Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок
На основе теории предельного равновесия рассмотрена несущая способность обечаек с локальными утонениями стенок. Приведены зависимости, которые в определенной области параметров согласуются с ранее полученными рекомендациями инструкции B31G-1991 ASME. Даны примеры оценки работоспособности промышлен...
Saved in:
| Published in: | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103407 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок / В.М. Долинский, В.И. Черемская // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 4. — С. 48-51. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859914145410842624 |
|---|---|
| author | Долинский, В.М. Черемская, В.И. |
| author_facet | Долинский, В.М. Черемская, В.И. |
| citation_txt | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок / В.М. Долинский, В.И. Черемская // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 4. — С. 48-51. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| description | На основе теории предельного равновесия рассмотрена несущая способность обечаек с локальными утонениями
стенок. Приведены зависимости, которые в определенной области параметров согласуются с ранее полученными
рекомендациями инструкции B31G-1991 ASME. Даны примеры оценки работоспособности промышленных сосудов
с местными повреждениями стенки.
Load-carrying capacity of shells with local wall thinning is considered on the basis of the theory of limit equilibrium.
Simple dependencies are given, which in a certain parameter range agree with earlier specified recommendations of B31G-1991
ASME Guidelines. Examples of evaluation of performance of industrial vessels with local wall damage are given.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:04:14Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.19.24
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ОБЕЧАЕК СОСУДОВ
С МЕСТНЫМИ УТОНЕНИЯМИ СТЕНОК
В. М. ДОЛИНСКИЙ, В. И. ЧЕРЕМСКАЯ
На основе теории предельного равновесия рассмотрена несущая способность обечаек с локальными утонениями
стенок. Приведены зависимости, которые в определенной области параметров согласуются с ранее полученными
рекомендациями инструкции B31G-1991 ASME. Даны примеры оценки работоспособности промышленных сосудов
с местными повреждениями стенки.
Load-carrying capacity of shells with local wall thinning is considered on the basis of the theory of limit equilibrium.
Simple dependencies are given, which in a certain parameter range agree with earlier specified recommendations of B31G-1991
ASME Guidelines. Examples of evaluation of performance of industrial vessels with local wall damage are given.
Местные утонения стенки сосуда, работающего
под давлением, связаны с коррозионно-эрозион-
ными повреждениями, а также наличием несплош-
ностей, расслоением металла, механическими пов-
реждениями и другими дефектами проката. Если
толщина стенки в ослабленной зоне меньше рас-
четной толщины Sр, а линейные размеры зоны уто-
нения выходят за пределы окружности, диаметр
dор которой не требует укрепления [1, 2], то вы-
полняют ремонт сосуда в ослабленной зоне.
Однако существуют методики оценки работос-
пособности трубопроводов, размер зоны корро-
зионного износа которых значительно превышает
dор [3, 4]. В методике ASME рассматривается схе-
ма бесконечной оболочки с зоной утонения дли-
ной 2l, глубиной h (рис. 1) с параметром оболочки
γ = a/Sр.
Методика ASME основана на обработке экс-
периментов, выполненных более чем на 250 фраг-
ментах трубопроводов, изготовленных из углеро-
дистой стали (аналоги — сталь Ст3 и сталь 20)
и низколегированной стали (аналоги — стали
09Г2С и 16ГС) с локальными утонениями стенки.
Указанные модели подвергали нагружению внут-
ренним давлением и доводили до разрушения. В
результате удалось получить эмпирическую зави-
симость (рис. 2), представленную кривой 2 и дву-
мя отрезками прямых, ограничивающими область
допустимых параметров повреждения:
λ = l ⁄ √⎯⎯⎯⎯DSp , θ = h ⁄ Sp, (1)
где D — внутренний диаметр сосуда; θ — глубина
повреждения.
На рис. 2 также показаны прямая 1, соответ-
ствующая диаметру отверстия, не требующего ук-
репления; кривая 4 допустимого утонения стенки
при установке кольцевых ребер [1] и кривая 3 [4],
построенная на предположении о возможности
аппроксимации зоны коррозионного повреждения
конусом, объем которого равен объему цилиндра,
не требующего укрепления. По-видимому, указан-
ное допущение маловероятно, что привело к не-
обоснованному увеличению зоны допустимых па-
раметров повреждения.
