Сосуды и аппараты

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

Сосуды и аппараты с рубашками

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

Сосуды и аппараты с рубашками

Vessels and apparatus. Norms and methods of strength calculation. Jacketed vessels and apparatus

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на сосуды с U-образной или цилиндрической рубашкой, с рубашкой, сопряженной анкерными трубами или отбортовкой, а также с рубашкой в виде змеевиковых или регистровых каналов для обогрева или охлаждения сосуда, нагруженные избыточным давлением в сосуде или (и) в рубашке, собственной массой и стесненностью температурных деформаций.

Настоящий стандарт применяется совместно с ГОСТ Р 52857.1.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты стальные. 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

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:

А - коэффициент осевого усилия;

А_к - площадь поперечного сечения канала, мм²;

а - размер сварного шва, мм;

В - коэффициент сопряжения с помощью конуса;

b - наибольший свободный интервал между двумя жесткими элементами для цилиндрической обечайки с кольцами жесткости, мм;

b₀ - ширина кольца, мм;

b₁ - толщина ленты направляющей спирали, мм;

b₂ - ширина канала, мм;

с - сумма всех прибавок к расчетным толщинам стенок, мм;

D₁ - внутренний диаметр сосуда, мм;

D₂ - внутренний диаметр рубашки, мм;

D₃ - средний диаметр сосуда (D₃ = D₁ + s₁), мм;

D₄ - средний диаметр рубашки (D₄ = D₂ + s₂), мм;

D_к - наибольший внутренний диаметр компенсатора, мм;

D_p - расчетный диаметр, мм: для цилиндрической обечайки D_p = D₁, для днища D_p = D₁;

d₀ - наружный диаметр отбортовки или анкерной трубы, мм;

d₁ - диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда, мм; если рубашка присоединена не к днищу, то d₁ принимают равным нулю;

Е₁ - модуль упругости материала сосуда при расчетной температуре, МПа;

Е₂ - модуль упругости материала рубашки или канала при расчетной температуре, МПа;

е₀ - расстояние от середины стенки рубашки до наружной стороны стенки сосуда, мм;

е₂ - расстояние от центра тяжести поперечного сечения канала до середины стенки сосуда, мм;

F - осевое усилие от собственной массы, Н;

F_к - осевое усилие на компенсатор, Н;

f₁, f₂, f₃, f₄ - коэффициенты прочности сопряжений при помощи конуса;

f₅, f₆ - коэффициенты прочности сопряжений анкерными трубами и отбортовками;

G₁ - собственная масса сосуда и его содержимого, Н;

G₂ - собственная масса рубашки и ее содержимого, Н;

Н - относительный размер кольца;

h₀ - исполнительная толщина кольца, мм;

h_0р - расчетная толщина кольца, мм;

h₁ - ширина ленты направляющей спирали, мм;

h₂ - высота канала [h₂ = r₃ (1 - cos γ)], мм;

I_к - момент инерции поперечного сечения канала относительно оси, проходящей через центр его тяжести параллельно стенке сосуда, мм⁴;

К₀, К₁, К₂ - коэффициенты для расчета напряжений в зоне сопряжения с помощью конуса;

К₃, К₄, К₅, К₆, К₇, К₈ - коэффициенты для расчета напряжений в сопряжении анкерными трубами или отбортовкой;

К₉, К₁₀, К₁₁ - коэффициенты для расчета напряжений в каналах;

L - расчетная длина рубашки, мм;

l₁, l₂ - расчетные длины цилиндрических обечаек с кольцами жесткости, мм;

l₃ - длина примыкающего элемента, учитываемая при определении расчетной длины, мм; определяют по ГОСТ Р 52857.2;

l_е - эффективная длина стенки обечайки, учитываемая при определении эффективного момента инерции кольца или канала, мм;

l_R - исполнительная длина укрепления стенки рубашки в месте сопряжения с помощью конуса или расстояние от первого кольцевого шва до отбортовки, мм;

М₀ - относительный момент нагружения;

M₁, М₂, М₃ - относительные реактивные моменты;

m - относительный реактивный момент в месте сопряжения анкерными трубами или отбортовками;

N - число рабочих циклов;

[N]_i - допускаемое число рабочих циклов рассматриваемого материала при расчетной температуре и размахе напряжений Δσ_i по 2.6.3 (i = 0; 1; 2;... 6);

п₁ - число витков направляющей спирали;

п₂ - число витков змеевикового канала;

п₃ - число замыканий змеевикового канала;

Р - относительное давление, МПа;

p₁ - расчетное давление в сосуде при эксплуатации или испытании, МПа. Если абсолютное давление больше атмосферного (избыточное давление), то p₁ > 0; если абсолютное давление меньше атмосферного (вакуум), то p₁ < 0;

р₂ - расчетное давление в рубашке или в канале в состоянии эксплуатации или испытания, МПа;

