Расчет на прочность стальных трубопроводов (взамен СН 373-67)

СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

СНиП 2.04.12-86

Дата введения 1987-01-01

РАЗРАБОТАНЫ ВНИИСТ Миннефтегазстроя (канд. техн. наук В.В. Рождественский - руководитель темы, канд. техн. наук В.П. Черний).

ВНЕСЕНЫ Миннефтегазстроем.

ПОДГОТОВЛЕНЫ К УТВЕРЖДЕНИЮ Главтехнормированием Госстроя СССР (И.В. Сессин).

УТВЕРЖДЕНЫ постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 7 апреля 1986 г. № 41.

С введением в действие СНиП 2.04.12-86 "Расчет на прочность стальных трубопроводов" утрачивают силу "Указания по расчету стальных трубопроводов различного назначения" (СН 373-67).

При пользовании нормативным документом следует учитывать утвержденные изменения строительных норм и правил и государственных стандартов, публикуемые в журнале "Бюллетень строительной техники", "Сборнике изменений к строительным нормам и правилам" и информационном указателе "Государственные стандарты РФ".

Настоящие нормы распространяются на стальные трубопроводы (в дальнейшем - трубопроводы) различного назначения условным диаметром до 1400 мм включ., предназначенные для транспортирования жидких и газообразных сред давлением до 10 МПа (100 кгс/см²) и температурой от минус 70 до плюс 450 °С включ., и устанавливают требования к расчету их на прочность.

Настоящие нормы не распространяются на магистральные и промысловые газо- и нефтепроводы, технологические и шахтные трубопроводы, на трубопроводы, работающие под вакуумом и испытывающие динамические воздействия транспортируемой среды, трубопроводы особого назначения (атомных установок, передвижных агрегатов, гидро- и пневмотранспорта и др.), а также на трубопроводы, для которых проектирование или расчет на прочность регламентируется "Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды", утвержденными Госгортехнадзором СССР, и другими нормативными документами, утвержденными в установленном порядке.

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

1.1. Для трубопроводов следует применять трубы и соединительные детали, отвечающие требованиям государственных стандартов и технических условий, утвержденных в установленном порядке, что должно быть подтверждено сопроводительным документом (паспортом или сертификатом). При отсутствии указанного документа соответствие труб и соединительных деталей требованиям государственных стандартов или технических условий должно быть подтверждено испытанием их образцов в объеме, определяемом нормативными документами на соответствующие трубопроводы.

1.2. Расчет трубопроводов на прочность производится по методу предельных состояний и включает определение толщин стенок труб, тройников, переходов, отводов и заглушек, определение допустимых пролетов трубопроводов, проведение поверочного расчета принятого конструктивного решения трубопровода.

1.3. Поверочный расчет трубопроводов следует производить на неблагоприятные сочетания нагрузок и воздействий для конкретно принятого конструктивного решения с оценкой прочности и устойчивости продольных и поперечных сечений рассматриваемого трубопровода.

1.4. Буквенные обозначения величин в формулах, приведенных в настоящих нормах, указаны в обязательном приложении 1.

2. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ

2.1. Расчет трубопроводов на прочность следует выполнять с учетом нагрузок и воздействий, возникающих при их сооружении, испытании и эксплуатации.

Расчетные нагрузки, воздействия и их возможные сочетания необходимо принимать в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85.

2.2. Коэффициенты надежности по нагрузке g_fi следует принимать по табл.1.

Таблица 1

2.3. Нормативные нагрузки от собственного веса трубопровода, арматуры и обустройств, изоляции, от веса и давления грунта необходимо принимать в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85.

2.4. Нормативное значение воздействия от предварительного напряжения трубопровода (упругий изгиб по заданному профилю, предварительная растяжка компенсаторов при надземной прокладке и др.) надлежит определять по принятому конструктивному решению трубопровода.

2.5. Нормативное значение давления транспортируемой среды устанавливается проектом.

2.6. Нормативную нагрузку от веса транспортируемой среды на единицу длины трубопровода следует определять по формулам:

для жидкой среды

,(1)

для газообразной среды

. (2)

2.7. Нормативный температурный перепад в трубопроводе надлежит принимать равным разнице между максимально или минимально возможной температурой стенок трубопровода в процессе эксплуатации и наименьшей или наибольшей температурой, при которой фиксируется расчетная схема трубопровода.

2.8. Нормативную снеговую нагрузку на единицу длины горизонтальной проекции надземного трубопровода v_sn надлежит определять по формуле

v_sn = 0,4 s (d_e + 2 t_ins). (3)

Вес снегового покрова s следует принимать по СНиП 2.01.07-85.

