Сосуды и аппараты

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

Общие требования

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 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. № 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»)

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

Содержание

Сосуды и аппараты

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

Общие требования

Vessels and apparatus. Norms and methods of strength calculation. General requirements

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает нормы и методы расчета на прочность сосудов и аппаратов из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов (алюминия, меди, титана и их сплавов), применяемых в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности, работающих в условиях однократных и многократных нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным давлением, под действием осевых и поперечных усилий и изгибающих моментов, инерционных нагрузок, а также устанавливает коэффициенты запаса прочности, допускаемых напряжений, модуля продольной упругости и коэффициентов прочности сварных швов. Нормы и методы расчета на прочность применимы, если свойства материалов, требования к конструкции, изготовлению и контролю отвечают требованиям ГОСТ Р 52630 и другим нормативным документам. Если отклонения от геометрической формы, неточности или качество изготовления отличаются от требований нормативных документов, то при расчете на прочность эти отступления должны быть учтены соответствующей корректировкой расчетных формул.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 51273-99 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий

ГОСТ Р 52630-2006 Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия

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 52857.3-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер

ГОСТ Р 52857.4-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений

ГОСТ Р 52857.5-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок

ГОСТ Р 52857.6-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках

ГОСТ Р 52857.7-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты

ГОСТ Р 52857.8-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты с рубашками

ГОСТ Р 52857.9-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение напряжений в местах пересечений штуцеров с обечайками и днищами при воздействии давления и внешних нагрузок на штуцер

ГОСТ Р 52857.10-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты, работающие с сероводородными средами

ГОСТ Р 52857.11-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Метод расчета на прочность обечаек и днищ с учетом смещения кромок сварных соединений, угловатости и некруглости обечаек

ГОСТ 19281-79 Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия

ГОСТ 5949-75 Сталь сортовая и калиброванная коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические требования

ГОСТ 25054-81 Поковки из коррозионно-стойких сталей и сплавов. 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:

4 Общие положения

4.1 Расчет на прочность необходимо проводить для всех прогнозируемых состояний сосудов, возникающих во время их эксплуатации, испытания, транспортировки, монтажа. При этом следует учитывать все нагрузки и внешние факторы (температуру, коррозионные среды и т.п.), которые могут оказать влияние на прочность, и учитывать вероятность их одновременного воздействия.

В частности, необходимо учитывать следующие факторы:

- внутреннее / внешнее давление;

- температуры окружающей среды и рабочие температуры;

- статическое давление в рабочих условиях и условиях испытания, нагрузки от массы сосуда и содержимого в оборудовании;

- инерционные нагрузки при движении, остановках и колебаниях, нагрузки от ветровых и сейсмических воздействий;

- реактивные усилия (противодействия), которые передаются от опор, креплений, трубопроводов и т.д.;

- нагрузки от стесненности температурных деформаций;

- усталость при переменных нагрузках, коррозию и эрозию и т.д.

За правильность применения норм и методов расчета на прочность несет ответственность организация (предприятие или физическое лицо), выполнявшая соответствующие расчеты на прочность.

4.2 Методы расчета на прочность сосудов и аппаратов приведены в ГОСТ Р 52857.2-ГОСТ Р 52857.11.

4.3 В основу методов расчета на прочность большинства элементов сосудов принят метод расчета по предельным нагрузкам. Для удобства расчета коэффициенты запаса прочности к предельным нагрузкам учитываются при определении допускаемых напряжений. Для отдельных элементов (например, фланцевых соединений) или условий нагружения, например при переменных нагрузках, расчет ведется по допускаемым напряжениям.

Допускаемые напряжения в этом случае определяются с учетом особенностей эксплуатации сосуда, опытных данных, характеристик материала.

При расчете на устойчивость допускаемые нагрузки определяют по нижним критическим напряжениям.

5 Расчетная температура

5.1 Расчетную температуру используют для определения физико-механических характеристик материала и допускаемых напряжений, а также при расчете на прочность с учетом температурных воздействий.

5.2 Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний, или опыта эксплуатации аналогичных сосудов.

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

5.3 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.

5.4 Если сосуд или аппарат эксплуатируются при нескольких различных режимах нагружения или разные элементы аппарата работают в разных условиях, для каждого режима можно определить свою расчетную температуру.

6 Рабочее, расчетное и пробное давление

6.1 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 допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

6.2 Под расчетным давлением для элементов сосудов и аппаратов следует понимать давление, на которое проводят их расчет на прочность.

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

Расчетное давление должно учитывать:

- внутреннее / внешнее давление;

- гидростатическое давление от среды, содержащейся в сосуде;

- нестабильность перерабатываемых сред и технологического процесса;

- инерционные нагрузки при движении или сейсмических воздействиях.