[р₂] - допускаемое внутреннее избыточное давление в рубашке или в канале, МПа;

Q - геометрический параметр кольца;

R₁ - радиус кривизны в вершине днища сосуда по внутренней поверхности, мм;

R₂ - радиус кривизны в вершине днища рубашки по внутренней поверхности, мм;

r₀ - внутренний радиус кривизны отбортовки для конических сопряжений, мм;

r₁ - внутренний радиус кривизны отбортовки для сопряжений с отбортовкой, мм;

r₂ - наружный радиус канала, мм;

r₃ - средний радиус канала (r₃ = r₂ - 0,5s₂), мм;

s₀ - исполнительная толщина стенки анкерной трубы, мм;

s_op - расчетная толщина стенки анкерной трубы, мм;

s₁ - исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки сосуда, мм;

s_1p - расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки сосуда, мм;

s₂ - исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки рубашки и конуса или канала, мм;

s_2p - расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки рубашки и конуса или канала, мм;

s₃ - исполнительная толщина стенки днища сосуда, мм;

s₄ - исполнительная толщина стенки днища рубашки, мм;

s_p - расчетная толщина стенки рубашки, мм; на цилиндрической обечайке s_p = s₂, на выпуклом днище s_p = s₄;

T - рабочая температура, °С;

ΔT₁ - разность между средней температурой стенки сосуда и температурой 20 °С;

ΔT₂ - разность между средней температурой стенки рубашки или канала и температурой 20 °С;

t₀ - эффективный шаг анкерных труб или отбортовок, мм;

t₁, t₂ - расчетный шаг анкерных труб или отбортовок, мм;

t_p - шаг анкерных труб или отбортовок вдоль оси на цилиндрической обечайке  мм;

t_т - шаг анкерных труб или отбортовок по окружности, мм:

на цилиндрической обечайке

на днище

t_l - расстояние вдоль оси от края рубашки до первого ряда анкерных труб или отбортовок, мм;

t_к - расстояние по окружности от края рубашки до первого ряда анкерных труб или отбортовок  мм;

t_s - шаг направляющей спирали или змеевикового канала, мм;

V - коэффициент понижения прочности при наличии отверстий в канале в зоне штуцеров;

W₁ - момент сопротивления сварного шва на единицу его длины между корпусом сосуда и кольцом, мм²;

W₂ - момент сопротивления сварного шва на единицу его длины между кольцом и рубашкой, мм²;

Х₁, Х₂, Х₃ - вспомогательные величины;

α - угол конического сопряжения,... °;

α₁ - коэффициент температурного удлинения материала сосуда, 1/°С;

α₂ - коэффициент температурного удлинения материала рубашки или канала, 1/°С;

β_к1, β_к2 - эффективные коэффициенты концентрации;

γ_к - общий эффективный коэффициент концентрации;

γ - половина центрального угла канала,... °;

δ_T - угол шага анкерных труб или отбортовок на цилиндрической обечайке по окружности,...°;

δ_D - угол шага анкерных труб или отбортовок на днище,...°;

δ_К - угол по окружности от края рубашки до первого ряда анкерных труб или отбортовок,...°;

Δσ_i - размахи напряжений (i = 0; 1; 2;... 6), МПа;

ε_р - относительное продольное удлинение в рубашке;

[ε_р] - допускаемое относительное продольное удлинение в рубашке;

ε_т - разность температурных относительных удлинений;

ε - коэффициент, учитывающий расстояние между корпусом сосуда и рубашкой;

η - коэффициент нагружения;

λ - коэффициент длины сопряжения;

μ - относительная эффективная несущая длина конуса;

ρ - коэффициент радиуса отбортовки;

σ_А - амплитуда напряжений, МПа;

[σ]₀ - допускаемое напряжение для кольца сопряжения или анкерной трубы при расчетной температуре, МПа;

[σ]₁ - допускаемое напряжение для стенки сосуда при расчетной температуре, МПа;

[σ]₂ - допускаемое напряжение для стенки рубашки или канала при расчетной температуре, МПа;

[σ_А] - допускаемая амплитуда напряжения рассматриваемого материала при расчетной температуре и при числе рабочих циклов N, МПа;

[]_i - допускаемый размах напряжений (i = 0; 1; 2;.... 6), МПа;

φ₀ - расчетный коэффициент прочности сварного шва на направляющей спирали;

φ₁ - коэффициент снижения допускаемых напряжений при расчете на устойчивость;

φ₂ - коэффициент прочности сварного шва;

φ₃, φ₄ - коэффициенты понижения прочности канала;

φ_p1, φ_p2, φ_р3, φ_р4, φ_р5, φ_р6 - расчетные коэффициенты прочности сварных швов;

φ_п0 - коэффициент прочности сварного радиального шва в кольце сопряжения;

φ_п1 - коэффициент прочности сварного продольного шва сосуда;

φ_п2 - коэффициент прочности сварного продольного шва рубашки;

φ_т1 - коэффициент прочности сварного кольцевого шва сосуда;

φ_т2 - коэффициент прочности сварного кольцевого шва рубашки;

χ - коэффициент отношения прочности корпуса сосуда и рубашки;

ψ - половина угла обхвата рубашки с сопряжением анкерными трубами или отбортовкой,... °.