2.9. Нормативную нагрузку от обледенения на единицу длины надземного трубопровода v_in следует определять по формуле

v_in = 1,9 t_i g_i (d_e + 2 t_ins), (4)

где t_i - толщину слоя и g_i - объемный вес гололеда необходимо принимать по СНиП 2.01.07-85.

2.10. Нормативную ветровую нагрузку на единицу длины надземного трубопровода w_n, действующую перпендикулярно его осевой вертикальной плоскости, следует определять по формуле

w_n = (w_stc + w_dyn) (d_e + 2 t_ins), (5)

где статическую w_stc и динамическую w_dyn составляющие ветровой нагрузки следует определять по СНиП 2.01.07-85, при этом значение w_dyn необходимо определять как для сооружения с равномерно распределенной массой и постоянной жесткостью.

2.11. Нормативные значения нагрузок и воздействий, возникающих при транспортировании отдельных секций, при сооружении трубопровода, испытании и пропуске очистных устройств, следует устанавливать проектом в зависимости от способов производства этих работ и проведения испытаний.

2.12. Сейсмические воздействия на надземные и подземные трубопроводы надлежит принимать согласно СНиП II-7-81.

2.13. Нагрузки и воздействия, вызываемые резким нарушением процесса эксплуатации, временной неисправностью и поломкой оборудования, следует устанавливать проектом в зависимости от особенностей технологического режима эксплуатации.

2.14. Нагрузки и воздействия от неравномерных деформаций грунта (осадок, пучения, селевых потоков, оползней, воздействий горных выработок, карстов, замачивания просадочных грунтов, оттаивания вечномерзлых грунтов и т.д.) надлежит определять на основании анализа грунтовых условий и их возможного изменения в процессе строительства и эксплуатации трубопроводов.

2.15. Нормативные нагрузки и коэффициенты надежности по нагрузке от подвижного состава железных и автомобильных дорог следует определять согласно СНиП 2.05.03-84.

3. РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРУБ, СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Расчетные сопротивления материала труб и соединительных деталей по временному сопротивлению R_u и пределу текучести R_y при расчетной температуре следует определять по формулам:

;(6)

. (7)

3.2. Нормативные сопротивления R_un и R_yn следует принимать равными минимальным значениям соответственно временного сопротивления и предела текучести материала труб и соединительных деталей по государственным стандартам или техническим условиям на трубы и соединительные детали, определяемым при нормальной температуре (20 °С).

3.3. Значения коэффициента надежности по материалу g_m труб и соединительных деталей надлежит принимать по табл.2. Значения коэффициентов надежности по материалу труб и соединительных деталей, изготовляемых по ряду государственных стандартов, допускается принимать по рекомендуемому приложению 2.

Таблица 2

3.4. Значения поправочных коэффициентов надежности по материалу труб и соединительных деталей g_tu и g_ty при расчетной температуре эксплуатации трубопровода следует принимать по табл.3.

Таблица 3

3.5. Расчетные сопротивления сварных швов, соединяющих между собой трубы и соединительные детали, выполненных любым видом сварки и прошедших контроль качества неразрушающими методами, следует принимать равными меньшим значениям соответствующих расчетных сопротивлений соединяемых элементов.

При отсутствии этого контроля расчетные сопротивления сварных швов, соединяющих между собой трубы и соединительные детали, следует принимать с понижающим коэффициентом 0,85.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИН СТЕНОК ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

4.1. Расчетные толщины стенок труб и соединительных деталей t следует определять:

при

,(8)

где

;(9)

при

.(10)

4.2. Трубопроводы с толщиной стенки, определенной согласно настоящим нормам, не допускается применять для транспортирования сред, оказывающих коррозионное воздействие на металл и сварные соединения труб, если в проекте не предусмотрены решения по защите их от коррозии (антикоррозионные покрытия, ингибиторы и пр.).

Увеличение толщины стенки трубопроводов (соединительных деталей) с целью защиты их от коррозии, а также трубопроводов, находящихся в особых условиях строительства или эксплуатации (например, при прокладке трубопроводов в сейсмических районах или особенностях технологии сварки, производства строительно-монтажных работ или значительных температурных перепадах в трубопроводе и др.), допускается только при условии, если это увеличение предусмотрено соответствующими нормативными документами, утвержденными или согласованными Госстроем СССР.

4.3. Значения коэффициента надежности по назначению g_n трубопровода следует принимать по табл.4.

Таблица 4

4.4. Значения коэффициента условий работы g_c трубопровода необходимо принимать по табл.5.

Таблица 5

4.5. Коэффициент надежности g_u для труб и соединительных деталей в расчетах по временному сопротивлению следует принимать равным 1,3.

