Расчет сварного шва на прочность сосудов
ГОСТ Р 52857.11-2007
Группа Г02
____________________________________________________________________
Текст Сравнения ГОСТ 34233.11-2017 с ГОСТ Р 52857.11-2007 см. по ссылке.
– Примечание изготовителя базы данных.
__________________________________________________________________
ОКС 71.120
75.200
ОКП 36 1500
Дата введения 2008-04-01
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ “О техническом регулировании”, а правила применения национальных стандартов Российской Федерации – ГОСТ Р 1.0-2004 “Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения”
Сведения о стандарте
1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом “Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения” (ОАО НИИХИММАШ); Закрытым акционерным обществом “Петрохим Инжиниринг” (ЗАО Петрохим Инжиниринг); Открытым акционерным обществом “Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения” (ОАО ВНИИНЕФТЕМАШ); Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 260 “Оборудование химическое и нефтегазоперерабатывающее”
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. N 503-ст
4 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных и европейских стандартов: Директивы 97/23* ЕС Европейского Парламента и Совета от 29 мая 1997 г. по сближению законодательств государств-членов, касающейся оборудования, работающего под давлением; ЕН 13445-3:2002 “Сосуды, работающие под давлением. Часть 3. Расчет” (EN 13445-3:2002 “Unfired pressure vessel – Part 3: Design”)
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. – Примечание изготовителя базы данных.
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе “Национальные стандарты”, а текст изменений и поправок – в ежемесячно издаваемых информационных указателях “Национальные стандарты”. В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе “Национальные стандарты”. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования – на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает нормы и методы расчета на прочность обечаек, выпуклых днищ и крышек сосудов и аппаратов, работающих в условиях однократных и многократных статических нагрузок под внутренним или наружным давлением, с учетом отклонений от правильной геометрической формы (общая и локальная некруглости, угловатость, смещение кромок сварных соединений).
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования
ГОСТ Р 52857.2-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек
ГОСТ Р 52857.6-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках
ГОСТ Р 52630-2006 Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия
Примечание – При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования – на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю “Национальные стандарты”, который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Обозначения
В настоящем стандарте применены следующие обозначения:
– параметр, характеризующий некруглость, %;
– сумма прибавок к расчетной толщине стенки обечайки, мм;
– внутренний диаметр идеальной обечайки, мм;
– расчетный диаметр гладкой конической обечайки, мм;
– наибольший наружный диаметр обечайки, мм;
– наименьший наружный диаметр обечайки, мм;
– модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа;
– геометрический параметр обечайки;
, , – безразмерные коэффициенты;
– эффективный коэффициент концентрации напряжений для сварных швов;
– расчетная длина гладкой обечайки, мм (см);
– допускаемое число циклов нагружения;
– параметр зоны некруглости;
– коэффициент запаса устойчивости;
– расчетное внутреннее избыточное или наружное давление, МПа;
– допускаемое внутреннее избыточное или наружное давление, МПа;
– допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости для обечайки с отклонениями формы, МПа;
– допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости для оболочки круговой формы (без дефектов), МПа;
– критическое давление длинной обечайки, МПа;
– допускаемое наружное давление из условия прочности 1, МПа;
– минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) при расчетной температуре, МПа;
– предел текучести материала при расчетной температуре, МПа;
– радиус вмятины в плане, мм;
– исполнительная толщина стенки обечайки, мм;
– исполнительная толщина стенки конической обечайки, мм;
– коэффициент концентрации напряжений;
– величина отклонения от идеальной круговой формы или величина смещения и увода кромок, мм;
, , , – безразмерные коэффициенты;
– номинальное напряжение, МПа;
– амплитуда напряжений, МПа;
– допускаемая амплитуда напряжений, МПа;
– допускаемое напряжение для материала обечайки при расчетной температуре, МПа;
– коэффициент прочности сварных швов;
– половина центрального угла зоны некруглости, рад.
4 Общие положения
4.1 Приведенный в настоящем стандарте расчет применим, если предварительно определены толщины стенок элементов и допускаемые давления для элементов сосудов и аппаратов, удовлетворяющих техническим требованиям к качеству изготовления и контроля по нормативным документам.
4.2 Расчетные значения допускаемых напряжений и механических характеристик материала принимаются по ГОСТ Р 52857.1.
4.3 Формулы применимы для сосудов, изготовленных из материалов, пластичных в условиях эксплуатации.