Можно полагать, что методика ASME доста-
точно обоснована большим объемом эксперимен-
тальных данных. В то же время существуют два
обстоятельства, сдерживающие ее распростране-
ние на расчет обечаек сосудов. Во-первых, экс-
перименты проводили на трубах с параметром
оболочки 4,6 ≤ γ ≤ 74. Для промышленных сосудов
указанный параметр обычно находится в пределах
10 ≤ γ ≤ 500. Во-вторых, в методике ASME не
указано значение угла α, а лишь сказано, что зона
повреждения обычно вытянута вдоль образую-
щей. В ряде случаев при избирательной коррозии
© В. М. Долинский, В. И. Черемская, 2009
Рис. 1. Схема бесконечной оболочки с ослабленным участком
2l
48 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2009
угол охвата поврежденной зоны может быть зна-
чительным, вплоть до 2π. В этом случае согласно
[1] глубина повреждения θ не должна превышать
0,5, тогда как в рассматриваемой методике ASME
она достигает значения 0,8 (рис. 2, кривая 4). Ука-
занные обстоятельства потребовали проведения
теоретических исследований с оценкой указанных
факторов. Исследования основаны на методе пре-
дельного равновесия для осевых сил и на методе
«запредельного» (с учетом геометрической нели-
нейности) равновесия для окружных сил.
Допустимая зона повреждений в окружном
направлении α (рис. 1) определяется из условия
предельного равновесия поврежденного сечения
при изгибе и растяжении под действием осевых
сил:
N = qπa2; M = Nz, (2)
где z — положение центра тяжести сечения,
z = 2aθ
2π – αθ
sin α2 . (3)
Условие предельного равновесия [5] сводится
к уравнению
μ = ⎧⎨
⎩
2sin ⎡⎢
⎣
(2π – αθ) (1 – v)
4
⎤
⎥
⎦
– θ(1 – v) sin α2
⎫
⎬
⎭
×
× ⎛⎜
⎝
2cos αθ4 – θ sin α2
⎞
⎟
⎠
–1
. (4)
Здесь
v = N
N0
; μ = M
M0
; N0 = ReaSp(2π – αθ);
M0 = 2Rea
2Sp
⎛
⎜
⎝
2 cos αθ4 – θ sin α2
⎞
⎟
⎠
.
Требование равнопредельной нагрузки q для
обечайки как в неповрежденном, так и в повреж-
денном участке
q = qт = Re/γ (7)
приводит к зависимости α = α(θ). Решение урав-
нений (3)–(6) при заданной предельной нагрузке
представлено на рис. 3 и в табл. 1.
Поскольку предельное состояние под действи-
ем окружных сил может быть достигнуто при тол-
Рис. 2. Предельные зависимости λ(θ): 1 — λ = 0,2 [2]; 2 —
λ = 0,56√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ [θ ⁄ (1,1θ – 0,15)]2 – 1 [3]; 3 — λ = 0,4/θ [4]; 4 —
λ = 0,5√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(1 – 2θ) ⁄ θ [1]
Рис. 3. Диаграмма оценки работоспособности сосудов с пов-
реждением стенки (I–VI — точки, соответствующие пара-
метрам повреждения стенки объекта): I — реактор Р-4А
(ОПЗ); II — ресивер аммиака D-4C (ОПЗ); III — трубопровод,
линия 9-3 производства аммиака № 1 (ОПЗ); IV — сепаратор
С-404 (Укртатнафта); V — ректификационная колонна К-16
(Укртатнафта); VI — холодильник Х-401 (Укртатнафта). 1 —
допускаемый угол повреждения [α]; 2 — допускаемая длина
повреждения [λ]; 3 — предельная кривая ASME [3] (ОПЗ —
Одесский припортовый завод; Укртатнафта— нефтеперера-
батывающий завод, г. Кременчуг)
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2009 49
щине стенки, равной расчетному значению, то в
поврежденной области можно ожидать развитое
пластическое течение, сопровождающееся формо-
изменением (гидроштамповка). При этом нами
принята жесткопластическая диаграмма деформи-
рования материала. Если в качестве модели рас-
смотреть осесимметричную схему (α = 2π), что
очевидно даст консервативную оценку, то задача
сводится к определению предельного состояния
бочкообразной конструкции, образующейся при
деформировании тонкого участка оболочки
(рис. 4). Очевидно, что искривление образующей
может привести к повышению несущей способ-
ности ослабленного участка, если его длина дос-
таточно мала. Можно показать, что 2l ≤ D.
