УКАЗАНИЯ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

МУ 34-747-76

Дата введения 1976-05-10

РАЗРАБОТАНЫ в соответствии с заданием 0.01.258 "В" Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике (проблема 0.01.225).

Разделы 1, 2, 3, 4, 5, 9 и 10 разработаны СКБ "Ленгидросталь" Всесоюзного треста "Гидромонтаж", а разделы 6, 7 и 8 - Всесоюзным институтом "Гидропроект" им. С.Я. Жука.

ВНЕСЕНЫ Институтом "Гидропроект" им. С.Я. Жука

РАССМОТРЕНЫ Научно-техническим советом Минэнерго СССР (протокол № 47 от 24.03.76).

УТВЕРЖДЕНЫ Министром энергетики и электрификации СССР т. Непорожним П.С. 08.04.76.

С введением в действие настоящих "Указаний" утрачивают силу "Технические условия и нормы проектирования ТУ 9-51".

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1.1. Настоящие "Указания" распространяются на проектирование стальных трубопроводов круглого сечения гидротехнических сооружений. По "Указаниям" должны проектироваться трубопроводы открытого типа, гладкостенные или с кольцами жесткости, относящиеся к основным сооружениям.

Примечание. Применение "Указаний" для проектирования трубопроводов со скоростями воды, большими 12 м/с, допускается при условии принятия мер для ограничения вибрационных и кавитационных явлений, не оговариваемых в настоящих "Указаниях".

1.2. Основные положения при разработке проектов трубопроводов должны удовлетворять требованиям соответствующих разделов главы СНиП "Гидротехнические сооружения речные. Основные положения проектирования".

1.3. Стальные трубопроводы должны проектироваться на основе технико-экономических расчетов и требований обеспечения несущей способности конструкции трубопроводов, а также с учетом требований:

а) соответствия конструкции условиям эксплуатации;

б) экономии металла и наименьшей трудоемкости изготовления и монтажа;

в) унификации конструкции путем применения типовых конструкций отдельных узлов и деталей;

г) обеспечения стойкости конструкции против коррозии и износа.

1.4. Указания содержат требования, рекомендации и расчеты, необходимые для всех этапов проектирования стальных трубопроводов гидроэлектрических и гидронасосных станций. Расчеты по разделам 6, 7, 8 должны производиться при общем проектировании и разработке компоновки всего гидроузла для обеспечения исходными данными задания на проектирование непосредственно стального трубопровода.

1.5. Основные условные обозначения, общие для всех разделов:

D = 2r - диаметр (радиус) срединной поверхности цилиндрического трубопровода на участке постоянного сечения;

D_н, D₀ - соответственно наружный и номинальный внутренний диаметры цилиндрического трубопровода на участке постоянного сечения;

Δ - толщина стенки трубопровода;

φ - угол наклона оси трубопровода к горизонту;

g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

ρ_в = 1000 кг/м³ - плотность воды;

ρ_ст = 7850 кг/м³ - плотность стали;

γ_в = ρ_в∙g = 0,00981 мн/м³ - удельный вес воды;

γ_ст = ρ_ст∙g = 0,077 мн/м³ - удельный вес стали;

E - модуль продольной упругости, МПа (кгс/см²);

μ = 0,3 - коэффициент Пуассона для стали;

α - угловая координата точки в поперечном сечении трубопровода, отсчитываемая от внешнего радиуса;

H₀ - гидростатический (пьезометрический) напор;

ΔH_гу - гидродинамическое изменение статического напора от действия гидравлического удара;

H_р - расчетный напор, разделяется на:

H_р^осн - для основного сочетания нагрузок,

H_р^осб - для особого сочетания нагрузок;

H_р - гидростатический напор при гидравлическом испытании;

α_t = 12∙10^-6 - коэффициент линейного расширения для стали;

k - коэффициент безопасности по материалу;

с - коэффициент перехода от основных к производным сопротивлениям материала;

n - коэффициент перегрузки;

R^н - нормативное сопротивление материала;

R - расчетное сопротивление материала;

γ - коэффициент понижения расчетного сопротивления при расчетах на выносливость металлических конструкций;

m - коэффициент условий работы;

N - осевая сила в трубопроводе (положительной считается растягивающая сила);

Q - перерезывающая сила в трубопроводе (положительна, если действует снизу вверх на часть трубопровода, лежащую дальше от его начала)*;

M - изгибающий момент в трубопроводе (положителен, если растягивает нижние волокна);

 - реакция промежуточной опоры, приложенная к трубопроводу (положительна, если действует вверх);

σ, τ - расчетное нормальное или касательное напряжение в конструкции;

верхним индексом помечаются:

(о) - общие напряжения (основное напряженное состояние) в оболочке,

(э) - местные напряжения (краевой эффект) в оболочке;

в нижнем индексе обозначений нормальных напряжений наличие какой-либо из далее приведенных букв указывает на то, что это напряжение:

(т′) - от усилия в оболочке (постоянное по толщине),

(м) - от момента в оболочке,

(x) - направлено вдоль оси % (осевое),

(y) - направлено вдоль оси у (радиальное),

(z) - направлено вдоль оси z (окружное);

σ_т - нормативный предел текучести материала при растяжении;

σ_в - нормативное временное сопротивление материала при растяжении.

Остальные условные обозначения приводятся в соответствующих разделах.

_____________

* За начало принимается любое из двух крайних сечений трубопровода.

1.6. Схема участка трубопровода с некоторыми условными обозначениями показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема участка трубопровода

Показаны положительные направления усилий и напряжений

2. ОБЩИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

2.1. Открыто прокладываемые стальные трубопроводы должны проектироваться разрезными, т.е. с компенсаторами (рис. 2 и рис. 4).

Рис. 2. Участок трубопровода

1. Температурный компенсатор.
2. Подвижная промежуточная опора

Допускается изготовление отдельных участков трубопровода неразрезными, т.е. без компенсаторов (рис. 3), как-то: участков, имеющих отводы, развилки, затворы; участков, непосредственно примыкающих к турбинам (насосам); участков с распределителями, арочными мостами; участков, заделываемых в бетон, и т.д.

Рис. 3. Участок с распределителем

2.2. Каждый прямолинейный участок разрезного трубопровода между двумя анкерными опорами открытого или закрытого типа должен опираться на ряд промежуточных подвижных опор и иметь температурный компенсатор (рис. 2).

При прокладке трубопровода на осадочных грунтах в конструкции трубопровода должны быть либо температурно-осадочный, либо осадочный и температурный, либо температурно-осадочный и осадочный компенсаторы. Схемы компоновок принимать:

а) при наличии осадок верхней и нижней анкерных опор по рис. 4-а;

б) при осадке одной из анкерных опор по рис. 4-б, в.

Рис. 4. Некоторые схемы компоновки трубопровода

а) - участок с температурно-осадочным и осадочным компенсатором;
б) - участок с температурно-осадочным компенсатором;
в) - участок с температурным и осадочным компенсатором.
1. Температурно-осадочный компенсатор.
2. Осадочный компенсатор. 3. Подвижный шарнир.
4. Неподвижный шарнир. 5. Подвижная промежуточная опора.

2.3. Наружные диаметры D_н и наименьшие толщины оболочки должны приниматься по таблице 1.

Таблица 1

РАЗМЕРЫ в мм

2.4. Трубопроводы с изменяющимися по длине диаметрами должны быть разделены на участки с постоянными диаметрами. Переход от одного диаметра трубы к другому должен осуществляться конусными обечайками или звеньями.

2.5. При изменяющейся толщине оболочки наружный диаметр трубопровода должен быть постоянным. Переход от одной толщины оболочки к другой должен осуществляться последовательными ступенями через 2 - 4 мм. Допускается большая величина ступени при наличии скоса, соответствующего требованиям стандартов на сварку.

2.6. Трубопроводы должны изготовляться из электросварных звеньев или цельнотянутых труб.

2.7. Выбор трассы трубопровода ГЭС должен исключать образование в трубопроводе значительного вакуума.

Примечание. В случае специального обоснования разрешается отдельные участки трассы трубопровода выполнять в виде арки или дюкера, где неизбежно образование вакуума при опорожнении трубопровода.

2.8. Анкерные опоры должны устраиваться:

а) в местах изменения направления оси трубопровода;

б) на прямолинейных участках с длиною, превышающей величину, определяемую по п. 2.29.

2.9. Крепление открытого трубопровода к массиву анкерной опоры допускается выполнять двух типов:

а) закрытого - с заделкой трубы по всему периметру в массив опоры;

б) открытого - при анкеровке трубы с помощью анкерных колец, тяг, шарниров ограниченной подвижности, а также анкерных ферм, заделываемых своей нижней частью в массив опоры.

2.10. Конструкция опорных устройств промежуточных опор трубопроводов должна обеспечивать возможность осевого перемещения трубопровода, а также высотную регулировку трубопровода. Высотная регулировка трубопровода на опорах должна осуществляться посредством прокладок или клиновых устройств в зависимости от ожидаемой осадки грунта.

Примечание. В особых случаях отдельным участкам трубопровода должна быть обеспечена возможность небольшого поперечного перемещения по промежуточным опорам, как, например, в распределителях в направлении осей отводов к турбинам или при свободных незаанкерованных коленах неразрезных трубопроводов и проч.

2.11. Для открытых трубопроводов должны применяться катковые промежуточные опоры.

При условии специального обоснования допускается применение скользящих опор.

2.12. Опирание трубопровода на промежуточное опоры должно осуществляться посредством жесткого кольца, приваренного к оболочке трубы и имеющего только две опорных точки. Рекомендуемые конструктивные соотношения даны в приложении XIV. Для трубопроводов с D_н не более 820 мм разрешается применение седловидных опор.

2.13. В катковых опорах должно быть противоугонное устройство для катков.

Механические детали промежуточных опор должны защищаться кожухами от загрязнения.

2.14. Компенсаторы должны обеспечивать осевую (температурный или температурно-осадочный) и, при специальных условиях, угловую (температурно-осадочный, осадочный) подвижность трубопровода при его деформациях. Компенсаторы рекомендуется применять сальникового типа. При соответствующем обосновании разрешается применение компенсаторов тарельчатых, гофрированных и других типов.

Для достижения герметичности уплотнения сальниковых компенсаторов шаг t болтов (шпилек), прикрепляющих нажимные кольца к раструбам, должен быть в пределах 3,5d ≤ t ≤ 10d (d - диаметр болта).

2.15. По всей трассе трубопровода должен быть предусмотрен отвод за пределы сооружений фильтрационных и поверхностных вод, а также аварийного расхода воды в случае разрыва трубопровода. Должны быть приняты конструктивные решения, не допускающие размыва поверхности грунта вдоль трассы трубопровода.

2.16. В начале каждой открыто проложенной нитки трубопровода должен устанавливаться аварийный или аварийно-ремонтный затвор с автоматически действующим приспособлением, реагирующим на превышение скорости в трубопроводе свыше наибольшей расчетной (максимальная защита), и приспособлением, реагирующим на разность расходов в начале и в конце трубопровода (дифференциальная защита) или на иные импульсы.

Примечание. Время закрытия затвора рекомендуется принимать в пределах до 2 минут. В случае специального обоснования при невозможности отвода воды за пределы сооружения при разрыве трубопровода время закрытия аварийного затвора должно быть не более 30 секунд.

2.17. Аварийный или аварийно-ремонтный затвор должен иметь дистанционное управление со станции и местное, а также специальное устройство для возможности периодического испытания и контроля исправности работы механизма затвора без остановки турбин гидростанции.

2.18. При электрическом дистанционном управлении питание систем должно осуществляться от источника энергии, не зависящего от основных агрегатов гидростанции (агрегата собственных нужд, аккумулятора и пр.).

2.19. Непосредственно перед аварийным или аварийно-ремонтным затвором должен устанавливаться ремонтный затвор.

2.20. За быстродействующим затвором должна быть предусмотрена труба для впуска (выпуска) воздуха при опорожнении (наполнении) трубопровода или воздушный клапан (вантуз) двустороннего действия, обогреваемые либо отепляемые при низких температурах во избежание их обледенения или замерзания в них воды. Клапаны должны устанавливаться также вдоль трассы трубопровода в местах ожидаемого вакуума при опорожнении трубопровода или при наборах нагрузки.

2.21. Наполнение трубопровода водой должно осуществляться через специальную обходную трубу. В случае отказа от устройства обходной трубы наполнение трубопровода допускается производить путем частичного открытия затвора. Величина открытия затвора должна соответствовать пропускной способности воздуховода (см. раздел 8).

2.22. Отправочные и монтажные единицы конструкции трубопровода должны быть наибольших габаритов, определяемых возможностями завода-изготовителя, транспортировки и монтажа.

2.23. Необходимо предусматривать специальные временные раскрепления для восприятия нагрузок строительно-монтажного периода.

2.24. Фланцы должны применяться двух типов:

а) жесткие;

б) свободные.

Свободные фланцы должны устраиваться в качестве демонтажных стыков на участках трубопроводов, имеющих малые осевые размеры, не позволяющие установку демонтажного звена сальникового типа.

2.25. В конструкции трубопровода должны быть приняты специальные меры для исключения действия изгибающего момента на фланцевое соединение.

2.26. Шаг болтов фланцевого соединения должен быть в пределах 3,5d ÷ 7d (d - диаметр болта).

2.27. Уплотнение фланцев осуществляется посредством:

а) плоской прокладки, закладываемой между плоскостями фланцев;

б) прокладки из шнура круглого сечения, помещаемого в специального профиля кольцевой канавке во фланце.

2.28. Радиус оси колена должен быть не менее трех диаметров трубопровода.

Примечание. Для колен с углами более 40°, расположенных в стесненных условиях, допускается уменьшение радиуса оси колена до 1,5 - 2,0 диаметров трубопровода.

2.29. Для того, чтобы трубопровод работал как подвижной в осевом направлении на участке от компенсатора до заделки в анкерную опору, должно выполняться условие:

а) если компенсатор находится на отметке более высокой, чем анкерная опора

б) если компенсатор находится либо на отметке более низкой, чем анкерная опора, либо отметки одинаковые

Здесь Δt - заданный перепад температур, вызывающий перемещение трубопровода в компенсаторе, °С;

l_i, δ_i - соответственно длина и толщина стенки отрезка трубопровода с постоянными толщиной и диаметром, см;

А_c, А_f, А_d - осевые расчетные нагрузки, см. табл. 9, МН (кгс);

δ_min - минимальная толщина стенки трубопровода на рассматриваемом участке, см;

D₀ - номинальный внутренний диаметр трубопровода, см.

