В основу принятых в котельных нормах [8] методов расчета элементов, находящихся под давлением, положен принцип оценки прочности по несущей способности (предельной нагрузке, опреде­ляемой наступлением текучести). Такая оценка обеспечивает наи­лучшее использование механических свойств материала с сохране­нием надежности изделия при условии строгого выполнения требо­ваний Госгортехнадзора к материалам и изготовлению. В тех слу-. чаях, когда расчет, выполняемый по разрушающей нагрузке и соот­ветствующей характеристике прочности при одноосном напряжении, приводит к необходимости выбора более толстой стенки по сравне­нию d получающейся при расчете по предельной нагрузке, оконча­тельные формулы для расчета приняты по разрушающей нагрузке.

Используемые в нормах формулы приведены к наиболее удобному для практического применения виду и представлены в двух вариан­тах: для определения толщины стенки и для определения допусти­мого давления. В качестве основной нагрузки, по которой опреде­ляют толщину стенки котельных элементов, принято давление ра­бочей среды. В необходимых случаях, оговоренных в нормах, — наличии высоких напряжений изгиба в барабанах и камерах (при большой длине последних), производят поверочный расчет изгиб - ных напряжений. Поверочный расчет напряжений от внешних на­грузок (осевой силы, изгибающих и крутящих моментов) и от само - компенсации теплового расширения необходим для трубопроводов.

Величину допускаемого напряжения в элементах котельного оборудования и сосудов определяют по формуле

[а] = г)[а]*,

где [а] * — номинальное допускаемое напряжение, определяемое свойствами материала. Величину коэффициента т], учитывающего конструктивные и эксплуатационные особенности рассчитываемой детали, принимают в соответствии с указаниями норм в пределах 0,75—1,0.

Зависимость номинальных допускаемых напряжений от рабочей температуры для основных марок котельных сталей показана на рис. 2 [8]. Они получе­ны на основе следующих принятых запасов проч­ности к основным ха - р а ктер исти кам сталей: пт = пди = 1,5 по отно­шению к пределу теку­чести (ат) и пределу длительной прочности за 105 ч (адп) и пв = 2,6 по отношению к пределу прочности (ав). Величи­ну [а]* принимают рав­ной наименьшей из по­лученных расчетом по этим трем условиям.

Наименьшей прочно­стью во всем диапазоне темпер ату р обл а дают

низкоуглеродистые ста­ли. Низколегированные конструкционные стали,

И особенно сталь 16ГНМ, рис 2. Зависимость номинальных допускаемых обеспечивают высокую напряжений от рабочей температуры для котель - прочность до 350° С. ных сталей

Наиболее прочные в ин­тервале температур 20—550° С хромомолибденованадиевые и вы­сокохромистые стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Преимущество по проч­ности стали 12Х18Н10Т сказывается лишь при температурах выше 550° С.

Основными элементами расчета сварных сосудов и других узлов котельного оборудования, работающих под давлением, являются: расчет толщины стенки цилиндрических элементов и днищ; определение допустимого диаметра неукрепленного отверстия и расчет укрепления отверстий.

Толщина стенки - S цилиндрических элементов, находящихся под внутренним давлением (барабаны, камеры и трубы), должна быть не менее определенной по одной из следующих двух фор­мул:

для случая, когда номинальным является наружный диаметр,

S = 200qf[a]H+P~[8]~C: ^

для случая, когда номинальным является внутренний диаметр,

5 = ВД=]Г + С - (2)

Допустимое рабочее давление р в кгс/см2 при контрольных рас­четах изготовленных барабанов или камер, когда номинальным является наружный диаметр, определяют по формуле

п 200S(j)<p [o’] /о

Р Он-5ф * ^

При контрольных расчетах труб с продольным швом величина

(4)

200 (S — C) ф [а]

DH — (S — C)

В формулах (1) — (4):

Du и DB — наружный или внутренний диаметр;

5,к — фактическая толщина стенки в мм;

С — прибавка к расчетной толщине стенки, равная 1 мм при толщине обечаек и камер менее 20 мм и нулю при большей толщине; для труб величина С приве­дена в нормах расчета;

Ф — коэффициент прочности продольного стыкового свар­ного соединения или продольного сечения, ослаблен­ного отверстиями. Ослабление поперечного (кольце­вого) сварного соединения при расчете толщины стенки не учитывается.

Значения ф в нормах приняты исходя из условий высокого ка­чества изготовления элементов и 100%-ного контроля сварных узлов неразрушающими методами в соответствии с правилами Кот­лонадзора [8]. Их величины равны:

для углеродистой, низколегированной марганцовистой, хромо* молибденовой и аустенитных сталей ф = 1,0;

для хромомолибденованадиевоД и высокохромистой стали ф = = 0,8*.

