Приложение Е (справочное). Пример расчета для проектирования труб под давлением

Приложение Е
(справочное)

Пример
расчета для проектирования труб под давлением

Е.1 Введение

В приложении Е представлен пример расчета трубы райзера под давлением в соответствии с требованиями настоящего стандарта. Пример расчета включает следующие основные шаги:

a) задание исходных данных для проектирования;

b) определение минимального внутреннего диаметра для прохождения шаблона;

c) определение требуемой толщины стенки исходя из несущей способности по внутреннему давлению (разрыв);

d) определение сопротивления максимальному внешнему давлению и проверка на кольцевую потерю устойчивости.

Общий анализ и проверку напряжений при сочетании нагрузок не проводят.

Е.2 Исходные данные для проектирования

Номинальное значение давления 69,0 МПа, класс температуры K (см. таблицу 8).

Е.3 Предварительное определение размера

Е.3.1 Введение

Целью данного шага является получение предварительных размеров труб райзера. В некоторых случаях можно выполнять оценку размеров отдельных компонентов райзера (усиленного соединения, натяжного соединения и гладкого соединения). Вычисление на данном шаге, как правило, выполняют вручную.

Для определения размеров труб необходимы следующие исходные данные:

- внутренний диаметр с допуском на овальность, допуск на толщину стенки трубы и припуск на коррозию;

- расчетная прочность материала и модуль Юнга;

- внутреннее и наружное проектное давление.

Теперь может быть определена толщина стенки, обеспечивающая:

a) сохранение целостности при максимальном эффективном внутреннем давлении (исключение разрыва), см. 6.5.2.2;

b) надлежащую прочность при эффективном внешнем давлении (исключение кольцевого коллапса), см. 6.5.2.3.

Предварительные размеры труб и компонентов райзера, полученные на этом этапе, следует определять достаточно точно, чтобы исключить необходимость существенных изменений на этапе рабочего проектирования/анализа. Для отдельных задач или групп задач могут потребоваться несколько итераций для определения размеров труб и конструкций компонентов.

Е.3.2 Минимальный внутренний диаметр

Минимальный внутренний диаметр трубы D _int,min необходимо определять с учетом следующих параметров (см. рисунок Е.1):

a) проходной диаметр D _drift (см. классы шаблонов в таблице 5), в данном примере принят равным 129,29 мм;

b) начальная овальность трубы (на концах и в средней части трубы) f ₀, в данном примере принята равной 0,005;

c) высота валика последнего слоя сварного шва от диаметра корня сварного шва D _weld, в данном примере принята равной 1,5 мм;

d) соосность труба/соединитель (допуск выравнивания) по диаметру D _align, в данном примере принята равной 1,5 мм;

e) минимальный зазор смещения по диаметру D _clear, в данном примере принят равным 2,0 мм.

Минимальный внутренний диаметр трубы D _int,min, мм, определяют по формуле

.

(Е.1)

1 - труба; 2 - сварной шов; D _o - наружный диаметр трубы; D _drift - максимальный проходной диаметр; D _int - внутренний диаметр трубы; H _wrf - высота валика сварного шва; х _рса - допуск на несоосность трубы/соединителя; D _clear - минимальный зазор смещения по диаметру

Рисунок Е.1 - Минимальный внутренний диаметр

Е.3.3 Расчет минимальной толщины стенки трубы на разрыв под действием внутреннего давления

Отрицательный допуск на толщину стенки, как правило, выражают в виде процента от номинальной толщины для бесшовных труб, и как абсолютный показатель - для сварных труб.

Критерий на разрыв под действием внутреннего давления определяет минимальную требуемую толщину t ₁.

На основе указанного выше критерия минимальная толщина стенки трубы без припусков и технологических допусков t ₁, м, может быть рассчитана для трубы с заданным наружным диаметром по формуле

,

(Е.2)

где D _o - условный или номинальный наружный диаметр, м;

F _b - коэффициент использования для расчета трубы на разрыв под действием внутреннего давления;

 _y - предел текучести для использования в расчетах при максимальной расчетной температуре, Па;

 _u - предел прочности на растяжение для использования в расчетах при максимальной расчетной температуре, Па;

p _int,d - внутреннее расчетное давление, Па;

p _о,min - минимальное наружное гидростатическое давление, Па.

Или для трубы с заданным внутренним диаметром D _int, м (минимальный диаметр для прохождения шаблона) по формуле

,

(E.3)

где

,

(E.4)

t _ca - припуск на коррозию/износ/эрозию, м;

t _n - номинальная (заданная) толщина стенки трубы, м;

t _neg - процентное выражение отрицательного допуска на толщину стенки;

t ₁ - минимальная толщина стенки трубы без припусков и технологических допусков, м.

Таким образом, минимальную номинальную или задаваемую толщину стенки трубы определяют по формуле

,

(Е.5)

где t _fab - абсолютное значение отрицательного допуска из технических условий/стандарта на материалы, м.

Примечание - Давление в процессе заводских приемочных и приемо-сдаточных испытаний не является определяющим для выбора толщины стенки.

Е.3.4 Расчет сопротивления кольцевой потери устойчивости (кольцевого коллапса)

Минимальное давление кольцевой потери устойчивости трубы p _c,min для внешнего давления следует определять из выражения

,

(E.6)

где p _el,min - минимальное давление окружной потери устойчивости (кольцевого коллапса) поперечного сечения трубы при упругих напряжениях, Па;

p _р,min - минимальное давление окружной потери устойчивости (кольцевого коллапса), при котором наступает пластическая деформация в поперечном сечении трубы, Па;

f ₀ - начальная овальность трубы;

D _o - условный или номинальный наружный диаметр трубы, м;

t ₁ - минимальная толщина стенки трубы без припусков и технологических допусков, м (см. 6.5.2.1)

Выражение (Е.6) может быть преобразовано в следующее уравнение:

.

(E.7)

Решение уравнения (E.7) приведено в выражениях:

,

(E.8)

,

(E.9)

,

(E.10)

,

(E.11)

,

(E.12)

,

(E.13)

,

(E.14)

.

(E.15)