2.30. Минимальная длина заделки трубопровода в закрытую анкерную опору должна определяться условиями работы бетона на скалывание под действием осевых сил, передаваемых конструкцией на бетон.

2.31. При назначении расстояния между промежуточными опорами необходимо исходить из следующего:

а) топографических и геологических условий трассы трубопровода;

б) величины изгибных напряжений в оболочке трубопровода при расчете ее как многопролетной неразрезной балки на изгиб от нормальных к оси трубопровода составляющих веса конструкции и воды в трубопроводе;

в) предельного давления на грунт, определяющего размеры строительной части промежуточных опор в зависимости от величины опорной реакции.

2.32. При прокладке двух или более ниток открытых трубопроводов расстояние между ними в плане должно быть минимальным и назначаться из условия возможности обслуживания каждой нитки трубопровода как при постоянной эксплуатации, так и во время ее монтажа.

Минимальное расстояние в свету между наружными поверхностями оболочек или другими элементами, выступающими за горизонтальный диаметр двух соседних ниток, должно быть не менее 600 мм. Для возможности монтажа, ремонта и наблюдения за трубопроводом вдоль его трассы должен обеспечиваться просвет между нижней образующей оболочки или другими выступающими элементами и поверхностью грунта не менее 600 мм.

2.33. Для внутренних периодических осмотров и ремонта трубопровода с D_н более 820 мм должны предусматриваться лазы, которые надлежит располагать на расстоянии не свыше 200 м друг от друга на участках, имеющих удобные подходы. Лазы должны изготовляться с круглыми отверстиями диаметром в свету 550 мм. Как правило, лазы должны изготовляться с прижимом крышки изнутри давлением воды. В трубопроводах насосных станций на участках, работающих в вакуумных режимах, крышки лазов должны крепиться на болтах. Патрубки лазов должны проектироваться сварной конструкции или из стального литья.

Для трубопроводов с D_н не более 820 мм вместо лазов должны изготовляться специальные вставные звенья на фланцах. Съемные звенья предпочтительнее располагать непосредственно около компенсаторов.

2.34. Для опорожнения трубопровода должны предусматриваться специальные трубопроводы опорожнения, снабженные запирающими устройствами.

Рекомендуемый метод определения времени опорожнения трубопровода см. в приложении ХIII.

Трубопровод опорожнения должен присоединяться в самой низшей точке основного трубопровода.

Примечание. При возможности опорожнения трубопровода через спиральную камеру разрешается не делать трубопровод опорожнения в конце основного трубопровода.

2.35. Непосредственно за затвором в начале трубопровода обязательно устройство патрубка с задвижкой для возможности отвода из трубопровода наружу профильтровавшейся в него через уплотнение затвора воды.

Примечание. Для задержки профильтровавшейся воды внутри трубопровода делается временный порог ниже отверстия патрубка.

2.36. При конструировании фасонных элементов следует предусматривать плавные переходные формы с целью предотвращения образования воздушных мешков и обеспечения минимальных сопротивлений движению воды. Рекомендуемые углы конусных переходов при изменении диаметра трубопровода, а также перелома образующей в коленах, даются в приложении ХII.

2.37. В случае возможности в зимнее время (в особенности при остановке турбин) обмерзания внутренней поверхности оболочки, вызывающего опасные напряжения в трубопроводе или опасного для эксплуатации турбин, а также вызывающего значительное уменьшение энергоотдачи, надлежит предусматривать соответствующие конструктивные или эксплуатационные мероприятия, исключающие обмерзание (отепление трубопровода, повышение скоростей течения воды в трубопроводе путем пропуска воды через трубу опорожнения в конце трубопровода, либо путем изменения режима работы турбин и т.д.).

2.38. Для обслуживания компенсаторов и фланцевых соединений трубопроводов диаметром более 1000 мм необходимо устройство стационарных площадок и лестниц, разрабатываемых в соответствии с руководящими указаниями Минэнерго по технике безопасности.

2.39. Для осмотра, окраски и ремонта внутренней поверхности оболочки трубопровода должны предусматриваться специальные приспособления: инвентарные подвижные леса, подмости, трапы, люльки и т.п.

2.40. Трубопроводы, прокладываемые в районах с сейсмичностью ...* баллов и выше, должны снабжаться при необходимости специальными устройствами, предотвращающими поперечные смещения трубопровода на опорах.

___________

* Брак оригинала.

2.41. При проектировании стальных трубопроводов должны предусматриваться мероприятия по защите от коррозии и износа в соответствии с "Инструкцией по защите от коррозии механического оборудования и металлоконструкций гидротехнических сооружений лакокрасочными покрытиями", утвержденной Минэнерго. Запас толщины на коррозию и износ не предусматривается.

Примечание: Увеличение толщины на износ допускается только при наличии специального требования в задании на проектирование.

3. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

3.1. Материалы

3.1.1. Выбор марок стали и чугуна должен производиться в зависимости от параметров трубопровода, расчетной зимней температуры при эксплуатации трубопровода, при транспортировании и монтаже в соответствии с данными таблиц 2 - 4. При надлежащем обосновании разрешается применение сталей повышенной и высокой прочности (σ_т > 370 МПа (37 кгс/мм²)), имеющих механические свойства не ниже приведенных в табл. 2, 3 и требуемые условиями заказа технологические свойства (свариваемость, пластичность при ковке или при холодном деформировании, обрабатываемость резанием, прокаливаемость, хладностойкость и т.д.).

Таблица 2

Требования к прокатной стали для изготовления трубопроводов, предназначенных для эксплуатации в районах с расчетной зимней температурой до минус 40 °С

Таблица 3

Требования к прокатной стали для изготовления трубопроводов, предназначенных для эксплуатации в районах с расчетной зимней температурой от минус 40 °С до минус 65 °С

Пояснения к табл. 2 и 3

* Сталь применять при расчетной температуре не ниже минус 20 °С.

** Для работы при температуре ниже минус 20 °С сталь должна быть дополнительно раскислена присадкой в ковш алюминия.

*** Сталь должна применяться после термической обработки - высокого отпуска.

**** Применение стали, имеющей относительное удлинение менее 16 %, возможно при наличии специальных данных, подтверждающих надежность сварных соединений выбранной стали с учетом условий изготовления, укрупнения, монтажа, эксплуатации трубопровода и его ремонтопригодности.

Примечания: 1. Цифры в индексе класса обозначают:

числитель - минимальная величина временного сопротивления на разрыв по ГОСТ (в кгс/мм²), знаменатель - минимальная величина предела текучести по ГОСТ (в кгс/мм²).

2. Сталь класса С 38/23 по табл. 3 может применяться для элементов, испытывающих воздействие сжимающих напряжений или для слабонагруженных элементов, испытывающих воздействие напряжений от растяжения и (или) изгиба, если суммарные напряжения не более 40 % от расчетных сопротивлений.

3. За расчетную температуру принимается:

а) при возведении конструкций в районах с расчетной температурой наружного воздуха минус 40 °С и выше - температура, при которой конструкции эксплуатируются;

б) при возведении конструкций в районах с расчетной температурой наружного воздуха ниже минус 40 °С - температура данного района.

За температуру наружного воздуха района принимается средняя температура наиболее холодной пятидневки, согласно указаниям главы СНиП по строительной климатологии и геофизики.

Условные обозначения: Г.К. - горячекатаная, Н.О. - после нормализации с отпуском, З.О. - термоулучшенная, п.м.с. - после механического старения.

Таблица 4

Марки материалов для поковок и отливок, применяемых при изготовлении фасонных деталей трубопроводов в зависимости от температуры их эксплуатации и состояния поставки

Примечание. В графе "состояние поставки" приняты следующие условные обозначения:

г.к. - горячекатаная;

н.о. - нормализованная с отпуском;

з.о. - закаленная с отпуском;

отж. - отожженная.

Основные физические свойства некоторых марок стали приведены в табл. 1 приложения ХV.

3.1.2. Сварочные материалы должны назначаться в зависимости от марок свариваемых сталей, способов сварки, условий ее выполнения и требуемых механических свойств сварного соединения. Для стыковых соединений оболочек трубопроводов должны применяться сварочные материалы и технология сварки, обеспечивающие в образцах равнопрочность соединения основному металлу и необходимые пластические свойства. Рекомендуемые сварочные материалы и механические свойства сварных соединений приведены в табл. 2, 3 приложения ХV.

Примечание. Применение электрошлаковой сварки без последующей термообработки может быть допущено только при специальном обосновании с учетом понижения механических свойств соединения.

3.1.3. Стандартные стальные трубы из стали марок 17ГС по ГОСТ 5058-65, 10 и 20 по ГОСТ 1050-60, 10Г2 по ГОСТ 4543-71 без термической обработки могут применяться для работы при температуре не ниже минус 40 °С; при более низкой температуре (до минус 65 °С) должны использоваться стандартные трубы из стали 10 по ГОСТ 1050-60 или 10Г2 по ГОСТ 4543-71 в нормализованном и отпущенном состоянии.

3.1.4. Применение серого чугуна марок СЧ 18-36 и СЧ 28-48 по ГОСТ 1412-70 допускается для деталей, работающих при температуре окружающей среды не ниже минус 40 °С и не имеющих сварных соединений (закладные опорные подушки катковых и скользящих промежуточных опор и др. вспомогательные детали).

3.1.5. Крепежные детали трубопроводов (болты, гайки, стяжные шпильки, анкерные болты и др.) следует проектировать из углеродистой стали марок 20 и 35 по ГОСТ 1050-60 и легированной стали марок 40Х, 40ХН, 38Х2Н2МА и 40Х2Н2МА по ГОСТ 4543-71.

Крепежные детали, изготовляемые из горячекатаной (не термообработанной) стали марки 20, допускается применять только для трубопроводов, эксплуатируемых при температуре воздуха до минус 40 °С; при более низких отрицательных температурах воздуха (ниже минус 40 °С), крепежные детали должны предусматриваться термообработанными;

из стали марки 20 - нормализованными и отпущенными;

из стали марок 35, 40Х, 40ХН, 38X2H2MA, 40X2H2MA - закаленными и отпущенными.

3.1.6. Для втулок температурно-осадочных и осадочных компенсаторов могут применяться древесно-слоистый пластик ДСП-Бгт (по временной инструкции ЦНИИФ) и бронза марок БрАЖ9-4Л или БрАМц9-2Л по ГОСТ 493-54.

3.1.7. Для уплотнений компенсаторов должны применяться:

а) шнур резиновый квадратного сечения по ГОСТ 6467-69;

б) набивка плетеная пеньковая пропитанная марки "ПП" по ГОСТ 5152-66;

в) шнур, скатанный из прорезиненной льняной ткани с резиновым сердечником марки "ПЛРС" по ГОСТ 5152-66.

Примечания: 1. Применение шнура резинового квадратного сечения допускается при напорах до 1000 метров.

2. Применение набивки плетеной пеньковой пропитанной допускается при напорах до 300 метров.

3. Применение шнура, скатанного из прорезиненной льняной ткани с резиновым сердечником, допускается при напорах до 100 метров.

4. При напорах свыше 1000 метров следует применять уплотняющие кольца из бронзы или технической кожи.

3.1.8. Для уплотнений фланцевых соединений должны применяться:

а) резина (листовая по ГОСТ 7338-65, круглого и прямоугольного сечений по ГОСТ 6467-69);

б) паронит по ГОСТ 481-71;

в) фторопласт-4 по ГОСТ 10007-72;

г) свинец марки "СЗ" по ГОСТ 9559-60.

Резины, применяемые для изготовления уплотнений трубопроводов, предназначенных для эксплуатации в районах с холодным климатом (до минус 60 °С), должны удовлетворять дополнительным требованиям, приведенным в приложении 4 к ГОСТ 14892-69, а для эксплуатации в условиях субтропического климата дополнительным требованиям, указанным в ГОСТ 15151-69.

3.2. Технологические требования

3.2.1. Способы сварки элементов трубопроводов должны назначаться с учетом достижения наибольшей автоматизации и механизации процесса обеспечения надежной работы трубопровода в заданных условиях его эксплуатации.

3.2.2. Применение прерывистых швов и электрозаклепок в расчетных соединениях и узлах трубопроводов не допускается.

3.2.3. При назначении в проекте трубопровода требований, непосредственно связанных с изготовлением, укрупнением или монтажом, а также допусков следует учитывать положения главы СНиП "Металлические конструкции" и настоящих Указаний.

3.2.4. При проектировании деталей цилиндрической и конической формы, подлежащих холодной гибке на листогибочных вальцах, отношение величины внутреннего диаметра цилиндра или меньшего основания конуса к толщине оболочки () должно быть для:

малоуглеродистой и низколегированной стали с σ_т до 370 МПа (37 кгс/мм²) - не менее 50;

стали повышенной прочности с σ_т свыше 370 МПа (37 кгс/мм²) - не менее 60.

При меньших значениях соотношения  детали после гибки должны подвергаться термообработке. Требование о необходимости термообработки после гибки должно оговариваться в проектной документации.

3.2.5. При проектировании деталей конической формы величину угла у большего основания конуса следует назначать не менее 40°.

3.2.6. Листовые детали, подлежащие гибке на листогибочных вальцах, должны иметь направление продольных волокон прокатки листа совпадающим с линиями окружности обечаек (перпендикулярно образующим цилиндра).

3.2.7. При проектировании тавровых и угловых соединений катет угловых швов следует назначать не менее величин, указанных в табл. 5.

Таблица 5

Минимальные катеты угловых швов

Примечание. Максимальный катет угловых швов должен быть не более 1,2δ, где δ - наименьшая из толщин соединяемых элементов.

3.2.8. Термическая обработка после сварки должна назначаться для наиболее сложных фасонных узлов трубопроводов с толщиной металла свыше 40 мм при большом количестве наплавленного металла, а также для всех иных конструкций, когда необходимые механические свойства металла шва и сварного соединения при принятом способе сварки не могут быть обеспечены без термической обработки после сварки.

3.2.9. Сварку кольцевых стыковых швов открытых трубопроводов, прокладываемых в туннелях без обетонирования затрубного пространства, при величине последнего менее 800 мм следует предусматривать только изнутри трубопровода на наружных остающихся подкладках.

Не рекомендуется назначать стыковые швы без подварки корня шва или не остающейся подкладке для трубопроводов, предназначенных для работы в условиях низких температур (северное исполнение) или для элементов трубопроводов, испытывающих в процессе эксплуатации значительные динамические нагрузки.

