Analysis of admissible loads accounting different factors is given.В статье описана методика расчета нагрузок на трубопровод как от постоянных, так и от переменных составляющих

Rekach F.V.

Sinichenko E.K.

RUDN Repository

 5  ГИДРАВЛИКА И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ  УДК 627.844 УЧЕТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ РАСЧЕТЕ ДОПУСТИМЫХ НАГРУЗОК НА ТРУБОПРОВОД Ф.В. Рекач, Е.К. Синиченко Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419 В статье описана методика расчета нагрузок на трубопровод как от постоянных, так и от пе-ременных составляющих. Ключевые слова: допустимые нагрузки, колебания давления. В процессе эксплуатации трубопроводных систем в результате работы на-сосных агрегатов, изменения режима их работы, срабатывания запорной арма-туры, аварийных отключений электропитания, ошибочных действий обслужива-ющего персонала и т.д. неизбежно возникают интенсивные волновые (колебания давления, гидроудары) и вибрационные процессы, которые приводят к возникно-вению переменных во времени напряжений в стенках трубопроводов и появлению с течением времени усталостных и коррозионно-усталостных трещин в местах сварных соединений или каких-либо малозаметных дефектов, являющихся кон-центраторами напряжений (царапины, задиры и т.п.). Все эти факторы, как правило, не учитываются при проектировании трубо-проводных систем. Например, при проектировании магистральных трубопрово-дов [1] учитываются все действующие на трубопровод нагрузки — изменение тем-пературы, вес засыпки, ветровые и снеговые нагрузки и т.д., за исключением дина-мического характера нагружения стенки трубопровода в процессе эксплуатации. В нормативных документах различных отраслей промышленности в основном рег-ламентируются допустимые уровни вибрации трубопроводов. Так, согласно нор-мам Мингазпрома [2], аварийный уровень вибрации оценивается значением виб-роскорости Ve = 18 мм/с, а предупредительный — превышением Ve = 41 мм/c. По нормам Союзкомпрессомаша для участков трубопроводов более 0,5 м размах виброперемещений ограничен величиной 0,5 мм, а по нормам и ГАНГ им. Губкина  Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2011, № 3 6 для трубопроводов поршневых компрессорных машин к этой величине вводит-ся поправочный коэффициент 0,75. Требования к пульсациям давления в этих документах отсутствуют. Необходимо отметить, что во многих отраслевых нормативных документах отсутствуют не только ограничения на пульсации давления, но и ограничения на вибрации. В то же время в последние годы замена изношенных трубопроводов ведет-ся крайне низкими темпами. При отсутствии регламентирующих ограничений на допустимые динамические нагрузки это приводит к ежегодному увеличению количества аварий на трубопроводах на 7—10% (по данным ежегодных докладов о состоянии окружающей среды в РФ). Для определения напряжений в стенках трубопровода будем полагать, что помимо постоянного рабочего давления Pp на него действуют переменные во вре-мени нагрузки — пульсации давления и вибрации. Радиальные и осевые напряже-ния от пульсаций давления могут быть определены по формулам  , ,2pr r ptPD PDΔ ΔΔ Δσ = σ = σ =δ δ где ΔP — амплитуда колебаний давления, D — диаметр трубопровода, δ — толщина стенки. Максимальное напряжение, вызванное вибрацией трубопровода, можно оп-ределить, используя зависимость [3]:  max ,V eV cEσ = ρ  где Ve max — максимальное значение виброскорости, E — модуль упругости, ρ — удельная масса трубопровода (масса материала трубопровода в единице объема, ограниченного трубопроводом), c — коэффициент, учитывающий распределение амплитуд виброско-рости по трубопроводу; для прямолинейного участка трубопровода c = 3. Суммарное напряжение в осевом направлении от действия пульсаций давле-ния и вибрации определяется по формуле  .t pt VΔσ =σ + σ  Таким образом, трубопровод