Приложение F (обязательное). Критерии для проектирования входного и нагнетательного трубопроводов

Приложение F
(обязательное)

Критерии для проектирования входного и нагнетательного трубопроводов

F.1 Горизонтальные насосы

F.1.1 Конфигурации входного и нагнетательного трубопроводов насоса не должны вызывать нагрузки, приводящие к недопустимой расцентровке валов насоса и привода. Конфигурации трубопроводов, создающие нагрузки на патрубки в пределах диапазонов, указанных в таблице 5, вызывают деформацию корпуса в пределах 50 % от допускаемых проектных величин, определенных поставщиком насоса (см. 6.3.3), и обеспечивают смещение вала насоса, не превышающее 250 мкм (0,010 дюйма).

F.1.2 Конфигурации трубопроводов, создающие нагрузки, значения которых выходят за пределы диапазонов, указанных в таблице 5, также являются приемлемыми без консультаций с поставщиком насосов, если выполняются условия, установленные в перечислениях а)-с) F.1.2. При выполнении этих условий возникающая деформация корпуса насоса будет находиться в пределах допускаемых проектных величин, определенных поставщиком насоса (см. 6.3.3), при этом смещение вала насоса будет составлять менее 380 мкм (0,015 дюйма).

a) Отдельные компоненты сил (F _x, F _y, F _z) и моментов (М _х, М _у, M _z), действующие на каждый патрубок насоса, не превышают указанных в таблице 5 (Т5) значений более чем в два раза.

b) Результирующие силы (F _RSA, F _RDA) и результирующие моменты (M _RSA, M _RDA), возникающие от воздействующих на каждый патрубок насоса нагрузок, удовлетворяют следующим уравнениям:

,

(F.1)

.

(F.2)

Примечание - Применяемые индексы обозначают: R - результирующая сила или момент, S - относящиеся к входному и D - напорному патрубкам, А - воздействующие на насос на месте установки, Т5 - взятые по таблице 5 настоящего стандарта и С - приведенная к центру масс насоса сила.;

c) Суммарные, приведенные к центру масс насоса, результирующая сила (F _RCA) и результирующий момент (M _RCA), а также модуль, приведенный к центру масс насоса, суммы моментов только по оси Y (|M _YCA|) удовлетворяют уравнениям (F.3)-(F.5). При расчетах по этим формулам должна использоваться координатная система, показанная на рисунках 21-25, и правило правой руки.

,

(F.3)

,

(F.4)

.

(F.5)

где F _RCA = [(F _ХСА) ² + (F _YCA) ² + (F _ZCA) ²] ^0,5,

где F _XCA = F _XSA + F _XDA;

F _YCA = F _YSA + F _YDA;

F _ZCA = F _ZSA + F _ZDA;

M _RCA = [(M _XCA) ² + (M _YCA) ² + (M _ZCA) ²] ^0,5,

где M _XCA = M _XSA + M _XDA - [(F _YSA)(zS) + (F _YDA)(zD) - (F _ZSA)(yS) - (F _ZDA)(yD)/1000

M _YCA = M _YSA + M _YDA - [(F _XSA)(zS) + (F _XDA)(zD) - (F _ZSA)(xS) - (F _ZDA)(xD)/1000

M _ZCA = M _ZSA + M _ZDA - [(F _XSA)(yS) + (F _XDA)(yD) - (F _YSA)(xS) - (F _YDA)(xD)/1000

где xS, yS, zS - расстояние от центра тяжести до точки приложения силы на всасывающем патрубке по оси X, Y и Z соответственно;

xD, yD, zD - расстояние от центра тяжести до точки приложения силы на напорном патрубке по осях X, Y и Z соответственно.

В единицах измерения USC число 1000 должно быть заменено числом 12. Эти числа являются переводными делителями для перевода миллиметров в метры (дюймов в футы).

F.1.3 Конфигурации трубопроводов, которые создают более высокие нагрузки, не удовлетворяющие условиям пункта F.1.2, должны быть согласованы с заказчиком и поставщиком.

Примечание - Для оценки фактической деформации машин (в условиях окружающей среды) должен выполняться контроль соосности трубопроводов и патрубков в соответствии с [60]. Согласно ей допустимой является лишь небольшая деформация, значительно меньшая в сравнении с той, которая возникает в результате нагрузок, допускаемых настоящим приложением.