3.2.10. Автоматическая сварка внутри трубопровода может применяться:

а) для продольных стыковых швов при внутреннем диаметре труб не менее 800 мм;

б) для поперечных (кольцевых и эллиптических) стыковых швов при внутреннем диаметре труб не менее 1200 мм.

3.2.11. При сварке труб диаметром менее 800 мм в случае невозможности выполнения подварки с внутренней стороны трубы и недопустимости установки остающейся подкладки, следует предусматривать выполнение корневых проходов шва неплавящимся электродом в среде аргона или плавящимся электродом в среде углекислого газа.

3.2.12. Рекомендуется применение стандартных фланцев при наличии нужного типоразмера. Нестандартные фланцы можно изготавливать сварными, из отливок или поковок.

Применение стандартных и нестандартных литых фланцев из чугуна для напорных стальных трубопроводов не рекомендуется.

3.2.13. Допускаемое отклонение расстояний между осями любых отверстий фланцевых соединений под болты должно назначаться в соответствии с ГОСТ 14140-69.

3.2.14. Допускаемое радиальное смещение соединяемых фланцев должно быть в пределах поля допуска посадки .

3.2.15. Уплотнительные поверхности соединяемых фланцев должны быть взаимно параллельными; при рабочем давлении в трубопроводе до 1,6 МПа (16 кгс/см²) их параллельность не должна превышать 0,2 мм на каждые 100 мм диаметра трубопровода; при давлении свыше 1,6 до 5 МПа (16 - 50 кгс/см²) 0,1 мм и при давлении свыше 5 МПа (50 кг/см²) - 0,05 мм.

3.2.16. Цилиндрические конструкции компенсатора (раструб, нажимное кольцо и патрубок) должны проектироваться достаточно жесткими для обеспечения неизменяемости их формы, а также нормальной и надежной работы компенсатора в сборе.

3.2.17. Припуски на механическую обработку цилиндрических деталей компенсатора после их калибровки и в необходимых случаях установки раскреплений рекомендуется принимать в соответствии с табл. 6.

Таблица 6

Рекомендуемые припуски на механическую обработку обечаек (звеньев) трубопроводов

мм

Примечание. Величины припусков, указанные в таблице, являются достаточными только в случае выполнения предварительной калибровки с точностью не ниже 9-го класса по ГОСТ 2689-54 и придания необходимой жесткости, обеспечивающей неизменяемость цилиндрической формы.

3.2.18. Величину зазора a в сальниковых компенсатора (см. рис. 4 и 5 приложения V) рекомендуется принимать: для трубопроводов с диаметром D₀ не более 3000 мм a₁ = 2,5 мм, с диаметром от 3200 мм до 10000 мм a₁ = 3,5 мм.

3.2.19. В случаях применения в качестве уплотнений плетеной пеньковой пропитанной набивки допускается необработанная, калиброванная наружная поверхность патрубка с обеспечением минусового допуска на его длину окружности.

3.2.20. Шероховатость обрабатываемых поверхностей цилиндрических деталей компенсаторов, непосредственно соприкасающихся с резиновыми уплотнениями, должна быть не грубее  по ГОСТ 2789-73, а остальных .

3.2.21. Для механически обрабатываемых деталей должны предусматриваться мероприятия по защите от коррозии обработанных поверхностей с помощью специальных покрытий и водонесмываемых смазок.

3.2.22. Для деталей негабаритных компенсаторов и для деталей габаритных компенсаторов с недостаточной жесткостью должны предусматриваться дополнительные временные раскрепления, которые должны удаляться только после окончания монтажа.

3.2.23. Категории сварных швов должны назначаться при проектировании в соответствии с требованиями соответствующих стандартов.

Категория шва указывается на чертеже римской цифрой в условном обозначении шва (последним знаком). При отсутствии такого указания шов контролируется только как шов III-й категории.

3.2.24. К сварным соединениям I категории относятся:

а) продольные стыки оболочек на прямых участках;

б) все стыковые швы оболочек фасонных элементов тройников (развилок, колен, коллекторов, переходных камер и др.);

в) радиальные стыки колец жесткости и опорных колец;

г) стыковые соединения заглушек и лазов с оболочкой;

д) стыковые соединения элементов, ввариваемых в жесткий контур;

е) стыковые соединения сварно-литых, сварно-кованых и т.п. элементов.

К сварным соединениям II категории относятся поперечные стыки оболочек на прямых участках.

К сварным соединениям III категории относятся:

а) соединения колец жесткости с оболочкой;

б) соединение опорных колец с оболочкой;

в) прочие соединения, к которым не предъявляется специальных требований по несущей способности.

3.2.25. Сварные швы, независимо от их категории, подлежащие проверке на плотность, кроме того, маркируются буквой "н" (непроницаемый), которая ставится после обозначения категории шва.

4. ВНЕШНИЕ НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ

4.1. Нормативные нагрузки и воздействия, учитываемые в расчетах предельных состояний трубопроводов, и соответствующие коэффициенты перегрузки приведены в таблицах 7 и 8.

Таблица 7

Внешние нагрузки и воздействия

Примечания: 1. В табл. 7 даны сочетания наиболее распространенные. В зависимости от особенностей задания на проектирование трубопровода возможны иные сочетания. Необходимость учета таких сочетаний должна устанавливаться при проектировании.

2. В особых сочетаниях помимо постоянных и временных нагрузок и воздействий учитывается одна из особых.

Обозначения: у - учитывается, н - не учитывается.

Таблица 8

Коэффициенты перегрузок

4.2. Сочетания нагрузок и воздействий должны быть установлены в соответствии с практической возможностью одновременного их действия, при этом необходимо принимать во внимание возможное изменение значения исходных данных, обусловленное совместным действием нагрузок и воздействий.

4.3. За расчетное сочетание нагрузок и воздействий должно приниматься такое сочетание, которое является наиболее невыгодным для трубопровода, заполненного водой и опорожненного, при нормальной эксплуатации, в аварийных случаях и в строительном периоде.

4.4. Расчетная нагрузка определяется как произведение нормативной нагрузки на соответствующий коэффициент перегрузки, определяемый согласно табл. 8.

4.5. Гидростатический напор H₀ в произвольном поперечном сечении трубопровода определяется как разность отметок верхнего бьефа и центра данного сечения. Расчетный напор H_р^осн от внутреннего давления равен сумме расчетных напоров, соответствующих пп. 2 и 6 табл. 7, а расчетный напор H_р^осн определяется в зависимости от вида особого сочетания согласно табл. 7.

4.6. Нормальное (радиальное) внутреннее давление в произвольной точке поперечного сечения на оболочку кругового цилиндрического трубопровода от напора воды, собственных весов воды и оболочки определяются по формуле

где n₃, n₄ - коэффициенты перегрузки.

В формуле (4.1) второй член пропорционален весу воды, а третий - весу оболочки. Эти члены следует учитывать только при D₀ > 0,1H_р.

4.7. Поперечная распределенная нагрузка на единицу длины кругового цилиндрического участка трубопровода постоянного диаметра от веса воды и веса оболочки трубопровода определяется по формуле

где n₃,n₄ - коэффициенты перегрузки.

Вес других элементов трубопровода, кроме оболочки (например, заглушек) учитывается приложением поперечных сосредоточенных нагрузок, равных произведению веса указанных элементов на cosφ и коэффициент перегрузки.

4.8. Формулы для определения некоторых, наиболее часто встречающихся осевых расчетных нагрузок на трубопровод приведены в табл. 9.

Таблица 9

Осевые расчетные нагрузки на трубопровод

Обозначения в таблице:

G_тр - вес конструкции рассматриваемой части трубопровода;

G_в - вес воды в рассматриваемой части трубопровода;

D₀₁, D₀₂ - наибольший и наименьший внутренние диаметры трубы при переменном диаметре трубопровода;

D₂ - диаметр - см. рис. 4, 5 приложения V;

δ_пат - толщина патрубка компенсатора;

b_к - длина набивки в компенсаторе;

f_ком - коэффициент трения в компенсаторе, см. приложение V

f - приведенный коэффициент трения, см. приложение IV;

n₃, n₄ - коэффициенты перегрузки;

n₁₀, n₁₁ - коэффициенты перегрузки.

4.9. На переломе оси трубопровода (в колене) давление воды создает силу, направленную в сторону выпуклости колена. Эта сила статически эквивалентна двум (в общем случае различным по величине) силам A_ε, приложенным в центрах концевых сечений колена, перпендикулярных осям участков, примыкающих к колену. Силы A_ε направлены по осям указанных участков в сторону колена и равны

где D₀ и H_р - соответственно внутренний диаметр трубопровода и расчетный напор в рассматриваемом концевом сечении.

4.10. Снеговая и ветровая нагрузки определяются согласно главе СНиП "Нагрузки и воздействия".

Примечание: Снеговая нагрузка на оболочку открытого трубопровода в расчете не учитывается, если отсутствуют специальные указания в проектном задании.

4.11. Сейсмические воздействия определяются согласно главе СНиП "Строительство в сейсмических районах".

4.12. Нагрузки по пп. 5, 14, 15 табл. 7 определяются по проектным данным.

Примечание: Нагрузки от жидкого бетона следует относить к строительно-монтажным нагрузкам.

4.13. Расчетная нагрузка, соответствующая п. 7 табл. 7, должна быть не более 0,1 МПа (1 кгс/см²).

4.14. Расчетная нагрузка при действии внешнего давления на опорожненный трубопровод в случае, соответствующем п. 12 табл. 7, принимается равной 0,1 МПа (1 кгс/см²).

5. РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

5.1. Расчетное сопротивление материала элементов трубопровода при расчетах на статическую прочность согласно п. 9.9

где R^н - нормативное сопротивление материала, см. пп. 5.4, 5.5;

с - коэффициент перехода к производным сопротивлениям, см. пп. 5.6, 9.11;

k - коэффициент безопасности по материалам см. п. 5.7;

m - коэффициент условий работы, см. п. 5.8;

k_н - коэффициент надежности сооружений, см. п. 5.13.

5.2. Расчетное сопротивление материала элементов трубопровода при расчетах на статическую прочность согласно п. 9.10.

где R^н, c, k - см. п. 5.1.

5.3. При расчете металлоконструкций на выносливость согласно требованиям п. 9.2 расчетное сопротивление, определенное по формулам (5.1) или (5.2), понижается умножением на коэффициент γ, по указаниям раздела 8 в СНиП II-В.3-72 "Стальные конструкции".

5.4. В качестве нормативного сопротивления R^н принимается в зависимости от выполняемого расчета:

а) при расчетах на статические нагрузки, кроме расчетов на местное смятие:

для стали - меньшая из двух величин:

σ_т - нормативный предел текучести.

0,7σ_в - условная нормативная величина;

для хрупких материалов - σ_в;

б) при расчетах на выносливость металлических конструкций - нормативный предел текучести σ_т;

в) при расчетах на местное смятие стальных конструкций при свободном касании в опорных устройствах - нормативное временное сопротивление σ_в.

5.5. Значения нормативных величин σ_т, σ_в устанавливаются по соответствующим ГОСТам или, при отсутствии ГОСТа, - по техническим условиям.

Разрешается устанавливать нормативные величины σ_т, σ_в в соответствии с механическими характеристиками, указанными в сертификате на прокат, если выполнялись поштучные испытания для всей партии металлического проката.

5.6. Значения коэффициентов перехода "с" от основных к производным расчетным сопротивлениям материала должны приниматься в соответствии с табл. 10.

Таблица 10

В расчетах опорных катков и плит на местное смятие при расчете по наибольшему напряжению на площадке контакта: при первоначальном линейном контакте с = 2,2; первоначальном точечном контакте с = 3,3.

Коэффициенты перехода при расчетах болтовых соединений и в случаях, не оговоренных настоящим пунктом, должны определяться согласно соответствующим нормативным документам на проектирование механического оборудования гидротехнических сооружений.

5.7. Значения коэффициентов безопасности по материалам должны приниматься согласно табл. 11.

Таблица 11

Примечания:

1. Коэффициенты безопасности по материалам для сварных соединений первой категории принимаются равными коэффициентам безопасности по материалам основного металла.

2. Коэффициенты безопасности по материалам для сварных соединений II и III категорий не должны быть меньше коэффициентов безопасности по материалам основного металла.

5.8. Коэффициентом условий работы "m" учитываются возможные случайные отступления в размерах действительной конструкции, спроектированной (в пределах допусков, определяемых нормативными документами на изготовление и монтаж трубопровода), а также возможность появления не предусмотренных расчетом различных неблагоприятных условий работы конструкции, особенности работы некоторых узлов или соединений.

Коэффициент условий работы "m" в отдельных случаях может состоять из нескольких сомножителей и определяться как произведение:

5.9. Значения коэффициента условий работы элементов трубопровода - "m₁" принимаются согласно табл. 12.

Таблица 12

Коэффициент условий работы m₁

5.10. Коэффициент условий работы трубопровода "m₂" принимается:

при действии внутреннего давления - 0,75;

при действии внешнего давления - 0,9.

5.11. При расчетах на особые сочетания нагрузок принимается m₂ = 1, исключая особо оговоренные случаи.

5.12. Коэффициент "m₃" при отсутствии специальных указаний принимается равным 1.

5.13. Коэффициент надежности сооружения - "k_н" при подсчете трубопроводов принимается равным единице за исключением случаев, когда разрушение оболочки трубопровода влечет за собой последствия, эквивалентные прорыву напорного фронта гидроузла.

В последнем случае "k_н" принимается:

для сооружений I класса - 1,2,

для сооружений II класса - 1,15,

для сооружений III класса - 1,1.

6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

6.1. Гидравлический расчет трубопровода является основой для выбора наиболее благоприятных очертаний и взаимного расположения элементов трубопровода с целью повышения эффектности работы гидротехнического сооружения, а также для становления нагрузок от давления воды на конструкцию трубопровода.

Гидравлические расчеты должны включать:

а) определение потерь напора и построение линии пьезометрического давления по длине трубопровода;

б) определение нагрузок от действия гидравлического удара на конструкцию трубопровода.

6.2. Гидравлические потери и построение линии пьезометрического давления.

6.2.1. Гидравлические потери ΔH определяются как сумма потерь местных ΔH_м, вызванных изменением формы конструкции, и потерь на трение ΔH_тр по длине трубопровода

Подробнее о вычислении величин и ΔH_тр и ΔH_м см. в приложении XII.

Гидравлические потери в водоприемнике должны определяться по соответствующим нормативным документам и здесь не рассматриваются.

