Нагрузки на патрубки. Размахи от температурной компенсации.

[Guterfreund]

Добрый день!

Прошу пояснить следующий вопрос: при расчете сосуда под давлением принимаю по НП-068 нагрузки на патрубки. При НЭ по силам и моментам от веса трубопровода определяю общие мембранные и общие изгибные напряжения в патрубках.

В НП-068 приведены также размахи сил и моментов от температурной компенсации трубопровода. Правильно ли я понимаю, что данные нагрузки учитываются только при определении размахов напряжений в патрубках и при обпределении общих мембранных и изгибных напряжений не учитываются? Нагрузки от размахов сил и моментов достаточно велики и по общим изгибным, например, патрубок не проходит. Тогда мне не ясен физический смысл этих нагрузок. Ведь при их действии патрубок может сильно деформироваться, что есть плохо...

Заранее спасибо за комментарии.

[Aleksey]

Правильно ли я понимаю, что данные нагрузки учитываются только при определении размахов напряжений в патрубках и при определении общих мембранных и изгибных напряжений не учитываются?

- Совершенно верно!
Напряжения самокомпенсации оцениваются по категориям (S)RV и (SaF)V соответственно без учета и с учетом концентрации напряжений.
При этом, оценка по категории (S)RV не обязательна если искажение формы не влияет на работоспосбность конструкции (ПНАЭ Г 7-002-86 стр. 68 п. 5.4.8 ).
Значения сил и моментов от температурной компенсации трубопровода уменьшаются при деформировании конструкции, чем больше деформации, тем меньше эти значения, в отличии от весовых нагрузок, которые не зависят от деформации конструкции - как действовали, так и действуют.

[Guterfreund]

Отличный ответ, спасибо большое!!!

[Guterfreund]

В догонку еще пару вопросов:

Правильно ли я понимаю, что при определении размаха напряжений в патрубке модель должна быть нагружена только усилиями от температурной компенсации трубопровода, т.е. размахом сил и момента и не должна содеражать никаких постоянных нагрузок, таких как нагрузки от веса трубопровода, давление и прочее? Другими словами, размахами сил и моментов от температурной компенсации мы нагружаем пустую модель?

Про уменьшение сил и моментов от температурной компенсации при деформировании. А что если тот же патрубок при деформировании получит пластический шарнир? Ведь такое тоже может быть. По условию прочности размах напряжений не должен превышать трех допускаемых напряжений или двух пределов текучести. При такой нагрузке мы имеем пластические деформации по всему сечению патрубка и пусть нагрузка в последующем упадет, патрубок-то уже в пластике находится. Тут вот чего-то я и не допонимаю.

[Aleksey]

Правильно ли я понимаю, что при определении размаха напряжений в патрубке модель должна быть нагружена только усилиями от температурной компенсации трубопровода, т.е. размахом сил и момента и не должна содеражать никаких постоянных нагрузок, таких как нагрузки от веса трубопровода, давление и прочее? Другими словами, размахами сил и моментов от температурной компенсации мы нагружаем пустую модель?

- нет, не так.
Таблица 5.2 Норм, стр. 55:
Оценка по Сигма 2:
Общие или местные мембранные + общие изгибные: => внутреннее давление + механические нагрузки от трубопровода;
оценка по сигма RV:
Общие или местные мембранные + общие изгибные + местные изгибные + общие температурные + напряжения самокомпенсации: => внутреннее давление, поля температур, механические нагрузки и нагрузки от самокомпнесации трубопровода

Т.е. можель нагружается давлением и нагрузками на патрубок (механическими и от самокомпенсации).

[Guterfreund]

Т.е. получается, что при нагружении патрубка и определении размахов напряжений необходимо прикладывать сумму моментов и сил от весовых нагрузок и усилий от самокомпенсации (НП-068)? Тогда получается что-то совсем чудовищное, мои трубопроводы такого размаха точно не выдержат.

Да и вообще как-то не сходится. По смыслу, на размах напряжений не влияют постоянные нагрузки. Привожу пример:

Имеется трубопровод, нагруженный моментов от собственного веса. Допусти нагрузка такова, что верхняя образующая получила напряжение растяжения 100 МПа, а нижняя образующая - напряжение сжатия 100 МПа. Далее наш трубопровод нагружается моментом от самокомпенсации (не размахом). Напряжение от самокомпенсации составит, допустим, по +/- 200 МПа на верхней и нижней образующих. +/- 200, т.к. момент действует с переменой знака. Наш размах напряжений от действия чисто момента от самокомпенсации составит 400 МПа. Ту же сумму мы получим, если приложим разово размах момента, равный удвоенному значению момента. Попробуем теперь учесть при определении размаха напряжении постоянную нагрузку от веса трубопровода: верхняя образующая при моменте от самокомпенсации, совпадающем с действием момента от веса трубопровода - 300 МПа, при моменте от самокомпенсации, не совпадающем с действием момента от веса трубопровода - 100 МПа, итого размах 400 МПа. Так же и для нижней образующей.

