Методика определения геометрических параметров усиленных патрубков трубопроводов

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

ПРОЧНОСТЬ ГАЗОПРОВОДОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОПРОВОДОВ

УДК 621.643

М.А. Курганова, Е.С. Носова, А.В. Рассохина, О.В. Трифонов, В.П. Черний

Методика определения геометрических параметров усиленных патрубков трубопроводов

Усиленные патрубки (УП, «велдолеты») представляют собой толстостенные детали трубопроводов, привариваемые к магистральной трубе для получения ответвления от трубопровода.

Согласно иностранным нормативным документам [1, 2], конструкции (виды) усиленных патрубков трубопроводов классифицируются как угловые (УП-У, рис. 1а) и стыковые (УП-С, рис. 1б), отличающиеся типом сварного шва приварки (вварки) усиленных патрубков в основную трубу (магистраль).

Применение усиленных патрубков в качестве альтернативы традиционным трой-никовым соединениям и прямым врезкам представляется перспективным, поскольку позволяет избежать недостатков, присущих традиционным типам конструкции трой-никовых соединений.

В частности, прямые врезки без усиливающих накладок не обеспечивают компенсацию потери несущей способности, связанной с концентрацией напряжений на контуре отверстия в магистральной трубе. Ввиду этого диапазон их возможного применения по соотношению диаметров весьма ограничен. Нормы для их применения в ОАО «Газпром» практически не разработаны.

а

б

Рис. 1. Конструкции усиленных патрубков: а — угловые; б — стыковые

71

Ключевые слова:

усиленный

патрубок,

велдолет,

геометрические

размеры,

метод замещения

площадей,

прочность.

Keywords:

reinforced fitting

pipe,

weldolet,

geometric sizes,

method of area

replacement,

strength.

№ 1 (17) / 2014

72

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Недостатки применения прямых врезок с усиливающими накладками обусловлены сложностью выполнения и контроля внутреннего шва приварки накладки к патрубку и магистральной трубе, короблениями накладки при сварке [3] и т.д. В результате этого значительно повышается вероятность наличия дефектов сварного шва, возникновения и развития трещин в материале патрубка и магистрали.

В настоящее время нормативная методика, регламентирующая расчет на прочность и определение геометрических параметров усиленных патрубков, отсутствует.

Предложенная в настоящей работе методика основана на принципе преемственности по отношению к действующим и достаточно апробированным методикам расчета штампованных, штампосварных и сварных без усиливающих элементов тройников [4-6].

Методика расчета на прочность усиленных патрубков отличается в части определения толщин стенок магистрали и ответвления в зависимости от области их применения:

• для магистральных газопроводов (МГ) с рабочим давлением до 10 МПа, которые проектируются по СП 36.13330.2012 [7];

• МГ с рабочим давлением свыше 10 МПа, которые проектируются по СТО Газпром 2-2.1249-2008 [5], и промысловых трубопроводов, проектируемых по СТО Газпром 2-2.1-3832009 [6].

Авторы используют в данной статье следующие обозначения:

Dh - наружный диаметр магистральной трубы трубопровода, мм;

D0 - внутренний диаметр ответвления усиленного патрубка, измеряемый в продольной плоскости симметрии на уровне образующей наружной поверхности магистральной трубы, мм;

Db - наружный диаметр ответвления, мм;

H1 - высота расчетной зоны усиления патрубка, мм;

L1 - полудлина расчетной зоны усиления патрубка, мм;

r0 - радиус закругления наружной поверхности сечения усиленного патрубка в продольной плоскости симметрии, мм;

th - расчетная толщина стенки условной трубы, имеющей диаметр магистральной трубы и материал магистральной трубы, мм;

tb - расчетная толщина стенки условной трубы, имеющей диаметр присоединяемой

трубы к усиленному патрубку и материал присоединяемой трубы, мм;

Th - фактическая (принятая) номинальная толщина стенки магистрали, мм;

Tb - фактическая (принятая) номинальная толщина стенки ответвления, мм;

W - диаметр зоны усиления усиленного патрубка, мм;

E - диаметр наружный усиленного патрубка, мм;

H - высота усиленного патрубка, мм;

M - условная толщина усиления, мм; а - угол наклона сварного стыка, град.

Условие прочности усиленного патрубка типа УП-У

Данное условие основано на принципе замещения площадей и соответствует по схеме и принципам расчета методике, применяемой для тройниковых соединений.

Размеры усиленного патрубка должны назначаться таким способом, чтобы выполнялось условие

А1 + тА2 + m3A3 > A.

Входящие в неравенство (1) требуемая площадь А и составляющие расчетной площади усиления усиленного патрубка А1, А2, А3 определяются на основании геометрических разме-

ров

А1 = ВД - th),

А2 = 2H1

А3 = H1

При этом для определения площади А3 используется приближенное выражение.

