Технический комитет по стандартизации
«Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259)

Закрытое акционерное общество «Научно-производственная фирма
«Центральное конструкторское бюро арматуростроения»

СТ ЦКБА 092-2014

Арматура для магистральных
трубопроводов

НОРМАТИВНЫЕ НАГРУЗКИ
ОТ ТРУБОПРОВОДА

Методики расчета и численные значения

Санкт-Петербург

2015

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Закрытым акционерным обществом «Научно-производственная фирма «Центральное конструкторское бюро арматуростроения» (ЗАО «НПФ «ЦКБА»)

2 УТВЕРЖДЁН И ВВЕДЁН В ДЕЙСТВИЕ Приказом от «16» 05.2014 № 23

3 СОГЛАСОВАН Техническим комитетом по стандартизации «Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259)

4 ВЗАМЕН СТ ЦКБА 092-2010 «Арматура трубопроводная. Методика расчёта допустимых нагрузок от трубопроводов на патрубки арматуры для магистральных нефтепроводов»

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ с учетом изменения № 1, поправки № 1 в 2015 году

СОДЕРЖАНИЕ

СТАНДАРТ ЦКБА

Дата введения - 01.07.2014

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на арматуру для магистральных трубопроводов, проектирование которых выполняется в соответствии с требованиями норм СНиП 2.05.06-85.

Стандарт содержит методики расчета и численные значения нормативных значений нагрузок, действующих на арматуру от трубопровода.

Стандарт может применяться при разработке арматуры всех видов и при проектировании трубопроводов.

2 Нормативные ссылки

2.1 В стандарте даны ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 20295-85 Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов. Технические условия

ГОСТ 24856-2014 Арматура трубопроводная. Термины и определения

ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. Общие требования

ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок

СНиП 2.05.06-85 Магистральные трубопроводы

3 Термины, определения и обозначения

3.1 В настоящем стандарте применены термины и определения по ГОСТ 24856.

3.2 В стандарте применены следующие основные обозначения:

DN - номинальный диаметр арматуры, мм;

PN - номинальное давление, МПа;

D_н - диаметр наружный патрубка и трубопровода, мм;

D_в - диаметр внутренний патрубка, мм;

δ - толщина стенки патрубка, мм;

δ_р - толщина стенки расчетная патрубка, мм;

δ_т - толщина технологическая патрубка, мм;

f - площадь поперечного сечения патрубка, мм²;

W - момент сопротивления изгибу поперечного сечения патрубка, мм³;

R_p02 - минимальное значение предела текучести материала патрубка при расчетной температуре, МПа;

R_m - минимальное значение предела прочности материала патрубка при расчетной температуре, МПа;

[σ] - номинальное допускаемое напряжение для материала патрубка, МПа;

Q - нормативное продольное сжимающее температурное усилие, определяемое из условий прочности расчетной модели патрубка арматуры Н;

М_в - нормативный изгибающий момент на арматуру от действия весовых нагрузок на трубопровод, Н·мм;

М_к - нормативный изгибающий момент на арматуру от сочетания нагрузок, вызванных весом и температурной компенсацией трубопровода, Н·мм;

М_с - нормативный изгибающий момент на арматуру от сочетания нагрузок, вызванных весом и температурной компенсацией, а также сейсмическими воздействиями на трубопровод интенсивностью до 9 баллов включительно, Н·мм;

М_см - то же, что М_с, но при сейсмических воздействиях 10 баллов, Н·мм (моменты М_в, М_к, М_с и М_см определяются из условий прочности расчетной модели патрубка арматуры);

F_p - продольное растягивающее напряжение на арматуру от действия номинального давления среды РN, Н;

М_из - изгибающий момент, действующий на арматуру от трубопровода, Н·мм;

М_кр - крутящий момент, действующий на арматуру от трубопровода (моменты М_из и М_кр определяются из расчета трубопровода), Н·мм;

4 Общие положения

4.1 Под нормативными нагрузками понимаются численные значения усилий и моментов, которые должны учитываться при конструировании арматуры и проектировании трубопровода. Нормирование нагрузок позволяет проводить независимую разработку арматуры и трубопроводов.

