ГОСТ 25859-83
(СТ СЭВ 3648-82)

Группа Г02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР


СОСУДЫ И АППАРАТЫ СТАЛЬНЫЕ

Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках

Steel vessels and apparatuses.
Norms and methods of fatigue strength
calculation under low-cyclic loads

ОКП 36 1510

Дата введения 1984-07-01

     РАЗРАБОТАН Министерством химического и нефтяного машиностроения
     
     ИСПОЛНИТЕЛИ
     
     В.И.Рачков, канд. техн. наук (руководитель темы); Н.М.Самсонов, канд. техн. наук; В.Д.Бабанский; С.М.Кутепов, канд. техн. наук; Т.С.Плешакова
     
     ВНЕСЕН Министерством химического и нефтяного машиностроения
     
     Член Коллегии А.М.Васильев
     

     УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 11 июля 1983 г. N 3046
 
     ВНЕСЕНО Изменение N 1, утвержденное и введенное в действие Постановлением Госстандарта СССР от 17.04.90 N 906 с 01.11.90 и опубликованное в ИУС N 7, 1990 год      
     
     Изменение N 1 внесено юридическим бюро по тексту ИУС N 7, 1990 год             
     
     
     Настоящий стандарт распространяется на стальные сосуды и аппараты, применяемые в химической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности и отвечающие требованиям ГОСТ 24306-80, и устанавливает нормы и методы их расчета на прочность при количестве главных циклов нагружения от давления, стесненности температурных деформаций или других видов нагружений от 10 до 5·10 за весь срок эксплуатации сосуда.
     
     Настоящий стандарт должен применяться совместно с ГОСТ 14249-80.
     
     Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 3648-82.
     
     

1. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

     1.1. Расчетные формулы настоящего стандарта применимы при условии, что расчетные температуры не превышают значений, при которых учитывают ползучесть материалов, т.е. при таких температурах, когда допускаемое напряжение определяют по ГОСТ 14249-80 по пределу текучести или временному сопротивлению (пределу прочности).
     
     Если нет точных данных, то формулы применимы при условии, что расчетная температура стенки из углеродистой стали не превышает 380 °С, из низколегированной стали 420 °С и из аустенитной стали 525 °С.
     
     1.2. Расчетные формулы применимы для сосудов, отвечающих условиям прочности при статических нагрузках по нормативно-технической документации.
     
     1.3. Расчетные формулы применимы для элементов сосудов и аппаратов, для которых в нормативно-технической документации не приведен расчет на малоцикловую усталость.
     
     

2. ЦИКЛЫ НАГРУЖЕНИЯ

     2.1. Под циклом нагружения понимают последовательность изменения нагрузки, которая заканчивается первоначальным состоянием и затем повторяется.
     
     2.2. Под размахом колебания нагрузки следует понимать абсолютное значение разности между максимальным и минимальным ее значениями в течение одного цикла.
     
     2.3. При расчете на малоцикловую усталость учитывают следующие циклы нагружения:
     
     1) рабочие циклы, которые имеют место между пуском и остановом рассчитываемого сосуда и относятся к нормальной эксплуатации сосудов;
     
     2) циклы нагружения при повторяющихся испытаниях давлением;
     
     3) циклы дополнительных усилий от воздействия крепления элементов сосуда или аппарата и крепления трубопроводов;
     
     4) циклы нагружения, вызванные стесненностью температурных деформаций при нормальной эксплуатации сосудов.
     
     2.4. При расчете на малоцикловую усталость не учитывают циклы нагружения от:
     
     а) ветровых и сейсмических нагрузок;
     
     б) нагрузок, возникающих при транспортировании и монтаже;
     
     в) нагрузок, у которых размах колебания не превышает 15% для углеродистых и низколегированных сталей, а также 25% для аустенитных сталей от допускаемого значения, установленного при расчете на статическую прочность. При совместном действии нагрузок по подпунктам а-в этим условиям должна удовлетворять сумма размахов нагрузок. При определении суммы размахов нагрузок от различных воздействий не учитывают вспомогательную нагрузку, которая составляет менее 10% от всех остальных нагрузок;
     
     г) температурных нагрузок, при которых размах колебания разности температур в двух соседних точках менее 15 °С для углеродистых и низколегированных сталей и 20 °С для аустенитных сталей. Под соседними точками следует понимать две точки стенки сосуда, расстояние между которыми не превышает , где  - диаметр сосуда,  - толщина стенки сосуда;
     
     д) размахов колебаний температуры в месте соединения материалов с различными коэффициентами линейного расширения, которые не превышают 50 °С.
     
