Приложение А (справочное). Цилиндрические оболочки под внутренним давлением

Приложение А
(справочное)

Цилиндрические оболочки под внутренним давлением*

А.1 Область применения

А.1.1 Нормы проектирования, изложенные в настоящем приложении, применяют к цилиндрическим оболочкам с отверстиями и без них (трубки, цилиндрические емкости, разделительные сосуды, коллекторы, оболочки, секции и т.д.), подвергающимся внутреннему давлению, для которых верно отношение . Кроме того, при толщине стенок 80 мм допустимо соотношение диаметров до 2,0.

А.1.2 Нормы проектирования применяют, главным образом, к пластичным материалам ( 14%). Область применения, согласно рисункам А.1 - А.6, может также включать менее пластичные материалы при условии, что наименьшая пластичность обусловлена более высоким запасом прочности и толщина стенок основного корпуса 50 мм.

А.1.3 Настоящие нормы проектирования учитывают нагрузки, вызываемые только внутренним давлением. Добавочные силы и моменты значительных величин следует рассматривать отдельно. В этом случае производитель отопительных котлов должен указать значения сил и моментов и удостовериться в том, что учтены все параметры. В нижеприведенных расчетах не учитывались вибрации системы. При принятии их во внимание потребуется, например, корректировка параметров конструкции.

А.1.4 В сплошных цилиндрических оболочках, спроектированных в соответствии с настоящими нормами с применением заданных значений коэффициента запаса прочности, могут возникнуть лишь незначительные деформации в пределах установившихся расчетных значений сопротивления. В цилиндрических оболочках с отверстиями поверхности, подверженные максимальным нагрузкам, особенно начальным нагрузкам, могут испытывать пластические деформации, величина которых, при соблюдении настоящих норм проектирования, не будет превышать допустимых границ.

А.1.5 В приложении Е рассматриваются цилиндрические оболочки под внешним давлением.

А.2 Общие положения

А.2.1 Прочность соединений для сплошных цилиндрических оболочек определяют в применимых случаях.

А.2.2 Для цилиндрических оболочек с отверстиями эффективность использования основного корпуса может быть обеспечена следующими способами:

а) путем выбора большей толщины стенки основного корпуса, чем требуется для сплошной цилиндрической оболочки. Такая толщина стенки должна быть обеспечена на участке корпуса длиной не менее , измеренной от края отверстия, как показано на рисунке А.1;

б) путем использования патрубков, толщина стенки которых на участке длиной , измеренной от внешней поверхности основной оболочки, превышает требуемое значение толщины при нагружении внутренним давлением без увеличения толщины стенки основной оболочки или одновременно с ним, как показано на рисунках А.2 - А.4. Сварное соединение между основным корпусом и патрубком должно быть равнопрочным с основным металлом. При этом для патрубков, как показано на рисунке А.3, допускается наличие остаточного зазора больше или равного 1,5 мм со стороны вершины сварного шва. Соотношение толщин стенок до 2 допускается при 50 мм (см. рисунки А.1 - А.4), а также для патрубков с > 50 мм при условии, что соотношение диаметров 0,2. Для патрубков с > 50 мм и отношением диаметров > 0,2 соотношение не должно превышать 1. Данные требования не применяют к отверстиям для осмотра и обслуживания. Считается, что развальцованные или врезанные и сваренные плотными швами патрубки, присоединенные к основной оболочке посредством угловых швов с остаточным зазором более 1,5 мм со стороны вершины шва, не способствуют приданию жесткости. Длина затухания по патрубку до сварного шва должна составлять или соответственно (см. рисунки А.2 - А.4). Для патрубков с отношением 0,7, рассчитанным с учетом условного предела текучести при повышенных температурах, см. А.4.3.7. Для патрубков с отношением диаметров, рассчитанным с учетом критериев разрушения при ползучести, требуется соблюдение неравенств 0,8 и . При 0,5 дополнительно требуется выполнение условия . Как правило, особое внимание уделяют плавным переходам. Переход толщины стенок должен выполняться под углом не более 30°, как показано на рисунках А.2 - А.4. Усиление отверстий изнутри при помощи сварных колец или прокладок соответственно не допускается;