4 Условия применения расчетных формул

4.1 Общие условия применения расчетных формул

4.1.1 Формулы применимы, если в рубашке действует только избыточное внутреннее давление (р₂ ≥ 0).

4.1.2 Формулы для проверок малоцикловой прочности (см. разделы 5-8) применимы, если рабочие температуры не превышают значений, при которых следует учитывать ползучесть материалов, то есть когда допускаемое напряжение, приведенное в ГОСТ Р 52857.1, определяют только по пределу текучести или временному сопротивлению (пределу прочности). Если нет точных данных, то формулы применимы, если расчетная температура не превышает следующих значений:

380 °С - для углеродистой стали;

420 °С - для низколегированной стали;

525 °С - для аустенитной стали.

4.1.3 Формула для определения допускаемого размаха напряжений [] действительна, если радиусы кривизны, полученные методом холодной деформации (r₀, r₁, r₂), больше четырехкратной толщины стенки.

4.1.4 Проверка на малоцикловую прочность приведена только для мест сопряжения сосуда с рубашкой или каналом. Для всех других элементов, испытывающих циклическую нагрузку, расчет следует проводить по ГОСТ Р 52857.6.

4.1.5 Проверка на малоцикловую прочность приведена для напряжений, вызываемых изменениями средних температур стенок. Если возникающая разница температур между соседними точками составляет больше 15 °С, то расчет на малоцикловую прочность проводят по ГОСТ Р 52857.6.

4.2 Условия применения формул для сосудов с U-образной и цилиндрической рубашкой

4.2.1 Формулы применимы при соотношении:

- диаметров

- толщины стенки и диаметров

- толщин стенок

4.2.2 Формулы для сопряжений с помощью конуса применимы для углов α = 30°, α = 45 ° и радиуса отбортовки

4.2.3 Формулы для сопряжений с помощью конуса применимы при условии полностью проваренных сварных швов, а для числа циклов нагружения N > 10³ - при условии двустороннего сварного шва между конусом и рубашкой (см. рисунок А.1, приложение А).

4.2.4 Формулы для сопряжения с помощью кольца применимы при толщине кольца

h₀ ≥ 1,5s₂ - для U-образной рубашки,

 - для цилиндрической рубашки.

4.2.5 Формулы для сопряжений с помощью кольца применимы при условии полностью проваренных сварных швов между кольцом и рубашкой (см. рисунок А.2, приложение А).

4.2.6. Диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда должен удовлетворять условию

d₁ ≤ 0,4D₂.

Расчет сопряжения рубашки с днищем сосуда не проводят, если оно соответствует рисунку А.3, приложение А.

4.3 Условия применения формул для сосудов с рубашками, сопряженными анкерными трубами или отбортовками

4.3.1 Угол шага δ_т сопряжения анкерными трубами или отбортовками должен удовлетворять условию

4.3.2 Формулы по 4.3-4.5 применимы при соотношении шагов

4.3.3 Формула для сопряжения отбортовкой применима при углах отбортовки 30° и 45° (см. рисунок А.4, приложение А) и при проваренных сварных швах.

4.3.4 Формулы для анкерных труб применимы при размере сварного шва

a ≥ 0,7min{s₀; s₂}.

4.3.5 Расчет на усталость по 4.6 применим при соотношении толщин стенок

4.4 Условия применения формул для сосудов с каналами

4.4.1 Расчетные формулы по разделу 5 применимы при:

- ширине канала b₂ ≤ 0,1D₁;

- высоте канала h₂ ≥ s₂;

- половине центрального угла канала 20° ≤ γ ≤ 90 °.

4.4.2 Формулы для каналов применимы при V-образных сварных швах с полным проваром, а для каналов полукруглого сечения также и при угловых швах.

4.4.3 Расчет на усталость по 8.6 применим при соотношении толщин стенок

5 Сосуды с U-образной рубашкой

5.1 Цилиндрические обечайки

5.1.1 Расчет цилиндрических обечаек на внутреннее избыточное давление проводят по ГОСТ Р 52857.1. Расчетное давление для рубашки равно р₂ и расчетное давление для сосуда - р₁, если р₁ > 0.

5.1.2 Расчет цилиндрической обечайки сосуда на наружное давление проводят по ГОСТ Р 52857.2. При р₁ < 0 за расчетное давление для сосуда вне рубашки принимают |р₁|, а для обечайки корпуса под рубашкой р₂ + |р₁|.

При р₁ > 0 расчетное давление в зоне рубашки равно р₂ или р₂ - р₁, если обеспечивается одновременное действие давления р₁ и р₂.

