Приложение Р (справочное). Формулы расчета показателей для труб с резьбой и с муфтами и испытаний на направленный загиб и ударный изгиб образцов с V-образным надрезом (CVN)

Приложение Р
(справочное)

Формулы расчета показателей для труб
с резьбой и с муфтами и испытаний
на направленный загиб и ударный изгиб образцов
с V-образным надрезом (CVN)

Р.1 Общие положения

Настоящее приложение содержит различные формулы расчета характеристик трубопроводных труб и специальные данные, которые приведены в стандарте [2]. Номера формул по стандарту [29] приведены для справки в квадратных скобках перед номерами формул настоящего стандарта. Подробные сведения о выводе формул приведены в стандарте [29].

Примечание - В контексте настоящего приложения [30] эквивалентен [29].

Р.2 Расчетная масса трубы после нарезания резьбы и свинчивания с муфтой*

Массу на единицу длины трубы после нарезания резьбы и свинчивания с муфтой вычисляют при длине, измеренной от свободного торца муфты до свободного торца трубы (рисунок Р.1). При этом считается, что несвободный торец навинченной муфты находится в плоскости механического свинчивания.

,

[76] (P.1)

где - коэффициент пересчета длины, равный 0,001;

J - расстояние от торца трубы до середины муфты при механическом свинчивании в соответствии с API Spec 5B, мм;

- длина трубы, м;

- масса муфты, кг;

- масса, удаленная при нарезании резьбы на двух концах трубы, кг;

- длина муфты, мм;

- масса резьбы и муфты на единицу длины трубы, кг/м;

- масса трубы без резьбы, кг/м.

Рисунок Р.1 - Труба с резьбой и муфтой

Р.3 Расчетная масса с отделкой концов трубы**

Для расчета номинальной массы трубы используют понятие "уменьшение" ("увеличение") массы трубы, связанное с отделкой концов, , которое рассчитывают по формуле (Р.2). Для труб с концами без резьбы = 0.

,

[74] (Р2)

где - изменение массы трубы при отделке концов трубы, кг;

- длина трубы, м;

m - расчетная масса трубы с резьбой и муфтой (), с высадкой и резьбой () или трубы с высадкой () для трубы длиной , кг/м;

- масса трубы с концами без резьбы, кг/м.

Массу трубы с отделкой концов рассчитывают по формуле (Р.3)

,

[75] (Р.3)

где - изменение массы трубы при отделке концов, кг;

- поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 - для углеродистой стали и 0,989 для мартенситной хромистой стали;

- длина трубы, с учетом отделки концов, м;

- расчетная масса трубы длиной L, кг;

- масса трубы с концами без резьбы, кг/м.

Р.4 Расчетная масса обычной муфты без учета фаски**

Массу муфт трубопроводных труб рассчитывают по размерам, указанным в API Spec 5L, издание 1942 года, которые идентичны указанным в API Spec 5L, издание 1971 года.

Рисунок Р.2 - Муфта

,

[82] (Р.4)

,

[83] (Р.5)

,

[84] (P.6)

,

[85] (P.7)

,

[86] (P.8)

,

[87] (P.9)

где - поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 - для углеродистой стали и 0,989 - для мартенситной хромистой стали;

- масса обычной муфты;

K - конусность резьбы.

Результаты расчета массы муфты выражают в килограммах. Окончательная расчетная масса округляется до двух десятичных знаков без промежуточных округлений в процессе расчетов.

Р.5 Расчет стойкости муфт к действию давления**

Р.5.1 Общие положения

Трубы с резьбой и муфтами выдерживают такое же внутреннее давление, как и трубы с концами без резьбы, за исключением тех случаев, когда требуется более низкое давление во избежание достижения предела текучести материала муфты или возникновения утечки из-за недостаточной плотности соединения под действием внутреннего давления в плоскости , как это показано ниже.

Р.5.2 Внутреннее давление возникновения текучести в муфте

Внутреннее давление, при котором достигается предел текучести материала муфты, рассчитывают по формуле

,

[66] (P.10)

где - заданный минимальный предел текучести муфты, МПа;

- диаметр впадины резьбы муфты в плоскости торца трубы после механического свинчивания, мм;

- внутреннее давление возникновения текучести в муфте МПа;

- наружный диаметр муфты по таблице F.1, мм.