F.2 Вертикальные консольные насосы с патрубками в линию

Вертикальные консольные насосы с патрубками в линию (тип ОН3 и ОН6), поддерживаемые только присоединенными трубопроводами, могут подвергаться составляющим нагрузкам, которые более чем в два раза превышают значения, приведенные в таблице 5, только если такие нагрузки не создают главное напряжение в любом из патрубков, превышающее 41 МПа (5950 psi). Для расчета нагрузок механические свойства патрубков насоса должны приниматься на базе свойств трубы с толщиной стенки сортамента 40 ¹⁾, номинальный размер которой соответствует аналогичным размерам патрубка насоса, для которого делается расчет. Для вычисления главного напряжения, продольного напряжения и напряжения сдвига в патрубках можно использовать уравнения (F.6), (F.7) и (F.8) соответственно.

-----------------------------

¹⁾_{См. Schedule 40 по ASME/ANSI.}

-----------------------------

Для вычислений в системе единиц СИ используют следующие уравнения:

,

(F.6)

,

(F.7)

.

(F.8)

Для вычислений в системе единиц USC используют следующие уравнения:

,

(F.9)

,

(F.10)

,

(F.11)

где  _p - главное напряжение, МПа (фунт-сила на кв. дюйм);

 _L - продольное напряжение, МПа (фунт-сила на кв. дюйм);

- сдвиговое напряжение, МПа (фунт-сила на кв. дюйм);

F _X - прилагаемая сила по оси X;

F _Y - прилагаемая сила по оси Y;

F _Z - прилагаемая сила по оси Z;

М _Х - прилагаемый момент по оси X;

M _Y - прилагаемый момент по оси Y;

M _Z - прилагаемый момент по оси Z;

D _i, D ₀ - соответственно внутренний и наружный диаметры патрубков, мм (дюйм).

F _X, F _Y, F _Z, М _Х, M _Y и M _Z обозначают прилагаемые нагрузки, действующие на патрубки на входе и выходе. Соответственно обозначения S _A и D _A были опущены для упрощения уравнений. Сила F _Y берется со знаком плюс, если нагрузка приводит к растяжению патрубка, и со знаком минус, если нагрузка приводит к сжатию патрубка. Чтобы определить, растягивается или сжимается патрубок, необходимо определить направление приложенных нагрузок по рисунку 21. В уравнениях (F.8) и (F.11) должно использоваться абсолютное значение M _Y.

F.3 Обозначения

В примерах задач, приведенных в разделе F.4, используют следующие обозначения:

С - центр насоса. Для насосов типов ОН2, ВВ2 и ВВ5 с двумя опорными пьедесталами центр определяется как точка пересечения оси вала насоса и вертикальной плоскости, проходящей через центр двух пьедесталов (см. рисунки 24 и 25). Для насосов типов ВВ1, ВВ3 и ВВ5 с четырьмя опорными пьедесталами центр определяется как точка пересечения оси вала насоса и вертикальной плоскости, проходящей через середину между четырьмя пьедесталами (см. рисунок 23);

D - нагнетательный патрубок;

D _i - внутренний диаметр трубы сортамента 40 ¹⁾, номинальный размер которой равен размеру рассматриваемого патрубка насоса, мм (дюйм);

D ₀ - наружный диаметр трубы сортамента 40 ¹⁾, номинальный размер которой равен размеру рассматриваемого патрубка насоса, мм (дюйм);

-----------------------------

¹⁾_{См. Schedule 40 по ASME/ANSI.}

-----------------------------

F - сила, Н (фунт-сила);

F _R - результирующая сила; F _RSA и F _RDA вычисляются путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов прилагаемых компонентных сил, действующих на фланец патрубка; F _RST5 и F _RDT5 определяются из таблицы 5 с использованием соответствующих размеров патрубка;

М - момент, Н/м (футы на фунт-силы);

M _R - результирующий момент; M _RSA и M _RDA вычисляются путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов прилагаемых компонентных моментов, действующих на фланец; M _RST5 и M _RDT5 определяются из таблицы 5 с использованием соответствующих размеров патрубка;

 _p - главное напряжение, МПа (фунт-сила на квадратный дюйм);

 _L - продольное напряжение, МПа (фунт на квадратный дюйм);

- напряжение сдвига, МПа (фунт на квадратный дюйм);

S - всасывающий патрубок:

х, у, z - координаты положения фланцев патрубка относительно центра насоса, мм (дюйм);

X, Y, Z - направления действия нагрузки (см. рисунки 21-25);

Нижний индекс А - прилагаемая нагрузка;

Нижний индекс Т5 - нагрузка по таблице 5.