Как видно, на размах напряжений не влияет постоянная нагрузка от веса трубопровода. Если же мы возьмем размах момента по НП-068 от самокомпенсации и в дополнение нагрузким патрубок моментом от веса трубопровода, получим на нижней и верхней образующих по 500 МПа, что превышает наш расчетный размах. Суммирование в данном случае неверно...

Прошу прокомментировать, если не сложно...

[Aleksey]

Требование оценки напряжений по категории СигмаRV не является обязательным по Нормам АЭУ, а обязательным является оценка циклической прочности. При расчете на циклическую прочность в качестве исходных данных задаются минимальные и максимальные напряжения в цикле. В простом случае минимальные напряжения будут напряжения от веса, а максимальные от веса и температур для определения коэффициента ассиметрии цикла. Следовательно, при расчете по Нормам АЭУ силы и моменты от самокомпенсации трубопроводов должны прикладываться совместно с другими нагрузками.
Например,по РД 10-249-98 все проще. При расчете низкотемпературных трубопроводов напряжения от самокомпенсации учитываются при расчете на малоцикловую усталость, добавки от веса в данном случае нет. Какой либо статитической оценки тоже нет. Для высокотемпературных трубопроводов суммарные напряжения вообще не должны превышать 1,5 значения допускаемого напряжения.

[Guterfreund]

Появился вопрос об определении категории (группы) напряжений.

Имеется шкаф с внутренним наполнением (арматура + трубопроводы). Часть трубопроводов выходят наружу и приварены к стенкам шкафа, образуя патрубки для присоединения подводящих/отводящих трубопроводов. На данные патрубки заданы нагрузки по НП-068.

Рассмотрим весовые нагрузки из НП-068: данные нагрузки будет нести патрубок шкафа и стенка к которой он приварен. В патрубке от изгибающего момента мы определяем общие изгибные напряжения в стенке местные изгибные. Тут, вроде, все ясно.

Далее рассмотрим внутренние трубопроводы. Данные трубопроводы нагружаются внешними нагрузками за счет податливости стенок шкафа, которые деформируются при нагружении патрубков. Напряжения во внутренних трубопроводах определены методом конечных элементов. По результатам расчета имеются отдельные, достаточно короткие участки трубопроводов, на которых напряжения превышают предел для общих изгибных. И тут я задался вопросом: а можно ли рассматривать данные напряжения как общие изгибные? Ведь изгибается не весь трубопровод, а его часть. Пусть даже трубопровод изогнется пластически, несущую способность он не потеряет, т.к. нагрузка на патрубок для него является вторичной и внутренний трубопровод ее не несет, а деформируетсся лишь как следствие деформации стенки шкафа.

Как в данном случае лучше всего рассматривать напряжения во внутренних трубопроводах шкафа? В запас по сигма1 и сигма2 или проверить по общей мембране, а остальное сравнивать с размахом напряжений? Был опыт таких расчетов?

[Aleksey]

Когда есть сомнения как оценивать - лучше оценивать по Нормам, даже если это в запас.
Конкретно с таким случаем не сталкивался, был подобный пример:
при расчете холодильной машины на входящие/выходящие патрубки в ТЗ было задано условие, что нагрузки от трубопроводов не должны передаваться на патрубки, каркас и обшивку агрегата. Соответсвенно в расчете прочности внешние нагрузки не учитывались.

[Андрей]

Размах момента от температурной компенсации Mр включает весовой момент Мв. Это касается и силы Fp.
Поясню:
Нормы требуют оценить прочность по Сигма2, где одной из возможных механических нагрузок является весовой момент Мв. Этот момент присутствует всегда.
При оценке прочности по СигмаR оказывается, что весовой момент ни куда не исчезает, он также продолжает постоянно действовать. Однако, с ростом температуры в трубопроводе, начинает наростать ещё один момент Мр, который достигает значения Мв и в итоге значительно перекрывает его при максимальной температуре среды.
Другими словами, с ростом температуры, а следовательно и с ростом изгибающего момента, напряжение в патрубке увеличивается от значения Сигма2 до значения СигмаR.
Очевидно, что складывать Мв и Мр не нужно, это грубейшая ошибка.
А вот вычитать из Мр значение Мв можно, в том случае когда трубопровод при нагреве выпучивает в противоположном весу направлении. Как правило, в сторону прочности, не вычитают)))

[Aleksey]

Интересная точка зрения!
1) При расчете трубы на нагрузки суммарные (вес + размах) напряжения получаются близкие к значению допускаемого напряжения (s)RV
2) таблица 5.2 - для категории напряжений (s)RV - "....усилия со стороны трубопровода (механические и от самокомпенсации)"
3) Суммирование нагрузок - это в запас

[Андрей]