При конструировании арматуры должна быть подтверхщена расчетом прочность, герметичность и работоспособность арматуры при совместном воздействии давления среды и нормативной нагрузки от трубопровода.

При проектировании трубопровода должно быть подтверждено, что в местах установки арматуры внутренние усилия и моменты в трубопроводе, вызванные внешними нагрузками, не превышают нормативную нагрузку.

4.2 Нормативные нагрузки определяются исходя из условий прочности расчетных моделей патрубков арматуры. Для этого используются требования норм прочности, применяемые в арматуростроении (ГОСТ Р 52857.1, пункт 8 и ПНАЭ Г-7-002, пункты 5.4, 5.11). Учитывается сумма мембранных и общих изгибных напряжений. Приведенные напряжения определяются по теории наибольших касательных напряжений. Нормативные нагрузки принимаются с понижающим коэффициентом 0,7 по отношению к допускаемым нагрузкам на модели патрубков.

4.3 В качестве нормативной нагрузки рассматривается одна, наиболее значимая составляющая нагрузки, эквивалентная действию всех усилий и моментов.

В надземных и подземных трубопроводах, деформация которых не стеснена между опорами, или стеснена несущественно, в качестве нормативной нагрузки принимается изгибающий момент, представляющий наибольшую опасность. Рассматривается три типа нормативных моментов М_в, М_к, М_с или М_см (обобщенное обозначение моментов M_i), возникающих в трех режимах нагружения, представляющих сочетания давления среды и веса трубопровода; давления, веса и температурной компенсации трубопровода; давления, веса, температурной компенсации и сейсмических воздействий на трубопровод.

В подземных трубопроводах, работающих в условиях стеснения продольных и поперечных перемещений, в качестве нормативной нагрузки принимается сочетание давления среды и сжимающего температурного усилия Q, соответствующего максимальной разности температуры элемента трубопровода в момент монтажа и в процессе эксплуатации.

4.4 Нормативные нагрузки определяются с использованием двух расчетных моделей патрубков, имеющих минимальные толщины стенок, предусмотренные в пункте 8.22 норм СНиП 2.05.06. Наружные диаметры D_н расчетных моделей патрубков определяются, как у стыкуемых труб, согласно ГОСТ 20295 и другой нормативной документации.

Первая модель патрубка имеет расчетную толщину стенки δ_р, которая определяется по формуле (12) норм СНиП 2.05.06 согласно условию прочности:

Вторая модель патрубка имеет технологическую толщину стенки δ_т, которая больше расчетной толщины δ_р, и назначается в случае, если расчетная толщина окажется недопустимо малой. Толщина δ_т, согласно пункту 8.22 норм СНиП 2.05.06, должна приниматься из равенства:

4.5 Нормативные нагрузки едины для арматуры, имеющей одинаковые основные параметры D_н и РN.

Согласно формуле (1), патрубки первой модели, имеющие одинаковые параметры D_н и РN, имеют также одинаковые произведения δ_р·([σ] + РN). Кроме того, зависимость между δ_р и [σ] близка к обратной пропорциональности, так как РN мало по сравнению с [σ]. Благодаря этому, нормативные нагрузки будут практически одинаковы для всех патрубков с одинаковыми параметрами D_н и РN.

Согласно равенству (2), патрубки второй модели имеют одну толщину δ_т для каждого D_н. Учитывая, что толщина стенки δ_т завышена, принимается единая категория прочности материала КП195 (минимальное значение, требуемое для арматуры нефтепроводов) для всех патрубков с технологической толщиной. Таким образом, в данном случае для каждого сочетания D_н и PN учитывается одно сочетание δ_р и [σ], и получается одно значение нагрузки.

4.6 При определении нормативных нагрузок не рассматривается возможное завышение толщин стенок, класса или категории прочности материала патрубка реальной арматуры или трубопровода.