Расчетную длину L следует определять по ГОСТ Р 52857.2.

5.1.3 Цилиндрическую стенку сосуда с кольцами жесткости рассчитывают по ГОСТ Р 52857.2.

Направляющие спирали можно рассматривать как кольца жесткости, если выполнены следующие условия:

а) шаг спирали t_s должен быть не более 0,3D₁ Если n₁ ≤ 1, то цилиндрическую обечайку следует рассчитывать как гладкую обечайку;

б) за расчетную длину l₂ принимают расстояние вдоль оси сосуда от конечной точки расчетной длины (см. рисунок А.5, приложение А) до точки замыкания первого витка направляющей спирали, охватывающего всю окружность сосуда. Для направляющих спиралей, выполненных с концевыми кольцами, действительно определение l₂ по ГОСТ Р 52857.2;

в) расчетные длины b, l₁, l_e при расчете по ГОСТ Р 52857.2 вычисляют по формулам:

b = max{t_s - b₁; l₂ - 0,5b₁},                                                                                     (1)

                                                                                                               (2)

                                                                              (3)

г) поперечное сечение направляющей спирали (см. рисунок А.6, приложение А) должно удовлетворять условию  чтобы исключить потерю устойчивости из плоскости;

д) для обеспечения прочности обоих угловых швов на направляющей спирали должно быть выполнено условие

                                                                                                                (4)

Коэффициент сварного шва φ₀ определяют как отношение длины сварного шва к общей длине спирали. При этом расстояние между двумя концами прерванного шва не должно превышать восьмикратной толщины стенки обечайки s₁, а сумма длин сварных швов не должна быть меньше половины окружности направляющей спирали на одном витке. Оба конца спирали должны начинаться швом.

5.2 Днища

5.2.1 Расчет выпуклых днищ на внутреннее избыточное и наружное давления проводят по ГОСТ Р 52857.2. Расчетные давления принимают согласно 5.1.1 и 5.1.2. Для днища сосуда, нагруженного избыточным давлением р₂, допускается проводить расчет по другим методам, которые учитывают отсутствие давления на участке в пределах d₁.

5.2.2 При расчете днища рубашки отверстие диаметром d₁ не учитывают.

5.3 Сопряжение рубашки с корпусом сосуда с помощью конуса (см. рисунок А.1, приложение А)

5.3.1 Вспомогательные параметры вычисляют по формулам:

а) коэффициент осевого усилия:

                                                                                                       (5)

б) коэффициент, учитывающий расстояние между корпусом сосуда и рубашкой:

                                                                                                     (6)

в) коэффициент радиуса конической отбортовки:

     (7)

г) коэффициент длины сопряжения:

                                                                             (8)

д) коэффициент отношения прочности корпуса сосуда и рубашки:

              (9)

Если в сосуде вакуум (р₁ < 0), то в формулу (9) подставляют р₁ = 0;

е) расчетные коэффициенты прочности сварного шва:

                                                                                          (10)

        (11)

ж) относительную эффективную несущую длину конуса

                                                                                  (12)

5.3.2 Допускаемое избыточное давление в рубашке вычисляют по формуле

                                                                                   (13)

5.3.3 Коэффициент сопряжения с помощью конуса вычисляют по формуле

                                                                                  (14)

где

                                                                                       (15)

                                                                                                         (16)

                                                                                     (17)

f₁, f₂, f₃ и f₄ определяют в зависимости от вспомогательных параметров.

Коэффициент f₁:

- для

- для

f₁ = λ + min (1; χ).

Коэффициент f₂:

- для α = 30°

f₂ = 1,22 (1 + 0,51ρ + 2εz),

- для α = 45°

f₂ = 0,71 + 0,52ρ + εz,

где

Коэффициент f₃:

- для α = 30°

- для α = 45°

Коэффициент f₄:

- для α = 30°

- для α = 45°

5.3.4 Определение размеров сопряжения с помощью конуса

Толщина стенки конуса должна быть не менее толщины стенки сопряженной цилиндрической рубашки. Если необходимо увеличить толщину стенки конуса, то следует одновременно увеличить и толщину стенки сопряженной цилиндрической обечайки рубашки на длине

Толщину стенки конуса рассчитывают методом итерации по формулам:

                                                                                                (18)

s₂ ≥ s_2p + c.                                                                                                                  (19)

Коэффициент А вычисляют по формуле (5), а B - по формуле (14), причем в качестве исходного значения для s₂ берут исполнительную толщину стенки цилиндрической рубашки.

5.4 Сопряжение рубашки с корпусом сосуда с помощью кольца (см. рисунок А.2, приложение А).