F.4 Пример расчетов нагрузок

F.4.1 Пример 1А - единицы СИ

F.4.1.1 Задача

Для консольного насоса с осевым входом (тип ОН2) размеры и расположение патрубков аналогичны приведенным в таблице F.1. Прилагаемые нагрузки на патрубок приведены в таблице F.2. Задача - определить, выполняются ли условия, установленные в перечислениях а-с) F.1.2.

F.4.1.2 Решение

F.4.1.2.1 Контроль соблюдения условия, указанного в перечислении а) F.1.2, выполняется следующим образом:

Для входного патрубка размером DN 250 имеем:

Поскольку величина M _YSA превышает значение, установленное в таблице 5 (в системе единиц СИ), более чем в два раза, данная величина является неприемлемой. Предположим, что значение M _YSA может быть снижено до - 4879. Тогда:

Для верхнего нагнетательного патрубка размером DN 200 имеем:

При условии, что значение M _YSA может быть уменьшено до - 4879, прилагаемые нагрузки, действующие на каждый патрубок, удовлетворяют условию, указанному в перечислении а) F.1.2.

Таблица F.1 - Размеры и координаты расположения патрубков, пример 1А

Патрубок	Размер, DN	X, мм	Y, мм	Z, мм
Всасывание	250	+ 267	0	0
Нагнетание	200	0	- 311	+ 381

Таблица F.2 - Прилагаемые нагрузки на патрубки для примера 1А

Нагрузка	Значение, Н	Момент	Значение, Н·м
		Всасывание
F XSA	+ 12900	M XSA	- 1356
F YSA	0	M YSA	- 5017 1)
F ZSA	- 8852	M ZSA	- 7458
		Нагнетание
F XDA	+ 7117	M XDA	+ 678
F YDA	- 445	M YDA	- 3390
F ZDA	+ 8674	M ZDA	- 4882
1) См. E.4.1.2.1.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вместо слов "E.4.1.2.1" следует читать "F.4.1.2.1"

F.4.1.2.2 Контроль соблюдения условия, указанного в перечислении b) F.1.2, выполняют следующим образом:

Для всасывающего патрубка значения F _RSA и M _RSA определяются по методу извлечения квадратного корня из суммы квадратов:

.

С учетом уравнения (F.1):

.

Для нагнетательного патрубка F _RDA и M _RDA определяются тем же методом, который используется для определения F _RSA и M _RSA:

.

С учетом уравнения (F.2):

.

Нагрузки, действующие на каждый патрубок, удовлетворяют соответствующему уравнению взаимодействия; таким образом, указанное в перечислении b) F.1.2 условие выполняется.

F.4.1.2.3 Контроль соблюдения условия с) F.1.2 выполняется следующим образом:

Для контроля данного условия векторы силы и момента переносятся в центр насоса и раскладываются на составляющие; F _RCA определяют в соответствии с перечислением с) F.1.2:

.

С учетом уравнения (F.3):

.

M _YCA определяют согласно перечислению с) F.1.2:

.

С учетом уравнения (F.4) имеем:

.

M _RCA определяется, как показано ниже (см. перечисление с) F.1.2):

.

С учетом уравнения (F.5) имеем:

.

Таким образом, все условия, указанные в перечислении с) F.1.2, соблюдены.

F.4.2 Пример 2А - единицы СИ

F.4.2.1 Задача

Для вертикального консольного насоса с патрубками в линию (тип ОН3 или ОН6), с размерами DN80 х DN100 х 178 мм, прописанные в предложении нагрузки на патрубки приведены в таблице F.3. Расчет показал, что F _ZSA, M _ZSA и M _XDA более чем в два раза превышают значения, приведенные в таблице 5 (единицы СИ). Как указано в F.2, эти составляющие нагрузки приемлемы при условии, что вычисленное главное напряжение составляет менее 41 МПа. Задача состоит в определении главного напряжения для всасывающего и нагнетательного патрубков.