4.4 Методы расчета не применимы при сочетании отдельных дефектов в расчетных элементах. В отдельных случаях методы расчета могут быть применены при наличии нескольких дефектов в расчетном элементе сосуда, если расстояние между ними превышает 1,5.
4.5 Приведенные методы расчета допустимы, если неточности изготовления (за исключением смещения стенок кольцевых сварных швов) находятся от штуцеров, фланцевых соединений, колец жесткости и т.п. на расстоянии не менее 1,5.
4.6 Максимальные напряжения в местах нарушения правильной формы обечаек и днищ определяются в предположении неограниченной упругости материала согласно ГОСТ Р 52857.1 (пункт 8.10).
4.7 Допускается проводить оценку прочности сосудов и аппаратов с учетом отклонений от идеальной формы с помощью специальных исследований, например экспериментальным методом или численными методами, например конечных элементов.
5 Смещение кромок сварных швов
5.1 Смещение кромок продольного сварного шва цилиндрической или конической обечайки
5.1.1 Проверка прочности при нагружении внутренним избыточным давлением
Максимальное напряжение для цилиндрической обечайки вычисляют по формуле
. (1)
Условие прочности ,
где – допускаемое напряжение по ГОСТ Р 52857.1;
– коэффициент прочности сварного шва, определяемый по ГОСТ Р 52857.1.
Максимальное напряжение для конической обечайки вычисляют по формуле
. (2)
наибольший внутренний диаметр конической обечайки в месте смещения кромок сварного шва.
Условие прочности ,
где – допускаемое напряжение по ГОСТ Р 52857.1;
– коэффициент прочности сварного шва, определяемый по ГОСТ Р 52857.1.
5.1.2 Проверка устойчивости при нагружении внешним давлением
Допускаемое внешнее давление вычисляют по формуле
. (3)
Допускаемое давление из условий устойчивости определяют по ГОСТ Р 52857.2.
Допускаемое давление из условий прочности вычисляют по формуле
– для цилиндрической обечайки:
; (4)
– для конической обечайки:
. (5)
Коэффициент равняется:
1 при 0,1;
(6)
при 0,1.
5.2 Смещение кромок кольцевого сварного шва в цилиндрической или конической обечайке
5.2.1 Проверка прочности при нагружении внутренним избыточным давлением
Максимальное напряжение для цилиндрической обечайки вычисляют по формуле
. (7)
Условие прочности ,
где – допускаемое напряжение по ГОСТ Р 52857.1;
– коэффициент прочности сварного шва, определяемый по ГОСТ Р 52857.1.
Максимальное напряжение для конической обечайки вычисляют по формуле
. (8)
– внутренний диаметр конической обечайки в месте, где расположен кольцевой сварной шов со смещением.
Условие прочности ,
где – допускаемое напряжение по ГОСТ Р 52857.1;
– коэффициент прочности сварного шва, определяемый по ГОСТ Р 52857.1.
5.2.2 Проверка устойчивости при нагружении внешним давлением по ГОСТ Р 52857.2.
5.3 Оценка малоцикловой прочности по ГОСТ Р 52857.6
Амплитуду напряжений вычисляют по формуле
. (9)
Эффективный коэффициент концентрации по таблице 1.
Условие прочности при циклическом нагружении .
6 Общая некруглость цилиндрических обечаек (овальность)
Под общей некруглостью (овальностью) понимается общее отклонение от круговой формы по всему периметру поперечного сечения цилиндрической обечайки.
Некруглость вычисляют по формуле
. (11)*
______________
* Нумерация соответствует оригиналу. Примечание изготовителя базы данных.
6.1 Проверка прочности при нагружении внутренним избыточным давлением
Максимальное напряжение вычисляют по формуле
. (12)
Предварительно проверяется условие прочности без учета овальности по ГОСТ Р 52857.2. Затем проверяется условие прочности с учетом овальности обечайки по формуле
.
Условие прочности при малоцикловой нагрузке:
.
Амплитуду напряжений при малоцикловой нагрузке вычисляют по формуле
. (13)
6.2 Расчет обечаек, нагруженных наружным давлением
6.2.1 Допускаемое наружное давление вычисляют по формуле
. (14)
Допускаемое давление из условия устойчивости овальной обечайки в пределах упругости вычисляют по формуле
; (15)
; (16)
– при ;
(17)
– при 0.
Допускаемое давление из условия прочности вычисляют по формуле
, (18)
где 1 при 0,5%,
при 0,5%2%. (19)
Коэффициент рассчитывают по соотношениям:
, (20)
где . | (21) |
6.2.2 Амплитуду напряжений в условиях циклического нагружения наружным давлением вычисляют по формуле
. (22)
Условие прочности при циклической нагрузке:
.