в) путем увеличения толщины участков с высокой нагрузкой в границах площади отверстия, как показано на рисунках А.5 и А.6, горячей штамповкой с последующей обработкой либо без нее;

г) путем применения упрочняющих слоев, показанных на рисунках А.7 и А.8. Использование конструкций такого типа допускается только при проектной температуре, не превышающей 250°С Упрочняющие слои должны плотно прилегать к основной оболочке. Максимальное значение их рабочей ширины (см. рисунки А.7 и А.8) должно рассчитываться по формуле (А.10), при этом . Если толщина упрочняющего слоя превышает толщину стенки основной оболочки , то эту толщину при расчетах не учитывают, а упрочняющую способность такого слоя считают слабой для изгибающих моментов, воздействующих на патрубок, насаженный на отверстие.

Рисунок А.1 - Усиление посредством увеличения толщины стенки основной оболочки с отверстием

Рисунок А.2 - Усиление посредством вваренного патрубка с полным проплавлением

А.2.3 Следует учитывать колебания эффективности усиления, используя при расчетах коэффициент оценки эффективности .

A.2.4 Считается, что при эллиптической форме отверстий для осмотра и обслуживания отношение между большой и малой осями эллипса не превышает 1,5. Для эллиптических отверстий за расчетный диаметр принимают ось, направление которой совпадает с направлением общего вида (для наклонных штуцеров см. А.4.2 - А.4.5).

А.2.5 Процедура расчета предполагает наличие переходов с преимущественно гладкими поверхностями. Края должны быть скруглены.

А.2.6 Отверстия должны быть расположены на достаточном расстоянии от сварных швов (продольных или круговых) основной оболочки. Расстояние считают достаточным, если внешний край патрубка или приварного элемента жесткости, при толщине стенки основной оболочки 25 мм, находится на расстоянии от края сварного шва. Однако если < 25 мм, то это расстояние должно быть не менее 50 мм.

Если при проектировании возникает необходимость уменьшения указанного расстояния, то это допускается только для сварных швов, которые по результатам неразрушающих испытаний в области влияния отверстия имеют коэффициент прочности = 1. Проведение производственных испытаний не требуется. Кроме того, перекрывающий проход сварного шва в области отверстия должен быть отшлифован для устранения бороздок. Обработка продольных и круговых швов в отношении коэффициента прочности проводится аналогичным образом.

А.2.7 Использование профилей, полученных выдавливанием, допускается только при соотношении 0,8. Однако если при расчете учитывают значения сопротивления разрушению при ползучести, то использование таких профилей возможно только при соотношении 0,7. При использовании профилей, полученных выдавливанием, необходимо обеспечить соответствие фактической толщины стенки значению, указанному в чертеже, и расчетному значению толщины стенки. Расчет с учетом коэффициента эффективности проводят по формуле, указанной в пункте А.4.3.3. Кроме того, в разделе А.4 содержится расчет для фланцевых патрубков с учетом значений сопротивления разрушению при ползучести.

А.2.8 Ограничения для патрубков, полученных выдавливанием, не применяют к фланцевым патрубкам, показанным на рисунках А.5 и А.6, при условии, что обеспечивается скопление материала (бороздки) согласно расчетам.

А.3 Требуемая толщина стенки

Требуемая толщина стенки должна составлять:

(A.1)

или

(A.2)

соответственно,

где s или применяют для основных оболочек, a и - для подсоединенных штуцеров.

Для проверки расчета готовых компонентов с толщиной стенки или применяют следующие формулы:

(А.3)

или

(А.4)

соответственно.