Таблица F.3 - Предложенные прилагаемые нагрузки патрубков для примера 2А

Нагрузка	Значение, H	Момент	Значение, Н·м
-	-	DN 100 всасывание	-
F XSA	- 2224	M XSA	+ 136
F YSA	- 5338	M YSA	- 2034
F ZSA	+ 1334	M ZSA	+ 1356
-	-	DN 80 нагнетание	-
F XDA	+ 1334	M XDA	+ 2712
F YDA	- 2224	M YDA	+ 271
F ZDA	+ 445	M ZDA	+ 136

F.4.2.2 Решение

F.4.2.2.1 Вычисления для всасывающего патрубка проводятся, как показано ниже:

Для трубы сортамента 40 с номинальным размером DN 100, D ₀ = 114 мм и D _i = 102 мм. Поэтому:

.

Уравнение (F.7) используют для расчета продольной составляющей напряжения для всасывающего патрубка,  _s.

Прилагаемая нагрузка F _YSA, действующая на всасывающий патрубок, находится в отрицательной области оси Y и вызывает напряжение сжатия; поэтому используемое значение F _YSA отрицательно.

Уравнение (F.8) используется для расчета сдвигового напряжения патрубка линии всасывания  _S:

Главное напряжение всасывающего патрубка,  _p,s, рассчитывается по уравнению (F.6):

.

Таким образом, величина нагрузок на всасывающий патрубок приемлема.

F.4.2.2.2 Расчеты для нагнетательного патрубка проводят следующим образом:

Для трубы сортамента 40 с номинальным размером 80 мм: D ₀ = 89 мм и D _i = 78 мм. Следовательно:

.

Уравнение (F.7) используют для определения продольного напряжения нагнетательного патрубка,  _D. Прилагаемая нагрузка F _YDA на нагнетательный патрубок находится в отрицательной области оси Y и вызывает растягивающее напряжение; следовательно, F _YDA имеет положительный знак.

.

Уравнение (F.8) служит для расчета сдвигового напряжения, действующего на нагнетательный патрубок,  _D:

.

Главное напряжение для нагнетательного патрубка  _p,D рассчитывается по следующему уравнению:

.

Таким образом, нагрузка на нагнетательный патрубок слишком велика. По результатам расчета, если M _XDA снижается на 50 % до 1356 Н·м, результирующее главное напряжение по-прежнему превышает 41 МПа. Следовательно, максимальное значение M _XDA в два раза превышает M _XDT5 или 1900 Н·м.

F.4.3 Пример 1Б - единицы USC

F.4.3.1 Задача

Для консольного насоса с осевым входом (тип ОН2) размеры и расположение патрубков аналогичны приведенным в таблице F.4. Прилагаемые нагрузки на патрубок приведены в таблице F.5. Задача - определить, выполняются ли условия, установленные в перечислениях а)-с) F.1.2.

Таблица F.4 - Размеры и координаты расположения патрубков для примера 1Б

Размеры в дюймах

Патрубок	Размер	X	Y	Z
Всасывание	10	+ 10,50	0	0
Нагнетание	8	0	- 12,25	+ 15

Таблица F.5 - Прилагаемые нагрузки на патрубки для примера 1Б

Нагрузка	Значение, фунты-силы	Момент	Значение, фунты-силы·фут
		Всасывание
F XSA	+ 2900	M XSA	- 1000
F YSA	0	M YSA	- 3700 1)
F ZSA	- 1990	M ZSA	- 5500
		Нагнетание
F XDA	+ 1600	M XDA	+ 500
F YDA	- 100	M YDA	- 2500
F ZDA	+ 1950	M ZDA	- 3600
1) См. F.4.1.2.1.

F.4.3.2 Решение

F.4.3.2.1 Контроль соблюдения условия, указанного в перечислении а) F.1.2, выполняется следующим образом:

Для входного патрубка размером 10 дюймов имеем:

;

.

Поскольку величина M _YSA превышает значение, установленное в таблице 5 (в системе единиц USC) более чем в два раза, то данная величина является неприемлемой. Предположим, что значение M _YSA может быть снижено до - 3599. Тогда:

.

Для верхнего нагнетательного патрубка размером 8 дюймов имеем:

.

При условии, что значение M _YSA может быть уменьшено до - 3599, прилагаемые нагрузки, действующие на каждый патрубок трубопровода, удовлетворяют условию, указанному в перечислении a) F.1.2.

F.4.3.2.2 Контроль соблюдения условия, указанного в перечислении b) F.1.2, должен выполняться следующим образом:

Для всасывающего патрубка значения F _RSA и M _RSA определяют по методу извлечения квадратного корня из суммы квадратов:

.

