Расчет допустимых динамических нагрузок на трубопровод

РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ТРУБОПРОВОД

Ф.В. РЕКАЧ, канд. техн. наук, доцент Российский университет дружбы народов

В процессе эксплуатации трубопроводных систем неизбежно возникают интенсивные волновые (колебания давления, гидроудары) и вибрационные процессы в результате работы насосных агрегатов, изменения режима их работы, срабатывания запорной арматуры, аварийных отключений электропитания, ошибочных действий обслуживающего персонала и т.д., которые приводят к возникновению переменных во времени напряжений в стенках трубопроводов и появлению с течением времени усталостных и коррозионно-усталостных трещин в местах сварных соединений или каких-либо малозаметных дефектов, являющихся концентраторами напряжений (царапины, задиры и пр.).

Все эти факторы, как правило, не учитываются при проектировании трубопроводных систем. Так, например, при проектировании магистральных трубопроводов [1] учитываются все действующие на трубопровод нагрузки - изменение температуры, вес засыпки, ветровые и снеговые нагрузки и т.д., за исключением динамического характера нагружения стенки трубопровода в процессе эксплуатации. В нормативных документах различных отраслей промышленности, в основном, регламентируются допустимые уровни вибрации трубопроводов. Так, согласно нормам Мингазпрома [2], аварийный уровень вибрации оценивается значением виброскорости Ve = 18 мм/с, а предупредительный - превышением Ve = 41 мм/с. По нормам Союзкомпрессомаша для участков трубопроводов более 0,5 м размах виброперемещений ограничен величиной 0,5 мм, а нормам и ГАНГ им. Губкина для трубопроводов поршневых компрессорных машин вводится к этой величине поправочный коэффициент равный 0,75. Требования к пульсациям давления в этих документах отсутствуют.

Необходимо отметить, что в нормативных документах многих отраслей промышленности отсутствуют не только ограничения на пульсации давления, но и ограничения на вибрации. В то же время в последние годы замена изношенных трубопроводов ведется крайне низкими темпами. При отсутствии регламентирующих ограничений на допустимые динамические нагрузки это приводит к ежегодному увеличению количества аварий на трубопроводах на 7-10% (по данным ежегодных докладов о состоянии окружающей среды в РФ).

Для определения напряжений в стенках трубопровода будем полагать, что помимо постоянного рабочего давления Рр на него действуют переменные во

времени нагрузки - пульсации давления и вибрации. Радиальные и осевые напряжения от пульсаций давления могут быть определены по формулам а ^ = <тг = APD¡8, <гф, = APD/(25),

где АР - амплитуда колебаний давления, D -диаметр трубопровода, <5 - толщина стенки. Максимальное напряжение, вызванное вибрацией трубопровода,

можно определить, используя зависимость [3] <jv = Femax -]сЕр .

Здесь Vemax - максимальное значение виброскорости, Е - модуль упругости, р - удельная масса трубопровода (масса материала трубопровода в единице объема, ограниченного трубопроводом), с - коэффициент, учитывающий распределение амплитуд виброскорости по трубопроводу. Для прямолинейного участка трубопровода с = 3. Суммарное напряжение в осевом направлении от действия пульсаций давления и вибрации равно а, =aä , + av. Таким образом, трубопро-

вод находится в сложном напряженном состоянии, характеризуемым действием циклического изгиба от вибрации и растяжением стенки трубопровода от пульсаций давления. При двухосном напряженном состоянии запас усталостной прочности трубопровода можно определить по формуле Гафа и Полларда, которая применима и в случаях синфазного изменения а, и аг\ и = пгп,/'-¡п2г + я,2 ,

где п - запас усталостной прочности трубопровода; пг - запас усталостной прочности трубопровода в предположении, что напряжения а, отсутствуют; п, -запас усталостной прочности в предположении отсутствия напряжений <ту.

Допускаемые амплитуды напряжений в стенке трубопровода вычисляются по

формулам <т&г=—г --сгД( =—-—---ч , где коэффициенты

<т_, 1 + ?г - 1 • - ^

1+-

l+^ii+J?,

Рр~АР Р D/(2S)-cr,

асимметрии цикла равны qr = —-, q, = —- ; <тв - предел проч-

р + ДР * ' (2-) + er,

ности; <т_1 - предел выносливости при симметричном цикле нагружения; ß - коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности трубопровода на предел выносливости: для новых трубопроводов ß = 0,80-0,85, а для подверженных коррозии может уменьшаться до величины ß = 0,5; к -коэффициент концентраций напряжений.

Величину сг_( можно определить, используя справочные данные или по формуле Мэнсона [4] сг_, = \,15ав/Мй п , где N - число циклов нагружения.

Методику расчета допустимых динамических нагрузок рассмотрим на конкретном примере. В напорном коллекторе Самарской ПНС 27 с номинальным давлением 0,8 МПа были произведены замеры виброскорости (среднеквадратичное значение Ve - 40 мм /с ) и амплитуды пульсаций давления АР = 0,5 МПа . Наружный диаметр трубопровода D = 600 мм , толщина стенки 8 = 6мм . Материал - ст20 ( ав = 420МПа , сг_, -140МПа ,Е = 2,1 • 105 МПа ).

Запас усталостной прочности трубопровода должен быть не менее п = 2,0. Полагая пг-п,- л/2и = 2,83 , найдем аг = 49,5 МПа; а, = 25,31 МПа; qr = 0,23; q, =0,22; аЛг =8.07 МПа, <тй/ = 8. ¡34 МПа . Таким образом напряжения, вызываемые пульсациями давления, являются недопустимыми. Для гашения волновых и вибрационных процессов непосредственно за насосом и в общий коллектор были установлены стабилизаторы давления, что позволило уменьшить амплитуду пульсаций давления до величины АР = 0,06 МПа , а среднеквадратичное значение виброскорости до Ve = 5 мм/с. Расчеты показали, что установка стабилизаторов позволила уменьшить напряжения от пульсаций давления и вибраций до величины аЛрг = 6,62 МПа, а, = 3,21 МПа , что значительно ниже

допустимых напряжений, и обеспечить безаварийную эксплуатацию ПНС 27.

Литература

1. СНиП 2.05.06 - 85. Магистральные трубопроводы. Госстрой СССР - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

2. Нормы вибрации трубопроводов технического газа. КС с центробежными нагнетателями. - М: Мингазпром, 1995.

3. Самарин A.A. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. - М.: Энергия, 1979. - 286 с.

4. Вибрации в технике. Т.З. - М: Машиностроение, 1980.