5 Методики расчета нормативных нагрузок

Допускаемые нагрузки на патрубки произвольной арматуры зависят от четырех параметров - двух основных D_н и PN, и двух дополнительных δ и [σ]. Для арматуры с одинаковыми D_н и PN, но различными δ и [σ], допускаемые нагрузки могут значительно различаться.

Методика расчета допускаемых нагрузок на патрубки арматуры, имеющей произвольные значения δ и [σ] излагается в пункте 5.2.

Методики расчета нормативных нагрузок приводятся в пунктах 5.3 - 5.5. Они получены из методик расчета допускаемых нагрузок пункта 5.2 при использовании двух расчетных моделей патрубков, имеющих определенные значения δ и [σ], указанные в пункте 4.4.

Методики расчета нормативных нагрузок использованы в разделе 6 для определения численных значения нормативных нагрузок. Эти методики могут быть также использованы для определения значений нормативных нагрузок в случаях, когда в таблицах отсутствуют нужные сочетания параметров D_н и PN. Если неясно, какую из расчетных моделей патрубка применить, то расчет следует выполнить с использованием обеих моделей, и выбрать большее значение нагрузки.

5.1 Допускаемые напряжения

5.1.1 Ниже приводятся значения допускаемых напряжений, которые рекомендуются для применения при выполнении расчетов арматуры на прочность. Они же используются в стандарте для определения нормативных нагрузок.

Допускаемые напряжения даны для четырех типов сочетаний нагрузок от трубопровода, принятых в пункте 4.3 настоящего стандарта: вес трубопровода; вес и температурная компенсация трубопровода; вес, температурная компенсация и сейсмические воздействия на трубопровод; продольное сжимающее температурное усилие. Эти сочетания нагрузок представляют различную степень опасности для арматуры, поэтому для них используются различные допускаемые напряжения, обозначаемые соответственно, как [σ]_в, [σ]_к, [σ]_с и [σ]_пт (обобщенное обозначение [σ]_i).

Допускаемые напряжения определяются как произведение

где [σ] - номинальное допускаемое напряжение, определяемое в зависимости от минимального предела текучести R_p02 и минимального предела прочности R_m материала патрубка при расчетной температуре (ГОСТ Р 52857.1, пункт 8):

k_i - обобщенное обозначение нормативных коэффициентов k_в, k_т, k_с, и k_пт, учитывающих различную степень опасности соответствующего режима.

5.1.2 Допускаемое напряжение [σ]_в определяется согласно пункту 5.4 норм ПНАЭ Г-7-002:

5.1.3 Для допускаемого напряжения [σ]_к принимается относительно невысокое значение с учетом того, что при температурной компенсации в трубопроводе может быть накоплена значительная энергия деформации:

5.1.4 Допускаемое напряжение [σ]_с

Допускаемое напряжение [σ]_с должно использоваться при выполнении расчетов арматуры на прочность и при определении допускаемого момента на арматуру от веса, температурной компенсации и сейсмических воздействий любой интенсивности. Оно используется также для определения нормативных моментов М_с, включающих сейсмические воздействия интенсивностью до 9 баллов.

Для сейсмичности 10 баллов нормативные моменты М_см определяются с использованием допускаемого напряжения [σ]_см

5.1.5 Допускаемое напряжение [σ]_пт принято с учетом опасности сочетания внутреннего давления и сжимающего температурного напряжения

5.2 Методика расчета допускаемых нагрузок на произвольную арматуру

5.2.1 Допускаемые изгибающие моменты на патрубок арматуры [М_i] определяются по приближенной формуле, следующей из условия прочности патрубка:

где [М_i] - обобщенное обозначение допускаемых моментов [М_в], [М_к], [М_с] на патрубок арматуры от трубопровода;

[σ]_i - обобщенное обозначение допускаемых напряжений [σ]_в, [σ]_к и [σ]_с, используемых при определении допускаемых моментов [М_i], нормативных моментов M_i и при оценке прочности арматуры;

σ_пр - продольное напряжение в патрубке, вызываемое действием давления среды:

W - момент сопротивления изгибу поперечного сечения патрубка:

D_н, D_в, и δ - соответственно наружный и внутренний диаметры, а также толщина стенки патрубка.