6.2.2. Линия пьезометрического давления по длине трубопровода строится на основании формулы

где: для i-го сечения:

 - пьезометрическое давление над центром сечения (м);

H_0i - заглубление центра сечения под уровень верхнего бьефа (м);

ΔH_i - гидравлические потери напора на участке от начального сечения до рассматриваемого (м);

v_i - скорость потока в рассматриваемом сечении (м/с);

P₀ - давление (МПа);

α_k - коэффициент Кориолиса, ориентировочно α_k = 1,05.

6.3. Гидравлический удар

6.3.1. Основными задачами расчетов гидравлического удара являются определение следующих параметров:

а) величин максимального давления по длине напорного трубопровода;

б) величин минимальных давлений по длине напорного трубопровода с отысканием зон возможного образования вакуума;

в) рационального режима регулирования потока.

6.3.2. Расчеты гидравлического удара должны основываться на специальном задании, содержащем величины и характер изменения нагрузок агрегатов.

6.3.3. Расчеты гидравлического удара могут выполняться любыми методами: аналитическими или графическими, а результаты расчетов должны представляться в виде зависимостей величин полного давления и временной неравномерности хода агрегата от времени закрытия направляющего аппарата или иного регулирующего органа.

Нагрузка от гидравлического удара на трубопровод представляется в виде эпюр для случаев максимального и минимального давлений по длине трубопровода.

7. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ (НА ОБЛЕДЕНЕНИЕ)

7.1. Принятые условные обозначения:

v - скорость потока (м/с);

D₀ - диаметр водовода (м);

L₀ - длина участка трубопровода с постоянным D₀ (м);

t_н - температура воды на входе в расчетный участок (°С);

t₀ - абсолютная минимальная температура, принимаемая по СНиП II-А.6-72, если отсутствуют специальные указания в задании (°С);

α_н - коэффициент теплоотдачи (), принимаемый по табл. 7 СНиП II-А.7-71 для наружных стен, но не менее 20 .

7.2. В соответствии с п. 2.41 следует проверить отсутствие возможности образования льда на внутренней поверхности стального открытого водовода без тепловой изоляции по формуле:

7.3 Допустимая длительность (час) прекращения потока воды в стальном открытом водоводе без тепловой изоляции со скоростью потока перед остановкой, равной V:

7.4. Минимальная скорость потока (м/с) в стальном открытом водоводе без тепловой изоляции:

8. ВОЗДУХОПОДВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО

8.1. Воздухоподводящее устройство предназначается для организованного впуска воздуха при опорожнении и выпуска воздуха при наполнении трубопровода, а также для снижения вакуума за затвором. Отказ от устройства воздуховода, например, при подводе воздуха через шахту затвора, должен быть обоснован.

8.2. Воздуховод должен подводиться к самой высокой точке трубопровода непосредственно за затвором, чтобы избежать образования воздушных пробок и выброса водовоздушной смеси при заполнении трубопровода. Следует по возможности избегать случаев забора воздуха из рабочих помещений, располагать отверстия для забора воздуха с учетом требований техники безопасности и не допускать обмерзания воздуховода и входных (выходных) отверстий.

8.3. Наименьшая площадь поперечного сечения воздуховода определяется из условий:

а) нормальной работы затвора при закрывании в потоке;

б) отсутствия опасных динамических нагрузок на затвор и трубопровод при закрывании затвора в потоке;

в) отсутствия сильного шума при движении воздуха и выбросов воды через воздуховод;

г) обеспечения расчетного времени наполнения трубопровода водой.

8.4. Площадь поперечного сечения воздуховода должна удовлетворять условию

где: Q₁ - наибольший расход воздуха в воздуховоде;

v_доп - допустимая скорость движения воздуха в воздуховоде.

Для предварительных расчетов следует принимать при опускании затвора в поток

где: Q_т - расход воды, проходящей по трубопроводу во время опорожнения при напоре, соответствующем уровню воды на отметке высшей точки трубопровода за затвором;

Q_п - расход воды, поступающей в трубопровод из-под затвора при открытии 10 %;

Q_в - расход воздуха, увлекаемый вальцом, примерно равный 0,4Q_п.

Расчеты первого приближения производятся по формуле

Для более точных расчетов расход воздуха следует определять гидравлическим расчетом для разных открытий затвора.

Допустимая скорость воздуха v_доп в воздуховоде при наполнении и опорожнении трубопровода не должна превосходить 50 м/сек с целью ограничения уровня шума при движении воздуха. В прямолинейных трубопроводах с плавно очерченным входом во время опорожнения трубопровода возможно допускать скорости воздуха до 60 м/с.

8.5. Принятая площадь воздуховода должна быть не менее

где Q_т - принимается в м³/с.

8.6. Для исключения возможности фонтанирования воды из воздуховода, при заполнении трубопровода водой, высота подъема воды в воздуховоде не должна превышать отметку верхнего сечения воздуховода. Высота подъема уровня воды в воздуховоде определяется по формуле:

где: H_воз - разность отметок верхнего бьефа и нижней точки воздуховода;

 - безразмерный коэффициент;

𝜁_м и 𝜁_тр - коэффициенты сопротивлений в воздуховоде соответственно местные и по длине;

F_δ - площадь сечения байпаса, через который заполняется трубопровод.

9. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИИ

9.1. Предусматривается выполнение прочностных расчетов металлоконструкций трубопровода в соответствии с формой метода предельных состояний согласно главе СНиП "Гидротехнические сооружения речные с расчлененным коэффициентом запаса".

9.2. Расчетные размеры элементов металлоконструкций трубопровода должны назначаться из условий обеспечения несущей способности: статической прочности по неразрушению, выносливости, устойчивости формы, устойчивости положения.

Примечания: 1. Расчеты выносливости необходимо выполнять только для элементов тройников, развилок, если в задании на проектирование стального трубопровода специально оговорено наличие пульсирующей составляющей давления потока.

2. Для неразрезных участков, как-то: распределителей перед турбинами, арочных переходов и т.п., требуется производить расчеты по проверке деформаций и перемещений от статических нагрузок.

9.3. Расчеты на прочность по неразрушению, на устойчивость формы или положения производятся по расчетным нагрузкам, на выносливость, как правило, - по нормативным нагрузкам, расчеты деформаций и перемещений - по нормативным нагрузкам.

9.4. При расчете вводятся следующие составляющие расчлененного коэффициента запаса:

n - коэффициент перегрузки;

k - коэффициент безопасности по материалу;

m - коэффициент условий работы;

k_н - коэффициент надежности сооружения.

9.5. Несущая способность элементов трубопровода должна быть обеспечена как в эксплуатационных условиях, так и в условиях транспортировки и монтажа на строительстве.

9.6. Расчетные схемы и основные предпосылки расчетов прочности должны возможно ближе соответствовать действительным условиям работы трубопровода или его элементов и выбираться таким образом, чтобы вводимые в расчеты упрощения давали заведомо незаниженные величины напряжений, деформаций или незавышенные предельные усилия.

9.7. Расчетные усилия, напряжения или деформации могут определяться как по упругой стадии работы материала, так и по пластической. Допущение или недопущение пластической работы материала зависит от эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкции, наличия достоверных методов определения предельных нагрузок, обоснованных теоретически и по данным опытов, выполненных как в натурных условиях, так и на моделях, предельно близко соответствующих характеру работы реальной конструкции.

9.8. При назначении размеров элементов трубопровода с учетом пластической стадии работы материала следует обратить особое внимание на:

а) качество выполнения сварки, т.е. должна заведомо обеспечиваться равнепрочность сварного соединения и основного металла;

б) возможность потери устойчивости при растяжении, в особенности для тонкостенных конструкций в местах изменения геометрической формы;

в) возможность преждевременного разрушения при существенном влиянии переменной составляющей нагрузки;

г) выбор материалов, которые в готовых изделиях элементов трубопровода должны обладать в эксплуатационных условиях достаточными пластическими свойствами и не приобретать склонность к хрупкому разрушению.

9.9. Расчеты статической прочности по неразрушению, когда предполагаются упругая область работы материала конструкции и линейная зависимость между усилиями и перемещениями, должны основываться на соблюдении условий:

а) для оболочечных (листовых) элементов трубопровода

для оболочечных элементов из сталей с отношением  ≥ 0,7 при двухосном растяжении наибольшее главное напряжение σ₁ не должно превышать расчетного сопротивления R₁;

б) для балочных элементов, для механических деталей

Здесь: σ_прив - приведенное напряжение;

R₁ - расчетное сопротивление основное или производное (см. раздел 5);

σ - расчетное напряжение (нормальное или касательное).

9.10. Расчеты несущей способности для различных элементов трубопровода в случаях:

а) предполагаемого пластического деформирования;

б) нелинейной зависимости между усилиями и перемещениями в области упругой работы материала конструкции;

в) проверки устойчивости формы должны основываться на соблюдении условия

где Р_расч - расчетная нагрузка, действующая на конструкцию;

Р_пред - предельная нагрузка, установленная расчетом;

m - коэффициент условий работы;

k_н - коэффициент надежности конструкции.

В случаях, когда непосредственное определение Р_пред затруднено, условие (9.3) может быть заменено эквивалентными ему неравенствами, форма которых зависит от используемого метода расчета. В частности, неравенство (9.3) может иметь вид

где R₂ - расчетное сопротивление, определяемое по п. 5.2.

9.11. Для механических элементов (деталей машин) с прямоугольным или круглым поперечным сечением (нетонкостенным), при расчете на действие осевой силы и изгибающего момента в одной из главных плоскостей нормальное напряжение σ в условии (9.2) определяется по формуле

где σ_ос, σ_и - расчетные напряжения соответственно от осевой силы и изгибающего момента;

с - коэффициент перехода, см. раздел 5.

В формуле (9.5) коэффициент "с" полагается отличным от единицы только для пластичных сталей в эксплуатационных условиях.

9.12. Для расчета трубопровод разделяется на участки, границами которых могут быть начало и конец трубопровода, анкерные опоры, температурные и температурно-осадочные компенсаторы и заглушки, установленные на свободном торце трубопровода.

Все участки делятся на два типа:

а) тип I - со свободными осевыми перемещениями, например: участок от анкерной опоры до температурного или температурно-осадочного компенсатора; участок от анкерной опоры до заглушки, установленной на свободном торце трубопровода;

б) тип II - с ограниченными осевыми перемещениями (перемещения возможны только за счет деформации самой конструкции), например: участок между анкерными опорами при отсутствии компенсатора; арочный переход; распределитель у здания ГЭС и т.п.

9.13. Для участков типа I осевая сила N в произвольном поперечном сечении определяется путем алгебраического суммирования в соответствующих сочетаниях внешних осевых нагрузок, определенных по указаниям раздела 4, - на отрезке от компенсатора или заглушки до рассматриваемого сечения.

Изгибающие моменты M, перерезывающие силы Q и опорные реакции  для участков типа I определяются из расчета трубопровода на изгиб, как неразрезной балки. Рекомендуемый метод расчета см. в приложении I.

9.14. Для участков типа II осевые и перерезывающие силы, изгибающие моменты и опорные реакции определяются путем раскрытия статической неопределимости методами строительной механики. Расчетная схема и методика расчета выбираются в каждом случае в зависимости от конструкции участка.

Для прямых участков типа II составляющие осевых сил от давления воды и от температурного воздействия определяются по формулам:

а) при наличии нескольких толщин оболочки на участке -

от внутреннего давления

от температурного воздействия

б) при постоянной толщине оболочки на участке -

от внутреннего давления

от температурного воздействия

Здесь:

Δt - расчетный перепад температуры (°С);

l_i - длина, м (см), звена оболочки с постоянной площадью сечения стенки F_i, м² (см²);

F - площадь сечения стенки, м² (см²);

σ^o_ZT - общее окружное напряжение, МПа (кгс/см²), определяемое по формуле (9.10); для каждого участка с постоянным F_i принимается значение σ^o_ZT на середине участка;

N_p, N_t - осевые силы в трубопроводе, МН (кгс).

Для участков типа II, содержащих открытые колена (например, распределителей), при раскрытии статической неопределимости следует вводить в расчет пониженную жесткость трубопровода в коленах k_ж∙EI, где EI - жесткость трубопровода на прямолинейном участке того же радиуса и толщины, k_ж - коэффициент жесткости, определяемый на ЭЦВМ с помощью программы СК-5 - см. приложение VII.

9.15. Расчеты, указанные в пп. 9.13, 9.14, следует производить при основных сочетаниях нагрузок заполненного водой трубопровода для случаев повышения и понижения температуры. Необходимость учета температурного воздействия в таких же расчетах, но при особых сочетаниях нагрузок, должна определяться для каждого сооружения особо.

Об учете температурных воздействий для опорожненного трубопровода при расчетах на устойчивость - см. приложение XI.

9.16. Общие напряжения в оболочке определяются по формулам:

окружные нормальные напряжения

где p - радиальная нагрузка, определяемая по формуле (4.1);

осевые нормальные напряжения

касательные напряжения

Общие нормальные напряжения определяются для сечений с минимальной толщиной оболочки по длине участка или в сечениях, где изменяется толщина, при этом напряжения σ^o_XT определяются по величине изгибающего момента либо опорного, либо наибольшего пролетного, действующего в сечении, ближайшем к рассматриваемому.

Касательные напряжения следует проверять только для сечений у крайних опор по схеме неразрезной балки при наличии свободных консолей с нагрузками либо от компенсатора, либо от испытательных заглушек.

9.17. В местах изменения формы, резкого изменения толщины оболочек у опорных колец и т.п. несущая способность по неразрушению должна определяться с учетом местных напряжений, т.е. по суммарным напряжениям: общим и местным.

При расчетах на особые сочетания нагрузок, как правило, местные напряжения не учитываются, исключая случаи, специально оговариваемые, когда повышение расчетной нагрузки в особом сочетании может вызвать невозможность дальнейшей эксплуатации сооружения.

9.18. Рекомендуемые методы расчетов прочности ряда основных элементов трубопровода см. в приложениях III - Х.

9.19. Трубопровод должен быть рассчитан на устойчивость формы:

а) от действия внешнего давления;

б) на продольный изгиб, как стержень, при действии внутреннего давления.

Рекомендуемые методы расчета см. в приложении XI.

10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

10.1. Каждая нитка открытого напорного трубопровода после окончания монтажа перед сдачей ее в эксплуатацию должна подвергаться статическим гидравлическим испытаниям с целью проверки плотности конструкции.