4.6. Значения коэффициента несущей способности труб и соединительных деталей, конструктивные решения которых приведены в рекомендуемом приложении 3, надлежит принимать:

для труб, заглушек и переходов h = 1;

для тройниковых соединений и отводов - по формуле

h = a S + b,(11)

где - для тройниковых соединений;

- для отводов.

Значения коэффициентов a и b в формуле (11) следует принимать: для тройниковых соединений - по табл.6; для отводов - по табл.7.

Таблица 6

Таблица 7

4.7. Для подземных трубопроводов, имеющих отношение t / d_e < 0,015 или укладываемых на глубину более 3 м или менее 0,8 м, следует соблюдать условие

.(12)

Значения n_l и m_l (расчетное усилие и изгибающий момент в продольном сечении трубы единичной длины) необходимо определять в соответствии с правилами строительной механики с учетом отпора грунта от совместного воздействия давления грунта, нагрузок над трубой от подвижного состава железнодорожного и автомобильного транспорта, возможного вакуума и гидростатического давления грунтовых вод.

5. ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ ТРУБОПРОВОДА

5.1. Поверочный расчет трубопровода производится после выбора его основных размеров с учетом всех расчетных нагрузок и воздействий для всех расчетных случаев.

5.2. Определение усилий от расчетных нагрузок и воздействий, возникающих в отдельных элементах трубопроводов, необходимо производить методами строительной механики расчета статически неопределимых стержневых систем.

5.3. Расчетная схема трубопровода должна отражать действительные условия его работы, а метод расчета - учитывать возможность использования ЭВМ.

5.4. В качестве расчетной схемы трубопровода следует рассматривать статически неопределимые плоские или пространственные, простые или разветвленные стержневые системы переменной жесткости с учетом взаимодействия трубопровода с опорными устройствами и окружающей средой (при укладке непосредственно в грунт). При этом коэффициенты повышения гибкости отводов и тройниковых соединений определяются согласно пп.5.5 и 5.6.

5.5. Значение коэффициента повышения гибкости гнутых и сварных отводов k_p надлежит определять по табл.8.

Таблица 8

Величина

принимается по черт.1 в зависимости от геометрического параметра отвода l_b и параметра внутреннего давления w_b.

Черт. 1. График для определения значений

Значения параметров l_b и w_b следует определять по формулам:

; (13)

.(14)

5.6. Коэффициент гибкости тройниковых соединений необходимо принимать равным единице.

5.7. Арматуру, расположенную на трубопроводе (краны, задвижки, обратные клапаны и т.д.), следует рассматривать в расчетной схеме как твердое недеформируемое тело.

5.8. В каждом поперечном сечении трубопровода необходимо соблюдать условия:

при эксплуатации:

;(15)

;(16)

при сооружении, испытании, пропуске очистных устройств, хранении и транспортировании труб (секций), сейсмических воздействиях, особых режимах эксплуатации, вызываемых резкими нарушениями технологического режима, временной неисправностью или поломкой оборудования,

.(17)

При несоблюдении условий (15)-(17) необходимо изменить конструктивную схему трубопровода, технологический режим транспортируемого продукта или способ производства работ, а в исключительных случаях, приведенных в п.4.2, допускается увеличить толщину стенки трубопровода.

Номинальную толщину стенки труб и соединительных деталей t_пот надлежит принимать ближайшей большей по сравнению с расчетной по ГОСТу или ТУ на трубы, которые допускается применять для строительства соответствующих трубопроводов.

Значения коэффициентов нагруженности поперечных сечений трубопровода A_u, A_y и A следует определять согласно пп.5.9 и 5.10.

5.9. Значения коэффициентов A_u и A_y следует определять по формулам:

, (18)

где d_mt = d_e - t_пот;

N_u, T_u - соответственно расчетные продольное усилие и крутящий момент в рассматриваемом сечении трубопровода от совместного действия веса трубопровода, изоляции, арматуры и обустройств, расположенных на трубопроводе, веса и внутреннего давления транспортируемой среды, снеговой, ветровой и гололедных нагрузок;

(19)

где N_y, M_1y, M_2y, T_y - соответственно расчетные продольное усилие, изгибающие моменты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, крутящий момент в рассматриваемом поперечном сечении трубопровода от совместного действия веса трубопровода, изоляции, арматуры и обустройств, расположенных на трубопроводе, воздействия предварительного напряжения трубопровода (в том числе упругого изгиба по заданному профилю), веса, внутреннего давления и температурного воздействия транспортируемой среды, воздействия неравномерных деформаций грунта, снеговой, ветровой и гололедных нагрузок.