Коэффициент прочности стыковых сварных соединений углеро­дистой и низколегированной марганцовистой стали, контроль ка­чества которых неразрушающими методами производят согласно особому разрешению Госгортехнадзора не по всей длине, принимают в зависимости от способа сварки;

при автоматической двусторонней сварке под флюсом, электро­шлаковой сварке, контактной сварке, односторонней ручной и авто­матической сварке под флюсом на подкладной планке или с подвар - кой основания шва, сварке в атмосфере углекислого газа и аргоно­дуговой сварке, а также при контрольных расчетах барабанов, сва­ренных водяным газом, (р = 0,85;

при всех других, не указанных выше видах ручной дуговой и газовой сварки <р = 0,7.

При поверочных расчетах эквивалентных напряжений в трубах от внешних нагрузок и самокомпенсации при высоких температурах нормами предусмотрен дополнительно коэффициент прочности попе­речных кольцевых сварных стыков при изгибе фи: для труб из аустенитной и высокохромистой стали катаных, ф„ = 0,6; ковано - сверленых фч = 0,7; для труб из перлитных сталей катаных фи = = 0,8; ковано-сверленых фи = 0,9. Указанное требование введено в целях уменьшения опасности хрупких (локальных) разрушений сварных стыков при высокотемпературной эксплуатации узлов, изготовленных из легированных сталей. При проектировании сварных узлов необходимо размещать сварные соединения в участ­ках без воздействия значительных напряжений изгиба,

Сосуды, работающие под давлением, и в первую очередь бара­баны и камеры котлов имеют большое число штуцеров различного назначения. Надлежащее их конструктивное оформление является одной из основных задач проектирования.

Наличие отверстий под штуцера ослабляет сосуд и учитывается при расчете его стенки введением коэффициента ф, равного при продольном расположении отверстий

Ф-Т4, (5)

где t — шаг между отверстиями;

d — номинальный диаметр отверстия. Согласно нормам t з=г їг 1,4 d.

В зависимости от типа штуцера отверстие может быть неукреп­ленным или укрепленным. Неукрепленным считают отверстие, не имеющее усилений в виде приварных накладок или штуцеров (труб) с толщиной стенки, превышающей минимальную расчетную тол­щину штуцера 50ш. Этот случай реализуется, например, при бес - штуцерной приварке труб поверхностей нагрева к барабанам. Наи­больший диаметр неукрепленного отверстия вычисляют по форму­лам:

при Фо > 0,5 с(пред = 1,2^— 1^V'(D„ + S)(S — С); (6)

при фо 0,5 df, ред — 2 1 j "J/"S) (S — С) • (7)

Коэффициент ф0 вычисляют по формуле

(8)

Фо =

p[DB+(S-C)) 200 (S — C) [<т] *

йн

& I

ЩЩ—

Ц

Ось сосуда а) Ь„

ш

В)

Рис. 3. Типы укрепления отверстий сосудов: а — утолщенным штуцером; б — штуцером, не испытывающим давления; в — накладкой; г — вваркой утолщенного листа

/св — укрепляющее се­чение сварных швов, мм2; S0 — номинальная рас­четная толщина стенки без ослаб­ления, мм. Для штуцеров, испытывающих внутреннее давление (рис. 3, а), /ш = 2 /іш(5ш-5ош)- (Ю) Для штуцеров, вваренных внутрь сосуда (рис. 3, б) и разгру­женных от давления, f =2h S (11) Для накладок (рис. 3, в) /„ = 26HSH. (12) 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. 3, б) или вваркой стыковым швом элемента большей толщины (рис. 3, г). Укрепляющее сечение сварных швов fCB, присоединяющих шту­церы или накладки к укрепляемому элементу, принимают равным сумме сечений выступающих участков шва без учета его усиления.

Если диаметр отверстия превышает наибольший допустимый диа­метр неукрепленного отверстия, то либо должна быть увеличена толщина стенки сосуда, либо должно быть укреплено отверстие приваркой утолщенного

штуцера или накладки (рис. 3). Размеры укрепля­ющих элементов выбирают по следующему условию: (/ш + /н 4" fсв) ^ ^ (d dnpejx) Sо, (9) где fm — укрепляющее се­чение штуцеров, мм2; - укрепляющее се­чение накладок,

Sgtit

ММ'

2.

Минимальные размеры швов должны удовлетворять следующим условиям:

для штуцеров (рис. 4, а)

Amin = 2,1^; (13)

ан

для накладок

A I ^Н1 ^н Л 2,1^hSh

ДігпіпН ^2min ^ ”7) (14)

un uhi

рне. 4. Размеры сварных швов укрепляющих элементов, принимаемые при расчете: а *— штуцер без разделки кромок; б — штуцер с разделкой кромок; в — накладка

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

Опыт эксплуатации со­судов, изготовленных из низколегированных конст­рукционных сталей, и прежде всего барабанов высокого давления [2, 61, показал их повышенную повреждаемость в участках конструктивной концентрации напря­жений преимущественно в районе отверстий. Выявленные трещины были коррозионно-усталостного характера.