Если на сосуде или подводящем трубопроводе к сосуду установлено устройство, ограничивающее давление, чтобы рабочее давление не превышало максимально допустимого рабочего давления, то при определении расчетного давления не учитывают кратковременное превышение рабочего давления в пределах 10 %.

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 проводить расчет на разность давлений. Разность давлений 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.

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

6.4 Под расчетным давлением в условиях испытаний для элементов сосудов или аппаратов следует принимать давление, которому они подвергаются во время пробного испытания, включая гидростатическое давление.

7 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, инерционных нагрузок, от присоединенных трубопроводов, сейсмической, ветровой, снеговой и других нагрузок.

Расчетные усилия и моменты от ветровой нагрузки и сейсмических воздействий на колонные аппараты определяют по ГОСТ Р 51273.

8 Допускаемые напряжения, коэффициенты запаса прочности

8.1 Допускаемое напряжение [σ] при расчете по предельным нагрузкам сосудов, работающих при статических однократных нагрузках, вычисляют по формулам:

- для углеродистых, низколегированных, ферритных, аустенитно-ферритных, мартенситных сталей и сплавов на железноникелевой основе:

                                          (1)

- для аустенитной хромоникелевой стали, алюминия, меди и их сплавов:

                                                           (2)

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

При отсутствии данных об условном пределе текучести при 1 %-ном остаточном удлинении используют значение условного предела текучести при 0,2 %-ном остаточном удлинении.

При отсутствии данных о пределе текучести и длительной прочности допускаемое напряжение для алюминия, меди и их сплавов вычисляют по формуле

                                                                                                                   (3)

Допускаемые напряжения для титановых сплавов вычисляют по формуле

                                                                                                                   (4)

Для условий испытания сосудов из углеродистых, низколегированных, ферритных, аустенитно-ферритных мартенситных сталей и сплавов на железноникелевой основе допускаемое напряжение вычисляют по формуле

                                                                                  (5)

Для условий испытаний сосудов из аустенитных сталей, алюминия, меди и их сплавов допускаемое напряжение вычисляют по формуле

                                                                              (6)

Если допускаемое напряжение для рабочих условий определяют по формуле (4), то для сосудов из алюминия, меди и их сплавов допускаемое напряжение для условий испытания вычисляют по формуле

                                                                                                              (7)

Для условий испытаний сосудов из титановых сплавов допускаемое напряжение вычисляют по формуле

                                                                                                              (8)

8.2 Коэффициенты запаса прочности должны соответствовать значениям, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Если допускаемое напряжение для аустенитных сталей вычисляют по условному пределу текучести, коэффициент запаса прочности n_т по условному пределу текучести R_p0,2/t для рабочих условий допускается принимать равным 1,3.

8.3 Поправочный коэффициент η к допускаемым напряжениям должен быть равен единице, за исключением стальных отливок, для которых коэффициент η имеет следующие значения:

- 0,8 - для отливок, подвергающихся индивидуальному контролю неразрушающими методами:

- 0,7 - для остальных отливок.

8.4 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

8.5 Для материалов, широко используемых в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях, допускаемые напряжения для рабочих условий при η = 1 приведены в приложении А.

8.6 Допускаемые напряжения для материалов, не приведенных в приложении А, определяют согласно 8.1. Расчетные механические характеристики, необходимые для определения допускаемых напряжений, определяют при нормальной температуре по соответствующим стандартам или техническим условиям, а при повышенных температурах после проведения испытаний представительного количества образцов, обеспечивающих гарантированные значения прочностных характеристик материала.

8.7 Для стальных 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 [σ]_экв, вычисляемое по формуле

                                                                                        (9)

где [σ]_i = [σ]₁, [σ]₂, ... , [σ]_п - допускаемое напряжение для расчетного срока эксплуатации при температурах t _i (i = 1,2 ...);

Т_i -длительность этапов эксплуатации элементов с температурой стенки соответственно t_i(i = 1,2...), 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 интервалам температуры в 5 °С и 10 °С.

Определение эквивалентных напряжений по приведенной упрощенной методике рекомендуется принимать по интервалам температур не более 30 °С. При необходимости определения эквивалентных допускаемых напряжений для интервала температур более 30 °С следует использовать среднее значение показателя степени согласно данным экспериментальных исследований с базой испытаний не более 0,1 от ресурса, но не менее 10⁴ ч.

8.8 Допускаемое напряжение для сосудов из двухслойных сталей вычисляют по формуле

                                                                                   (10)

где [σ]₁, [σ]₂ - допускаемые напряжения соответственно основного металла и коррозионно-стойкого слоя, определяемые по приложению А.

Учитывая допуск на толщину коррозионно-стойкого слоя при определении допускаемого напряжения по формуле (10), толщина коррозионно-стойкого слоя принимается минимальной, если [σ]₁ < [σ]₂. Если [σ]₁ > [σ]₂, то толщина коррозионно-стойкого слоя принимается максимальной.