Геометрические размеры в формулах (2)-(5) находятся из выражений

H1 = min{2,5Th; 2,5Tb + M},

D0 = Db - 2Tb,

W = E +

№ 1 (17) / 2014

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

73

Рис. 2. Сечение усиленного патрубка типа УП-У продольной плоскостью симметрии

Коэффициенты т2 и т3 в соотношении (1) определяются из условий:

т2 = Rynb / Rynh, если

Rynb ^ Rynh>

m2 = 1, если Rynb > Rynh,

тз = Rynf/ Rynh, если Rynf < Rynh,

m3 = 1, если Rynf > Rynh,

где Rynh - нормативный предел текучести материала магистральной трубы, МПа; Rynb - нормативный предел текучести материала трубы ответвления, МПа; Rynf - нормативный предел текучести материала усиленного патрубка, МПа.

Условие прочности усиленного патрубка типа УП-С

Данное условие (рис. 3) основано на принципе замещения площадей и соответствует по схеме и принципам расчета методике, применяемой для штампованных тройников. При этом считается, что толщины усиленного патрубка совпадают с соответствующими толщинами примыкающих труб (магистральной трубы и трубы ответвления).

Размеры усиленного патрубка должны назначаться так, чтобы выполнялось условие (1).

Входящие в выражение (1) требуемая площадь A и составляющие расчетной площади усиления усиленного патрубка At, A2, A3 определяются на основании геометрических размеров рис. 3 по формулам

A = KthDo,

> II To 1 fa 0 1 Sr'1'

1 tb <N II b

A3 = HJ(W -Db), если H1 < r0;

A3 =

(2kD - kH) 2kn

(W - Db),

если r0 < Hj < r0 + kD (H -r0); A3 = [r + j kD (H - r0)](W - Db), если Hj > r0 + kD (H -r0).

Коэффициенты K, kD, kH и геометрические размеры в формулах (11)-(14) находятся из выражений

K = 0,7, если D < 0,15;

K = 0,6 + 2D, если 0,15 < D < 0,60;

3 Dh

Dh

K = 1, если D > 0,60,

Dh

№ 1 (17) / 2014

74

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Рис. 3. Сечение усиленного патрубка типа УП-С продольной плоскостью симметрии

II fa о

Г" <о II fa

D = D - 2T 0 b b

к - W - D D W - D’

II fa „fa l 1 =* о-Ч

Определение расчетных толщин стенок условных труб th и tb для магистральных газопроводов и трубопроводов стабильного конденсата с рабочим давлением до 10 МПа осуществляется в соответствии с СП 36.13330.2012 [7].

Определение расчетных толщин стенок условных труб th и tb для МГ с рабочим давлением свыше 10 и до 28,45 МПа включительно и промысловых трубопроводов с рабочим давлением до 32,0 МПа осуществляется в соответствии с [5, 6].

Алгоритм определения размеров усиленного патрубка

Исходными данными для определения размеров усиленного патрубка являются заданные величины диаметров Dh, Db, толщин стенок Th, Tb и нормативные характеристики материалов магистральной трубы, трубы ответвления и усиленного патрубка.

Для усиленного патрубка типа УП-С дополнительными параметрами, устанавливаемыми производителем, являются высота H и диаметр зоны усиления патрубка W.

Для усиленного патрубка типа УП-У дополнительным параметром, устанавливаемым производителем, является диаметр наружный патрубка E.

Алгоритм определения размеров УП состоит из следующих шагов:

1) определяются расчетные толщины стенок магистрали th и ответвления tb. Фактические толщины стенок Th и Tb не могут быть меньше расчетных, округленных в большую сторону с точностью до 0,1 мм;

2) определяются дополнительные геометрические параметры патрубков в соответствии с (6)-(9) для УП-У и (15)-(20) для УП-С;

3) определяются требуемая площадь A и составляющие расчетной площади усиления усиленного патрубка A 1, A2, A3 в соответствии с формулами (2)-(5) для УП-У и (11)-(14) для УП-С;

4) проверяется условие прочности; минимально допустимый размер патрубка соответствует знаку равенства в соотношении (1);

5) при невыполнении условия прочности необходимо увеличить параметр E для УП-У или W для УП-С; повторить расчет по п. 2-4 алгоритма.

№ 1 (17) / 2014

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

75

Пример определения размеров усиленного патрубка типа УП-У

В качестве примера применения разработанной методики рассмотрим расчет минимально необходимого наружного диаметра E усиленного патрубка типа УП-У для стандартных рядов диаметров магистрали и ответвления.

Принимаем, что соотношение диаметров Dh / Db не превышает 0,5. Категория прочности материала магистрали, ответвления и усиленного парубка - К60.

При расчете предполагалось, что фактические толщины магистрали и ответвления совпадают с расчетными: Th = th, Tb = tb, т.е. усиление происходит только за счет составляющей площади A3.

Исходные данные для расчета приведены в табл. 1. Результаты расчета - в табл. 2.

Как видно, при заданном диаметре магистрали с ростом диаметра ответвления увеличиваются значения требуемого диаметра УП, поскольку растет требуемая площадь A.

При фиксированном диаметре ответвления с ростом диаметра магистрали значения требуемого диаметра УП также растут, так как увеличиваются расчетная толщина стенки магистрали и, соответственно, требуемая площадь A .

