книга2 с254-338 (Часть полезной книги), страница 5

(21.24)

Для штуцеров, вваренных внутрь сосудов (рис. 21.12,6) и раз­груженных от давления,

(21.25)

для накладок (рис. 21.13,в)

(21.26)

В сосудах, работающих при температуре выше 300 "С при тол­щине обечайки более 40 мм, применение накладок не рекоменду­ется из-за опасности появления значительных температурных на­пряжений. Для них более рационально укрепление от­верстия штуцером (рис. 21.12,6) или вваркой стыко­вым швом элемента боль­шей толщины (рис. 21.12,г).

Площадь сечения свар­ных швов foв, присоединяю­щих штуцера или накладки к укрепляемому элементу, принимают без учета уси­ления.

(21.27) для накладок (рис. 21.13,в)

Рис. 21.12. Типы укрепления отверстий-сосудов:

а — утолщенным штуцером; б — штуцером, не ис­пытывающим давления; в — накладкой; г — ввар­кой утолщенного листа

(21.28)

Минимальные размеры швов должны удовлетворять следующим условиям: для штуцеров (рис. 21.13,а, б)

Рис. 21.13. Размеры сварных швов укрепляющих элементов, принимае­мые в расчете:

а — штуцер без разделки кромок; б — штуцер с разделкой кромок; в —накладка

18* 275

Разделка под приварку штуцеров должна обеспечивать соеди-«ение их с барабаном или камерой по всей толщине штуцера. Раз­решается приваривать штуцера без разделки, если при ручной дуговой сварке толщина их стенки не более 10 мм и при автома­тической дуговой сварке под флюсом — не более 15 мм.

Рассмотренный метод расчета не учитывает влияния местной концентрации напряжений у отверстий. Полагают, что при высокой пластичности сталей появление местных небольших упругопла-стических деформаций не снижает работоспособности конструкций. При действии переменных нагрузок прочность сосудов может сни­жаться, особенно при использовании высокопрочных сталей ( — =800 900 МПа). Разрушения образуются в зонах концентрации напряжений: в местах приварки фланцев, труб, патрубков, штуце­ров. Вероятность малоциклового разрушения заметно возрастает, когда в зоне концентрации оказываются дефекты.

Для надежной работы котлов и сосудов большое значение име­ют пластические свойства металла и низкий уровень остаточных иапряжений. Поэтому сварные конструкции котлов подвергают термической обработке. Для устранения остаточных напряжений в конструкциях из низкоуглеродистой стали достаточно высокого отпуска при

§ 7. Трубы и трубопроводы

Сварные трубы большого диаметра широко используют при •сооружении магистральных газонефтепроводов. Для изготовления таких труб применяют низколегированные стали 14ХГС, 17ГС, 17Г1С и др. Толщина стенок труб 8—20 мм, диаметр 529—1420 мм.

Из сварных труб сооружают также трубопроводы металлурги­ческих и других заводов, гидротехнических сооружений, а также трубопроводы атомных и тепловых электростанций. При этом тру­бы, работающие при температуре от —10 до 350°С и давле­нии р 9 МПа, изготовляются из стали СтЗсп и низколегированных сталей 10Г2СД, 14ХГС, трубы, работающие при температуре от —50 до +350°С и р 70 МПа, —из сталей 20 и ЗОХМА, трубы, ра­ботающие при высоких температурах (до 600 °С), — из молибдено­вых сталей, например 15ХМ и др. Для работы в агрессивных средах трубы изготовляют из аустенитных нержавеющих сталей, алюминиевых, титановых и других сплавов. Кроме того, сварные трубы широко применяют в санитарно-техническом строительстве и в ряде специальных областей техники.

Сварные трубы имеют продольные или спиральные швы; при монтаже трубопроводов отдельные трубы сваривают между собой поперечными кольцевыми швами. Прочность трубопроводов оцени­вают с учетом различного рода усилий, действующих в процессе эксплуатации. Расчет продольных стыков при внутреннем давле­нии р производят по формуле

=pR/s; (21.29)

276

в кольцевых стыках создается напряжение, определяемое по фор­муле

(21.30)

где R и s — соответственно радиус и толщина стенки трубы.

При понижении внешней температуры в кольцевых стыках

образуются напряжения

(21.31)

где —коэффициент температурного расширения металла; — изменение температуры; Е — модуль упругости.

