ВСН 185-85. Расчет на прочность обвязочных трубопроводов


Ведомственные строительные нормы

Расчет на прочность обвязочных трубопроводов

ВСН 185-85Миннефтегазстрой

МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Москва 1986

РАЗРАБОТАНЫ И ВНЕСЕНЫВсесоюзным научно-исследовательским институтом по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИСТ) -

Р. М. Шакиров, докт. техн. наук, директор института

И. Д. Красулин, канд. техн. наук, зам. директора

Б. И. Завойчииский, канд. физ.-мат. наук, научный руководитель и ответственный исполнитель

при участии Государственного института по проектированию магистральных трубопроводов специального строительства (Гипроспецгаз) -

М. Ф. Трубачев, директор института

О. И. Рогаткин, начальник отдела

Л. Д. Никифоров, главный специалист

ПОДГОТОВЛЕНЫ К

УТВЕРЖДЕНИЮГлавным техническим управлением Миннефтегазстроя (ГТУ) -

М. В. Машков - начальник отдела

Управлением проектно-изыскательских работ Мингазпрома (УПИР) -

М. С. Федоров, начальник отдела

С введением в действие "Расчета на прочность обвязочных трубопроводов" утрачивает силу "Инструкция по расчету обвязочных трубопроводов", 1968 г.

СОГЛАСОВАНЫГосударственным комитетом СССР по делам строительства (Госстрой СССР) -

Б. Я. Говоровский - начальник Управления Главтехнормирования

Главным техническим управлением Миннефтегазстроя -

О. М. Иванцов - начальник ГТУ

Управлением проектно-изыскательских работ Мингазпрома -

В. Д. Батозский, начальник УПИР

Техническим управлением Мингазпрома (ТУ) -

А. Д. Седых - начальник ТУ

Министерство строительства (Предприятий нефтяной и газовой промышленности (Миннефтегазстрой)

Ведомственные строительные нормы

ВСН 185-85Миннефтегазстрой

Расчет на прочность обвязочных трубопроводов

Взамен Инструкции по расчету обвязочных трубопроводов

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие нормы распространяются на обвязочные трубопровода компрессорных станций магистральных газопроводов (КС) условным диаметром до 1420 мм (включительно) с избыточным давлением среды не выше 10 МПа при использовании центробежных или поршневых компрессоров.

Настоящие нормы не распространяются на обвязочные трубопроводы КС, вооружаемые в сейсмических районах, в зонах распространения многолетней мерзлоты или просадочных грунтов, на подрабатываемых территориях.

1.2. Обвязочный трубопровод КС состоит из следующих конструкций:

всасывающий трубопровод, соединяющий аппараты очистки газа и нагнетатели (ГПА);

нагнетательный трубопровод, соединяющий ГПА и аппараты охлаждения газа;

строительные конструкции опор, в том числе и разгрузочные;

строительные конструкции фундаментов под ГПА.

1.3. Расчет обвязочных трубопроводов на прочность проводят в следующей последовательности: определяют геометрические параметры обвязочных трубопроводов (в том числе толщин стенок труб и соединительных деталей); выбирают расчетную схему, соответствующую заданному конструктивному решению трубопроводов; определяют напряженно-деформированное состояние конструкций под действием эксплуатационных нагрузок и воздействий в течение нормативного срока их эксплуатации; оценивают статическую и длительную прочность элементов трубопроводов; оценивают циклическую прочность элементов трубопроводов при динамическом нагружении.

Внесены отделом прочности и надежности конструкций магистральных трубопроводов ВНИИСТа

Утверждены Миннефтегазстроем

13 ноября 1985 г.,

Мингазпромом

5 ноября 1985 г.

Срок введения в действие

1 мая 1986 г.

1.4. Расчет на прочность всасывающего и нагнетательного трубопроводов выполняется в следующем порядке:

в сечениях трубопровода находят компоненты усилий и моментов как в пространственной стержневой системе под действием расчетных нагрузок и воздействий;

определяют напряженное состояние элементов под действием этой системы усилий и моментов;

по теории предельных процессов простого нагружения оценивают статическую прочность, долговечность и динамическую прочность элементов, находящихся под действием системы усилий и моментов. Если при этом оказывается, что в некоторых элементах напряженное состояние не удовлетворяет требованиям прочности настоящих норм, следует изменить конструктивную схему таким образом, чтобы напряжения в данном элементе уменьшились до требуемого уровня.