10.2. Программа, схемы испытаний и проект оборудования для их проведения должны составляться одновременно с основным проектом конструкции трубопровода.

10.3. Общие напряжения в оболочке при гидравлическом испытании должны удовлетворять условию прочности (9.1) для особого сочетания нагрузок, причем расчетное сопротивление определяется согласно п. 5.1 при k_н = 1.

10.4. Схема испытаний принимается одноступенчатой (см. рис. 5-а) или многоступенчатой (см., например, рис. 5-б), исходя из следующего.

Рис. 5. Схемы гидравлических испытаний

а - одноступенчатая схема; б - многоступенчатая схема.
1. Линия напора при испытании. 2. Линия расчетного напора для основных сочетаний нагрузок.
3. Линия напора при испытании I ступени. 4. Линия напора при испытании II ступени.
5. Линия напора при испытании III ступени. 6. Затвор в начале турбинного трубопровода
(верхняя заглушка). 7. Заглушка. 8. Нижняя заглушка. 9. Заглушение затворами перед турбинами.
10. Трубопровод опорожнения с задвижкой

У низовой заглушки каждой ступени напор при испытании H_и должен быть не менее 1,15 H_р^осн, где H_р^осн - расчетный напор в данном сечении при основном сочетании нагрузок.

Положение верховой заглушки каждой ступени определяется требованием п. 10.3.

В многоступенчатых схемах испытания промежуточные заглушки должны разгружаться весом вышележащей воды и само испытание вестись в такой последовательности, чтобы сначала был испытан весь трубопровод на давление воды, соответствующее I-й ступени, затем участок от верха II-й ступени до конца трубопровода на давление воды, соответствующее II-й ступени, и т.д. и, наконец, участок, охватываемый последней ступенью.

10.5. При наличии в схеме трубопровода шаровых, дисковых и т.п. затворов рекомендуется использовать такие затворы вместо заглушек.

10.6. Для каждой ступени испытаний давление на каждом этапе должно выдерживаться в течение времени, необходимого для осмотра трубопровода, но не менее 1 часа.

10.7. Гидравлические испытания должны проводиться для открытых трубопроводов при температуре наружного воздуха, обеспечивающей отсутствие обледенения внутренней поверхности оболочки.

10.8. Для обеспечения нормальных условий наполнения и опорожнения трубопровода около всех верховых заглушек должны устраиваться патрубки с задвижками для впуска и выпуска воздуха.

10.9. На самом нижнем участке трубопровода должна предусматриваться сбросная труба с задвижкой для опорожнения трубопровода после окончания его гидравлического испытания.

10.10. Для опрессовки трубопровода давлением H_и рекомендуется применять центробежный насос во избежание рывков давления. Насос должен быть в состоянии обеспечить компенсацию потери напора, могущей иметь место при утечках через компенсаторы, фланцы, пазы и т.п.

10.11. При многоступенчатых схемах испытаний для наполнения, опорожнения и создания испытательного напора около всех промежуточных заглушек должны устраиваться обходные трубы с задвижками.

Приложение I

РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА КАК НЕРАЗРЕЗНОЙ БАЛКИ

1. Основные положения

Приводится методика расчета на изгиб участков трубопровода I типа (см. п. 9.12 раздела 9), рассматриваемых как неразрезные балки.

Обетонированная анкерная опора рассматривается как заделка неразрезной балки, причем расположение заделки принимается: при наличии колец в пределах анкерной опоры - у крайних (наружных) колец - см. рис. 3; при отсутствии колец - на расстоянии, равном диаметру трубопровода, от наружной поверхности бетона.

Открытые (шарнирные) анкерные опоры и промежуточные опоры рассматриваются как шарнирные опоры неразрезной балки, причем для анкерных опор учитывается расположение шарнира ниже оси.

Температурные (сальниковые) компенсаторы и заглушки, установленные на свободном торце трубопровода, рассматриваются как свободные консольные концы неразрезной балки. Для участка, содержащего патрубок компенсатора, длина консоли принимается равной расстоянию до номинального (среднего) положения конца патрубка; для участка, содержащего раструб компенсатора, длина консоли увеличивается на 0,7 м по отношению к расстоянию до номинального положения конца патрубка - см. рис. 1 - 3.

Рис. 1. Схема 1

1. Открытая анкерная опора. 2. Промежуточная опора. 3. Компенсатор.
4. Номинальное положение конца патрубка компенсатора.
5. Верхний участок 6. Нижний участок

Рис. 2. Схема 2

1. Открытая анкерная опора. 2. Промежуточная опора.
3. Компенсатор. 4. Номинальное положение конца патрубка
компенсатора. 5. Верхний участок 6. Нижний участок

Рис. 3. Схема 3

1. Обетонированная анкерная опора. 2. Промежуточная опора.
3. Компенсатор. 4. Номинальное положение конца патрубка
компенсатора. 5. Верхний участок 6. Нижний участок

Формулы даны для определения изгибающих моментов, перерезывающих сил и опорных реакций для трех наиболее употребительных схем.

Схема 1 (рис. 1). К открытой (шарнирной) анкерной опоре с одной стороны (обычно с нижней) примыкает консоль длиной с_н, с другой стороны - участок трубопровода, состоящий из "нулевого" пролета длиной а_в (непосредственно у анкерной опоры), n_в равных пролетов длиной l_в и консоли длиной с_в, с (n_в + 1) промежуточными опорами.

Схема 2 (рис. 2). К открытой (шарнирной) анкерной опоре с обеих сторон примыкают участки трубопровода, состоящие из "нулевых" пролетов, нескольких равных пролетов и консолей.

Схема 3 (рис. 3). К закрытой (обетонированной) анкерной опоре с одной или двух сторон примыкают участки трубопровода, состоящие из "нулевого" пролета, нескольких равных пролетов и консоли. В данном случае участки, примыкающие к анкерной опоре с двух сторон, не воздействуют друг на друга, поэтому расчет каждого из них производится независимо.

Во всех трех схемах сечение оболочки трубопровода и погонная поперечная нагрузка q считаются постоянными в пределах верхнего или нижнего участка. При невыполнении этого условия следует принять средние величины по участку.

Число равных пролетов n может быть, в частности, равно 0.

В п. 4 даются оптимальные значения некоторых конструктивных размеров участка и упрощенная методика расчета. Для участков, конструктивные размеры которых не оптимальны, методика расчета дана в п. 5.

2. Обозначения

n_в, n_н - число пролетов неразрезной равнопролетной балки (без пролета, примыкающего к анкерной опоре);

l_в, l_н - длина пролета неразрезной равнопролетной балки;

a_в, a_н - длина пролета, примыкающего к анкерной опоре (о расположении заделки - см. п. 1);

с_в, с_н - длина консоли (о расположении конца консоли - см. п. 1);

h - расстояние от шарнира анкерной опоры до точки пересечения осей участков трубопровода (см. рис. 1, 2);

ε - угол колена;

J_в, J_н - момент инерции поперечного сечения оболочки трубопровода;

q_в, q_н - поперечная распределенная нагрузка на единицу длины трубопровода (положительна, если действует вниз);

М_А - момент, действующей на открытую анкерную опору из-за расположения шарнира ниже оси трубы;

N, Q, M,  - см. п. 1.5 раздела 1;

ω, Ω, λ, v, ψ - коэффициенты, определяемые по табл. 2 и формулам (I.2) - (I.4).

Нижний цифровой индекс означает номер промежуточной опоры или номер пролета, к которым относится данная величина.

Верхний индекс "а" означает, что величина относится к анкерной опоре.

Верхний индекс "П" означает "пролетный".

Нижний индекс "В" или "Н" означает, что величина относится к верхнему или нижнему участку трубопровода.

В таблицах 1, 3 и в формулах(I.11), (I.12), (I.14), (I.15), (I.17), (I.18) верхние знаки берутся, если участок расположен ближе к началу трубопровода, чем анкерная опора, к которой он примыкает, нижние знаки - в противном случае*.

___________

* За начало принимается любое из двух крайних сечений трубопровода.

3. Предварительные расчеты

3.1. Для схем 1 и 2 определяется

где N_Н, N_В - осевые силы в поперечных сечениях трубы непосредственно у анкерной опоры.

3.2. Для схемы 2 определяется

4. Расчет при оптимальных соотношениях

4.1. При числе пролетов равнопролетной балки n > 3 (в схеме 2 - при n_в > 3 и n_н > 3) и при выполнении рекомендаций приложения XIV:

а) a_в = l_в, a_н = l_н (оптимальные длины пролетов у анкерной опоры из условия наименьших изгибающих моментов и опорных реакций);

б) с_в = 0,35l_в, с_н = 0,35l_н (оптимальные длины консолей из условия наименьших прогиба и угла поворота конца консоли) расчет производится по формулам табл. 1.

Таблица 1

ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДА, КАК НЕРАЗРЕЗНОЙ БАЛКИ, ПРИ ОПТИМАЛЬНЫХ СООТНОШЕНИЯХ

Если выполнены только условия а), то по формулам табл. 1 могут быть определены величины, относящиеся ко всем пролетам, кроме (n - 1)-го и и n-го. Если выполнены только условия б), то по формулам таблицы 1 могут быть определены величины, относящееся ко всем пролетам, кроме 0-го и 1-го.

5. Расчет при неоптимальных соотношениях.

При невыполнении требований п. 4.1 расчет производится в следующем порядке.

5.1. По формулам табл. 2:

если n_в > 0, находятся ω_в, Ω_в в зависимости от n_в, l_в, c_в;

если n_н > 0, находятся ω_н, Ω_н в зависимости от n_н, l_н, c_н.

Таблица 2

Формулы для коэффициентов ω, Ω

5.2. Для схем 2 и 3 определяются λ_в, v_в, λ_н, v_н:

 

(с добавлением индекса "в" для величин, относящихся к верхнему участку, и индекса "н" для величин, относящихся к нижнему участку).

5.3. Определяются изгибающие моменты непосредственно у анкерной опоры:

для схемы 1 -

для схемы 2 -

 

для схемы 3 -

5.4. Определяются изгибающие моменты над опорой 0:

для схемы 1 -

 

для схем 2 и 3 -

(с добавлением индексов "в" или "н").

5.5. Для верхнего нулевого пролета определяются:

перерезывающие силы

координата сечения, в котором возможен максимум момента,

и если 0 < х_0в < a_в, то пролетный момент

(при x_0в < 0 или x_0в > a_в максимум момента в пролете отсутствует);

при n_в = 0 - опорная реакция

5.6. Для нижнего нулевого пролета определяются:

для схемы 1 -

Для схем 2 и 3 - , Q_0н, x_0н,  (если 0 < x_0н < a_н)

и при n_н = 0  - по формулам (I.11 - I.14) с заменой индекса "в" на "н".

5.7. Для равнопролетных балок определяются опорные моменты и опорные реакции:

при n = 1, 2, 3 - по формулам таблицы 3,

при n > 3 - по формулам

 

 

 

 

 

 

 

 

(с добавлением индексов "в" или "н").

Таблица 3

Формулы для определения изгибающих моментов и опорных реакций равнопролетной балки

5.8. Для равнопролетных балок определяются координаты и величины пролетных моментов:

в 1-м пролете -

во 2-м пролете -

в средних пролетах (при 2 < i < n - 1)

в (n - 1)-м пролете -

 

в n-м пролете -

(с добавлением индексов "в" или "н").

Приложение II

СВОДКА СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОПОРЫ

1. Схемы сил, передаваемых трубопроводом на анкерные опоры, изображены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Схема сил, действующих на обетонированную анкерную опору

Рис. 2. Схема сил, действующих на шарнир открытой анкерной опоры

Осевые силы A_в и A_н, действующие на анкерную опору, определяются по формулам

 

где ,  - осевые силы в сечениях трубопровода непосредственно у анкерной опоры, определяемые по указаниям пп. 9.13, 9.14 раздела 9 (подставляются с учетом знака);

A_εв, A_εн - осевые силы, создаваемые давлением воды в колене, определяемые по указаниям п. 4.9 раздела 4.

Поперечные силы ,  и моменты , , действующие на анкерную опору, представляют собой поперечные силы и изгибающие моменты в сечениях трубопровода непосредственно у анкерной опоры, определяемые по указаниям приложения I.

Сила G^а - вес воды и конструкции трубопровода внутри анкерной опоры.

На рис. 1 и 2 показаны направления положительных сил и моментов в случае, когда начало трубопровода находится слева.

2. Схема сил, передаваемых трубопроводом на промежуточную опору, изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема сил, действующих на промежуточную опору

Сила  есть опорная реакция, определяемая по указаниям приложения I, на каждую из двух фундаментных плит промежуточной опоры передается сила .

Сила трения T₀, действующая на каждую фундаментную плиту определяется по указаниям приложения IV.

Максимально возможный эксцентриситет e₀ опорных реакций  равен максимальному ходу промежуточной опоры при изменении температуры, определяемому по указаниям приложения IV.

Сила трения T₀ и эксцентриситет e₀ могут принимать любое из двух направлений независимо друг от друга.

Приложение III

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ОПОРНЫХ КОЛЕЦ И КОЛЕЦ ЖЕСТКОСТИ

1. Приложение предназначено для расчета на прочность опорных колец конфигурации, изображенной на рис. 1-а, и колец жесткости - рис. 1-б.

Рис. 1. Схемы конструкции колец

а - опорное кольцо; б - кольцо жесткости; в, г - сечения колец типа 1;
д - сечение кольца типа 2; е, ж, з, и - сечения колец типа 3

Сечение кольца состоит из одной или двух стенок, с полками или без полок, с усиленными (с помощью накладок или утолщений) участками оболочки или без усилений. Сечения колец относятся к одному из трех типов:

тип 1 - двустенчатое кольцо с усилениями под каждой стенкой, расположенными симметрично относительно осей стенок, или без усилений (см. рис. 1-в, г);

тип 2 - двустенчатое кольцо с единым усилением под обеими стенками (см. рис. 1-д);

тип 3 - одностенчатое кольцо с усилением, расположенным симметрично относительно оси стенки (см. рис. 1-е, ж) или без усиления (см. рис. 1-з, и).

При определении напряжений от изгиба опорного кольца принята расчетная схема кольца постоянного сечения с абсолютно жесткими опорными элементами, границы которых определяются углами α₁ и α₂ - см. рис. 1-а.