5.2.2 Допускаемое сжимающее температурное усилие на патрубок арматуры [Q] определяется с использованием формулы (18) из норм СНиП 2.05.06

где σ_кц - кольцевое (окружное) напряжение в патрубке, вызываемое действием давления среды:

μ - коэффициент Пуассона материала патрубка;

f - площадь поперечного сечения патрубка:

5.3 Методика расчета нормативных изгибающих моментов на арматуру, имеющую расчетную толщину стенки патрубка

В данной методике используется условие равенства кольцевого напряжения σ_кц, вызванного давлением PN, номинальному допускаемому напряжению [σ]:

Формула для нормативного момента М_i, следует из формулы (10) при использовании положения пункта 4.2 и равенств (3), (11), (14), (16):

Представим D_в и W в виде:

Подставим (18) в (17), получим:

С помощью формулы (1) представим «а» в виде зависимости от PN и [σ], а также учтем, что [σ] ≫ PN

Из формул (19) и (20) видно, что влияние материала на момент М_i учитывается допускаемым напряжением [σ], содержащимся в множителе (1 - 5а), который близок к единице. Запишем множитель (1 - 5а) в приближенном виде, не содержащем в явном виде [σ]:

Погрешность такой замены незначительна.

После подстановки в формулу (19) значений k_i согласно (11) - (14), а также равенства (21), получаем формулы для расчета нормативных моментов, зависящих в явном виде только от D_н и PN:

5.4 Методика расчета нормативных изгибающих моментов на арматуру, имеющую технологическую толщину патрубка

В данном случае для получения единых нормативных нагрузок для арматуры, имеющей одинаковые D_н и PN, нет необходимости исключать из формул толщину стенки δ_т, так как она однозначно связана с диаметром D_н. Кроме того, для всех типоразмеров данной арматуры принята одна категория прочности материала КП 195. Соответствующее значение номинальное допускаемое напряжение [σ] = 130 МПа.

Расчетная формула для данной арматуры следует из формулы (10) при учете положения пункта 4.2 и равенства (3):

После подстановки в (26) значений k_i, согласно (11) - (14), и значения [σ] = 130,0 МПа, получаем формулы для расчета нормативных моментов:

Продольное напряжение в патрубке σ_пр и момент сопротивления сечения патрубка W, представленные через δ_т и D_н имеют вид:

5.5 Методика расчета нормативного сжимающего температурного усилия на арматуру

5.5.1 Для арматуры, имеющей расчетную толщину стенки патрубка δ_р, используются упрощения, аналогичные пункту 5.3. Формула для усилия Q следует из (13), при учете равенства (9) и коэффициента Пуассона μ = 0,3:

5.5.2 Для арматуры, имеющей технологическую толщину стенки патрубка δ_т, усилие Q определяется аналогично указанному в пункте 5.5.1, при учете номинального допускаемого напряжения [σ] = 130 МПа:

6 Численные значения нормативных нагрузок

Численные значения нормативных нагрузок приведены в таблицах 1 - 5 для арматуры с параметрами от DN 50 до DN 1400 и от PN 1,2 МПа до PN 16 МПа. Нагрузки рассчитаны по формулам пунктов 5.3 - 5.5, в которых использованы модели патрубков с технологической δ_т или расчетной δ_р толщинами стенки.

Технологическую толщину δ_т имеют патрубки арматуры относительно малого диаметра DN и (или) малого давления PN. Ввиду того, что толщина δ_т завышена против расчетной толщины и одинакова для патрубков одного диаметра, номинальные нагрузки для этой арматуры падают по мере увеличения давления, что видно из формул (27) - (30), (33) и табличных данных.

Для арматуры, имеющей расчетную толщину патрубка δ_р, напротив, с увеличением давления нагрузки растут почти пропорционально, что видно из формул (22) - (25), (32) и табличных данных.

