из условия устойчивости в пределах упругости – по формуле

(30)

2.3.5.2. Для рабочих условий (пу = 2,4) допускаемый изгибающий момент можно определять по формуле

[М] = П/4 D (D+s – c)(s – c)[s]φ3.(31)

Коэффициент φ3 следует определять по черт. 10.

2.3.6. Обечайки, нагруженные поперечными усилиями

Допускаемое поперечное усилие [Q] следует рассчитывать по формуле

,(32)

где допускаемое поперечное усилие [Q]п из условия прочности

[Q]п = 0,25 pD (s – c), (33)

а допускаемое поперечное усилие [Q]E из условия устойчивости в пределах упругости

(34)

Черт. 8. График для определения коэффициента j1

Черт. 9. График для определения коэффициента j2

Черт. 10. График для определения коэффициента j3

2.3.7. Обечайки, работающие под совместным действием наружного давления, осевого сжимающего усилия, изгибающего момента и поперечного усилия

Обечайки, работающие под совместным действием нагрузки, проверяют на устойчивость по формуле

+++ £ 1,0,  (35)

где [р] – допускаемое наружное давление по п. 2.3.2;

[F] – допускаемое осевое сжимающее усилие по п. 2.3.4;

[М] – допускаемый изгибающий момент по п. 2.3.5;

[Q] – допускаемое поперечное усилие по п. 2.3.6

2.4. Цилиндрические обечайки, подкрепленные кольцами жесткости

2.4.1. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные внутренним избыточным давлением

2.4.1.1. Определение размеров колец жесткости при внутреннем давлении.

Для заданных расчетного давления р и толщины стенки s коэффициент К4 следует рассчитывать по формуле

.(36)

Если К4 ≤ 0, то укрепление кольцами жесткости не требуется. В диапазоне  расстояние между двумя кольцами жесткости следует рассчитывать по формуле

,(37)

площадь поперечного сечения кольца

(38)

Если , то толщину стенки необходимо увеличить до такого размера, чтобы выполнялось следующее условие

.

Примечание. При определении площади поперечного сечения кольца жесткости Ак следует учитывать прибавку с1 для компенсации коррозии.

2.4.1.2. Допускаемое внутреннее избыточное давление следует определять из условия

[р] = min {[р]1; [р]2}.(39)

Допускаемое внутреннее избыточное давление [р]1, определяемое из условий прочности всей обечайки, следует рассчитывать по формуле

.(40)

Допускаемое внутреннее избыточное давление [р]2, определяемое из условий прочности обечайки между двумя соседними кольцами жесткости, следует рассчитывать по формуле

.(41)

где  .(42)

2.4.2. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные наружным давлением

2.4.2.1. Расчетные параметры подкрепленной обечайки:

• эффективную длину стенки lе обечайки, учитываемую при определении эффективного момента инерции, следует определять из условия

lе = min{l1; t + 1,1 }; (43)

• эффективный момент инерции I расчетного поперечного сечения кольца жесткости следует определять по формуле

;(44)

коэффициент жесткости обечайки k, подкрепленной кольцами жесткости

.(45)

Примечание. При определении момента инерции кольца жесткости следует учитывать прибавку с1 для компенсации коррозии.

2.4.2.2. Допускаемое наружное давление следует определять из условия

[р] = min {[р]1; [р]2}. (46)

2.4.2.2.1. Допускаемое наружное давление [р]1, определяемое исходя из условий устойчивости всей обечайки, следует рассчитывать по формуле

,(47)

Допускаемое наружное давление [р]1п должно соответствовать величине [р]1, определенной по формуле (40) при значениях коэффициентов jр = 1,0 и jт = 1,0.

Допускаемое наружное давление [р]1Е из условий устойчивости в пределах упругости следует рассчитывать по формуле

(48)

где

(49)

2.4.2.2.2. Допускаемое наружное давление [р]2, определяемое исходя из условий устойчивости обечайки между кольцами жесткости. Допускаемое наружное давление [р]2 при значении длины l =  должно соответствовать давлению [р] (см. п. 2.3.2.2). Вместо [р]п, определенного по формуле (14), допускается принимать [р]2 по формуле (41) при значении коэффициента jт =1,0.

2.4.2.3. Определение размеров колец жесткости при наружном давлении.

После определения размеров кольца и обечайки по конструктивным соображениям следует провести проверку в соответствии с п. 2.4.2.2.

Толщину стенки s или расстояние b между кольцами жесткости для заданного расчетного давления р следует определять с помощью номограмм (см. черт. 5 и 6). При пользовании номограммой, приведенной на черт. 5, следует принимать l = b. Расчетный эффективный момент инерции кольца жесткости рассчитывают по формуле

.(50)

Коэффициент К5 следует определять по черт. 11.

Черт. 11. График для определения коэффициента К5

После определения расчетного эффективного момента инерции методом последовательных приближений следует выбирать профиль кольца жесткости с моментом инерции Iк, обеспечивающим выполнение требования условия

I ≥ Iр,   (51)

где I – эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости, определенный по формуле (44).

2.4.3. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные осевым растягивающим или сжимающим усилием, изгибающим моментом или поперечным усилием

Допускаемые нагрузки следует рассчитывать по расчетным формулам пп. 2.3.3-2.3.6 при l = b. При определении приведенной расчетной длины lпр по черт. 7 вместо l следует принимать общую длину L.

2.4.4. Обечайки с кольцами жесткости, нагруженные совместно действующими нагрузками

Расчет следует проводить аналогично расчету по п. 2.3.7, при этом допускаемое наружное давление следует определять по п. 2.4.2.2.

<< назад / к содержанию ГОСТ 14249-89 / вперед >>