Рисунок А.3 - Усиление приварным патрубком

Рисунок А.4 - Усиление патрубком, приваренным к основной оболочке, выполненной выдавливанием	Рисунок А.5 - Патрубок, выполненный объемной штамповкой

Рисунок А.6 - Патрубок, штампованный из монолитного материала, с последующим сверлением отверстий или изготовленных проточкой	Рисунок А.7 - Отверстие с упрочняющим слоем - (при температуре 250°С)

Рисунок А.8 - Отверстие с упрочняющим слоем и вваренным патрубком с полным проплавлением (отмечены сварные швы, выполненные для цилиндрических оболочек изнутри)

А.4 Расчет для преимущественно статического нагружения внутренним давлением

А.4.1 Сплошные цилиндрические оболочки

Толщина стенки без учета поправок должна составлять

,

(А.5)

или

(А.6)

Идентичные результаты вычислений по формулам (А.5) и (А.6) получаются только при

.

(А.7)

Рисунок А.9 - Схема нагружения для цилиндрической оболочки с наклонным патрубком

А.4.2 Цилиндрические оболочки с одним наклонным патрубком

А.4.2.1 Применение нижеприведенной процедуры расчета допускается, если угол 45°, как показано на рисунке А.9. В общем случае при наличии наклонного патрубка с дополнительным элементом жесткости или без такового прямой расчет толщины стенки основной оболочки не представляется возможным из-за большого количества параметров. Условное значение толщины стенки определяют экспериментально с последующей проверкой правильности принятого значения.

А.4.2.2 Для площади, нагружаемой давлением, (заштрихована) и полезной площади поперечного сечения (перекрестно заштрихована) критерий прочности для зоны 1 рисунка А.9 рассчитывают следующим образом

,

(А.8)

а для зоны 2 рисунка А.9

(А.9)

Значения полезной длины вводят только для основных оболочек с максимальным значением

,

(А.10)

а для штуцера

(А.11)

При проектировании части штуцера внутрь оболочки усиливающей считают только ту часть, для которой верно неравенство , и учитывают ее при расчете.

Коэффициент оценки эффективности указан в таблице А.1. Значение толщины стенки рассчитанное по формуле (А.8) или (А.9), не должно быть менее значения толщины стенки , требуемого для сплошных цилиндрических оболочек без учета поправок.

А.4.2.3 Если основная оболочка, патрубок и упрочняющий слой состоят из материалов с различными допустимыми напряжениями , то в расчет всей конструкции включают это значение напряжения при условии, что вязкость напряжения материала основной оболочки незначительно превышает вязкость материалов патрубка и упрочняющего слоя.

А.4.2.4 Если допустимое напряжение для материала патрубка или для материала дополнительного элемента жесткости меньше для материала основной оболочки, определение размеров может осуществляться на основе критерия прочности для зоны 1, т. е.

(A.12)

и для зоны 2 соответственно.

А.4.3 Цилиндрические оболочки с одним отверстием и одним вертикальным патрубком

А.4.3.1 При наличии одного отверстия с вертикальным патрубком и одним дополнительным элементом жесткости зоны 1 и 2, показанные на рисунке А.9, становятся симметричными. Для материалов с одинаковыми значениями допустимого напряжения расчет выполняют по формуле (А.8). При использовании материалов с различными значениями допустимого напряжения применяют А.4.2.3 и А.4.2.4.

А.4.3.2 При наличии одного отверстия с вертикальным патрубком без дополнительного элемента жесткости критерий прочности рассчитывают по формуле

(A.13)

При использовании материалов с различными значениями допустимого напряжения применяют А.4.2.3 и А.4.2.4.

Длину, способствующую повышению жесткости конструкции (полезную длину), определяют по формулам (А.10) и (А.11).

Для штампованных патрубков площади , нагружаемые давлением, и площади поперечного сечения , способствующие повышению жесткости, определяют как для приваренных или вваренных патрубков, т.е. не учитывая площади выдавливания, при этом значение площади поперечного сечения умножают на 0,9, чтобы принять в расчет потери площади поперечного сечения в ходе стандартных операций формовки. Однако если применяется точное определение площадей и (например, вычисленное с использованием метода планиметрии), то коэффициент 0,9 не применяют.

А.4.3.3 Значение толщины стенок основной оболочки, удовлетворяющее условиям уравнения (А.13), можно также определить следующим образом:

,

(A.14)

где коэффициент эффективности нештампованных патрубков для соотношения 0,05 указан на рисунке А.19.