7 Локальная некруглость (увод сварных соединений, вмятины)
Под локальной некруглостью понимаются отклонения оболочки от правильной формы распределенной на части окружности, обусловленные уводом кромок сварного шва или вмятиной.
7.1 Проверка прочности при нагружении внутренним избыточным давлением
7.1.1 Определение максимальных напряжений
Максимальное напряжение вычисляют по формулам:
– при вытянутой вдоль оси обечайки вмятине или при уводе сварного шва (угловатость):
, (23)
где – параметр, характеризующий зону отклонения (см. рисунок А.4);
– при круговой в плане вмятине:
. (24)
Номинальное напряжение вычисляют по формулам:
– для цилиндрической обечайки:
; (25)
– для выпуклого днища:
, (26)
где – радиус кривизны выпуклого днища в зоне вмятины.
Коэффициент концентрации вычисляют по формуле
, (27)
где для цилиндрической обечайки:
,
,
;
– для сферического днища:
,
,
7.1.2 Проверка прочности
Предварительно проверяют условие прочности без учета отклонений от идеальной геометрической формы обечаек по ГОСТ Р 52857.2. Затем проверяют условие прочности с учетом местных напряжений по формуле
. (28)
7.2 Расчет обечаек, нагруженных наружным давлением
Допускаемое давление вычисляют по формулам (14)-(17). Параметр , входящий в формулу (15), вычисляют по формулам:
100% – в случае вмятины; | (29) |
0 – в случае наружного увода кромок (наружной вмятины) [см. рисунок А.4б].
Давление вычисляют по формуле
, (30)
где вычисляют по формулам:
– при толщине листов 20 мм
при | ||
при ; | ||
– при толщине листов от 20 до 50 мм
при | ||
при . | ||
Если увод кромок (вмятины) направлен наружу, то при вычислении принимают равным единице.
7.3 При циклической нагрузке условия прочности проверяют по формуле
.
Эффективный коэффициент концентрации определяют по таблице 1.
Таблица 1
Характеристика сварного шва | Схема сварного шва | Эффективный коэффициент концентрации напряжений | |
Углеродистая сталь | Низколегированная и аустенитная сталь | ||
Стыковой сварной шов с плавным переходом и полным проваром | 1,0 | 1,0 | |
Стыковой сварной шов с подкладным листом по всей длине шва | 1,2 | 1,4 | |
Стыковой сварной шов (односторонний) с неполным проваром | 1,5 | 1,8 | |
Стыковой шов со смещением кромок | 1,3 | 1,5 | |
Приложение А (справочное). Рисунки, поясняющие текст стандарта
Приложение А
(справочное)
Рисунок А.1 – Смещение кромок
а – продольный сварной шов
б – кольцевые сварные швы
Рисунок А.1 – Смещение кромок
Рисунок А.2 – Увод кромок кольцевого шва
а – наружный увод кромок
б – внутренний увод кромок
Рисунок А.2 – Увод кромок кольцевого шва
Рисунок А.3 – Общая некруглость
Рисунок А.3 – Общая некруглость
Рисунок А.4 – Локальная некруглость
а – вмятина | б – наружный увод кромок |
Рисунок А.4 – Локальная некруглость
УДК 66.023:006.354 | ОКС | 71.120 | Г02 | ОКП 36 1500 |
75.200 | ||||
Ключевые слова: сосуды и аппараты, нормы и методы расчета на прочность, смещение кромок сварных швов, некруглость | ||||
Электронный текст документа
подготовлен АО “Кодекс” и сверен по:
официальное издание
Сосуды и аппараты. Нормы и методы
расчета на прочность. ГОСТ Р 52857.1-2007 –
– ГОСТ Р 52857.12-2007: Сб. ГОСТов. –
М.: Стандартинформ, 2008
Источник
На чтение 7 мин. Опубликовано 13.08.2020
В производстве металлоконструкций самым надежным методом соединения между собой отдельных деталей является сварка. Прочность сцепления при этом обеспечивается межмолекулярным взаимодействием, возникающим под влиянием высокой температуры. Чтобы стыки (дорожки, швы) готового изделия получились качественными, перед началом работы должны быть правильно выполнены расчеты сварного шва. Точные вычисления нужны для выбора основных и расходных материалов, для понимания того, насколько надежной и монолитной будет конструкция.