Здесь в первую очередь нужно понимать, что в НП речь идёт о допустимых значениях нагрузок, действующих на патрубки арматуры при различных режимах эксплуатации.
Нельза нагрузки из разных режимов складывать)))
Что касается таблицы 5.2, то всё верно, так как Момент Мр включает в себя Мв и вот почему:

Допустим имеем режим НЭ при низкой температуре. Нагружаем патрубок расчетным давлением Рр, силой Fв и моментом Мв.
Получили напряжение Сигма2.
В другом режиме НЭ вдобавок пришла высокая температура. Нагружаем патрубок расчетным давлением Рр, и вместо Fв и Мв нагружаем силой Fр, моментом Мр и, если требует геометрия, температурным полем. Получили напряжение СигмаR.
Очевидно, что значение СигмаR больше чем Сигма2.
СигмаR = Сигма2 + [Сигма_t + Сигма(Мр и Fp)]. Тоесть я хочу сказать, что Мв никуда не делся, он включён в Мр.

Если снова не понятно, другой пример, более очевидный:

Представьте что у Вас такая труба, которая отсутствует в НП, и Вам нужно определить допустимые нагрузки на патрубки Вашей арматуры Мв и Мр (т.е. для разных режимов).
Что мы делаем в этом случае?
А мы определяем значение Мв по допускаемому напряжению Сигма2.
А вот значение Мр определяем уже по допускаемому напряжению СигмаRV.
Попробуйте потом оба этих момента приложить одновременно к патрубку))))) получите глупость!

[Aleksey]

Исходник расчета нагрузок на патрубки в ОТТ-87, если интересно попробуйте разобраться.
В запас все равно правильней суммировать вес и размах, тем более, что если размер трубы соответствует НП-068 - все проходит.
А при определении допускаемых нагрузок для определения размаха нужно вычесть вес из напряжений категории RV, это логично.
К тому же сложно будет переубеждать эксперта, если возникнет вопрос, а его мнение будет отличным от Вашего.....

[Андрей]

Всё понятно. После очередной прочитки ПНАЭГ 7-002-86 пришёл к мнению, что я ввожу Вас в заблуждение.
Действительно, скорее всего размах момента Мр не включает в себя Мв.
Что такое размах приведенных напряжений СигмаRV - это напряжение, вызванное механичскими нагрузками (давление) и температурными нагрузками (температура и нагрузка от температурной компенсации трубопровода (Мр и Fр)). Эти нагрузки носят переменный характер, не постоянный!
Дело в том, что оценка прочности по размахам приведенных напряжений СигмаRV не учитывает постоянные нагрузки (весовые, затяг крепежа)! Оценка прочности по СигмаRV ведется только по переменным нагрузкам, которые возникли в арматуре относительно исходного напряжённого состояния, как правило это от веса и затяга крепежа.
Для удобсвта в НП и указаны уже готовые Мр и Fр, которые в отличие от Мв и Fв, являются переменной нагрузкой и учитываются только при оценке прочности по размаху СигмаRV.
Само понятие СигмаRV говорит о том, что постоянные нагрузки учитывать не надо.
Жду Ваших комментариев..

[Aleksey]

1) ПНАЭ Г-7-002-86. Таблица 5.2. Зона патрубка:
Вид нагружения: внутренне давление, поля температур в корпусе и привариваемом элементе, усилия со стороны трубопровода (механические и от самокомпенсации):
- мембранные и изгибные напряжения - Сигма 2
- мембранные, изгибные, ... , напряжения самокомпенсации - Сигма RV.

ПНАЭ Г-7-002-86. п. 5.2.4: напряжения изгиба от действия внешних сил и моментов на сосуд или трубопровод в целом.

Таким образом в ПНАЭ Г-7-002-86 оценка напряжений по категории Сигма RV проводится с учетом весовых нагрузок.

То, что на патрубки сосуда весовые нагрузки будут действовать всегда - не совсем так, трубопровод на время ремонта могут и отсоединить.

2) РД 10-249-98. Таблица 5.4: Для низкотемпературных трубопроводов однозначно напряжения от температурной компенсации и давления оцениваются по циклической прочности. Весовые нагрузки не учитываются (III этап расчета трубопровода).

Вывод:
В РД 10-249-98 не учитываются весовые нагрузки от трубопровода при оценке циклической прочности, по ПНАЭ Г-7-002-86 учитываются.

Есть лазейка:
1) Оценка по категории Сигма RV не является обязательной см. п. 5.4.8 ПНАЭ Г-7-002-86.
2) Напряжения определяем с учетом весовых нагрузок.
3) При расчет на циклическую прочность в качестве начального состояния можно учесть напряжения только от веса, в рабочих условиях от суммарных нагрузок.
Но нужно не забыть, что трубопровод может отсоединяться. Поэтому, например на 30 циклов нагружения (срок службы 30 лет), принять начальное состояние равным нулю.