При определении местных напряжений (краевого эффекта) в оболочке у опорного кольца или у кольца жесткости усиленный участок оболочки с одной стороны от кольца длиной s (см. рис. 1) рассматривается как короткая оболочка, для которой выполняются условия сопряжения: с одной стороны - с собственно кольцом, с другой стороны - с неусиленной оболочкой бесконечной длины.

2. Расчет колец производится на ЭЦВМ с помощью программы СК-4, включенной в фонд алгоритмов и программ ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Ленинград).

2.1. Исходные данные для расчета задаются в следующем порядке:

а) количество рассчитываемых вариантов колец n_в;

б) исходные данные 1-го, 2-го, ...., n_в-го вариантов.

В качестве исходных данных каждого варианта задаются 19 чисел в нижеуказанном порядке:

а) тип сечения (1, 2 или 3);

б) наружный диаметр трубопровода D_н в см;

в) толщина неусиленной оболочки δ в см;

г) толщина усиленной оболочки под кольцом (при наличии накладки - суммарная толщина оболочки и накладки)  в см; при отсутствии усиления задается  = δ;

д) эксцентриситет, то есть разность средних радиусов усиленной и неусиленной оболочки, e в см (при наружной накладке или утолщении наружу , при утолщении внутрь , при отсутствии усиления е = 0);

е) длина усиленного участка оболочки  в см (при двух усиленных участках - длина одного из них); при отсутствии усиления задается  = δ_c;

ж) толщина стенки сечения δ_c в см;

з) высота стенки сечения l_c в см;

и) толщина полки сечения δ_пк в см (при отсутствии полки задается δ_пк = 0);

к) ширина полки сечения l_пк в см (при отсутствии полки задается l_пк = 0);

л) расстояние между внутренними плоскостями стенок l₀ в см (для сечения типа 3 задается l₀ = 0);

м) горизонтальная координата точки опоры B в см (точка опоры принимается посредине опорной плиты кольца); для кольца жесткости задается B = 0,5D_н;

и) вертикальная координата точки опоры H в см (расстояние от горизонтального диаметра до нижней плоскости опорной плиты кольца); для кольца жесткости задается H = 0;

o) угол наклона оси трубопровода к горизонту φ в град, (округляется до целых градусов);

и) расчетный напор в центре поперечного сечения трубопровода, совпадающего с серединой кольца, H_р в м;

p) осевая сила в трубопроводе в месте расположения кольца при повышении температуры N^пов в тс;

с) осевая сила в трубопроводе в месте расположения кольца при понижении температуры N^пон в тс;

т) изгибающий момент в трубопроводе в месте расположения кольца M в тс∙м;

у) опорная реакция, воспринимаемая кольцом,  в тс (см. рис. 3 приложения II);

для кольца жесткости задается  = 0.

Величины е, N^пов, N^пон, М,  необходимо задавать с учетом знака (см. раздел 1, п. 1.5 и рис. 1).

О задании исходных данных в системе СИ - см. п. 2.4.

Таким образом, всего задается 1 + 19n_в чисел.

2.2. В результате расчета ЭЦВМ печатает для каждого варианта следующие величины:

а) номер варианта;

б) исходные данные - 19 чисел, перечисленные выше;

в) характеристики сечения - тип; собственную площадь (без учета присоединенного пояска оболочки) F_к′ в см²; длину присоединенного пояска оболочки l_об в см; площадь приведенного сечения (с учетом присоединенного пояска оболочки) F_к в см²; момент инерции приведенного сечения относительно центральной оси J_к, в см⁴;

г) радиус окружности, проходящей через центр тяжести приведенного сечения кольца, r_к в см;

д) углы α₁ и α₂, определяющие условные границы жесткого опорного участка кольца, в градусах, минутах и секундах (для кольца жесткости печатаются α₁ = 90° и α₂ = 90°);

е) таблицу напряжений в кгс/см² (см. ниже);

ж) максимальные напряжения в кгс/см² (см. ниже).

В таблице напряжений печатаются напряжения для значений угловой координаты α от 0° с шагом 5° до 180°, за исключением жесткого участка между α₁ и α₂, а также для граничных значений α = α₁ и α = α₂.

Для каждого α напряжения печатаются для двух значений осевой силы - N = N^пов и N = N^пон. Печатаются следующие напряжения:

а) общие напряжения в неусиленной оболочке - окружное , осевое  и приведенное ;

б) напряжения в оболочке от изгиба кольца σ_MKO и σ_NK (см. ниже формулы (III.5), (III.6)); для кольца жесткости печатаются σ_MKO = σ_NK = 0;

в) напряжения в оболочке с учетом местных напряжений в сечении 1-1 (в неусиленной оболочке у сопряжения ее с усиленным участком) и сечении 2-2 (в усиленной оболочке у сопряжения ее со стенкой) - печатаются окружные, осевые и приведенные напряжения в наружной и внутренней точках;

при отсутствии усиления сечения 1-1 и 2-2 совпадают;

г) окружные напряжения в кольце, в наружной точке - от общих напряжений в оболочке (первые три члена в формуле (III.11), от изгиба кольца (последние два члена в формуле (III.11), для кольца жесткости равны 0) и суммарные от обоих факторов.

После таблицы напряжений печатаются максимальные по абсолютной величине напряжения:

а) в оболочке приведенное общее;

б) в оболочке приведенное с учетом местных;

в) в кольце.

Максимальные напряжения печатаются с указанием угловой координаты α и осевой силы N, при которых они имеют место, а приведенные с учетом местных напряжений - также с указанием сечения (1-1 или 2-2) и точки (наружной или внутренней), в которой они имеют место.

Если высота кольца в сечении α = α₂ значительно превосходит постоянную высоту кольца вне опорных участков (как это имеет место на рис. 1-а), то напряжения σ_NK, σ_MKO,  в этом сечении могут быть в соответствии с формулами (III.5) - (III.7) уменьшены по сравнению с напряжениями, печатаемыми ЭЦВМ, делением последних на отношение величин F_K, ,  для сечения α = α₂ к тем же величинам для постоянного сечения, характеристики которого печатаются ЭЦВМ. Соответственно уменьшатся суммарные и приведенные напряжения при α = α₂.

Полученные максимальные напряжения, согласно п. 9.9 раздела 9, сравниваются с соответствующими расчетными сопротивлениями R₁, определяемыми по указаниям раздела 5.

2.3. Если расстояние между стенками кольца l₀ больше суммарной длины зон краевого эффекта у внутренней стороны стенок, то кольцо типа 1 рассматривается как два изолированных кольца типа 3 и опорная реакция  делится пополам между ними; при этом печатаются характеристики одного из сечений типа 3. Для кольца типа 2 в этом случае печатается указание: "уменьшить расстояние между стенками до", затем следует суммарная длина зон краевого эффекта в см; для возможности применения программы необходимо уменьшить l₀ до указанной или меньшей величины.

2.4. В системе единиц СИ исходные данные для расчета по программе СК-4 следует корректировать: N^пов, N^пон, , выраженные в МН, надо умножить на 100; остальные величины задаются с размерностями, указанными в п. 2.1.

В результате работы СК-4 исходные данные печатаются в соответствии с заданием после корректировки. Напечатанные значения напряжений для перевода в МПа надо разделить на 10.

3. Для колец без усиления оболочки (рис. 1-г, з, и) расчет может выполняться также без использования ЭЦВМ.

3.1. Расчет опорного кольца производится в следующем порядке:

а) определяется длина оболочки, включаемой в сечение кольца с одной стороны от него:

б) определяется ширина кольца b в месте примыкания его к оболочке -

для одностенчатого кольца b = δ_с;

для двустенчатого кольца при l₁  b = l₀ + 2δ_c;

при l₁  кольцо рассматривается как два изолированных одностенчатых кольца, при этом опорная реакция  делится пополам;

в) определяется площадь F′_K собственного сечения кольца, в которое включается оболочка на длине b;

г) определяется длина присоединенного пояска оболочки:

д) для приведенного сечения кольца, в которое включается оболочка на длине l_об, методами сопротивления материалов определяются: площадь F_K; расстояние у₀ от центра тяжести сечения до срединной поверхности оболочки; расстояние y_max от центральной оси сечения до наиболее удаленного волокна; момент инерции относительно центральной оси J_K; радиус r_K окружности, проходящей через центр тяжести сечения (r_К = r + y₀);

е) определяются углы α₁ и α₂ из условий

ж) по табл. 1 в зависимости от α₁, α₂ и отношения  определяются коэффициенты m_к0, n_к0, m_к2, n_к2, m^*_к, n^*_к и угол α^*, при котором имеет место максимум изгибающего момента в кольце;

з) определяются изгибающий момент M_K и продольная сила N_K в кольце при α = 0, α = α₂ и α = α^*:

 

 

и) определяются напряжения от изгиба кольца при α = 0, α = α₂ и α = α^*:

от продольной силы

в оболочке от изгибающего момента

максимальное в кольце от изгибающего момента

к) при α = 0, α = α₂ и α = α^* определяется

где ,  - соответственно окружное и осевое общие напряжения в оболочке при данном α, определяемые по формулам (9.10), (9.11) раздела 9 ( подставляется: при α = 0 для случая повышения температуры, при α = α₂ для случая понижения температуры, при α = α^* - для обоих случаев);

л) определяются напряжения в оболочке для α = 0 при повышении температуры α = α^* при понижении температуры:

напряжения краевого эффекта

суммарные напряжения

(верхние знаки относятся к наружному волокну, нижние - к внутреннему);

приведенные напряжения и производится проверка прочности оболочки по формуле (9.1) раздела 9;

м) определяются напряжения в кольце для α = α₂ при понижении температуры и α = α^* при повышении температуры:

проверка прочности кольца производится по формуле (9.2) раздела 9.

Таблица 1

Коэффициенты для определения изгибающих моментов и продольных сил в опорных кольцах промежуточных опор

3.2. Расчет на прочность кольца жесткости производится в порядке, указанном в п. 3.1, но подпункты е, ж, з, и исключаются, подпункты к, л выполняются только для α = 0 при повышении температуры, а первая формула (III.9) и формула (III.11) заменяются следующими:

 

Приложение IV

РАСЧЕТ ОПОРНЫХ УСТРОЙСТВ

1. Рекомендации по прочностным расчетам, приведенные в пп. 3, 4, могут быть использованы для всех типов цилиндрических катков; рекомендации, приведенные в последующих пунктах, применимы в основном для элементов опор, конструктивные схемы которых указаны на рис. 1.

Рис. 1. Схемы к расчету опорного катка и плиты

2. Основные обозначения:

Т_о - сила трения между катком и опорной плитой;

P_б - растягивающая нагрузка на анкерные болты;

е_о - ход верхней опорной плиты;

d_K - диаметр катка;

b_кат - ширина катка;

f - приведенный коэффициент трения катка по опорной поверхности;

n₁₁ - коэффициент перегрузки, см. табл. 8 раздела 4;

ϑ_пред - наибольший конструктивно допустимый угол поворота катка;

ϑ^* - угол поворота катка, соответствующий максимуму напряжения в стенке фасонного катка;

с_K - половина ширины площадки контакта катка с опорной поверхностью;

Ш - длина хорды цилиндрической поверхности катка;

Ф - толщина бетонного фундамента промежуточной опоры.

3. Местное смятие стальных опорных катков проверяется по условию

где m₃ = 1,2 - коэффициент условий работы, учитывающий неравномерность распределения давления;

4. Наибольший ход e_o верхней опорной плиты для опоры, ближайшей к температурному или температурно-осадочному компенсатору (см. рис. 1)

где Δt - наибольший расчетный перепад температуры, °С;

l_t - длина отрезка трубопровода от торца анкерной опоры до оси ближайшей к компенсатору промежуточной опоры.

Если на рассматриваемом участке трубопровода имеется осадочный компенсатор, то значение e_o должно быть откорректировано на величину осевых смещений из-за разности осадок опор.

5. Приведенный коэффициент трения стального катка по стальной опорной плите

где d_K имеет размерность см; второй член учитывает возрастание сопротивления перекатыванию из-за перекоса катка.

Сила трения между катком и опорной плитой

6. Нормальные напряжения от сжатия и изгиба в сечении А-А стенки фасонного катка (см. рис. 1)

где F_AA, W_AA - соответственно площадь и момент сопротивления сечения А-А.

Угол поворота ϑ_* определяется зависимостью

Если окажется, что ϑ_* > ϑ_пред., то в формуле (IV.5) должно быть ϑ_* = ϑ_пред..

Из условий недопущения обмятая кромки фасонного катка должно выполняться условие

где c_K - величина, определяемая для стального катка по формуле

7. Напряжения изгиба в середине опорной плиты при условии, что

определяются формулой

где В₁, В₂ - безразмерные коэффициенты, определяемые по графикам рис. 2;

W_пл - момент сопротивления поперечного сечения опорной плиты.

Рис. 2. Графики коэффициентов B₁, B₂, В₃, B₄

Рекомендуется применять бетон под опорной плитой марок 200 или 300.

8. Усилие растяжения в анкерных болтах

где B₁, B₂, В₃, B₄ - безразмерные коэффициенты, определяемые по графикам рис. 2;

 - безразмерный коэффициент.

Если полученная по формуле (IV.11) величина P_б < 0 , то следует положить P_б = 0.

Приложение V

РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ (САЛЬНИКОВЫХ) КОМПЕНСАТОРОВ

1.1. Методики расчета даются для трех типов фланцевых соединений, см. рис. 1 и для двух типов компенсаторов, см. рис. 4, 5.

Рис. 1 Фланцевые соединения

а - с частично неконтактирующими фланцами и уплотнительным шнуром;
б - с контактирующими фланцами и уплотнительным шнуром; в - с плоской
резиновой прокладкой 1 - фланец 1; 2 - болт и гайка; 3 - плоская прокладка;
4 - круглый шнур; 5 - фланец 2

1.2. Методики расчета применимы только в случае отсутствия динамической нагрузки.

1.3. Для стальных элементов фланцев допускается работа как только в упругой области деформирования, так и в упруго-пластической. Пластическая деформация может быть допущена только в случаях, если

а) материалы, из которых изготавливаются элементы фланцевого соединения, не обладают и в процессе изготовления изделий, а также в готовых изделиях при эксплуатационных условиях, не приобретают склонность к хрупкому разрушению;

б) для стали в готовых изделиях (кроме болтов) выдерживается соотношение ;

в) фланцевое соединение не предназначено для эксплуатации в условиях низких температур (не северного исполнения).

1.4. Конструкция фланцевого соединения должна быть симметричной относительно плоскости разъема.