,

[67] (Р.11)

- натяг при ручном свинчивании, мм;

- средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, мм;

H - высота треугольной резьбы с полным профилем:

2,1996 мм для 10-ниточной резьбы;

2,7496 мм для 8-ниточной резьбы;

- расстояние от торца трубы до плоскости ручного свинчивания согласно API 5B, мм;

- срез по впадинам профиля треугольной резьбы 0,36 мм для 10-ниточной резьбы, 0,43 мм для 8-ниточной резьбы;

K - конусность резьбы, равная 0,0625 мм/мм.

Число витков резьбы на длине 25,4 мм	Срез по впадинам профиля трубопроводной резьбы , мм	Высота треугольной резьбы с полным профилем: Н, мм
27	0,031	0,815
18	0,046	1,222
14	0,061	1,572
11 1/2	0,074	1,913
8	0,104	2,748

Р.5.3 Стойкость к утечкам под действием внутреннего давления муфт с треугольной или трапецеидальной резьбой

Стойкость к утечкам под действием внутреннего давления в плоскостях или рассчитывают по формуле (Р.12). Формула (Р.12) основана на допущении, что уплотнение находится в плоскости соединений с треугольной резьбой и в плоскости соединений с трапецеидальной резьбой, в которых муфта является наиболее слабым звеном, а ее стойкость к утечкам под действием внутреннего давления считается наиболее низкой. Формула (R.12) основана также на допущении, что стойкость к утечкам под действием внутреннего давления определяется давлением витков резьбы трубы и муфты друг на друга в результате свинчивания и действия внутреннего давления, при этом напряжения не выходят за упругий интервал.

,

[69] (P.12)

где E - модуль Юнга, МПа;

N - число витков свинчивания на расстоянии, равном А - для обсадных и насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой; (А + 1,5) - для обсадных труб с трапецеидальной резьбой наружным диаметром менее 406,40 мм и (A + 1) - для обсадных труб с трапецеидальной резьбой диаметром 406,40 мм и более;

Р - шаг резьбы:

- 3,175 мм для треугольной резьбы (обсадные и насосно-компрессорные трубы);

- 2,540 мм для круглой резьбы (насосно-компрессорные трубы);

- 5,080 мм для трапецеидальной резьбы (обсадные трубы);

- внутреннее давление витков муфты и ниппеля друг на друга в результате свинчивания;

К - конусность по диаметру:

- 0,0625 для треугольной резьбы (обсадные и насосно-компрессорные трубы);

- 0,0625 для трапецеидальной резьбы обсадных труб наружным диаметром менее 406,40 мм;

- 0,0833 для трапецеидальной резьбы обсадных труб наружным диаметром 406,40 мм и более;

- наружный диаметр муфты по [6] или [21], мм;

- средний диаметр резьбы в плоскости уплотнения равный - для треугольной резьбы и - для трапецеидальной резьбы.

При этом:

А - натяг при ручном свинчивании, мм;

- средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания по API Spec 5B, мм;

- средний диаметр резьбы в основной плоскости по API Spec 5B, мм.

Давление витков резьбы муфты и ниппеля друг на друга в результате свинчивания составляет

,

[70] (P.13)

где E - модуль Юнга, МПа;

- средний диаметр резьбы в плоскости уплотнения, равный - для треугольной резьбы и - для трапецеидальной резьбы;

d - внутренний диаметр трубы, равный (D - 2t) мм;

N - число витков свинчивания на расстоянии, равном А - для обсадных и насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой; (А + 1,5) - для обсадных труб с трапецеидальной резьбой диаметром менее 406,40 мм; (А + 1) - для обсадных труб с трапецеидальной резьбой диаметром 406,40 мм и более;

Р - шаг резьбы:

- 3,175 мм для треугольной резьбы (обсадные и насосно-компрессорные трубы);

- 2,540 мм для треугольной резьбы (насосно-компрессорные трубы);

- 5,080 мм для трапецеидальной резьбы (обсадные трубы);

К - конусность по диаметру:

- 0,0625 для треугольной резьбы (обсадные и насосно-компрессорные трубы);

- 0,0625 для трапецеидальной резьбы обсадных труб наружным диаметром менее 406,40 мм;

- 0,0833 для трапецеидальной резьбы обсадных труб наружным диаметром 406,40 мм и более;

- наружный диаметр муфты по [6] или [21], мм.