Разрешается допускаемое напряжение определять по основному слою. В этом случае прибавка на коррозию принимается равной толщине коррозионно-стойкого слоя.

8.9 Для сосудов, работающих при многократных нагрузках, допускаемые напряжения определяются по ГОСТ Р 52857.5.

8.10 Для элементов сосудов, рассчитываемых не по предельным нагрузкам, а по допускаемым напряжениям, расчет проводят по условным упругим напряжениям.

σ_т - общие мембранные напряжения;

σ_mL - местные мембранные напряжения;

σ_и - общие изгибные напряжения;

σ_иL - местные изгибные напряжения;

σ_t - общие температурные напряжения;

σ_tL - местные температурные напряжения.

Условия статической прочности выполняются, если

σ_т ≤ [σ],

(σ_т или σ_mL) + σ_и ≤ [σ]_м,

(σ_т или σ_mL) + σ_и + σ_иL + σ_t + σ_tL ≤ [σ]_R,

где [σ]_м = 1,5[σ]; [σ]_R = 3[σ].

8.11 Расчетные механические характеристики материалов приведены в приложении Б.

9 Коэффициенты запаса устойчивости

Коэффициент запаса устойчивости п_у 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.

10 Модули продольной упругости и коэффициенты линейного расширения

10.1 Расчетные значения модулей продольной упругости приведены в приложении В.

10.2 Расчетные значения коэффициентов линейного расширения приведены в приложении Г.

11 Коэффициенты прочности сварных швов

При расчете на прочность сварных элементов сосудов допускаемые напряжения умножают на коэффициент прочности сварных швов φ.

Числовые значения этих коэффициентов приведены в приложении Д. Для бесшовных элементов сосудов φ = 1.

12 Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов

12.1 При расчете сосудов и аппаратов необходимо учитывать прибавки с к расчетным толщинам элементов сосудов и аппаратов.

Исполнительную толщину стенки элемента сосуда вычисляют по формуле

s ≥ s_p + c,                                                                                                                     (12)

где s_p - расчетная толщина стенки элемента сосуда.

Прибавку к расчетным толщинам вычисляют по формуле

с = с₁ + с₂ + с₃.                                                                                                            (13)

Если в расчете рассматривается несколько элементов, отличающихся материалами, способом изготовления или толщинами, то сумма прибавок к расчетным толщинам стенок определяется для каждого элемента в отдельности.

При поверочном расчете прибавку вычитают из значений исполнительной толщины стенки.

Если известна фактическая толщина стенки, то при поверочном расчете можно не учитывать с₂ и с₃.

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

12.3 Прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии (эрозии) назначается с учетом условий эксплуатации, расчетного срока службы, скорости коррозии (эрозии).

При двухстороннем контакте с коррозионной и (или) эрозионной средой прибавка с₁ должна быть соответственно увеличена.

12.4 Технологическая прибавка с₃ предусматривает компенсацию утонения стенки элемента сосуда при технологических операциях: вытяжке, штамповке, гибке труб и т.д. В зависимости от принятой технологии эту прибавку следует учитывать при разработке рабочих чертежей.

Прибавки с₂ и с₃ учитывают в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5 % номинальной толщины листа.

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

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

Приложение А
(обязательное)

Допускаемое напряжение для рабочих условий

Таблица А.1 - Допускаемые напряжения для углеродистых и низколегированных сталей

Таблица А.2 - Допускаемые напряжения для теплоустойчивых хромистых сталей

Таблица А.3 - Допускаемые напряжения для жаропрочных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей аустенитного класса

Таблица А.4 - Допускаемые напряжения для жаропрочных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей аустенитного и аустенитно-ферритного класса

Таблица А.5 - Допускаемые напряжения для алюминия и его сплавов

Таблица А.6 - Допускаемые напряжения для меди и ее сплавов

Таблица А.7 - Допускаемое напряжение для титана и его сплавов

Приложение Б
(справочное)

Расчетные механические характеристики материалов

Таблица Б.1 - Расчетное значение предела текучести R_e/t для углеродистых и низколегированных сталей

Таблица Б.2 - Расчетное значение временного сопротивления R_m/t для углеродистых и низколегированных сталей

Таблица Б.3 - Расчетное значение предела текучести R_p0,2/t для теплоустойчивых и хромистых сталей

Таблица Б.4 - Расчетное значение временного сопротивления R_m/t для теплоустойчивых и хромистых сталей

Таблица Б.5 - Расчетное значение предела текучести R_p0,2/t аустенитного и аустенитно-ферритного класса сталей

Таблица Б.6 - Расчетное значение временного сопротивления R_m/t для аустенитного и аустенитно-ферритного класса сталей

Таблица Б.7 - Расчетное значение предела текучести R_p1,0/t для жаропрочных, жаростойких и коррозионно-стойких сталей аустенитного класса