2. Основные обозначения

R_в - внутренний радиус фланца;

R_н - наружный радиус фланца;

R_б - радиус окружности болтов;

R_у - средний радиус окружности уплотнения;

R₀ - радиус срединного слоя оболочки (с учетом конической втулки);

R_m - радиус, см. рис. 1-а;

ζ_ф - размер, см. рис. 1-а;

γ_K - угол наклона образующей конической втулки к оси оболочки;

h₁ - толщина оболочки вне переходной втулки;

h₂ - наибольшая толщина переходной втулки;

h_вп - расчетная толщина переходной втулки;

h_ф (h′_ф) - толщина кольца фланца;

l_K - длина конической переходной втулки;

d_o - диаметр отверстия под болт;

d_б - наружный диаметр болта;

F_б - минимальная площадь сечения болта;

n_б - число болтов;

l_б - расчетная длина болта;

d_y - диаметр уплотнительного шнура;

δ_у - толщина плоской прокладки или уплотнительного кольца сальника;

b_у - ширина плоской прокладки или кольца сальника;

b_K - длина сальникового уплотнения;

μ_p = 0,5 - коэффициент Пуассона для резины;

R₂ - расчетное сопротивление материала фланца (оболочки), определяемое по формуле (5.2) раздела 5;

R^б₂ - расчетное сопротивление материала болтов, определяемое по формуле (5.2) раздела 5;

E_у - условный модуль упругости прокладки;

c - коэффициент перехода, см. пп. 5.6 раздела 5 и 9.11 раздела 9;

f_ком = f_рез - коэффициент трения скольжения резины по стали, см. п. 6.2 настоящего приложения;

 - коэффициент, см. формулу (V.7);

b_пр - приведенная ширина сечения кольца фланца;

f_пр - приведенная площадь сечения кольца фланца (см);

K_z - момент инерции приведенного сечения кольца фланца относительно расчетной оси;

λ_б - податливость болта;

λ_у - податливость прокладки;

λ_ф - податливость фланца;

р - внутреннее давление воды для эксплуатационных режимов, см. формулу (4.1) раздела 4, где нужно учесть только первый член;

N_ф - осевая сила, передающаяся на фланцевое соединение от трубопровода;

N_K - осевая сила в сальниковом компенсаторе;

P⁰_б - начальное усилие затяжки одного болта;

P_б - конечное усилие, действующее на один болт;

P_п - суммарная реакция прокладки;

m - коэффициент условий работы, определяемый согласно пп. 5.8 - 5.10 раздела 5;

[q_p] - допустимое давление на прокладку;

χ′; χ - коэффициенты основной нагрузки болта;

φ_ф - угол поворота сечения кольца фланца;

φ₀ - начальный угол поворота сечения кольца фланца;

m₀ - распределенный по окружности радиуса R₀ момент от взаимодействия оболочки и кольца;

q₀ - распределенная по окружности радиуса R₀ перерезывающая сила от взаимодействия оболочки и кольца;

 - распределенный по окружности радиуса R₀ суммарный момент всех сил, приложенных к кольцу фланца;

 - распределенный радиальный момент в окружном сечении фланца;

m′ - распределенный момент внешних сил, действующих на часть кольца фланца, определяемую окружным сечением с радиусом ;

σ_б - напряжение в болте;

V - радиальный зазор между резиновым уплотнением и оболочкой фланца I в сальниковом компенсаторе при несжатом уплотнении;

n₁₀ - коэффициент перегрузки, см. табл. 8 раздела 4.

3. Расчет фланцевого соединения с уплотнительным шнуром (см. рис. 1-а, 1-б) на стадии упругого деформирования.

3.1. Методика применима, если соблюдается одно из условий:

а)  при любом отношении ;

б)  при любом отношении ,

а для фланцевого соединения по схеме рис. 1-а дополнительно условие

3.2. Вычисляются следующие величины:

где η определяется по рис. 3;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Расчетная схема фланца

Рис. 3. Коэффициент η

3.3. Определение величин m₀, q₀, φ_ф

Вычисления производятся по формулам

 

 

Здесь

для фланца по схеме рис. 1-а

 

для фланца по схеме рис. 1-б

 

3.4. Проверка несущей способности фланца по схеме рис. 1-а.

3.4.1. Если не выполняются соотношения

 

то следует изменить конструктивные размеры фланца, после чего повторить предшествующие вычисления. При выполнении соотношений (V.20) вычисляются величины m′₀, q′₀ и φ′₀ по формулам (V.14), (V.15) и (V.16), но значения C и C₁ случае определяются по формулам (V.19).

3.4.2. Угол поворота радиального сечения кольца фланца

расчетный изгибающий момент от взаимодействия оболочки и кольца фланца

расчетная перерезывающая сила

3.4.3. Напряжения в сечении кольца фланца в точках с радиусом R_b

 

Напряжения в сечении кольца фланца в точках с радиусом R_b + h₂

 

где

Напряжения в оболочке

 

Напряжения должны вычисляться дважды: с учетом верхнего и нижнего знаков в формулах (V.24), (V.26), (V.27), (V.29), (V.30).

Определение наибольших приведенных напряжений и проверка прочности производятся в соответствии с формулой (9.1) раздела 9.

3.4.4. Плотность и жесткость фланцевого соединения обеспечиваются при выполнении условий

 

где - ,  - см. раздел 4.

3.4.5. Напряжения в болтах определяются по формуле

а условие прочности проверяется по формуле (9.2) раздела 9.

3.5. Проверка несущей способности фланца по схеме рис. 1-б

3.5.1. Если не выполняется соотношение

то вычисляются величины

 

 

Производится определение величин m′₀, q'₀, φ_ф по формулам (V.14) ÷ (V.16), где вместо значений A и С используются значения A′ и С′.

В тех случаях, когда условие (V.33) выполняется, дальнейший расчет сразу же производится, начиная с п. 3.5.2, причем, m′₀ = m₀, q'₀ = q₀.

3.5.2. Угол поворота радиального сечения кольца фланца

,

где φ_ф в необходимых случаях откорректировано согласно требованиям п. 3.5.1.

Величины  и q_r определяются по формулам (V.23), (V.24).

3.5.3. Напряжения в кольцах фланца определяются по формулам (V.24) ÷ (V.27), а величина M_R определяется по формуле

где m′ вычисляется по одной из зависимостей:

а) условие (V.33) выполнено

б) условие (V.33) не выполнено

 

Напряжения в оболочке определяются по формулам (V.29), (V.30).

Определение наибольших приведенных напряжений и проверка прочности производятся в соответствии с формулой (9.1) раздела 9.

3.5.4. Плотность фланцевого соединения обеспечивается при выполнении одного из условий:

а) соотношение (V.33) выполнено

б) соотношение (V.33) не выполнено

где ,  - см. раздел 4.

3.5.5. Напряжения в болтах определяются по одной из формул:

а) если соотношение (V.33) выполнено, то по формуле (V.32);

б) если соотношение (V.33) не выполнено, то

где P_б - см. формулу (V.37).

Условие прочности проверяется по формуле (9.2) раздела 9.

4. Расчет фланцевого соединения с плоской резиновой прокладкой (см. рис. 1-в) на стадии упругого деформирования.

4.1. Должны соблюдаться условия п. 3.1.

Давление в трубопроводе не должно превосходить 7 МПа (70 кгс/см²). Размеры резиновой прокладки должны удовлетворять условиям

 

Вычисляются следующие величины

 

Модуль упругости резины Е_р выбирается из таблицы

Податливость прокладки

4.2. Необходимо соблюдение условий

 

 

 

 

Если условие (V.46) не соблюдается, следует увеличить значение  или взять более жесткий материал прокладки.

4.3. Производятся вычисления по формулам (V.1) ÷ (V.13). Определяются величины m₀, q₀, φ₀ по формулам (V.14) ÷ (V.16), где

 

Затем вычисляются величины:

б) A′′ - по формуле (V.34) с заменой j на j′; С′′₁ - по второй формуле (V.19):

Определяются величины m′₀, q′₀,  по формулам (V.14) ÷ (V.16), где вместо величин A, C, C₁ используются величины A′′, C′′, C′′₁.

4.4. Определяются величины

 

При χ < 0,8 следует проверить соотношение (V.46), подставив χ, определенное по формуле (V.55). Если соотношение (V.46) не соблюдается, то следует увеличить значение  или взять более жесткий материал прокладки.

Вычисляются:

 

4.5. Напряжения проверяются в соответствии с указаниями п. 3.4.3, исключая формулу (V.28), которая заменяется на

где величина n_бР_б определяется по формуле (V.56).

4.6. Плотность фланцевого соединения обеспечивается при выполнении:

а) для эксплуатационных режимов - условия (V.46);

б) для режима гидравлического испытания, если осевая сила N_ф больше в 1,25 раза осевой силы при эксплуатационных режимах, то должно соблюдаться условие

где , χ и N_ф соответствуют нагрузке испытательного режима.

5. Расчет фланцевых соединений на стадии пластического деформирования

5.3. Должны соблюдаться условия п. 3.1, а также соотношение

5.4. При уплотнении резиновым шнуром должно выполняться условие

В этом случае

 

При уплотнении плоской резиновой прокладкой должны соблюдаться соотношения (V.41) и (V.45), а также условие

где λ_б определяется по (V.9). В этом случае

где  - определяется по формуле (V.49);

Р_n - определяется по формуле (V.48).

5.5. Для обеспечения прочности соединения должны быть выполнены условия

 

 

Для фланцевого соединения, уплотняемого плоской прокладкой, подчеркнутые члены в формулах (V.66) и (V.67) принимаются равными нулю, а вместо ∙F_б∙n_б, надо подставить . Выражение в квадратных скобках должно быть больше нуля, иначе оно принимается равным нулю.

Если tgγ_K <  (см. рис. 2), то

 

Если tgγ_K ≥ , то W_ф и положение нейтральной оси радиального сечения фланца определяются для сечения фланца вместе с примыкающей переходной втулкой. Тогда W_ф - сумма статических моментов равновеликих площадей, расположенных по обе стороны от нейтральной оси, а ξ - расстояние от нейтральной оси до узкого края переходной втулки.

В формуле (V.67):

 

где h_вп определяется по (V.1);

 

здесь

 

где R₀ определяется по (V.2);

6. Расчет сальниковых компенсаторов

6.1. Должны соблюдаться условия п. 3.1.

Расчет прочности компенсаторов производится только для области упругого деформирования материала фланцев и трубопровода.

6.2. Определяются величины F_у, Е_у по формулам (V.42), (V.43) и проверяется условие (V.45).

Осевое усилие

Коэффициент трения резины:

 

Напряжение в болтах

6.3. Сальниковые компенсаторы типа I (см. рис. 4)

Рис. 4. Сальниковый компенсатор типа I

а - схема компенсатора в сборе; б - фланец 1; в - фланец 2
1. Фланец 1. 2. Фланец 2. 3. Нажимное кольцо

6.3.1. Для расчета фланца I компенсатора производятся вычисления по формулам (V.1) ÷ (V.13) и по первой формуле (V.19), где вместо N_ф надо использовать N_K, затем вычисляется

Дальнейшие вычисления производятся по формулам (V.14) ÷ (V.16), причем, в данном случае определяются m′₀, q′₀, φ′_ф; считая р = 0, по формулам (V.22) ÷ (V.27); по формулам (V.35), (V.36) с заменой N_ф на N_K, далее, считая р ≠ 0, по формулам (V.29) и (V.30).

Определение наибольших приведенных напряжений и проверка прочности производятся в соответствии с формулой (9.1) раздела 9.

6.3.2. Размеры нажимного кольца фланца 2 должны удовлетворять условию:

Определяются величины по формулам (V.l) ÷ (V.8).

Вычисляются коэффициенты:

 

 

 

 

 

Величины φ_l, φ₈, φ_l1 определяются по таблице 3 на стр. 675 справочника "Прочность, устойчивость, колебания". т. 1, изд. "Машиностроение", М.: 1968; аргумент функций равен .

Вычисляются величины m₀, q₀ по формулам (V.14), (V.15).

Определяется

Отрицательный знак , получающийся при расчете по (V.88), свидетельствует о повороте кольца фланца 2 по часовой стрелке для схемы рис. 4.

6.3.3. Напряжения в кольце фланца вычисляются по формулам (V.22) ÷ (V.27), считая р = 0 и

Напряжения на левом конце нажимного кольца:

 

Напряжения на правом конце нажимного кольца

 

Проверка прочности фланца 2 производится по формуле (9.1). При этом в формулах (V.26), (V.27), а также (V.90), (V.91) и (V.92), (V.93) соответственно, члены, имеющие двойной знак, принимаются с одинаковым знаком. Коэффициенты K₀, K₁, K₂, K₃, определяются из таблицы 2 на стр. 670 - 672 упомянутого справочника; аргумент функций равен .

6.4. Сальниковые компенсаторы типа II (см. рис. 5)

Рис. 5. Сальниковый компенсатор типа II

а - схема компенсатора в сборе; б - фланец 1 или 2
1. Фланец 1. 2. Фланец 2. 3. Нажимное кольцо

Приводимый расчет можно применять при n_б ≥ 8.

6.4.1. Для расчета фланцев 1 и 2 производятся вычисления согласно п. 6.2, а также по формулам (V.2), (V.7), (V.8).

Затем вычисляются величины

 

 

 

6.4.2. Для расчета фланца 1 вычисляются коэффициенты A, A₁, B, B₁, C, C₁ по формулам (V.10) ÷ (V.13), (V.19), затем определяются:

 

 

 

Вычисляются m₀, q₀,  по формулам (V.14) ÷ (V.16), в которых вместо A₁, B, B₁, C₁ используются A′₁, B′, B′₁, C′₁.

Напряжения вычисляются по формулам (V.22) ÷ (V.27) с учетом зависимостей

 

далее по формулам (V.29), (V.30).

Определение наибольших приведенных напряжений и проверка прочности производятся в соответствии с формулой (9.1) раздела 9.

6.4.3. Для расчета фланца 2 определяются коэффициенты A, A'₁, B′, B′₁, C, C′₁ по формулам (V.82) ÷ (V.87), (V.98) ÷ (V.100), затем вычисляется

Вычисляются m₀, q₀,  по формулам (V.14), (V.15), (V.89), в которых вместо A₁, B, B₁, C₁ используются A′₁, B′, B′₁, C′₁.

6.4.4. Вычисление напряжений и проверка прочности осуществляются по указаниям п. 6.3.3.