Расчет сварного шва на срез производится по общепринятым стандартным формулам.
Какие параметры используются в расчете
В расчете на прочность сварных соединений необходим целый ряд показателей.
Их знание позволяет провести подсчеты с наименьшей погрешностью.
При этом учитывают следующие основные параметры:
- Ry — сопротивление материала изделия с учетом предела текучести; это постоянная величина для каждого металла;
- Ru — сопротивление материала в соответствии с временным сопротивлением; стандартный табличный показатель;
- Rwy — сопротивление с учетом предела текучести;
- N — предельно допустимая нагрузка, которую может выдержать сцепление;
- t — минимальная толщина соединяемых деталей;
- lw — максимальная длина сварного стыка, при вычислении ее уменьшают на 2t;
- gс — коэффициент условий, которые преобладают на рабочем месте; стандартизированный параметр, присутствует в общепринятых таблицах, в частности, в методичках для сварщиков.
Процесс растяжения и сжатия металла вычисляют по формуле:
.
Если при изготовлении изделия свариваются детали из разных металлов, то в формулах используются Ry и Ru для материала с наименьшей прочностью. Аналогично поступают при включении параметров в расчете шва на срез.
При расчете на прочность необходим ряд показателей.
Кроме названных числовых показателей на надежность соединения влияют:
- качество материала изделия;
- правильно подобранные расходные материалы (присадки, электроды);
- режим сварки, в т. ч. полярность и сила тока;
- тщательность обработки заготовок — на кромке стыков не должно быть никаких деформаций и посторонних вкраплений;
- соответствие сварного аппарата требуемой технологии сварки и мощности.
Такие характеристики обязательно берутся во внимание, от каждой из них зависит точность расчета качества сцепления.
Коэффициент прочности шва
Это показатель φ, являющийся отношением между собой прочностей сварной дорожки и основного материала. Его значение нормировано и определяется способом сварки и конструкцией стыка. Он принимается на основании Правил Госгортехнадзора и отражается в приложениях ГОСТов Р52857.1-2007, 14249-89 и 34233.1-2017.
Таблица 1. Коэффициенты прочности сварочных швов
| Тип сварного соединения | Значение φ | |
| Контролируемый участок от общей протяженности шва: | ||
| 100% | 10-50 % | |
| Стыковое одностороннее, выполненное ручной сваркой | 0,9 | 0,65 |
| Тавровое, с конструктивно предусмотренным зазором между деталями | 0,8 | 0,65 |
| Встык одностороннее, производимое с подкладкой из флюса или керамики, автоматической или полуавтоматической сваркой | 0,9 | 0,8 |
| Втавр или встык со сплошным двусторонним проваром, выполняемый автоматикой или полуавтоматикой | 1,0 | 0,9 |
| Стыковое с подвариванием корня шва или тавровый со сплошным проваром с 2 сторон, выполненные ручной сваркой | 1,0 | 0,9 |
| Одностороннее встык, во время сварки имеет со стороны корня шва металлическую подкладку, прилегающую к основному материалу по всей длине шва | 0,9 | 0,8 |
Коэффициент прочности для дорожек, паянных мягкими и твердыми припоями с использованием аппаратов из цветных металлов, составляет 0,7 для композиционной пайки, 1 — для однородной.
Используемые формулы
Есть много формул, по которым производят расчеты для создания качественных сварных дорожек. В них используются показатели, определяемые не только типом шва, но и видом и толщиной основного материала, площадью и расположением стыкуемых деталей, предельными нагрузками, эксплуатационной температурой изделия и др. Уравнения для отдельных разновидностей сварных швов различаются.
Есть много формул, по которым производят расчеты.
Расчет прочности швов на выпуклых поверхностях
В производстве сосудов — труб различных емкостей — применяются стыковые сварные соединения. Сюда относятся швы на выпуклых днищах (меридиональные и хордовые) и на обечайках (продольные). Принятые стандарты и методы расчета на прочность таких изделий отражены в ГОСТ 34233.11-2017. Расчет сварного соединения выпуклой поверхности зависит от ряда показателей — марки и толщины стали, из которой изготавливается сосуд, внутреннего и внешнего давления на стенки, типа нагрузки и т. д.
Уравнение расчета допускаемого напряжения (измеряется в МПа) на примере цилиндрической обечайки для сосуда, работающего при однократных статических нагрузках и выполненного из низколегированной или углеродистой стали:
Данная формула применима только для сосудов из пластичных материалов в условиях использования металлов.