Промежуточные значения следует интерполировать. Для подтверждения расчетов готовых конструкций применяют рисунки А.20 и А.25 (необходимо принять во внимание различия в рисунках А.19 и А.20 - А.25, касающиеся различных контрольных значений и ). Во всех случаях указанные рисунки применяют при использовании идентичных материалов основной оболочки и патрубка. Для штампованных патрубков значение следует умножать на 0,9, чтобы принять в расчет потери площади поперечного сечения в ходе стандартных операций формовки.

А.4.3.4 Для одинаковых значений допустимых напряжений материалов основной оболочки и патрубка, коэффициент эффективности также можно рассчитывать по формуле

(A.15)

Для соотношения = 0,05, как показано на рисунке А.21, коэффициент эффективности, рассчитываемый по формуле (А.15), и коэффициенты эффективности, показанные на рисунках А.19 и А.20, полностью идентичны. При соотношении < 0,05 значения, полученные при вычислениях, могут несколько превышать значения, показанные на рисунках А.19 и А.20. В случае сомнения применяют расчетное значение по формуле (А.15).

Если для основной оболочки и патрубка используются материалы с различными значениями допустимого напряжения, применяют А.4.2.3 и А.4.2.4. Согласно формуле (А.12) формула для расчета коэффициента эффективности выглядит следующим образом:

(А.15а)

Метод определения толщины стенок указывается в документах для утверждения проекта.

А.4.3.5 Коэффициенты эффективности применяют для патрубков, не имеющих выступов при соединении с внутренней поверхностью основной оболочки, при условии обеспечения полезной длины, т.е. для основной оболочки - по формуле (А.10) и для патрубка - по формуле (А.11). В ином случае рисунки А.19 - А.25 не применяют, а расчет выполняют по формуле (А.13). Значение используют для расчетов даже в том случае, когда диаметр отверстия в основной оболочке меньше .

А.4.3.6 Для конструкций патрубков, показанных на рисунках А.5 и А.6, и аналогичных конструкций расчет выполняется согласно формуле (А.13). При этом необходимо выполнение чертежей, пригодных для планиметрирования.

При проведении сравнительных расчетов площадей поперечного сечения (метод площади давления) конусные переходы и угловые швы следует заменять сходными поперечными сечениями, как показано на рисунке А.10.

А.4.3.7 Для патрубков, в которых 0,7 и при этом < , рассчитываемых с учетом значения условного предела текучести при повышенных температурах, в поперечном сечении, перпендикулярном оси основной оболочки, в зоне перехода "основная оболочка - патрубок" должно выполняться следующее дополнительное условие:

(A.15b)

При проверке расчетов готовых компонентов в формулу (А.15b) вместо подставляют фактическое значение толщины стенки в зоне перехода.

При использовании для основных оболочек и патрубков материалов с различными значениями допустимого напряжения в формуле (А.15b) для используют наименьшее значение.

А.4.4 Цилиндрические оболочки с множественными отверстиями и патрубками

А.4.4.1 Смежные отверстия или патрубки считают едиными отверстиями или патрубками, если выполняется следующее условие:

,

(A.16)

где - расстояние между центрами, как показано на рисунках А.11 и А.12;

и - фактическая толщина стенок каждого из двух смежных патрубков.

А.4.4.2 В иных случаях и в дополнение к условию А.4.3 расчет прочности должен производиться для сечений, проходящих через смежные отверстия или патрубки под углом к образующей линии оболочки, как показано на рисунках А.11 и А.12, при условии прочности

(А.17)

Диагональные или круговые шаги рассчитывают как продольный шаг с поправкой на площадь, нагружаемую давлением, при условии прочности по формуле (А.17).

Если для основной оболочки, патрубка и элемента жесткости используются материалы с различными значениями допустимого напряжения, и при этом значение допустимого напряжения материала основной оболочки является наименьшим, применяют А.4.2.3. Если значение допустимого напряжения материала патрубков меньше, чем у материала основной оболочки, применяют уравнение (А.18):

(А.18)

Рисунок А.10 - Диаграмма напряжений для патрубка с конусными переходами и угловыми швами

Рисунок А.11 - Смежные отверстия с различными диаметрами патрубков (для = 0)

Рисунок А.12 - Смежные отверстия с различными диаметрами патрубков (осевая длина)

В соответствии с уравнением (А.18) коэффициент эффективности может определяться следующим образом

.