На рис. 4 дополнительно показаны графики зависимости наибольшей толщины усиленного патрубка (E - D0) / 2 от отношения диаметров Db / Dh для четырех значений диаметра магистрали Dh.

На рис. 5 отражен график безразмерного параметра (E - D0) / 2D0, характеризующего относительную наибольшую толщину усиленного патрубка от отношения диаметров Db / Dh для тех же значений диаметра магистрали. С ростом отношения Db / Dh относительная толщина усиленного патрубка уменьшается и выходит на постоянное значение, равное примерно 0,2. Интересно отметить, что для магистральных труб больших диаметров (Dh > 530 мм) кривые практически сливаются.

Таблица 1

Исходные данные расчета усиленного патрубка

Предел текучести, МПа 485

Предел прочности, МПа 590

Угол сварного валика, а, град. 60

Рабочее давление, P, МПа 11,8

Коэффициент надежности по давлению, n 1,1

Категория участка (магистрали и ответвления) В

Расчетные коэффициенты в соответствии с [5] F* = 0,50; F,, = 0,43

Таблица 2

Результаты расчета наружного диаметра усиленного патрубка типа УП-У

Ха Dh X, 10,0 20,0 25,0 30,0 40,0 51,0 83,0 102,0 159,0 219,0 273,0 325,0 355,6 426,0 530,0

40,0 10,7 23,8

51,0 10,7 23,8 30,2

83,0 10,7 23,8 30,2 36,6 49,2

102,0 10,7 23,8 30,2 36,6 49,2 62,9 - - - - - - - - -

159,0 11,0 24,2 30,7 37,2 50,1 64,1 103,9 - - - - - - - -

219,0 11,6 25,6 32,2 38,6 51,1 65,0 105,7 129,4 - - - - - - -

273,0 12,1 26,9 33,9 40,6 53,5 67,3 106,8 130,8 - - - - - - -

325,0 12,5 28,2 35,4 42,4 55,8 69,9 108,9 131,9 201,8 - - - - - -

356,0 12,8 28,9 36,3 43,4 57,1 71,4 110,8 133,3 202,7 - - - - - -

426,0 13,4 30,5 38,3 45,7 59,9 74,8 115,2 138,1 204,5 277,2 - - - - -

530,0 14,3 32,8 41,1 49,0 64,0 79,5 121,4 144,9 207,6 280,2 345,5 - - - -

630,0 15,1 35,0 43,8 52,1 67,7 83,8 127,0 151,1 214,7 282,5 348,5 411,3 - - -

720,0 15,8 36,8 46,0 54,7 70,9 87,5 131,9 156,5 220,8 285,2 350,8 414,1 451,0 - -

820,0 16,6 38,8 48,5 57,5 74,3 91,5 137,0 162,2 227,4 292,3 352,9 416,7 454,0 538,9 -

1020,0 18,2 42,7 53,1 62,9 80,8 99,1 146,9 173,1 240,0 306,0 364,3 420,9 458,7 544,8 670,4

1220,0 19,7 46,3 57,5 67,9 86,9 106,1 156,1 183,3 251,9 319,0 378,0 434,0 466,7 549,5 676,5

1420,0 21,1 49,8 61,7 72,7 92,7 112,8 164,8 193,0 263,2 331,5 391,2 447,8 480,9 556,2 681,5

№ 1 (17) / 2014

76

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Рис. 4. Зависимости наибольшей толщины усиленного патрубка (E — D0) / 2 от отношения диаметров Db / Dh

Рис. 5. Зависимость безразмерного параметра (E - D0) / 2D0 от отношения диаметров Db / Dh

Разработана методика проверки прочности и определения геометрических параметров усиленных патрубков трубопроводов, основанная на принципе замещения площадей и сохраняющая преемственность по отношению к широко применяемым в отечественной и зарубежной практике методам определения геометрических параметров тройниковых соединений.

Учитывая эмпирический характер и консервативность данного подхода, следует считать актуальной последующую разработку уточненной методики расчета усиленных патрубков, основанной на численном моделировании напряженно-деформированного состояния конструкции методом конечных элементов. Такая методика позволит учесть в явном виде силовые и моментные нагрузки на тройниковое соединение при оценке его прочности.

Список литературы

1. ASME B 31.3-2002 Process Piping. - ASME Code for pressure piping, B31. - 2002. - 346 p.

2. MSS SP-97-2006 Integrally Reinforced Forged Branch Outlet Fittings. - Socket Welding, Threaded and Buttwelded Ends. - 2006. - 12 p.

3. Зандберг А. С. Преимущества использования толстостенных патрубков (велдолетов) для прямых врезок в трубопровод / А. С. Зандберг, А.П. Ладыжанский, А.А. Сажаев //

Сфера нефтегаз. - 2011. - № 4. - С. 138-140.

4. ASME B31.8-2010 Gas Transmission and Distribution Piping Systems.

5. СТО Газпром 2-2.1-249-2008.

Магистральные газопроводы.

6. СТО Газпром 2-2.1-383-2009. Нормы проектирования промысловых трубопроводов.

7. СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы (актуализир. ред.

СНиП 2.05.06-85*).

№ 1 (17) / 2014