5.4.1 Вспомогательные параметры определяют по формулам:

а) расчетные коэффициенты прочности сварного шва

          (20)

          (21)

б) параметры кольца

                                                                                                         (22)

                                                                                                                (23)

                                                                                                                 (24)

в) относительный момент нагружения

                                                                                            (25)

г) относительный реактивный момент в стенке сосуда

                                    (26)

если р₁ > р₂ > 0, то в формулу (26) подставляют р₁, равное 0;

д) относительный реактивный момент в стенке рубашки

                                                                                 (27)

е) относительный реактивный момент в месте сопряжения кольца со стенкой сосуда

М₃ = min {QH²; (1 + 2Н) М₁}.                                                                                     (28)

5.4.2 Допускаемое избыточное давление в рубашке вычисляют по формуле

Высоту кольца вычисляют по формуле

                                                                              (29)

5.4.3 Высоту кольца вычисляют по формуле

                     (30)

h₀ ≥ h_0p + c.                                                                                                             (31)

При наличии в формуле (30) отрицательного значения под знаком радикала соответствующий член при определении максимума не учитывают. Если в обоих членах значения под знаком радикала отрицательны, то толщину кольца определяют по 4.2.4.

5.4.4 Расчет сварных швов

Размер сварного шва между сосудом и кольцом при сопряжениях (см. рисунок А.2а,б, г, приложение А) вычисляют по формуле

                                      (32)

5.5 Нагрузка от собственной массы

Собственные массы G₁ и G₂ вызывают в конусе или в кольце осевое усилие

Проверку несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в рубашке следует проводить по формуле

                                                                                             (33)

где [р₂] - допускаемое избыточное давление по формуле (13) для сопряжения с помощью конуса и по формуле (29) для сопряжения с помощью кольца.

5.6 Проверка на малоцикловую прочность

Размах напряжений приближенно вычисляют по формуле

                                                    (34)

где

[p₂] - допускаемое избыточное давление по формуле (13) для сопряжения с помощью конуса, по формуле (29) - для сопряжения с помощью кольца.

5.6.1 Разность температурных относительных удлинений вычисляют по формуле

                                                                                              (35)

За расчетное принимают наибольшее абсолютное значение ε_т, которое получается за время рабочего цикла.

5.6.2 Общий эффективный коэффициент концентрации γ_к определяют по таблице 1.

Таблица 1 - Эффективные коэффициенты концентрации

5.6.3 Проверку на малоцикловую прочность проводят из условий

                                                                                           (36)

Допускаемый размах напряжений  вычисляют по формуле

                                                                                                                (37)

Допускаемую амплитуду напряжения определяют по ГОСТ Р 52857.6. Допускаемое число рабочих циклов [N]₀ определяют для соответствующей амплитуды напряжений по ГОСТ Р 52857.6.

                                                                                                                   (38)

6 Сосуды с цилиндрическими рубашками (см. рисунок А.7, приложение А)

6.1 Цилиндрические обечайки

Цилиндрические обечайки рассчитывают в соответствии с 5.1.1 - 5.1.3.

6.2 Сопряжение с помощью конуса (см. рисунок А.1, приложение А)

Конические сопряжения удовлетворяют требованиям прочности, если они выполнены с толщиной стенки, равной толщине стенки цилиндрической обечайки рубашки, и если они соответствуют требованиям 4.2.2 и условиям формулы

                                                                                                 (39)

6.3 Сопряжение с помощью кольца (см. рисунок А.2, приложение А)

6.3.1 Высоту кольца вычисляют по формулам:

                                                                                                   (40)

h₀ ≥ max {s₂; h_0р + с}.                                                                                             (41)

6.3.2 Сварные швы

Размер сварного шва между сосудом и кольцом при сопряжениях, приведенных на рисунках А.2а, б, г, приложение А, вычисляют по формуле

                                                      (42)

- для колец при сопряжении, приведенном на рисунке А.2в, приложение А,

а = h₀.                                                                                                                     (43)

6.4 Компенсаторы

Если по результатам расчета на малоцикловую прочность необходимо встроить в рубашку компенсатор (см. 6.6.3), то допускаемое избыточное давление [р₂] в рубашке вычисляют для сопряжений с помощью конуса по формуле (13) и для сопряжений с помощью кольца по формуле (29). При этом коэффициент осевого усилия А вычисляют по формуле

                                                                                            (44)

Компенсатор рассчитывают при нагружении давлением р₂ и силой реакции

6.5 Нагрузка от собственной массы сосуда или рубашки

Проверку несущей способности при нагружении конических или кольцевых сопряжений собственной массой сосуда или рубашки проводят по формуле

                                                                                                     (45)

где [p₂] - допускаемое избыточное давление по формуле (13) для сопряжения с помощью конуса и по формуле (29) для сопряжения с помощью кольца.

При наличии компенсатора на рубашке формула (45) применима при условии, если опорные элементы сосуда не расположены на рубашке.

6.6 Проверка на малоцикловую прочность

6.6.1 Сопряжение рубашки с корпусом сосуда с помощью конуса (см. рисунок А.1, приложение А)

Относительное продольное удлинение в рубашке вычисляют по формуле

                                                                                           (46)

где ε_т определяют согласно 5.6.1;

                                                                (47)

ε вычисляют по формуле (6).