(А.18а)

А.4.4.3 Для смежных отверстий или патрубков одинакового диаметра с одинаковыми значениями допустимых напряжений материалов и расстоянием между центрами t, которое меньше рассчитанного по формуле (А.16) расстояния, среднее значение напряжения в сечении, расположенном под углом к осевому направлению, при и (как показано на рисунке А.11) должно составлять

(А.19)

При использовании материалов с разными значениями допустимого напряжения применяют соответствующие положения А.4.4.2.

А.4.4.4 Если расстояния между центрами и не равны между собой, как показано на рисунке А.13, при определении толщины стенок используют наибольшее значение напряжения связи. Должна быть обеспечена толщина стенки основной оболочки с обеих сторон отверстия на участке длиной не менее , согласно формуле (А.10), измеренная от края отверстия.

А.4.4.5 При наличии решеток отверстий напряжение следует определять для связей в продольном, круговом и диагональном направлениях, при этом для определения толщины стенки используют наибольшее значение напряжения.

А.4.4.6 В случае присоединения к отверстиям патрубков с наружным диаметром , толщина стенок которых позволяет им выдерживать только внутреннее давление, результирующее среднее значение напряжения должно составлять

(A.20)

При использовании коэффициента прочности связи , рассчитываемого по формуле

,

(А.21)

который при продольном шаге ( = 0) становится равным

,

(А.23)

результирующее значение толщины стенки должно составлять

.

(A.24)

Для решеток с симметричным шахматным расположением отверстий в качестве принимают наименьшее значение коэффициента прочности связи для кругового, продольного или диагонального направления, как показано на рисунке А.14.

А.4.4.7 Метод определения толщины стенки указывается в документах для утверждения проекта.

А.4.5 Цилиндрические оболочки с нерадиальным расположением патрубка

А.4.5.1 При использовании цилиндрических оболочек, как показано на рисунке А.15, эскизы а) и b), в которых патрубок расположен не радиально, а под углом по отношению к касательной к основной оболочке, наибольшее напряжение может возникать в поперечном сечении (см. рисунок А.15, эскиз а)) или в продольном сечении (см. рисунок А.15, эскиз b)). В обоих случаях применяют условие прочности по формуле (А.13) с использованием в расчетах значений площадей и , как показано на рисунке А.15.

Значения полезной длины вводят только для основной оболочки по формуле (А.10) и для патрубка по формуле (А.11), при этом принимают равенство .

А.4.5.2 Толщина стенки патрубка не должна превышать толщины стенки основной оболочки . Сварной шов между основной оболочкой и патрубком должен быть равнопрочным, как показано на рисунке А.15.

А.4.6 Цилиндрические оболочки с Y-образным патрубком

А.4.6.1 Цилиндрические оболочки с Y-образным патрубком могут быть изготовлены методом штамповки, как показано на рисунке А.16, либо представлять собой сварную конструкцию, как показано на рисунке А.17, например 15 °. Условия прочности для зон высокого нагружения 1 и 2 (см. рисунки А.16, А.17 и А.18) должны составлять:

для зоны 1

(A.25)

или

,

(A.26)

Рисунок А.13 - Смежные отверстия с различными расстояниями между центрами (осевая длина)

Рисунок А.14 - Значения коэффициента эффективности связи для решеток с симметричным шахматным расположением отверстий

Рисунок А.15 - Схема нагружения для цилиндрической оболочки с нерадиальным расположением патрубка

Рисунок А.16 - Схема нагружения для штампованного Y-образного патрубка с конусными переходами и угловыми швами	Рисунок А.17 - Схема нагружения для цилиндрической оболочки с Y-образным патрубком и реберным элементом жесткости

для зоны 2

(А.27)

В расчет входят только значения полезной длины для основной оболочки по формуле (А.10) и патрубка по формуле (А.11).