Анализ механизма указанных повреждений [7] позволил устано* вить, что они вызываются рядом причин и в первую очередь про­явлением эффекта малоцикловой усталости, вызванной циклическим деформированием наиболее напряженных зон сосуда в упруго-пла­стической области. Циклическое нагружение сосуда определяется режимами его пусков и остановов, колебаниями давления и темпе­ратуры при эксплуатации и переходными режимами. Общее число циклов для элементов котельного оборудования может достигать 104—5-Ю4.

Участками концентрации напряжений у сосудов, в которых воз­можно циклическое упруго-пластическое деформирование, яв­ляются отверстия. Значения теоретического коэффициента концент­рации а0 в отверстиях при разных типах штуцеров показаны на рис. 5. Считается, что величина аСТтах обычно меняется в пределах 2,5—4,5. При принятых в нормах [81 коэффициентах запасов проч­ности нагружение сосуда приводит к появлению в этих участках местной пластической деформации.

Существующий метод расчета котлов на прочность по номиналь­ным напряжениям в гладкой части сосуда, основанный на характе­
ристиках однократного нагружения, не учитывает влияния местной концентрации напряжений у отверстий. Считается, что при высокой пластичности сталей, применяемых для сосудов, появление местной

Рис. 5. Значение теоретического коэффициента концентрации напряжения в районе отверстий сосудов: а — без укрепления; б — тонкостенный штуцер; в — толстостенный штуцер;, г — штуцер с пропуском чер^з стенку сосуда

упруго-пластической деформации ограниченной величины не может снизить надежность изделия.

Вероятность появления трещин в районе концентраторов может быть оценена по результатам поверочного - расчета на прочность при циклическом нагружении 14]. Его производят по амплитудам

Рис. 6. Кривые усталости сталей: / — перлитные стали (7'-20 4-+360 °С); 2 — аустенитные стали (Т-20 ~ -г +450 °С): ниже кривых / и 2 область допустимых амплитуд напряжений и числа циклов

приведенных условных упругих напряжений цикла of, равным по­ловине произведения размаха местной деформации на модуль упру­гости при расчетной температуре. Для определения допускаемого числа цикла по заданным амплитудам напряжений используют кривые усталости (рис. 6), характеризующие зависимость числа циклов до образования трещин от упругих напряжений цикла.

При определении допускаемых амплитуд напряжений необходимо учитывать коэффициенты запаса по напряжениям па и по долговеч­ности nN. Для узлов атомного оборудования принимают 14] па — 2

И Пдг — 10.

Величины допускаемых амплитуд напряжений для сварных соединений ІсГасІ могут быть приняты как

[0*с] = фе[(Та]- (15)

Коэффициент фс зависит от вида сварки, сварочных материалов и режима термообработки и равен 0,9 для сварных соединений низкоуглеродистых сталей при ручной и автоматической сварке под флюсом в исходном состоянии. После отпуска этих сварных сое­динений, а также для сварных соединений аустенитных сталей можно принимать фс = 1,0.

Кривые на рис. 6 являются общими для перлитных (кривая 1) и аустенитных сталей (кривая 2) умеренной прочности разного ле­гирования. Поэтому при одном и том же типе усиления отверстия вероятность появления трещин будет выше у сосуда, изготовлен­ного из более прочной стали и работающего согласно существую­щим нормам расчета при более высоких номинальных напряжениях.

На основании большого числа работ и опыта эксплуатации можно считать, что при изготовлении котельных сосудов из сталей с вре­менным сопротивлением до 55—60 кгс/мма надежность их работы при соблюдении требований действующих норм расчета на проч­ность полностью обеспечивается. Выявленные в ряде барабанов высокого давления трещины в районе отверстий хотя и связаны с малоцикловой усталостью, но ее проявление обусловлено в пер­вую очередь нарушением требований эксплуатации к водным режи­мам и кислотным промывкам. При жестком соблюдении указанных требований вероятность образования трещин у отверстий таких сосудов мала.

Для сосудов, изготовляемых из сталей с временным сопро­тивлением выше 60 кгс/мм2, и, особенно, в связи с перспективами использования высокопрочных сталей (ав = Й0 -*• 90 кгс/мм*) веро­ятность малоциклового разрушения может заметно снизить надеж­ность конструкции. В связи с этим при проектировании таких сосудов следует проводить поверочный расчет на сопротивление циклическому нагружению и принимать меры по улучшению кон­структивного оформления наиболее напряженных участков.

Вероятность малоциклового разрушения заметно возрастает при наличии в районе концентраторов дефектов. При создании норм допустимых дефектов необходимо учитывать это обстоятельство и. для сосудов принимать повышенные требования к устранению де­фектов в сварных швах приварки штуцеров и патрубков. Рекомен­дации по оценке влияния дефектов при малоцикловом нагружении сосудов приведены в работе [3].