С учетом уравнения (F.1):

.

Для нагнетательного патрубка F _RDA и M _RDA определяют тем же методом, который используется для определения F _RSA и M _RSA:

.

С учетом уравнения (F.2):

.

Нагрузки, действующие на каждый патрубок, удовлетворяют соответствующему уравнению взаимодействия; таким образом, условие, указанное в перечислении b) F.1.2, выполняется.

F.4.3.2.3 Контроль соблюдения условия, указанного в перечислении с) F.1.2, должен выполняться следующим образом:

Для контроля данного условия векторы силы и момента переносятся в центр насоса и раскладываются на составляющие; F _RCA определяют в соответствии с перечислением с) F.1.2:

.

С учетом уравнения (F.3):

.

M _YCA определяется согласно перечислению с) F.1.2:

.

С учетом уравнения (F.4) имеем:

.

M _RCA определяется, как показано ниже (см. перечисление с) F.1.2):

.

С учетом уравнения (F.5) имеем:

.

Таким образом, все условия, указанные в перечислении с) F.1.2, соблюдены.

F.4.4 Пример 2Б - единицы USC

F.4.4.1 Задача

Для вертикального консольного насоса с патрубками в линию (тип ОН3 или ОН6), с размерами NPS 3 х NPS 4 x 7 дюймов, прописанные в предложении нагрузки на патрубки приведены в таблице F.6. Расчет показал, что F _ZSA, M _ZSA и M _XDA более чем в два раза превышают значения, приведенные в таблице 5 (единицы USC). Как указано в F.2, эти составляющие нагрузки приемлемы при условии, что вычисленное главное напряжение составляет менее 5950 psi. Задача состоит в определении главного напряжения для всасывающего и нагнетательного патрубков.

Таблица F.6 - Предложенные прилагаемые нагрузки патрубков для примера 2Б

Нагрузка	Значение, фунты-силы	Момент	Значение, фунты-силы·фут
		NPS 4 всасывание
F XSA	- 500	M XSA	+ 100
F YSA	- 1200	M YSA	- 1500
F ZSA	+ 300	M ZSA	+ 1000
		NPS 3 нагнетание
F XDA	+ 300	M XDA	+ 2000
F YDA	- 500	M YDA	+ 200
F ZDA	+ 100	M ZDA	+ 100

F.4.4.2 Решение

F.4.4.2.1 Вычисления для всасывающего патрубка проводятся, как показано ниже:

Для трубы сортамента 40 с номинальным размером 4 дюйма, D ₀ = 4,500 дюйма и D _i = 4,026 дюйма. Поэтому:

.

Уравнение (F.10) используют для расчета продольной составляющей напряжения для всасывающего патрубка  _L,S.

Прилагаемая нагрузка F _YSA, действующая на всасывающий патрубок, находится в отрицательной области оси Y и вызывает напряжение сжатия; поэтому используемое значение F _YSA отрицательно.

.

Уравнение (F.11) используется для расчета сдвигового напряжения патрубка линии всасывания  _S:

.

Главное напряжение всасывающего патрубка  _p,s рассчитывается по уравнению (F.9):

.

Таким образом, величина нагрузок на всасывающий патрубок приемлема.

F.4.4.2.2 Расчеты для нагнетательного патрубка проводятся следующим образом:

Для трубы сортамента 40 с номинальным размером 3 дюйма, D ₀ = 3,500 дюйма и D _i = 3,068 дюйма. Следовательно:

.

Уравнение (F.10) используется для определения продольного напряжения нагнетательного патрубка  _L,D. Прилагаемая нагрузка F _YDA на нагнетательный патрубок находится в отрицательной области оси Y и вызывает растягивающее напряжение; следовательно, F _YDA имеет положительный знак.

.

Уравнение (F.11) служит для расчета сдвигового напряжения, действующего на нагнетательный патрубок,  _D:

.

Главное напряжение для нагнетательного патрубка  _p,D рассчитывается по уравнению (F.9):

.

Таким образом, нагрузка на нагнетательный патрубок слишком велика. По результатам расчета, если M _XDA снижается на 50 % до 1000 фунт-силы на фут, то результирующее главное напряжение по-прежнему превышает 5950 psi. Следовательно, максимальное значение M _XDA в два раза превышает M _XDT5 или 1400 фунт-силы на фут.