     (Измененная редакция, Изм. N 1).
     
     2.5. Размах колебания главных нагрузок определяют на основе рабочих значений этих нагрузок.
     
     2.6. Число циклов нагружения определяют по установленной в документации долговечности сосуда или аппарата. При отсутствии таких данных принимают долговечность 10 лет.
     
     

3. УСЛОВИЯ ПРОВЕРКИ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

     3.1. Расчет на малоцикловую усталость не проводят, если имеются положительные результаты эксплуатации аналогичного сосуда при тех же условиях работы и в течение времени не менее расчетной долговечности.
     
     3.2. Расчет на малоцикловую усталость по разд.4 и 5 не проводят, если для всех элементов сосуда выполняются следующие условия:
     
     1) все изменения нагрузок, кроме давления, удовлетворяют условиям п.2.4;
     
     2) размах давления принимают постоянным в течение всего срока эксплуатации;
     
     3) удовлетворяется условие
     

                                                 (1)

для всех элементов сосуда. Допускаемое число циклов нагружения давлением  определяют по черт.1-3.

Допускаемое число циклов нагружения давлением для элементов сосудов и аппаратов
из углеродистых сталей

Черт.1

     Примечание. Номограмма построена при значениях =60·10 МПа, =150 МПа, =380 °С.
     
     

Допускаемое число циклов нагружения давлением для элементов сосудов и аппаратов
 из низколегированных сталей

Черт.2

     Примечание. Номограмма построена при значениях =45·10 МПа, =230 МПа, =420 °С.
     
     

Допускаемое число циклов нагружения давлением для элементов сосудов и аппаратов
 из аустенитных сталей

Черт.3

     Примечание. Номограмма построена при значениях =60·10 МПа, =270 МПа,  =525 °C.
     
     
     Формулу (1) применяют на основании расчета отдельных узлов при соответствующих значениях  и . Допускается проводить расчет аппарата в целом при наибольших значениях  и наименьшем .
     
     3.3. Если условие формулы (1) не выполняется, то проводят либо упрощенный, либо уточненный расчет на малоцикловую усталость по разд.4 или 5.
     
     Допускается уточненный расчет не проводить, если упрощенный расчет дает положительные результаты.
     
     

4. УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

     4.1. Для всех нагруженных элементов сосуда должно выполняться условие
     

.                                                                    (2)

     Значение допускаемого числа циклов нагружения -го вида определяют по разд.6 в зависимости от амплитуды напряжения -го вида.
     
     4.2. Амплитуду напряжений при нагружении -го вида определяют по формуле
     

,                      (3)

где  и  определяют по табл.1 и 2. При расчете гладкой обечайки, коэффициент  принимают только для продольных сварных швов.

     Значения [] и [] определяют по ГОСТ 14249-80, ГОСТ 24757-81 и ГОСТ 25221-82.
     
     

 Таблица 1
 

          
     Примечание. Значение  действительно только в том случае, когда площадь поперечного сечения и момент сопротивления сварного соединения не меньше соответствующих значений в наиболее слабом элементе узла.
     
     

     (Измененная редакция, Изм. N 1).
     
     

Таблица 2
 

     
     
     (Измененная редакция, Изм. N 1).
     
     

5. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

     5.1. Уточненный расчет на малоцикловую усталость основан на определении напряжений для упругого материала по теории пластин, оболочек, колец и балок при линейном распределении напряжений по толщине стенки. При расчете определяют напряжения для проверяемого узла в нескольких точках каждого элемента на внутренней и наружной поверхностях в трех направлениях.
     
     Полученные таким образом решения для некоторых наиболее типичных узлов приведены в справочном приложении 1.
     
     5.2. Для упрощения расчетов эпюры циклов нагружения принимают в виде прямоугольников (черт.4), причем количество циклов определяют при постоянной нагрузке, или одна нагрузка может иметь в одном главном цикле (пуск в эксплуатацию и останов) несколько второстепенных целых циклов.
     
     

Черт.4

          
     5.3. Для каждого вида нагрузки рассчитывают размах отдельных составляющих напряжений , , , , , , , ,  как разность напряжений обоих нагруженных состояний, входящих в цикл.
     