При этом:

А - натяг при ручном свинчивании, мм;

- средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания по API Spec 5B, мм;

- средний диаметр резьбы в основной плоскости по API Spec 5B, мм;

D - наружный диаметр трубы, мм;

t - толщина стенки трубы, мм.

После свинчивания приложение внутреннего давления вызывает изменение давления витков резьбы муфты и ниппеля друг на друга на величину , МПа:

,

[71] (P.14)

где - средний диаметр резьбы в плоскости уплотнения, равный - для треугольной резьбы и - для трапецеидальной резьбы;

d - внутренний диаметр трубы, равный (D - 2t), мм;

- внутреннее давление, МПа;

- наружный диаметр муфты по [6] или [21], мм;

где:

- средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания по API Spec 5B мм;

- средний диаметр резьбы в основной плоскости по API Spec 5B, мм;

D - наружный диаметр трубы, мм;

t - толщина стенки трубы, мм.

Поскольку наружный диаметр муфты всегда больше диаметра соединения, который, в свою очередь, больше внутреннего диаметра трубы, то будет всегда меньше . Поэтому, когда суммарное давление ( + ) станет равным внутреннему давлению , будет достигнуто предельное давление герметичности соединения . Другими словами, если > + , то возникнет утечка:

.

[72] (Р.15)

Подставляя соответствующие значения для и в формулу (Р.15), после упрощения получаем формулу (Р.12).

Р.6 Испытательное гидростатическое давление труб с резьбой и муфтами**

Трубы с резьбой и муфтами испытывают при том же гидростатическом давлении, что и трубы с концами без резьбы, за исключением тех случаев, когда требуется более низкое давление для предотвращения утечки из-за недостаточной стойкости к утечкам соединения под действием внутреннего давления в плоскости , как указано в разделе Р.5.

Испытательное гидростатическое давление следует определять по минимальному значению давления, установленного для труб с концами без резьбы (таблица 26), или из расчета 80% от внутреннего давления, при котором достигается предел текучести металла муфты в формуле (Р.10), или внутреннего давления стойкости к утечкам по формуле (Р.12).

Р.7 Испытания на направленный загиб труб**

В настоящем разделе приведена дополнительная информация к требованиям испытания на направленный загиб, указанным в 10.2.4.6.

Значения деформации вычисляют по формуле (Р. 16), приведенной в пункте 4а Циркуляра API PS-1340, где приведен отчет о мероприятиях Конференции по стандартизации 1967 года, кроме значений для группы прочности Х70, которые были приняты на Конференции по стандартизации в июне 1972 года (Циркуляр API PS-1440). Значения, рассчитанные по формуле (Р.16), округляют до ближайшего кратного 0,0025, за исключением значений для групп прочности L360 или Х52 и L390 или Х56, для которых округление проводят до ближайшего большего кратного 0,0025.

Коэффициент деформации рассчитывают по формулам:

,

[148] (Р.16)

или

,

[148] (Р.17)

где - заданный минимальный предел прочности для тела трубы, МПа.

Вывод уравнения испытания на направленный загиб приведен в [27].

Р.8 Размеры образцов с V-образным надрезом для испытания на ударный изгиб (CVN)(3)

Р.8.1 Расчеты минимальной толщины стенки стандартных образцов с V-образным надрезом

В разделе Р.8 указаны формулы для определения минимального размера поперечного образца, который можно получить из трубы заданного диаметра и толщины стенки (10.2.3.3 и таблица 22).

Рисунок Р.3 - Определение минимальной толщины стенки стандартных образцов с V-образным надрезом

Р.8.2 Расчеты минимальной толщины стенки для конических образцов с V-образным надрезом

Рисунок Р.4 и формулы Р.20 и Р.22 используют для определения размера конических образцов. Допуск конических образцов указан в 10.2.3.3 и ASTM A370.

Рисунок Р.4 - Определение минимальной толщины стенки конических образцов с V-образным надрезом

(Р.20)

или

(Р.21)

(Р.22)

или

(Р.23)

Минимальная толщина стенки (без припуска на механическую обработку) для конических образцов с V-образным надрезом выбирается по наибольшему из и . Для припуска на механическую обработку необработанных поверхностей добавить 0,5 мм к каждой минимальной толщине стенки.