Зависимость от типа сварочного шва
Существует несколько вариантов сцепления металлических элементов в единую конструкцию. По расположению соединяемых деталей различают следующие виды сварных швов:
- Стыковой — наиболее рациональный, т. к. концентрация напряжения в шве при таком методе минимальна. Свариваются торцы деталей, в результате одна часть изделия продолжает другую.
- Угловой — соединяемые элементы располагаются перпендикулярно друг другу. Прочность здесь во многом зависит от верно рассчитанного предельного усилия.
- Тавровый — похож на угловой с той лишь разницей, что детали свариваются торцами. Такая дорожка прочная, экономичная и простая в выполнении.
- Нахлесточный — края сцепляемых деталей несколько находят друг на друга. Такой тип позволяет укрепить соединение и применяется там, где нужно сварить металл толщиной не более 5 мм.
Для каждого из названных типов расчет производится по индивидуальной формуле.
Прежде чем начинать вычисление прочности будущего сцепления, нужно рассчитать площадь его поперечного сечения. Для этого длину сварного соединения умножают на его толщину.
Соединение листов внахлест
Для расчета напряжения среза используют формулу:
,
где:
- P — нагрузка на шов, Н;
- [τ]’ср — допускаемое напряжение на срез, Па;
- 0,7k — толщина шва в наиболее опасном сечении, см;
- l — длина сварной дорожки, мм.
При соединении внахлест разделка кромок не требуется.
Из выражения понятно, что полученное напряжение на срез должно получиться меньше максимально допустимого.
Значение нагрузки P таково:
.
При расчете учитывают минимальную площадь сечения сварной дорожки в поперечнике. Это связано с тем, что сварочные материалы по прочности могут превышать основной металл.
Угловые конструкции
Такие соединения рассчитываются на основании их поперечного сечения, причем наименьшего, т. е. в наиболее опасном месте дорожки. Показатель устойчивости простого углового шва на изгиб, когда он нагружен лишь моментом M, вычисляется так:
,
где:
- Wc — момент сопротивления опасного сечения дорожки (шва);
- M — изгибающий момент.
Угловые конструкции рассчитываются на основании их поперечного сечения.
А напряжение простого углового соединения на срез запишется таким образом:
,
где:
- M — нагружающий момент на срез;
- Fc = 0,7kl — площадь сечения дорожки в опасном месте, мм²;
- P — допустимая нагрузка на дорожку.
При расчете угловых сварных швов на срез применяется общепринятое выражение:
,
где:
- N — максимальная нагрузка, давящая на линию сцепления;
- с — коэффициент условий рабочей среды, значение указано в стандартизированных таблицах;
- ßf, ßz — постоянные величины, не зависящие от марки металла, ßz = 1, ßf = 0,7;
- Rwf — сопротивление срезу, табличная величина для разных материалов;
- Rwz — сопротивление на линии стыка; стандартные, постоянные табличные величины;
- kf — толщина дорожки, измеряется по линии сплавления;
- Ywf — для стыка материала с сопротивлением 4200 кгс/см² составляет 0,85;
- Ywz — 0,85 для всех марок стали;
- lw — общая длина стыка, уменьшенная на 10 мм.
В определении длины сварочного сцепления на отрыв обязательно учитывают силу, направленную к центру тяжести. При этом площадь сечения выбирают в самом опасном месте дорожки, т. е. наименьшую.
Тавровые швы
Условие прочности сцепления втавр, выполненного встык и работающего на растяжение Р и момент M, выглядит так:
.
Формула для такого же, но не стыкового, а углового шва:
.
Тавровые швы могут быть односторонними и двусторонними.
Если тавровое соединение будет нагружено изгибом и крутящим моментом, то применяется уравнение:
.
Крутящая и изгибающая сила соответственно определяются следующими формулами:
и
.
Сварка на стыке
Расчет шва встык, который будет работать на сжатие либо на растяжение, выполняется по уравнению:
,
где:
- l — длина сварочной дорожки, мм;
- P — нагрузка, действующая на стык, Н;
- s — толщина соединяемых деталей, мм;
- [σ]’ р1сж1 — допускаемое для сцепления напряжение на растяжение либо сжатие, Па.
Допустимая действующая нагрузка P составит:
.
Стыковое сцепление, работающее на изгиб, рассчитывается по формуле:
,
где:
- М — это изгибающий момент, Н/мм;
- Wc — момент сопротивления расчетного сечения.
Если напряжение шва возникает и от изгиба М, и от сжатия либо растяжения Р, то оно определяется уравнением:
.
Источник