Относительное продольное удлинение рубашки должно удовлетворять условию

                                                                                            (48)

Расчетный коэффициент прочности сварного шва

                                                                                             (49)

где φ₁ - коэффициент снижения допускаемых напряжений при расчете на устойчивость по ГОСТ Р 52857.2, определенный для рубашки.

Размах напряжений в сварном шве между сосудом и конусом вычисляют по формуле

                                                                               (50)

где β_к1, γ_к - см. таблицу 1;

                                        (51)

где

                                                                               (52)

Размах напряжений в сварном шве между рубашкой и конусом, приведенный на рисунке А.1а, б, приложение А, вычисляют по формулам:

                                                                             (53)

                                                                      (54)

Проверку на малоцикловую прочность проводят по формуле (55), а для конусов - по рисункам А.1а, б, приложение А, - дополнительно по формуле (56)

                                                                                       (55)

                                                                                      (56)

Допускаемые размахи напряжений  и  или допускаемое число рабочих циклов  и  определяют согласно 2.6.3. Индекс 1 относится к сварному шву между корпусом сосуда и сопряжением с помощью конуса, а индекс 2 к сварному шву между рубашкой и сопряжением с помощью конуса.

6.6.2 Сопряжение рубашки с корпусом сосуда с помощью кольца (см. рисунок А.2, приложение А)

Относительное продольное удлинение в рубашке вычисляют по формуле

                                                    (57)

где ε_т - см. 5.6.3.

Относительное продольное удлинение рубашки должно удовлетворять условию

                                                                                            (58)

Расчетный коэффициент прочности сварного шва вычисляют по формуле

                                                                                        (59)

где φ₁ - коэффициент снижения допускаемых напряжений при расчете на устойчивость по ГОСТ Р 52857.2, определенный для рубашки;

φ₂ - по таблице 2.

Таблица 2 - Погонный момент инерции и коэффициент прочности сварного шва

Размах напряжений в сварном шве между сосудом и кольцом вычисляют по формуле

                                                            (60)

Размах напряжений в сварном шве между рубашкой и кольцом вычисляют по формуле

                                    (61)

Проверку на малоцикловую прочность проводят по формулам (55) и (56), при этом допускаемые размахи напряжений  и  или допускаемое число рабочих циклов  и  определяют согласно 5.6.3. Индекс 1 относится к сварному шву между корпусом сосуда и кольцом, а индекс 2 к сварному шву между рубашкой и кольцом.

6.6.3 Если не удовлетворяются требования малоцикловой прочности по 6.6.1 или 6.6.2, необходимо произвести конструктивные изменения, например предусмотреть компенсатор.

В этом случае он должен воспринимать температурное удлинение, равное Lε_т при рабочем числе циклов. Дальнейший расчет следует выполнять по 6.4.

6.6.4 Допускается определять уточненное значение размаха напряжений, а также допускаемую амплитуду или допускаемое число циклов в соответствии с ГОСТ Р 52857.6.

7 Сосуды, частично охваченные рубашками, сопряженными с корпусом анкерными трубами или отбортовками (см. рисунок А.8, приложение А)

7.1 Цилиндрическая обечайка

7.1.1 Цилиндрическую обечайку сосуда рассчитывают по ГОСТ Р 52857.2 на внутреннее избыточное давление с расчетным давлением р₁, если р₁ > 0.

7.1.2 Если р₁ < 0, то цилиндрическую обечайку сосуда рассчитывают по ГОСТ Р 52857.2 на наружное давление с расчетным давлением |р₁|.

7.1.3 Части цилиндрической обечайки сосуда, охваченные рубашкой, и цилиндрические части рубашки при нагружении давлением р₂ рассчитывают по 7.4.3, как плоские участки.

Если р₁ < 0, следует дополнительно выполнять условие по формуле (62) и требование 7.3.1, чтобы исключить появление вмятин на цилиндрической обечайке сосуда

                                                                                       (62)

7.2 Днища

7.2.1 Выпуклые днища рассчитывают по ГОСТ Р 52857.2 на внутреннее избыточное давление с расчетным давлением р₁ если р₁ > 0, и на наружное давление с расчетным давлением |р₁|, если р₁ < 0.

7.2.2 Части днища сосуда, охваченные рубашкой, и части рубашки в зоне днища при нагружении давлением р₂ рассчитывают по 7.3, как плоские участки. При этом в формулы вместо толщины стенки цилиндрической обечайки s₁ подставляют толщину днища сосуда s₃ и вместо толщины стенки цилиндрической обечайки s₂ толщину днища рубашки s₄.