Если будет установлено, что усилия и моменты, действующие на нагнетатели, превосходят значения, нормируемые заводом-изготовителем ГПА, конструктивную схему также следует изменить таким образом, чтобы уменьшить эти усилия и моменты до требуемого уровня.

1.5. Основные буквенные обозначения, принятые в тексте и формулах настоящих норм, приведены в приложении 1.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИН СТЕНОК ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ.

Значения расчетной толщины стенки труб δ следует определять по формуле (12) СНиП 2.05.06-85 при следующих значениях коэффициентов: m = 0,6; n = 1,1.

Значения коэффициента К1 для отечественных и импортных труб выбирают в соответствии с указаниями "Инструкции по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности", М., ВНИИСТ, 1983.

Геометрические размеры соединительных деталей следует определять по формулам (59) и (60) СНиП 2.05.06-85. При этом следует руководствоваться указаниями ГОСТ 17374-83 - ГОСТ 17380-83 и рекомендациями ОСТ 102-54-81 - ОСТ 102-57-81, ОСТ 102-58-81 - ОСТ 102-59-81, ОСТ 102-60-81 - ОСТ 102-62-81 "Детали магистральных трубопроводов стальные приварные на Ру до 10,0 МПа (100 кгс/см2)", ОСТ 102-39-85 - ОСТ 102-45-85 "Детали трубопроводов бесшовные приварные на Ру до 100 кгс/см2" (до 9,81 МПа) из низколегированных сталей".

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБВЯЗОЧНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ НАГРУЖЕНИИ

3.1. Для оценки конструктивной прочности обвязочных трубопроводов следует сначала определить напряженное состояние основных элементов трубопроводов при эксплуатационном нагружении. Оно характеризуется максимальными значениями компонент напряжений и их изменчивостью в процессе эксплуатации.

Провести затем оценку опасности этого напряженного состояния в течение срока службы газопровода, т.е. оценку прочности элементов при статическом и повторно-статическом эксплуатационном нагружении.

3.2. Напряженное состояние основных элементов обвязочного трубопровода определяют в два этапа. Главная цель первого этапа состоит в определении значений компонент усилия и момента в основных элементах трубопровода от воздействия расчетных нагрузок*) при их основных сочетаниях с учетом остановок КС в наиболее неблагоприятных температурных условиях. На втором этапе находят напряженное состояние отдельных элементов по ранее найденным значениям О и М.

*) Расчетные нагрузки равны нормативным, умноженным на соответствующие коэффициенты перегрузки.

На первом этапе допускается рассматривать обвязочный трубопровод как статически неопределимую пространственную стержневую систему переменной жесткости, учитывающую ответвления, подземную и надземную части, промежуточные опоры и нагнетатели, находящиеся на фундаментах. Эпюры и должны отражать действие на эту систему внутреннего давления, неравномерного температурного поля, распределенной и сосредоточенной весовых и 1 ветровых нагрузок, отпора грунта и сил трения на опорах.

При выборе расчетных нагрузок и воздействий следует руководствоваться указаниями СНиП 2.05.06-85 "Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования", СНиП 11-6-74 "Нагрузки и воздействия" и приложений 7 и 8.

Определение и в основных сечениях системы следует производить методами строительной механики статически неопределимых нелинейных систем (см. приложение 2).

3.3. Изгибную жесткость гнутых и сварных отводов следует находить по формуле

EJ* = ЕJ / Кp ξ,(1)

где коэффициенты Кр и ξ следует определять по приложению 3. При этом допускается использование методики (см. [9] приложения 2) при соответствующем обосновании.

В качестве расчетной модели тройникового соединения следует рассматривать модель, состоящую из четырех элементов.

В просвете тройника размещена абсолютно жесткая ??-образная вставка, в которой длина стойки равна внешнему радиусу магистральной части, а длины двух плеч равны внешнему радиусу отвода соединения. Примыкающие к вставке три упругих элемента имеют изгибную жесткость, равную жесткости трубы соответствующей толщины. Для сварных тройников с усиливающими накладками изгибная жесткость упругих элементов определяется как жесткость сечения этого элемента в зоне примыкания к абсолютно жесткой вставке.

В расчетной схеме взаимодействие каждого элемента подземной части обвязочного трубопровода с грунтом следует моделировать установкой равномерно распределенной "нелинейной пространственной пружины", жесткость которой характеризуется тремя коэффициентами C1, C2, C3 для трех взаимно перпендикулярных направлений. Первое направление совпадает с направлением продольной оси элемента, второе - является горизонтальным и перпендикулярно первому, третье - перпендикулярно плоскости, образованной первым и вторым направлениями.