          

     Амплитуду напряжений для каждого цикла определяют по формуле
     

              (4)

     при расчетах с помощью ЭВМ допускается амплитуду напряжений определять по формуле
     

; (5)

     для плоского напряженного состояния при главных напряжениях  и
     

.                                                 (6)

     5.4. Значение эффективного коэффициента концентрации напряжения  определяют по формуле
     

,                                                                       (7)

где  - коэффициент чувствительности материала к концентрации;

      - теоретический коэффициент концентрации.
     
     Значения  и  определяют в зависимости от применяемых материалов и концентрации напряжений.
     
      При отсутствии точных данных
     

,                                                                        (8)

где  - коэффициент прочности сварного шва по ГОСТ 14249-89;

      - определяют по табл.1.
     

   
     (Измененная редакция, Изм. N 1).
     
     5.5. Для полученного значения  по формуле (11) определяют [].

     5.6. При известных значениях  и [] для отдельных типов циклов нагружения определяют коэффициент линейного суммирования повреждений , который должен удовлетворять условию формулы (2).
     
     

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСКАЕМОЙ АМПЛИТУДЫ НАПРЯЖЕНИЙ
И ДОПУСКАЕМОГО ЧИСЛА ЦИКЛОВ НАГРУЖЕНИЯ

     6.1. Допускаемую амплитуду напряжений определяют по формуле (9) или графикам черт.5-7
     

.                                                       (9)

Расчетная кривая усталости для углеродистых сталей до температуры 380 °С

Черт.5

Расчетная кривая усталости для низколегированных сталей до температуры 420 °С

Черт.6

Расчетная кривая усталости для аустенитных сталей до температуры 525 °С

Черт.7

     Чертеж 8 исключен

     (Измененная редакция, Изм. N 1).
     

     6.2. Допускаемое число циклов нагружения определяют по формуле (10) или графикам черт.5-7
     

,                                              (10)

где .                                                   (11)

     6.3. Значения  и  в МПа определяют по табл.3.
     
     

Таблица 3
 

     
     
     (Измененная редакция, Изм. N 1).
     
     6.4. Коэффициенты запаса прочности по числу циклов =10, по напряжениям =2.
     

     6.5. В случае соединения сталей с разными механическими характеристиками определяющей является сталь, дающая меньшие значения [] и [].

     
     (Введен дополнительно, Изм. N 1).
     
     

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Справочное

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНЫХ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ

     Ниже приведены расчетные зависимости для определения наибольших упругих напряжений из условия напряженного состояния краевого эффекта в зонах сопряжения элементов сосудов и аппаратов. Зависимости получены методом строительной механики (метод сил) с использованием результатов и основных соотношений теории тонкостенных оболочек вращения и прикладной теории упругости. Зависимости получены для некоторых наиболее типичных узлов, когда сосуд или аппарат находится под действием внешних нагрузок (давление, температура).
     
     Приведенные расчетные зависимости не исключают возможности использования решений, полученных другими способами (и для других узлов и типов сопряжений элементов), содержащихся в специальной и справочной литературе.
     

1. Составные оболочки вращения под действием внутреннего давления

     1.1. Наибольшие упругие напряжения, возникающие под действием внутреннего давления в узлах сопряжения элементов сосудов и аппаратов, составленных из оболочек вращения (табл.1), определяют следующими вычислениями:
     
     а) определение вспомогательных безразмерных величин
     

 где  = 1; 2;

; ;

Таблица 1

Различные типы сопряжения оболочек

;

;

;

.

     Величины  и  ( =1; 2) в приведенных выражениях определяют по табл.2.
     
     

Таблица 2
 

Сопровождающие функции и безразмерные распорные усилия для оболочек вращения

               
     Примечание. Знак "+" в выражении для  соответствует верхнему положению полюса оболочки (табл.1 настоящего приложения);   
     
     
     б) вычисление краевого усилия  и изгибающего момента  (черт.1 настоящего приложения):    

;

     в) вычисление упругих напряжений в крайних волокнах обечаек по линии их сопряжения     

;

,

где   - для цилиндрической оболочки;    
     
      - для конической оболочки;
     
      - для сферической оболочки;
     
      - для эллипсоидальной оболочки.

     (Измененная редакция, Изм. N 1).  
     
     
     Знак "+" в выражениях для напряжений относится к внешней поверхности оболочки.
     
     

Схемы пересечения оболочек вращения различной ориентации

Черт.1

     1.2. Наибольшие упругие напряжения, возникающие при действии внутреннего давления в узлах сопряжения обечаек сосудов и аппаратов через распорное кольцо (черт.2), определяют следующими вычислениями:
     
     а) определение вспомогательных величин и коэффициентов
     

;

; ( = 1; 2)

;

;

;

;

;

;

     Остальные параметры определяют по п.1.1, а.
     