В соответствии с формулой Лапласа и учетом
уравнения равновесия получим выражения для
меридиональных σ1(0); σ1(l) и окружных напря-
жений σ2(0); σ2(λ) в центре и на краю зоны пов-
реждения:
σ1(0) = q(γ + V)
2(1 – θ)
;
σ2(λ) = qγ
(1 – θ)
(2γλ
2 – V2 – γV) (2γλ2 + V2)
(2γλ2 – V2)2
;
σ2(0) = qγ
1 – θ
(γ + V) (2λ2 – V)
2γλ2 + V2 ;
σ1(λ) = qγ
2(1 – θ)
2γλ
2 + V2
2γλ2 – V2 ,
(8)
где V = W0/Sр, Wo — стрела прогиба в центре ос-
лабленного участка.
По мере выпучивания окружные напряжения
в центральной части остаются неизменными, а ме-
ридиональные напряжения возрастают, что соот-
ветствует условию пластичности Треска—Сен-
Венана. Возможность выпучивания ограничивает-
ся условиями прочности по напряжениям σj ≤ Re
(σj и Re — напряжения и предел текучести мате-
риала, j = 1, 2). При этом необходимо выполнить
условия прочности по деформациям εij ≤ [ε]), (εjj
и [ε] — интенсивность деформаций и допускае-
мые деформации [6]).
Т а б л и ц а 1. Зависимости параметров λ и α от параметра θ
θ
λ
α, градγ
10 20 50 100 500
0 2,236 3,162 5,000 7,071 15,81 360
0,1 2,121 2,439 2,772 2,941 3,113 360
0,2 1,647 1,860 2,053 2,128 2,199 360
0,3 1,242 1,370 1,486 1,531 1,573 360
0,4 0,906 0,969 1,027 1,050 1,071 360
0,5 0,637 0,658 0,678 0,685 0,692 360
0,6 0,437 0,437 0,437 0,437 0,437 184
0,7 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 146
0,8 0,218 0,218 0,218 0,218 0,218 122
0,9 0,136 0,136 0,136 0,136 0,136 106
Рис. 4. Выпучивание зоны коррозионного повреждения
Т а б л и ц а 2. Примеры расчетов конструкций
Номер Аппарат Среда
Исходные данные
q, МПа t, oC D, мм h, мм l, мм α, град Сталь
1 Реактор Р-4А (ОПЗ) Аммиак 5,0 350 2600 24,1 17,5 111 12ХМ
2 Ресивер аммика D-4C
(ОПЗ)
Аммиак 2,0 51,7 1524 1,8 75,0 37,6 A516Gr70
(сталь 30)
3
Трубопровод линия 9-3
(ОПЗ)
Конвертированный газ
2,95 265 593 4,0 2125 360
А358
Тр304С11
(03Х18Н11)
4 Сепаратор С-404
(Укртатнафта)
Пропан-бутановая
фракция 1,6 20 1600 1,4 215 37,2 R-3 (16ГС)
5 Колонна К-16 (Укртат-
нафта)
Углеводородные газы 0,4 150 2200 1,5 125 90 Ст3
6 Холодильник Х-401
(Укртатнафта)
Фракция пентана 3,3 100 500 1,3 390 68,8 R-3 (16ГС)
50 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2009
Из условий равнопрочности утоненного учас-
тка и основной оболочки σ2(0) = qγ устанавлива-
ется связь между параметрами повреждения λ, θ
в зависимости от параметра оболочки γ и стрелы
прогиба в центре ослабленного участка. В неко-
торых случаях возможность деформации конс-
трукции регламентируется величиной прогиба V.
По-видимому, приемлемым является значение V =
= 1…2.
Указанная зависимость ограничивает зону до-
пустимых параметров повреждения (рис. 3,
табл. 1). Там же показана кривая 3 ASME [3], ко-
торая хорошо согласуется с полученными резуль-
татами. Совпадение результатов в наибольшей
степени наблюдается при малых параметрах γ.
При больших значениях получено уточнение в об-
ласти неглубоких повреждений.
Приведенные на рис. 3 кривые ограничивают
область допустимых параметров повреждения и
позволяют проводить оценку имеющихся повреж-
дений конструкции, определяемой заданными па-
раметрами повреждения (θ, λ, α). Если вертикаль-
ный отрезок, определяемый заданными парамет-
рами повреждения, находится между ограничи-
тельными кривыми λ = λ(θ) и α = α(θ), условие
прочности выполняется и ремонт не требуется. В
противном случае необходим ремонт.
При этом можно также пользоваться табл. 1.