Границей между арматурой, имеющей технологическую δ_т и расчетную δ_р толщины патрубков, является зона перехода от снижения нагрузки к ее возрастанию.

Таблица 1 - Нормативный изгибающий момент М_в от весовых нагрузок

Таблица 2 - Нормативный изгибающий момент М_к от сочетания нагрузок весовых и температурной компенсации трубопровода

Таблица 3 - Нормативный изгибающий момент М_с от сочетания нагрузок весовых, температурной компенсации и сейсмических до 9 баллов

Таблица 4 - Нормативный изгибающий момент М_см от сочетания нагрузок весовых, температурной компенсации и сейсмических 10 баллов

Таблица 5 - Нормативное продольное сжимающее температурное усилие Q

7 Оценка нагрузок, полученных из расчета трубопровода

7.1 Согласно требованию пункта 4.1, при проектировании трубопровода должно быть подтверждено, что воздействие усилий и моментов от трубопровода на арматуру не превышает воздействие нормативных нагрузок, предусмотренных настоящим стандартом.

В общем виде данное требование сводится к проверке выполнения условия

где (σ)_iТ - приведенные напряжения в поперечном сечении расчетной модели патрубка, вызываемые давлением среды совместно с внутренними усилиями и моментами, действующими в месте установки арматуры на трубопроводе;

(σ)_i - напряжения, вызываемые давлением среды совместно с нормативными нагрузками.

7.2 В надземных и других трубопроводах, деформация которых не стеснена между опорами, на арматуру передаются составляющие векторов сил и моментов, вызываемых действием веса трубопровода (F_xв, F_ув, F_zв, М_хв, М_ув и M_zв), веса и температурной компенсации трубопровода (F_xk, F_yк, F_zк, М_хк, М_ук и M_zк), а также веса, температурной компенсации и сейсмическими воздействиями на трубопровод (F_xc, F_yc, F_zc, М_хс, М_ус и M_zс, либо, в случае сейсмичности 10 баллов, F_xcм, F_ycм, F_zcм, М_хсм, М_усм и М_zcм).

Оценку нагрузок на арматуру, полученных из расчета трубопровода, допускается ограничить двумя режимами нагружения:

- сочетание давления, веса и температурной компенсации трубопровода;

- сочетания давления, веса, температурной компенсации и сейсмических воздействий.

Составляющие векторов сил и моментов, действующих в произвольной точке оси трубопровода, показаны на рисунке 1 (обобщенные обозначения F_xi, F_yi, F_zi, M_xi, М_yi, и M_zi). Там же показана сила F_p, вызываемая действием номинального давления среды РN. Ось «х» совпадает с осью трубопровода, силы F_xi - продольные, а силы F_yi, F_zi - поперечные, моменты M_yi и M_zi - изгибающие, а M_xi - крутящие. Ориентация осей «у» и «z» произвольная.

Рисунок 1

7.3 Проверка выполнения условия (35) для надземных трубопроводов упрощается, если пренебречь внутренними усилиями F_xi, F_yi и F_zi. Погрешность данного упрощения незначительна в случае, представляющем интерес, когда напряжения (σ)_iT максимальны, то есть близки к соответствующим допускаемым напряжениям. В этом случае доля усилий в напряжениях (σ)_iT меньше доли моментов в десятки раз.

С учетом названного упрощения условие (35) можно представить в следующем виде (индекс i для краткости опущен):

где М_из и М_кр - изгибающие и крутящие моменты в месте установки арматуры на трубопроводе:

М - нормативные изгибающие моменты, значения которых даны в таблицах 1 - 4.

При записи условия (36) использовано приближенное равенство, следующее из формул (12) и (15):

В случае, если крутящий момент М_кр не превышает половины изгибающего момента  условие (35) - (36) можно дополнительно упростить:

7.4 Для подземных и других трубопроводов, деформация которых между опорами стеснена, продольное сжимающее температурное усилие в трубе Q_т не должно превышать нормативное значение этого усилия Q, указанное в таблице 5:

 

Лист регистрации изменений