находится в сложном напряженном состоянии, характеризуемым действием циклического изгиба от вибрации и растяжением стенки трубопровода от пульсаций давления. При двухосном напряженном состоянии запас усталостной прочности тру-бопровода можно определить по формуле Гафа и Полларда, которая применима и в случаях синфазного изменения σt и σr:  ,2 2r tr tn nnn n=+ где n — запас усталостной прочности трубопровода; nr — запас усталостной прочности трубопровода в предположении, что напряжения σt отсутствуют; nt — запас усталост-ной прочности трубопровода в предположении отсутствия напряжений σr. Рекач Ф.В., Синиченко Е.К. Учет различных факторов при расчете допустимых нагрузок...  7 Допускаемые амплитуды напряжений в стенке трубопровода вычисляются по формулам  , ,1 11 1в1 11 11 1r tr tr tr в tk kq qn nq q− −Δ Δ− −σ β σ βσ = σ =⎛ ⎞ ⎛ ⎞σ + +σ+ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟σ − σ −⎝ ⎠ ⎝ ⎠ где коэффициенты асимметрии цикла равны  /( ), ,/( )22p p tr tp p tP P P Dq qP P P D− Δ δ − σ= =+ Δ δ + σ где σr — предел прочности; σ–1 — предел выносливости при симметричном цикле на-гружения; β — коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности трубопро-вода на предел выносливости: для новых трубопроводов β = 0,80—0,85, а для подвержен-ных коррозии может уменьшаться до величины β = 0,5; k — коэффициент концентраций напряжений. Величину σ–1 можно определить, используя справочные данные или по фор-муле Мэнсона [4]:  ,, ,в1 0 121 75N−σσ =  где N — число циклов нагружения. Методику расчета допустимых динамических нагрузок рассмотрим на кон-кретном примере. В напорном коллекторе Самарской ПНС 27 с номинальным давлением 0,8 МПа были произведены замеры виброскорости (среднеквадратичное значение Ve = 40 мм/c) и амплитуды пульсаций давления ΔP = 0,5 МПа. Наружный диаметр трубопрово-да D = 600 мм, толщина стенки δ = 6 мм. Материал — ст20 (σв = 420 МПа, σ–1 = = 140 МПа, E = 2,1 ⋅ 105 МПа). Запас усталостной прочности трубопровода должен быть не менее n = 2,0. По-лагая , ,2 2 83r tn n n= = =  найдем σr = 49,50 МПа, σt = 25,31 МПа, qr = 0,23, qt = = 0,22, σΔr = 8,07 МПа, σΔt = 8,134 МПа. Таким образом напряжения, вызываемые пульсациями давления, являются не-допустимыми. Для гашения волновых и вибрационных процессов непосредст-венно за насосом и в общий коллектор были установлены стабилизаторы давления, что позволило уменьшить амплитуду пульсаций давления до величины ΔP = = 0,06 МПа, а среднеквадратичное значение виброскорости до Ve = 5 мм/c. Рас-четы показали, что установка стабилизаторов позволила уменьшить напряжения от пульсаций давления и вибраций до величины σΔpr = 6,62 МПа, σt = 3,21 МПа, что значительно ниже допустимых напряжений, и обеспечить безаварийную экс-плуатацию ПНС 27. Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2011, № 3  ЛИТЕРАТУРА  [1] СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. Госстрой СССР — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.  [2] Нормы вибрации трубопроводов технического газа. Компрессорные станции с центро-бежными нагнетателями. — М.: Мингазпром, 1995.  [3] Самарин А.А. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устране-ния. — М.: Энергия, 1979.  [4] Вибрации в технике. Т. 3. — М.: Машиностроение, 1980. ANALYSIS OF ADMISSIBLE LOADS ACCOUNTING DIFFERENT FACTORS F.V. Rekach, E.K. Sinichenko Peoples’ Friendship University of Russia Ordzhonikidze, 3, Moscow, Russia, 115419 Analysis of admissible loads accounting different factors is given. Key words: admissible loads, pressure oscillations. 

Учет различных факторов при расчете допустимых нагрузок на трубопровод

https://repository.rudn.ru/en/records/article/downloadfile/6a36b1e7-d08d-e911-80c8-30e1715d1da7/

Учет различных факторов при расчете допустимых нагрузок на трубопровод

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

RUDN Repository