Рис. 21.14. Схема загружения трубопровода (а) от вакуу­ма (б), от собственного веса (е), от обледенения (г), от внутреннего давления (д)

Если труба будет испытывать изгибающий момент М от собст­венного веса и веса жидкости, то при расчете следует учитывать образование в кольцевых швах напряжений

(21.32)

где W—момент сопротивления сечения трубы. Момент М опреде­ляется по специальным техническим условиям. Суммарное напряжение в кольцевых швах

(21.33)

Допускаемое напряжение в трубопроводах зависит от расчет­ного сопротивления (обычно , коэффициента условий работы т и коэффициента перегрузки п; 0,80,9, а в местах перехода через препятствия =0,75; 1,2 для газопроводов и = 1,15 для нефтепроводов. Трубопроводы иногда устанавливают на опорах: анкерных, устанавливаемых в конечных точках и в местах изменения направ­ления оси, промежуточных, не препятствующих продольным пере-

277

мещениям. Конструкции опор зависят от диаметров труб. При относительно малых диаметрах допускается применение

опор простейшего типа — скользящих, при средних диаметрах — седловых, при больших —Катковых,

или качающихся.

Если трубопровод большого диаметра (рис. 21.14,я)

выполняет функции газопровода низкого давления, он подвержен воздействию собственного веса (рис. 21.14,в), обледенения (рис 21.14,г), внутреннего давления газа (рис. 21.14,d), возмож­ного разрежения (рис. 21.14,6), а также ветра и изменения темпе­ратуры.

Нагрузка q от собственного веса трубопровода — равномерно распределенная. Приближенно трубопровод можно принять за многоопорную неразрезную балку. При этом изгибающий момент на опоре

M_q = ql²/8. (21.34)

Напряжение от момента

(21.35) где —момент сопротивления кольца; r₁ — на-

ружный радиус кольца; —внутренний радиус.

Аналогично определяют усилия и напряжения при обледенении. Если принять толщину слоя льда в нижней точке а в верхней точке—равной нулю, то отношение веса обледенения к длине, вы­раженное в кН/м, определяется по приближенной формуле

(21.36)

где — удельный вес льда.

Примем =0,1 м. Тогда получиммомент от обледе-

нения

(21.37) напряжение от момента

(21.38)

Если замыкание трубопровода производилось при температуре , то при понижении температуры до значения Т₂ в нем возникает продольное растягивающее усилие

(21.39)

где — коэффициент температурного расширения; для стали — толщина стенки трубы. Наряду с продольной силой в стенке трубопровода при нерав­номерном охлаждении возникают напряжения изгиба

(21.40) где —температура наружной поверхности трубы; —темпера­тура внутренней поверхности.

278

Усилие от внутреннего давления р в зоне изменения направле­ния трубопровода вызывает в его поперечном сечении напряжение

(21.41)

Таким образом, полное напряжение в поперечном сечении, а также в кольцевом шве трубопровода

(21.42)

В продольном сечении трубопровода образуются напряжения, определяемые формулой

(21.43)

В одних случаях большим по значению оказывается напряже­ние в других —

Если возможно образование разрежения (рис. 21.14,6), внешнее давление воздуха вызывает в продольных сечениях оболочки тру­бопровода напряжения сжатия, которые могут достигать крити­ческого значения и вызывать по­терю устойчивости. Если принять трубопровод за длинную цилинд­рическую трубу без закреплений, то критическое давление опре­деляется по формуле

(21.44)

где —момент инерции относи­тельно собственной оси продоль­ного сечения стенки трубопрово­ да длиной 1 м; — средний радиус оболочки.

Для повышения устойчивости оболочки иногда предусматрива­ют постановку кольцевых ребер жесткости. Их типы уголкового и таврового профилей изображены на рис. 21.15. Критическое давле­ние в этом случае находят из соотношения

(21.45)

где — расстояние между смежными ребрами жесткости; — мо­мент инерции кольца и оболочки на длине

(21.46)

При вычислении по формулам (21.44) и (21.45) должно вы­полняться неравенство . В этом случае

= 1,7.

Чтобы уменьшить продольные усилия, возникающие в трубо­проводе вследствие изменения температуры, применяют различные способы. В некоторых случаях трубопроводы укладывают на кат-

279