Значение коэффициента в формулах (А.25) и (А.26) составляет:

= 1 - для патрубков с 45°;

= 1 + 0,005 (45°- ) - для патрубков с 15° < 45° и наружным диаметром 102 мм.

А.4.6.2 Реберный элемент жесткости должен быть соединен с основным корпусом и патрубками равнопрочным сварным швом. Значение ширины ребра жесткости должно удовлетворять условию .

А.4.6.3 Коэффициент оценки эффективности такого усиления зависит от соотношения и характеристик сварного шва и используется в расчетах в соответствии с таблицей А.1, пункт 3. Допускается интерполяция промежуточных значений.

Рисунок А. 18 - Схема нагружения для цилиндрической оболочки с Y-образным патрубком при = 15°

А.5 Поправки для толщины стенки

Допускается не использовать поправку для нагреваемых цилиндрических оболочек с 44,5 мм, за исключением случаев, когда на определение размеров цилиндрической оболочки влияет осевая растягивающая нагрузка. Кроме того, для цилиндрических оболочек без продольных швов учитывают только отклонения, допустимые для длины, превышающей 300 мм.

А.6 Минимальная допустимая толщина стенки

Минимальная допустимая толщина стенки или соответственно должна составлять:

а) для ферритных сталей - 3 мм;

б) для цветных металлов - 2 мм;

в) для нержавеющих (аустенитных и ферритных) сталей - 1 мм.

Указанные минимальные допустимые значения толщины стенки могут быть уменьшены при фактических значениях толщины стенки или не менее или , соответственно.

Таблица А.1 - Коэффициенты оценки эффективности для цилиндрических оболочек и патрубков с упрочняющими слоями или ребрами жесткости

Конструкция (схематичное изображение)		Требование		Коэффициент оценки
1 Отверстие с усилением		1 250° 2 Упрочняющий слой плотно прилегает к основной оболочке		0,7
				0,7
2 Отверстие с упрочняющим слоем и сквозным соединением патрубка сварным швом с полным проплавлением		1 250°		0,8
		2 Упрочняющий слой плотно прилегает к основной оболочке		0,8
		3 Сварной шов с полным проплавлением
				0,8
		4 Выступающая часть патрубка :
		4.1 для конструкции
		а)		0,7
		или
		4.2 для конструкции
		b) <		0,7
а) - конструкция а;	b) - конструкция b
3 Y-образный патрубок		1 Сварной шов с полным проплавлением:
3.1 Реберный элемент жесткости, двусторонняя сварка
		: - = 3;		1,0
		(см. рисунок А.17)
		- = 4;		0,9
		- = 5		0,8
3.2 Реберный элемент жесткости, односторонняя сварка			при = 3		0,9
			(см. рисунок А.17)
			при = 4		0,8
			при = 5		0,7

Рисунок А.19 - Значения коэффициента эффективности для цилиндрических оболочек с вертикальным патрубком, используемого для определения толщины стенок

Рисунок А.20 - Значения коэффициента для цилиндрических оболочек с вертикальным патрубком, используемого для проверки правильности расчета готовых инструкций ( 0,05)

Примечание - Значения совпадают со значениями по рисунку А.21 для =0,05.

Рисунок А.21 - Значения коэффициента эффективности для цилиндрических оболочек с вертикальным патрубком, используемого для проверки правильности расчета готовых конструкций ( = 0,05)

Рисунок А.22 - Значения коэффициента эффективности для цилиндрических оболочек с вертикальным патрубком, используемого для проверки правильности расчета готовых конструкций ( = 0,01)

Рисунок А.23 - Значения коэффициента эффективности для цилиндрических оболочек с вертикальным патрубком, используемого для проверки правильности расчета готовых конструкций ( = 0,2)

Рисунок А.24 - Значения коэффициента эффективности для цилиндрических оболочек с вертикальным патрубком, используемого для проверки правильности расчета готовых конструкций ( = 0,35)

Рисунок А.25 - Значения коэффициента эффективности для цилиндрических оболочек с вертикальным патрубком, используемого для проверки правильности расчета готовых конструкций ( = 0,5)