Примеры расчетов нескольких конструкций
приведены в табл. 2. Если условия прочности со-
судов 1, 2, 4, 5 выполняются (α < [α], λ < [λ], θ <
< [θ] — ремонт не требуется. Если условия проч-
ности аппарата (3) и трубопровода (6) не выпол-
нены (λ > [λ]), их необходимо ремонтировать.
1. ГОСТ 14249–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы
расчета на прочность.
2. ГОСТ 24755–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы
расчета на прочность укрепления отверстий.
3. ASME B31G–1991. Инструкция для трубопроводов под
давлением. Американский национальный стандарт. Ру-
ководство для определения остаточной прочности тру-
бопроводов, подвергшихся коррозии. Американское об-
щество инженеров-механиков.
4. Методика оцінки технічного стану труб газопроводу з
тривалим строком експлуатації та його залишкового ре-
сурсу. — УкрНДіГгаз, 2002.
5. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и пол-
зучести. — М.: Машиностроение, 1968. — 400 с.
6. ДСТУ 4003–2000. Посудини та апарати. Вибір пара-
метрів зміцнювального оброблення.
УкрНИИхиммаш,
Харьков
Поступила в редакцию
07.10.2008
Окончание табл. 2
Номер Аппарат Среда
Вспомогательные параметры Результаты расчетов
Sp, мм γ λ θ [α], град [λ] [θ]
1 Реактор Р-4А (ОПЗ) Аммиак 53,8 24,2 0,0468 0,448 360 0,819 0,867
2 Ресивер аммика D-4C (ОПЗ) Аммиак 13,0 58,6 0,533 0,138 360 2,49 0,555
3 Трубопровод линия
9-3 (ОПЗ)
Конвертированный газ 12,3 24,1 24,9 0,325 360 1,26 —
4 Сепаратор С-404
(Укртатнафта)
Пропан-бутановая
фракция 7,4 108 1,98 0,189 360 2,21 0,224
5 Колонна К-16
(Укртатнафта)
Углеводородные газы 4,3 326 1,14 0,349 360 1,31 0,384
6 Холодильник Х-401
(Укртатнафта)
Фракция пентана 5,7 43,9 7,3 0,228 360 1,883 —
Пр и м е ч а н и е. Здесь q, t, D, h, 1, α — внутреннее давление, расчетная температура, внутренний диаметр аппарата; глубина, по-
лудлина и угол охвата зоны повреждения; [α], [λ], [θ] — допускаемые параметры для зоны повреждения: угол охвата, относитель-
ные полудлина и глубина (в скобках указаны отечественные аналоги сталей).
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2009 51
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103407 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0235-3474 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:04:14Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долинский, В.М. Черемская, В.И. 2016-06-16T10:20:15Z 2016-06-16T10:20:15Z 2009 Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок / В.М. Долинский, В.И. Черемская // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 4. — С. 48-51. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103407 621.19.24 На основе теории предельного равновесия рассмотрена несущая способность обечаек с локальными утонениями стенок. Приведены зависимости, которые в определенной области параметров согласуются с ранее полученными рекомендациями инструкции B31G-1991 ASME. Даны примеры оценки работоспособности промышленных сосудов с местными повреждениями стенки. Load-carrying capacity of shells with local wall thinning is considered on the basis of the theory of limit equilibrium. Simple dependencies are given, which in a certain parameter range agree with earlier specified recommendations of B31G-1991 ASME Guidelines. Examples of evaluation of performance of industrial vessels with local wall damage are given. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Техническая диагностика и неразрушающий контроль Производственный раздел Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок Load-carrying capacity of vessel shells with local wall thinning Article published earlier |
| spellingShingle | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок Долинский, В.М. Черемская, В.И. Производственный раздел |
| title | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок |
| title_alt | Load-carrying capacity of vessel shells with local wall thinning |
| title_full | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок |
| title_fullStr | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок |
| title_full_unstemmed | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок |
| title_short | Несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок |
| title_sort | несущая способность обечаек сосудов с местными утонениями стенок |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103407 |
| work_keys_str_mv | AT dolinskiivm nesuŝaâsposobnostʹobečaeksosudovsmestnymiutoneniâmistenok AT čeremskaâvi nesuŝaâsposobnostʹobečaeksosudovsmestnymiutoneniâmistenok AT dolinskiivm loadcarryingcapacityofvesselshellswithlocalwallthinning AT čeremskaâvi loadcarryingcapacityofvesselshellswithlocalwallthinning |