Коэффициент жесткости пружины для первого направления C1 определяется трением между поверхностью изоляции и грунтом. Величина C1 зависит от глубины заложения элемента и от физико-механических свойств грунта (его вида, консистенции, крупности и пористости, способности сопротивляться предельным сдвиговым деформациям).

Коэффициент жесткости пружины для второго направления C2 отражает отпор грунта при боковом вдавливания цилиндрической поверхности. Коэффициент C2 зависит от величины бокового перемещения элемента и определяется способностью грунта сопротивляться нормальному вдавливанию штампа с цилиндрической поверхностью и учитывает физико-механические свойства засыпки траншеи и основного грунта.

Коэффициент жесткости пружины для третьего направления C3 учитывает отпор грунта при вертикальном вдавливании цилиндрической поверхности (движение вниз) и сопротивление вышележащего над элементом слоя засыпки вертикальному перемещению цилиндрической поверхности (движение вверх).

Значения коэффициентов жесткости следует определять либо экспериментально, либо теоретически при решении задачи о распределении напряжений в грунтовом полупространстве, механические свойства которого учитывают физико-механические свойства засыпки и грунта и его предельную способность сопротивления сдвиговому и нормальному деформированию.

3.4. Номинальные значения компонент напряжений, соответствующие усилию , моменту i = x, y, z (рис. 1) и внутреннему давлению, вычисленных согласно пп. 3.1 и 3.2, находятся по следующим зависимостям:

;(2)

, , , (i = 1, 2);(3)

, ,, (i = 1, 2);(4)

, , (i = 1, 2);(5)

, , (i = 1, 2);(6)

, (i = 1, 2) ;(7)

Рис 1. Нагружение тройникового соединения:

I - стержневая модель; 1 - 1’, 2 - 2’, 3 - 3’ - упругие элементы; 1’ - 2’ - 3’ - абсолютно жесткая вставка; II - компоненты моментов и сил по торцам

, ;

(0 < K < 2).(8)

Примечание. Для отводов в формулах (2) - (8) следует использовать вместо δ* величину δ.

3.5. На втором этапе расчета находят истинное напряженное состояние элементов трубопроводов в результате решения соответствующей задачи теории упругости или пластичности (см. [l6, 17] приложения 2), либо определяют номинальное напряженное состояние, компоненты которого умножаются на соответствующие значения коэффициентов Kσ и Kt, характеризующие наиболее напряженные области элементов.

Истинное распределение напряжений в отдельных элементах трубопровода дает решение соответствующей задачи теории упругости или пластичности с граничными условиями, учитывающими ранее найденные значения и . Решение может быть найдено аналитически, численно с помощью метода конечных элементов, реализованного на ЭВМ (программа ЛИРА [3, 5], программа ПЛАНК’ [7] (см. приложение 2), или экспериментально.

При использовании соответствующих алгоритмов для определения напряженно-деформированного состояния элементов трубопроводов, реализованных на ЗиЛ, следует проводить оценку точности полученных значений напряжений.

Компоненты номинальных напряжений находятся по соотношениям п. 3.4. Эффективный коэффициент концентрации напряжений Kσ элементов обвязочных трубопроводов следует определять решением задачи теории малых упруго-пластических деформаций [16, 17] для этих элементов под действием расчетной системы нагрузок, усилий и моментов (аналитически или численно), экспериментально с натурными деталями или их моделями, подвергнутыми нагружению системой вышеуказанных нагрузок, усилий и моментов вплоть до разрушения. При отсутствии данных по Kσ допускается выбирать их значения по соотношениям приложения 5.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений Кt для элементов обвязочных трубопроводов определяется: решением задачи о напряженном состоянии элемента под действием расчетной системы нагрузок, усилий и моментов методами теории упругости (аналитически или численно), экспериментальными методами исследования напряженно-деформированного состояния элементов в упругой области.

При отсутствии данных по Кt их значения допускается выбирать по соотношениям и графикам приложений 4 и 5.

4. ОЦЕНКА СТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ОБВЯЗОЧНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ КС

Условие, при котором недопустимые пластические деформации отсутствуют в элементах подземных и надземных частей обвязочных трубопроводов, выполняется, если

,(9)

где коэффициент К2 находится по табл. 10 СНиП 2.05.06-85, коэффициент КН - по табл. 11 СНиП 2.05.06-85.