7.3 Плоские участки

7.3.1 Допускаемое избыточное давление в рубашке вычисляют по формуле

- для стенки сосуда:

                                                            (63)

- для стенки рубашки:

                                                                                            (64)

Коэффициенты прочности f₅ и f₆ определяют в зависимости от отношения d₀/t₀ и от относительного реактивного момента т, вычисленного по формулам (66),

                                                                                                                (65)

                                                                   (66)

7.3.2 Расчет размеров плоских участков

Шаг вычисляют по формулам:

                                                               (67)

                                                                                              (68)

                                                                                                         (69)

Для заданного отношения d₀/t₀ и m определяют коэффициенты прочности f₅ и f₆. Если задаться диаметром d₀, то t₁ и t₂ можно получить методом итерации. При определении t_p и t_т по формулам (69) и (65) необходимо учитывать требование 4.3.2.

Толщину стенок вычисляют по формулам:

                                                                                  (70)

s₁ ≥ s_1p + c,                                                                                                              (71)

                                                                                                     (72)

s₂ ≥ s_2p + c.                                                                                                              (73)

Для сосудов с рубашками на анкерных трубах значение s₂ определяют методом последовательных приближений с учетом зависимости s₂ от т.

7.3.3 Краевые зоны рубашек, сопряженных с корпусом анкерными трубами или отбортовками

Размеры сопряжений с помощью конуса определяют по 6.2 и размеры сопряжений с помощью кольца - по 6.3.

Расстояния от края рубашки до первого ряда анкерных труб или отбортовок должны удовлетворять условиям:

                                                                                         (74)

                                                                                         (75)

где f₆ вычисляют по формуле (66).

7.4 Определение толщины отбортовок (см. рисунок А.4, приложение А)

Толщину отбортовок вычисляют по формуле

                                                                         (76)

где

s₂ = a ≥ s_2p + c,                                                                                                       (77)

                                                                                                      (78)

t₀ вычисляют по формуле (65).

7.5 Определение толщины анкерных труб (см. рисунок А.4, приложение А)

Толщину анкерных труб вычисляют по формуле

                                                                     (79)

где η вычисляют по формуле (78).

s₀ ≥ s_0p + с.                                                                                                              (80)

Размер сварного шва должен удовлетворять условию:

a ≥ 1,41s_0p + c.                                                                                                       (81)

Определяемые по формулам (80) и (81) размеры угловых швов и анкерных труб должны отвечать требованию 4.3.4.

7.6 Проверка на малоцикловую прочность

7.6.1 Размах напряжений в сварных швах вычисляют по формулам:

а) сопряжение отбортовкой

                                                                            (82)

б) сопряжение анкерными трубами

                                                                   (83)

- для рубашки на цилиндрической обечайке:

                                                                                                                (84)

                                                                                                                (85)

- для рубашки на выпуклом днище:

                                                                                                                (86)

                                                                                                               (87)

- для сопряжений анкерными трубами:

7.6.2 Размах напряжений в плоских участках вычисляют по формуле

                                                                                           (88)

где

                                     (89)

7.6.3 Проверку на малоцикловую прочность проводят по формулам:

                                                                                       (90)

                                                                                      (91)

Допускаемые размахи напряжений  или  или допускаемое число рабочих циклов  и  определяют согласно 5.6.3. Индекс 3 относится к сварному шву между корпусом сосуда и сопряжением отбортовкой или коварному шву между рубашкой и анкерной трубой, индекс 4 относится к рубашке.

7.7 Допускается применение методики, указанной в разделе 7, для приближенного расчета сосудов, полностью охваченных рубашками.

8 Сосуды со змеевиковыми или регистровыми каналами

8.1 Цилиндрическая обечайка

8.1.1 Цилиндрическую обечайку сосуда рассчитывают по ГОСТ Р 52857.2 на внутреннее избыточное давление с расчетным давлением р₁, если р₁ > 0.

8.1.2 Если р₁ > 0, то цилиндрическую обечайку сосуда рассчитывают по ГОСТ Р 52857.2 на наружное давление с расчетным давлением |р₁|.

8.1.3 В сосудах со змеевиковым каналом (рисунок А.9, приложение А) его можно рассматривать как кольцо жесткости и цилиндрическую обечайку рассчитывать, как укрепленную кольцами жесткости по ГОСТ Р 52857.2, при условии, что учитываются следующие особенности:

а) шаг змеевикового канала t_s должен быть не более 0,3D₁. Если п₂ ≤ п₃ + 1, то цилиндрическую обечайку рассчитывают, как гладкую обечайку;

б) расчетную длину l₂ при расчете по ГОСТ Р 52857.2 определяют, как осевое расстояние от начала или конца расчетной длины (см. рисунок А.9а, приложение А) до места окончания первого витка змеевикового канала, охватывающего всю окружность рубашки;

в) расчетные значения b, l₁ и l_е при расчете по ГОСТ Р 52857.2 вычисляют по формулам:

                                                                                 (92)

                                                                                                        (93)

        (94)

г) используемые в ГОСТ Р 52857.2 величины е, I_к и A_к вычисляют по формулам:

                                                                                          (95)

                                                                                          (96)

                                                      (97)

8.1.4 Цилиндрическую обечайку сосуда при нагружении давлением р₂ в каналах вычисляют, как полосу обечайки шириной b₂ по 8.3.

