В другой нашей статье были описаны методика и последовательность тестирования стальных труб, выдерживающих большие гидродинамические давления от прокачиваемой рабочей среды. Однако при прокладке напорных трубопроводов, которые предполагается эксплуатировать в тяжёлых условиях (высокие расход и температура, наличие гидравлических сопротивлений, коррозионная активность и т.п.) важно заблаговременно установить параметры, при которых будет функционировать бесшовная труба. Это определит сроки безаварийной работы изделий.
Классификация внутренних факторов, воздействующих на трубопроводы из бесшовных труб
Помимо основных показателей - расчётной температуры и давления, которые принимаются как исходные величины для оценки предельно допустимых напряжений, выдерживаемых бесшовной (равно как и сварной) трубой, существует ряд других факторов, которые будут влиять на способность трубопровода к длительной работе.
Влияние технических требований стандарта, по которому изготовлено изделие
Для одних и тех же условий проектирования выбор различных стандартов приводит к различным номинальным значениям давления. Поэтому, прежде чем определять номинальное давление в трубопроводе, следует установить применимую стандартную систему.
В России действуют следующие нормативные документы, регламентирующие производство бесшовных труб:
- ГОСТ 8731-78, устанавливающий физико-механические показатели для стальных труб холодного деформирования в зависимости от марки стали;
- ГОСТ 8732-78 – то же самое, но для горячедеформированных труб;
- ГОСТ 8734-78 – распространяется на производство тонкостенных бесшовных труб;
- ГОСТ 9941-2022, который определяет условия изготовления бесшовных труб холодного деформирования из коррозионно стойких марок стали;
- ГОСТ 550-75, область действия которого – трубная продукция из нержавеющих сталей;
- ГОСТ 11017-80, устанавливающий технические требования к трубам, работающим в высоконапорных трубопроводах.
Кроме того, при специфических условиях эксплуатации бесшовные трубы часто выбирают и по отраслевым техническим условиям, например, ТУ 14-3р-55-2001, ТУ 14-3р-124-2017 и др. Таким образом, вначале следует определиться с нужным нормативным документом.
Влияние материала
Различные материалы обладают различными механическими свойствами. Это означает, что их соответствующие значения в таблицах температуры-давления, приводимых в каждом стандарте, варьируются. Поэтому перед определением номинального давления трубопровода следует уточнить материалы трубопровода и его компонентов. Выбор материала определяется расчётной температурой, расчётным давлением в бесшовной трубе и характеристиками рабочей среды.
Стандарты материалов для разных компонентов трубопровода часто отличаются. Как правило, для труб используется прокат, полученный по одному из вышеперечисленных стандартов, во фланцевых соединениях – материалы в виде поковок, а в клапанах –материалы, полученные литьём. Независимо от вида используемых сталей, они должны быть одного класса, т. е. иметь одинаковые прочностные свойства, зависящие от условий эксплуатации.
При выборе обращают внимание на совместимость физико-механических показателей между деталями, полученными прокаткой, объёмной штамповкой и литьём. Выбор предельных значений нагрузок ведут по стали, прочностные показатели которой будут лимитировать работоспособность трубопровода.
Влияние рабочей среды
Допустимое давление трубопровода при данной температуре не должно превышать расчётное значение. Для сред, в которых выход из строя бесшовной трубы или её компонентов может привести к серьёзным повреждениям или авариям, при выборе номинального давления его нельзя определять исключительно по таблице, приведенной в соответствующем ГОСТ. Необходимо увеличивать значение исходного давления для того, чтобы повысить безопасность и надёжность функционирования трубы.
Любой из нормативных документов содержит подробные правила по этому вопросу. Например, для трубопроводов, транспортирующих чрезвычайно токсичные среды, номинальное давление должно быть не менее 4…5 МПа. Для трубопроводов, транспортирующих водород, аммиак, сжиженные углеводороды и другие подобные среды, минимальное давление устанавливают не менее 2,0…2,5 МПа. Для трубопроводов, транспортирующих пожароопасные среды, номинальное давление должно быть не менее 1,6…2,0 MПa.
