Расчет котлов и трубопроводов на прочность

Допускаемое напряжение — это величина, используемая при расчетах для определения минимально необходимой толщины стенок элементов котла или трубопроводов, а также для расчета допустимого давления. Оно зависит от типа материала, условий эксплуатации и ресурса оборудования. Для стальных труб и деталей допустимые напряжения принимаются согласно РД 10-249-98.

Однако для трубопроводов с промышленной полимерной изоляцией, таких как полиэтилен высокой плотности (ПЭ) и пенополиуретан (ППУ), используются отдельные значения, приведенные в РД 10-400-01.

Допускаемые напряжения для различных типов стали зависят от температуры эксплуатации, расчетного ресурса, который может быть от 10 до 300 тысяч часов, и марки материала. Для промежуточных значений допускается интерполяция между ближайшими значениями напряжений.

При расчете на промежуточные значения допускается интерполяция между ближайшими значениями напряжений. В РД 10-249-98 представлены таблицы с номинальными допустимыми напряжениями для разных марок сталей на основании которых нужно делать расчеты (в этой статье таблицы представлять не будем – слишком огромен массив данных). 

При определении номинального допускаемого напряжения необходимо учитывать следующие характеристики металла:

• Временное сопротивление при растяжении – это максимальное напряжение, которое металл может выдержать перед разрушением.
• Предел текучести – напряжение, при котором металл начинает необратимо деформироваться.
• Предел длительной прочности и ползучести – используются для расчета элементов, работающих при высоких температурах и продолжительных нагрузках.

Для углеродистых и теплоустойчивых сталей допустимые напряжения основаны на характеристиках временного сопротивления и предела текучести.

Для аустенитной хромоникелевой стали значения определяются с учетом термического и механического упрочнения. Важно отметить, что при расчете элементов, работающих под наружным давлением, как, например, дымогарные трубы, допустимое напряжение уменьшается на 20% по сравнению с расчетом для элементов, работающих под внутренним давлением.

Для труб с промышленной полимерной изоляцией также применяются специальные значения допустимых напряжений:

1) Полиэтилен высокой плотности (ПЭ). Допускаемое напряжение для полиэтилена высокой плотности, принимаемое при модуле упругости 800 МПа и коэффициенте запаса 2, составляет около 400 МПа. При изгибающем моменте расчетное напряжение может превышать это значение на 40%.

2) Пенополиуретан (ППУ). Для пенополиуретана допускаемые напряжения на растяжение и сжатие варьируются в зависимости от продолжительности воздействия нагрузки:

• При кратковременном действии нагрузки допускаемое напряжение составляет 0,4 МПа.
• При длительном воздействии — 0,15 МПа, что является более подходящим значением для оценки компенсирующей способности трубопровода.

Кроме того, для труб с пенополиуретановой изоляцией в полиэтиленовой оболочке предел прочности на сдвиг при рабочей температуре составляет 0,08 МПа. При коэффициенте запаса 2 допустимое напряжение будет составлять 0,04 МПа.

Таким образом, для каждого материала и условий эксплуатации следует выбирать значения допускаемых напряжений в соответствии с РД 10-249-98 и РД 10-400-01, чтобы обеспечить надежность и безопасность трубопроводов и оборудования.