8.2 Днища

8.2.1 Выпуклые днища рассчитывают по ГОСТ Р 52857.2 на внутреннее избыточное давление с расчетным давлением р₁ если р₁ > 0, и на наружное давление с расчетным давлением р₁ если р₁ < 0.

8.2.2 Выпуклые днища при нагружении давлением р₂ в каналах вычисляют, как полосу обечайки шириной b₂ по 8.3.2.

8.3 Полоса обечайки под каналами

8.3.1 Каналы по окружности цилиндрической обечайки должны отвечать условию:

                                                  (98)

Если р₁ < 0, то должно дополнительно выполняться условие:

                                                       (99)

Если р₂ > р₁ > 0, то должно дополнительно выполняться условие:

                                                                                   (100)

8.3.2 Каналы вдоль оси цилиндрической обечайки и каналы на днище вычисляют по формуле

                                                    (101)

8.4 Каналы

8.4.1 Вспомогательные параметры

Коэффициент понижения прочности V в зоне сопряжения штуцера с каналом рассчитывают по ГОСТ Р 52857.3. Если канал и штуцер выполнены из трубы одинаковых размеров и материала, то коэффициент V вычисляют по формуле

                                                                                              (102)

Коэффициент прочности сварного шва:

- для V-образного шва (см. рисунок А.9а, б, приложение А):

φ_р5 = φ_р6 = φ_т2.                                                                                                        (103)

- для углового шва (см. рисунок А.9б, приложение А):

                                                                                     (104)

φ_р6 = 0,4.                                                                                                                 (105)

Коэффициенты понижения прочности каналов φ₃ и φ₄ вычисляют по формулам:

φ₃ = min {V; φ_р5};                                                                                                   (106)

φ₄ = min {V; φ_р6}.                                                                                                   (107)

8.4.2 Допускаемое избыточное давление в канале вычисляют по формуле

                                                                                               (108)

8.4.3 Толщину стенки канала вычисляют по формулам:

                                                                                                 (109)

s₂ ≥ s_2p + c,                                                                                                              (110)

при этом размер сварного шва для угловых швов

a ≥ 0,6s_2p.                                                                                                               (111)

8.5 Распределительные каналы в сосудах с регистровыми каналами (см. рисунок А.9б, приложение А).

Расчет проводят в соответствии с 8.4, причем следует использовать величины V, φ₃, φ₄ по формулам:

                                                                                                              (112)

φ₃ = Vφ_p5,                                                                                                                (113)

φ₄ = Vφ_p6.                                                                                                                (114)

8.6 Проверка на усталостную прочность

8.6.1 Размах напряжений в сварных швах между сосудом и каналом вычисляют по формуле

                                                            (115)

где

                                                                      (116)

          (117)

          (118)

8.6.2 Размах напряжений в поперечном сечении канала вычисляют по формуле

                                                                                             (119)

8.6.3 Проверку на малоцикловую прочность проводят из условий:

                                                                                       (120)

                                                                                      (121)

Допускаемые размахи напряжений  и  или допускаемое число рабочих циклов  и  определяют согласно 5.6.3. Индекс 5 относится к сварному шву между корпусом сосуда и каналом, а индекс 6 - к каналам.

Приложение А
(справочное)

Рисунки, поясняющие текст стандарта и расчетные размеры

Рисунок А.1 - Сопряжение рубашки с корпусом сосуда с помощью конуса

Рисунок А.2 - Сопряжение рубашки с корпусом сосуда с помощью кольца

а - коническое б - кольцевое

Рисунок А.3 - Сопряжение рубашки с днищем

Рисунок А.4 - Сопряжение рубашки с корпусом сосуда отбортовкой

а - с сопряжением с помощью конуса; б - с сопряжением с помощью кольца

Рисунок А.5 - Сосуды с U-образной рубашкой

Рисунок А.6 - Направляющая спираль

а - с сопряжением с помощью конуса; б - с сопряжением с помощью кольца

Рисунок А.7 - Сосуды с цилиндрической рубашкой

а - с отбортовкой; б - с анкерными трубами

Рисунок А.8 - Сосуды с рубашками, сопряженными с корпусом сосуда анкерными трубами или отбортовкой

Рисунок А.9а - Сосуды со змеевиковыми каналами

Рисунок А.9б - Сосуды с регистровыми каналами

Рисунок А.10 - Сопряжение рубашки с корпусом сосуда анкерными трубами

а - полукруглое сечение с V-образным швом; б - полукруглое сечение с угловым швом; в - сегментное сечение

Рисунок А.11 - Каналы

Ключевые слова: сосуды и аппараты с рубашками, нормы и методы расчета на прочность