Влияние температуры среды и дополнительных факторов
Многие стандарты фланцев содержат примечание, где говорится, что значения, приведенные в таблицах температуры-давления, относятся к условиям, при которых фланец не подвергается высоким ударным нагрузкам. Фактически на фланец могут воздействовать напряжения от изгиба и вибрации, а также температурные циклы от прикреплённого трубопровода. Это влияет на герметичность соединения и на надёжность бесшовной трубы.
Чтобы определить номинальное давление, воспринимаемое бесшовной трубой, при выборе исходных данных эти внешние нагрузки должны быть преобразованы в эквивалентные давления среды.
Так, изгибающая нагрузка, приложенная к фланцу, зависит от теплового расширения/сжатия системы. Как правило, для фланцев с номинальным давлением 2 МПа при рабочей температуре более 200°C (или для фланцев с номиналом 5 МПа и выше при рабочей температуре более 400°C) необходимо учитывать дополнительные нагрузки, оказываемые на фланец системой трубопроводов. В противном случае номинальное давление, воздействующее на трубу, должно быть увеличено.
Факторы, влияющие на определение номинальной толщины стенки
Допустимое напряжение материалов определяется делением индекса прочности материала на соответствующий коэффициент запаса. Механические свойства материалов включают предел текучести, предел прочности, предел ползучести, предел усталости и т. д., каждый из которых отражает предельные значения при различных состояниях разрушения.
Для обеспечения прочностной надёжности бесшовной трубы в процессе её эксплуатации напряжения часто ограничивают значением допустимого напряжения. Когда расчётное напряжение в трубе превышает допустимое, прочность не гарантируется. Таким образом, допустимое напряжение является главным параметром для определения номинальной толщины стенки.
Большинство способов вычисления размеров поперечного сечения трубы в качестве исходного параметра принимают внутренний диаметр изделия, от которого зависит пропускная способность.
Метод расчета давления для бесшовной трубы
Максимальное внутреннее давление рабочей среды, воздействующее на бесшовную трубу, определяется по формуле:
P=2t[S]/D, где:
P—наибольшее давление рабочей среды, МПа;
D —принятый внутренний диаметр трубы, мм;
S —предел прочности материала трубы на растяжение, МПа;
t—толщина стенки трубы, выбранная по соответствующему ГОСТу, мм.
Эта формула получена путём анализа силы, приложенной к бесшовной трубе. Для этого предварительно принимают бесшовную трубу нужной длины, условно разрезают её, и изучают баланс между давлением, действующим на неё, и напряжением, которым нагружается стенка трубы. Они становятся одинаковыми: PD=2t[S].
Максимальное давление относится к давлению, которое может выдержать труба, когда коэффициент запаса k = 1. Приведенная выше формула не учитывает этот параметр. Поэтому её следует применять в виде
P=2t[S]/(kD), где k>1.
Используя эту зависимость, можно рассчитать размеры сечения бесшовных труб, изготовленных из любых марок сталей. Давление Р относится к внутреннему давлению жидкости/газа в трубопроводе, а не к давлению снаружи трубопровода. Полученное значение давления больше, чем допускаемое.
Заключение
Внутренние давления в бесшовных трубах, изготовленных из различных сталей
|
Материал трубы |
Условия применения |
Рекомендуемое значение запаса прочности k |
Предельное внутреннее давление, МПа |
|
Сталь 10 |
Слабонапорные трубопроводы |
1,3 |
170 |
|
Сталь 12ГС |
Средненапорные трубопроводы |
1,5 |
300 |
|
Сталь 45 |
Высоконапорные трубопроводы |
1,7 |
330 |
|
Сталь 40ХН2МА |
Системы, работающие в высокотемпературной атмосфере |
2,0 |
570 |
|
Сталь 08Х18Н10Т |
Системы для прокачки химических реагентов и пищевых продуктов |
2,5 |
500 |
Компания ЗАО "ТФД "Брок Инвест Сервис и К" всегда располагает значительным ассортиментом стальных труб, изготавливаемых ведущими предприятиями российской металлургической промышленности. Информация о имеющейся на наших складах трубной продукции постоянно обновляется. Возможна резка приобретённых бесшовных труб с применением современного оборудования.