Коэффициент интенсификации напряжений m_s следует определять согласно п.5.11.

5.10. Коэффициент A для стадий сооружения, хранения и транспортирования необходимо вычислять по формуле

, (20)

где N, M₁, M₂, T - соответственно расчетные продольное усилие, изгибающие моменты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, крутящий момент в рассматриваемом поперечном сечении трубопровода от действия нагрузок, возникающих при принятом в проекте способе производства работ и транспортирования труб (секций).

Значение коэффициента A для стадий испытания и пропуска очистных устройств, при воздействиях, вызываемых резкими нарушениями технологического режима, временной неисправностью или поломкой оборудования, следует определять по формуле (19), в которой нормативные значения давления транспортируемой среды и температурного воздействия должны приниматься согласно принятой в проекте схеме испытания или режиму эксплуатации.

Значение коэффициента A для оценки прочности при сейсмических воздействиях следует вычислять по формуле (19), в которой при определении расчетных усилий и моментов к перечисленным нагрузкам и воздействиям добавляются сейсмические воздействия.

5.11. Значения коэффициентов интенсификации напряжений следует принимать:

для прямой трубы m_s = 1;

для отводов m_s = .

Значение принимается по черт.2 в зависимости от параметров l_b и w_b, определяемых формулами (13) и (14);

для тройникового соединения:

магистральной части

;(21)

ответвления m_s = .

Черт. 2. График для определения значений коэффициента

Значения принимаются по черт.2 в зависимости от параметров тройникового соединения, определяемых по формулам:

;(22)

.(23)

Примечание. При определении значений параметров магистральной части тройникового соединения l₁ и w₁ используются первые индексы, ответвления тройникового соединения l₂ и w₂ - вторые индексы.

5.12. Определение пролетов надземных трубопроводов, укладываемых на опоры с самокомпенсацией температурных удлинений или с линзовыми компенсаторами, допускается производить согласно обязательному приложению 4.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Обязательное

БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендуемое

ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НАДЕЖНОСТИ ПО МАТЕРИАЛУ ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ ПО РЯДУ ГОСУДАРСТВЕННЫХ СТАНДАРТОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рекомендуемое

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ТРУБОПРОВОДОВ

Значения коэффициентов несущей способности, определяемые согласно п.4.6, следует учитывать в расчетах для следующих решений соединительных деталей.

1. Равнопроходные и переходные тройниковые соединения (тройники):

бесшовные, получаемые выдавливанием или экструзией ответвления в горячем состоянии, и штампосварные, получаемые сваркой по образующим двух несимметричных частей, одна из которых имеет цельноштампованное ответвление (черт.1,а). Радиус r_tee должен быть не менее толщины стенки тройника;

сварные, получаемые путем врезки одной трубы (или трубной обечайки) в другую под прямым углом (черт.1, б), и тройники сварные, усиленные накладками (черт.1, в), которые целесообразно применять при d ³ 300 мм. При этом для тройников с отношением диаметров ответвления к магистрали d_e2 / d_e1 < 0,2 накладки не ставятся, а при d_e2 / d_e1 < 0,5 накладка ставится только на магистрали. Ширина накладок (черт.1, в) должна быть на магистральной части тройника b_mai = 0,4 d_e1, на ответвлении – b_lat = 0,3 d_e2. Толщина накладок должна быть равна толщине стенки магистральной части тройника.

Черт. 1. Тройники

а - бесшовный и штампосварной; б - сварной без усиливающих элементов; в - сварной, усиленный накладками; 1 - магистральная часть тройника; 2 - ответвление; 3 - накладка

2. Концентрические штампованные и штампосварные переходы, получаемые путем горячей штамповки (осадки) из цилиндрической заготовки или штамповки и сварки двух симметричных заготовок (черт.2). Величина угла a должна быть не более 15°.

Черт. 2. Концентрический переход

3. Заглушки (днища) эллиптические (черт.3), получаемые горячей штамповкой и имеющие высоту эллиптической части h не менее 0,2 диаметра заглушки.

Черт. 3. Заглушка эллиптическая

4. Отводы:

бесшовные, получаемые путем горячей протяжки трубных заготовок, и отводы штампосварные, получаемые сваркой из двух горячештампованных симметричных заготовок (черт.4, а);

сварные, которые должны иметь не менее трех секторов и двух полусекторов (черт.4, б). Отводы изготовляются с обязательной подваркой корня шва изнутри. Длина секторов по внутренней образующей должна быть не менее 0,15 d_e.

Черт. 4. Отводы

a - бесшовный и штампосварной; б - сварной