     б) вычисление краевых усилий  и моментов  

Схемы сопряжения оболочек через кольцо жесткости
 

Черт.2

     в) вычисление упругих напряжений в крайних волокнах обечаек по линиям их сопряжения с распорным кольцом
     

;

.

     Значения коэффициентов  и  принимают по п.1.1.
     
     1.3. Наибольшие упругие напряжения, возникающие под действием внутреннего давления в узле сопряжения оболочки вращения с плоским днищем (черт.3), определяют следующими вычислениями:
     

Схема сопряжения оболочки с плоским днищем
 

Черт.3

     а) определение вспомогательных безразмерных величин
     

;

;

.

     Значения  и  определяют по табл.2 настоящего приложения;
     
     б) вычисление краевого усилия  и момента      

;

     в) вычисление напряжений в крайних волокнах оболочки
     

;

.

     Значения коэффициентов  и  определяют согласно п.1.1, в.
     
     Расчетные зависимости справедливы при выполнении следующих условий:
     
     1) угловая меридиональная координата края сферической или эллипсоидальной оболочки
     

;

    2)  - для сферической, цилиндрической и эллипсоидальной оболочек;

      - для конической оболочки;
     
     3) ,

     
где  и  - размеры поперечного сечения распорного кольца (см. черт.2).     

     Кроме того, должны удовлетворяться условия, позволяющие считать оболочки достаточно длинными (табл.3).                

Таблица 3
 

Условия "длинности" для оболочек вращения

     
     
     (Измененная редакция, Изм. N 1).
     
     1.4. Соединение конического днища через тороидальную вставку с цилиндрической обечайкой сосуда или аппарата (черт.4).
          

Эскиз соединения конуса с цилиндром через тороидальную отбортовку

Черт.4

     Напряжения в тороидальной вставке (сечение )
     

.

     Напряжения в сварном соединении вставки с цилиндром
     

.

     Напряжения в сварном соединении вставки с конусом
     

.

         
       В этих выражениях обозначены
     

.

     Функцию  определяют соотношением
     

.

     Значения аргументов  равны
     

.

     Окружные радиусы кривизны в соответствующих сечениях равны
     

,

где  - радиус отбортовки;

      - длины прямолинейных участков тороидальной вставки, примыкающих к обечайкам.

     Расчетные зависимости применимы при выполнении условий

.

 
     (Измененная редакция, Изм. N 1).

2. Составные оболочки вращения при воздействии температуры

     2.1. Наибольшие упругие напряжения при непосредственном сопряжении обечаек, разнородных по термомеханическим свойствам (например, из углеродистых и аустенитных сталей), определяют следующими вычислениями
     
     а) определение вспомогательных величин
     

;

; ;

;

     б) вычисление краевого усилия  и момента  
     

     в) вычисление напряжений в крайних волокнах обечаек по линии их сопряжения
     

;

.

     В приведенных соотношениях знак "+" относится к наружной поверхности обечайки. Кроме того, в зависимости от индекса (=1, 2) обечайки  выбирают по табл.2.
     
     Отсчет температуры стенки обечайки при определении температурных напряжений ведут от начальной температуры или температуры при монтаже сосуда или аппарата. Модули упругости ,  и коэффициенты температурного удлинения ,  материалов для каждой из сталей принимают постоянными в пределах рассматриваемого интервала температур по гарантированным справочным данным. При отсутствии последних для приближенных расчетов можно использовать зависимости, представленные на черт.5 настоящего приложения.
     

Зависимость модуля упругости* и коэффициента линейного расширения от температуры

1 - легированные стали; 2 - углеродистые

Черт.5

_____________
     * Значения модуля упругости  взяты в соответствии с ГОСТ 14249-80.

     2.2. Наибольшие упругие напряжения при сопряжении разнородных по термомеханическим свойствам обечаек через распорное кольцо определяют следующей последовательностью вычислений:
     
     а) определение вспомогательных величин     

;

;

;

;

          б) вычисление краевых усилий  и моментов  (=1; 2)     

     в) вычисление напряжений в крайних волокнах обечаек по линии их сопряжения с распорным кольцом (=1; 2)
     

     
     Расчетные зависимости данного раздела справедливы при выполнении условий п.1.3 настоящего приложения.
     
     

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочное

ТЕРМИНЫ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