Приложение VI

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ ОСАДОЧНЫХ И ТЕМПЕРАТУРНО-ОСАДОЧНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ

1. Рассматривается вариант конструкции с шаровыми поверхностями скольжения на концах обоих патрубков - см. рис. 1.

Рис. 1. Схемы компенсаторов

а - осадочный компенсатор; б - температурно-осадочный компенсатор
1. Подвижная труба. 2. Шаровой узел уплотнения. 3. Балка.
4. Неподвижный шарнир. 5. Подвижный шарнир

Показаны силы, действующие на подвижную трубу; на рис. 1-б сплошной линией - случай I, пунктиром - случай II.

2. На подвижную трубу осадочного компенсатора при ее повороте действуют следующие силы:

а) собственный вес подвижной трубы G_пт, определяемый по проектным данным с учетом коэффициента перегрузки n_з по п. 3 табл. 7 раздела 4;

б) поперечная составляющая веса воды в подвижной трубе

где r_пт, l_пт - рисунок и длина подвижной трубы;

γ_в, φ - см. п. 1.5 раздела 1;

n₄ - коэффициент перегрузки по табл. 8 раздела 4.

в) силы трения в сальниковых уплотнениях; в верхней и нижней половинах каждого из уплотнений действуют противоположно направленные силы трения с равнодействующей , где А_с определяется по табл. 9 раздела 4; плечо равнодействующей относительно оси трубы

г) силы в шарнирах - в каждом из 4-х шарниров действуют силы:

поперечные -

где верхний и нижний знаки относятся к шарнирам, расположенным на противоположных концах подвижной трубы;

осевые -

где N - осевая сила в поперечном сечении трубопровода, совпадающем с шарниром, определяемая согласно пп. 9.13, 9.14 раздела 9; силы N на двух концах подвижной трубы отличаются на величину

3. При определении сил, действующих на подвижную трубу температурно-осадочного компенсатора, следует рассматривать два расчетных случая.

Случай I - поворот подвижной трубы при отсутствии осевого перемещения в подвижном шарнире. В этом случае силы, действующие на подвижную трубу, определяются по указаниям п. 2, но осевые силы в шарнирах вместо (VI.4) определяются по формулам

где индексы "н" и "п" относятся к неподвижному и подвижному шарнирам.

Случай II - осевое перемещение в подвижном шарнире при отсутствии поворота подвижной трубы. В этом случае на подвижную трубу действуют следующие силы:

а) силы веса по подпунктам а, б п. 2;

б) силы трения в уплотнениях А_с, определяемые по табл. 9 раздела 4 и действующие по оси трубы;

в) силы в шарнирах - в каждом из 4-х шарниров действуют силы:

поперечные -

осевые -

где - n₁₀ коэффициент перегрузки, см. табл. 8 раздела 4;

f_п - коэффициент трения в ползуне подвижного шарнира; знак в формуле для N_шн принимается в зависимости от взаимного расположения подвижного и неподвижного шарниров и направления N_шп.

4. Балки компенсатора рассчитываются на действие сил Q_ш и N_ш, передаваемых от шарниров.

Оси шарниров рассчитываются на действие силы

Элементы сальниковых уплотнений рассчитываются согласно рекомендациям приложения V.

Приложение VII

РАСЧЕТ ОТКРЫТЫХ КОЛЕН

1. Приложение предназначено для расчета открытого (не обетонированного) колена, образованного из одинаковых косо срезанных круговых цилиндрических оболочек (секций) - см. рис. 1.

Рис. 1. Схема конструкции колена

По концам в состав колена включаются отрезки примыкающих к нему прямолинейных участков, равные половине секции. Предполагается, что на колене отсутствуют кольца и оно не входит в состав опоры трубопровода.

Приводятся программы для решения двух задач:

а) определение коэффициента жесткости колена k_ж, необходимого в соответствии с п. 9.14 раздела 9 для расчета методами строительной механики участка трубопровода, включающего колено; коэффициент жесткости определяется на основе нелинейной теории оболочек с учетом влияния внутреннего равномерного давления, препятствующего сплющиванию сечения;

б) определение напряжений в оболочке колена, в том числе местных у стыка секций, вызванных внутренним равномерным давлением, а также заданными силами и моментами, приложенными на концах колена и действующими в его плоскости; напряжения определяются на основе линейной теории оболочек, так что допустимо суммирование напряжений от различных нагрузок.

2. Определение коэффициента жесткости k_ж производится на ЭЦВМ с помощью программы СК-5, включенной в фонд алгоритмов и программ ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Ленинград).

Исходные данные для расчета по программе СК-5 задаются в следующем порядке:

а) количество рассчитываемых вариантов колен n_в;

б) исходные данные 1-го, 2-го, ..., n_в-го вариантов.

В качестве исходных данных каждого варианта задаются 4 числа в следующем порядке:

а) толщина оболочки δ в см;

б) наружный диаметр трубопровода D_н в см;

в) радиус колена (радиус окружности, вписанной в ломаную, образованную осями секций) R₀ в см;

г) внутреннее равномерное давление р в кгс/см²;

в системе СИ исходные данные для расчета по программе СК-5 следует корректировать: р, выраженное в МПа, надо умножить на 10.

Таким образом, всего задается 1 + 4n_в чисел.

3. В результате расчета по программе СК-5 печатаются для каждого варианта следующие величины:

а) номер варианта;

б) исходные данные - 4 числа, перечисленные выше;

в) коэффициент жесткости k_ж.

4. Определение напряжений в оболочке колена от нагрузок, указанных в п. 1, производится с помощью программы СК-6, включенной в фонд алгоритмов и программ ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Ленинград).

Исходные данные для расчета по программе СК-6 задаются в следующем порядке:

а) количество рассчитываемых вариантов колен n_в;

в) исходные данные 1-го, 2-го, ..., n_в-го вариантов.

В качество исходных данных каждого варианта задаются 11 чисел в следующем порядке:

а) толщина оболочки δ в см;

б) наружный диаметр трубопровода D_н в см;

в) радиус колена R₀ в см;

г), д), е) полный угол колена ε в градусах, минутах и секундах (если угол равен целому числу градусов, необходимо задать числа минут и секунд, равные нулю);

ж) число полусекций колена (или удвоенное число стыков секций) n_п;

з) внутреннее равномерное давление р в кгс/см²;

и) продольная сила на одном из концов колена N_л в тс;

к) поперечная сила на том же конце колена Q_л в тс;

л) изгибавший момент на том же конце колена M_л в тс∙м.

Величины N_л, Q_л, M_л задаются с учетом знака (положительные направления показаны на рис. 1; правило знаков не совпадает с п. 1.5 раздела 1).

О задании исходных данных в системе СИ - см. п. 6.

Таким образом, всего задается 1 + 11n_в величин.

Методика расчета, использованная в программе СК-6, может приводить к погрешностям порядка П₁, П₂ и П₃, где

( - угол косого среза полусекций в радианах);

Для применимости методики необходимо также выполнение условия, где

где

относительная длина полусекций.

5. В результате расчета по программе СК-6 печатаются для каждого варианта следующие величины:

а) номер варианта;

б) исходные данные - 11 чисел, перечисленные выше;

в) полученные из условия равновесия силовые величины на другом конце колена: продольная сила N_п в тс, поперечная сила Q_п в тс, изгибающий момент M_п в тс∙м;

г) погрешность метода, то есть наибольшая из величин П₁, П₂ и П₃ в процентах;

д) относительная длина полусекции х^*;

е) таблица напряжений в кгс/см² (см. ниже);

ж) максимальные напряжения в кгс/см² (см. ниже).

В таблице напряжений печатаются напряжения для значений угловой координаты α₀ от 0° с шагом 10° до 180° (угол α₀ отсчитывается от наружной стороны колена - см. рис. 1). Для каждого α₀ печатаются напряжения:

а) от давления р и уравновешивающих его осевых сил N_л = N_п = р∙π∙r² (напряжения не зависят от номера полусекции);

б) от изгиба, то есть от осевых сил N_л′′ = N_л - N_л′, N_п′′ = N_п - N_п′, поперечных сил Q_л, Q_п и изгибающих моментов M_л, M_п - для каждой из n_п полусекций (полусекции нумеруются, начиная от торца колена, на котором заданы N_л, Q_л и M_л);

в) суммарные от обоих факторов - для каждой из n_п полусекций.

Печатаются следующие напряжения:

а) посредине секции (общие) - окружные, осевые, касательные и приведенные, в наружной и внутренней точках;

б) у стыка секций (с учетом местных) - окружные, осевые, касательные и приведенные, в наружной и внутренней точках.

После таблицы напряжений печатаются максимальные приведенные напряжения:

а) посредине секции (общие);

б) у стыка секций (с учетом местных).

Максимальные приведенные напряжения печатаются с указанием угловой координаты α₀, номера полусекции и точки (наружной или внутренней), где они имеют место.

Полученные максимальные приведенные напряжения, согласно п. 9.9 раздела 9, сравниваются с соответствующими расчетными сопротивлениями R₁, определяемыми по указаниям раздела 5.

6. В системе единиц СИ исходные данные для расчета по программе СК-6 следует корректировать:

р - выраженное в МПа, надо умножить на 10;

N_л, Q_л - выраженное в МН, надо умножить на 100;

M_л - выраженное в МН∙м, надо умножить на 100;

остальные величины задаются с размерностями, указанными в п. 4.

В результате работы СК-6 исходные данные печатаются в соответствии с заданием после корректировки. Напечатанные результаты расчета:

N_п, Q_п - для перевода в МН надо разделить на 100;

M_п - для перевода в МН∙м надо разделить на 100;

напряжения - для перевода в МПа разделить на 10.

Приложение VIII

РАСЧЕТ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ КОНИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК

1. Приводится методика определения напряжений вблизи осесимметричного сопряжения двух конических оболочек (в частности, одна из оболочек может быть цилиндрической), загруженных внутренним давлением, и проверки устойчивости сопряжения.

Рассматриваются две конструкции:

а) сопряжение без усиления - см. рис. 1;

б) сопряжение через усиляющее кольцо прямоугольного поперечного сечения - см. рис. 2, рекомендуется только для толщин кольца до 20 мм включительно.

Рис. 1. Схемы сопряжений конических оболочек без усиления

а - сопряжение выпуклостью наружу; б - сопряжение вогнутостью наружу

Рис. 2. Схемы сопряжений конических оболочек через кольцо

а - сопряжение выпуклостью наружу; б - сопряжение вогнутостью наружу;
в - узел сопряжения

Рассматривается только сопряжение, при котором образующие конусов наклонены в одну сторону по отношению к оси (для цилиндрической оболочки угол наклона образующей равен 0). Возможны две схемы сопряжения:

а) выпуклостью наружу - см. рис. 1-а, 2-а;

б) вогнутостью наружу - см. рис. 1-б, 2-б.

2. Обозначения:

γ₁, γ₂ - углы конусности соответственно оболочек I и II;

оболочки нумеруются так, чтобы выполнялось условие γ₁ < γ₂;

r₁, r₂ - радиусы срединной поверхности соответственно оболочек I и II в месте сопряжения;

при отсутствии кольца r₁ = r₂ = r;

при наличии кольца r₁ и r₂ - радиусы в месте примыкания к кольцу - см. рис. 2-в;

δ₁, δ₂ - толщины соответственно оболочек I и II в месте сопряжения;

S^* - минимальная длина оболочки, при которой она рассматривается как длинная;

b, h - размеры прямоугольного сечения кольца - см. рис. 2-в;

ζ, Δ, Δ₀ - см. формулы (VIII.4) - (VIII.6);

р - расчетное давление, определяемое по формуле (4.1) раздела 4;

 - максимальное приведенное напряжение в оболочке;

|σ_к|^max - максимальное напряжение в кольце;

 - коэффициенты в формулах для напряжений.

3. Общие предпосылки.

Определение напряжений производится методами линейной теории упругих тонких оболочек.

Общие (безмоментные) напряжения определяются, исходя из предположения, что осевая сила N в месте сопряжения равна силе A_p - см. табл. 9 раздела 4.

При определении напряжений краевого эффекта предполагается, что оболочки являются длинными, то есть для каждой из оболочек расстояние по оси от места сопряжения до противоположного края должно быть не меньше величины S^*, определяемой по графику на рис. 3.

Рис. 3. Графики для определения величины S^*

4. Сопряжение без усиления.

Максимальное приведенное напряжение в оболочках, сопрягаемых без усиления, определяется по формуле

где коэффициент  определяется по табл. 1 в зависимости от схемы сопряжения и величин γ₁, γ₂,

Таблица 1

Значение коэффициента

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

При пользовании табл. 1 допускается линейное интерполирование по всем параметрам.

5. Сопряжение через усиляющее кольцо (рекомендуется только для толщин кольца до 20 мм включительно).

5.1. Максимальное приведенное напряжение в оболочках, сопрягаемых через кольцо, определяется по формуле

а максимальное по абсолютной величине напряжение в кольце - по формуле

где коэффициенты  и  определяются на ЭЦВМ с помощью программы СК-3, включенной в фонд алгоритмов и программ ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Ленинград).

5.2. Исходными данными для расчета по программе СК-3 являются следующие величины:

а) количество расчетных значений угла γ₁;

б) количество расчетных значений угла γ₂;

в) число принятых значений отношения ;

г) число принятых значений отношения ;

д) число принятых значений отношения ;

е) число принятых значений параметра ζ (см. п. 5.3);

ж) предельная величина отношения ;

з) шаг, с которым будет изменяться отношение ;

и) массив расчетных значений угла γ₁, в градусах с учетом знака по рис. 2;

к) массив расчетных значений угла γ₂, в градусах с учетом знака по рис. 2;

л) массив принятых значений отношения ;

м) массив принятых значений отношения ;

н) массив принятых значений отношения ;

о) массив принятых значений пара метра ζ.

5.3. Параметр ζ имеет вид

где

разность радиусов оболочек в месте примыкания их к кольцу (см. рис. 2-в);

значение этой разности в случае, когда срединные поверхности оболочек пересекаются в средней плоскости кольца. Знак параметра Δ₀ определяется знаками углов γ₁ и γ₂. Данный случай является оптимальным, поэтому рекомендуется проектировать сопряжения с Δ = Δ₀, то есть ζ = 1.

Также рекомендуется проектировать сопряжения с оптимальным отношением  = 1.

5.4. В результате расчета по программе СК-3 ЭЦВМ печатает:

а) строку из трех чисел, которые по порядку являются значениями γ₁ (град.), γ₂ (град.) и ;

б) для каждого сочетания величин γ₁, γ₂, ; - таблицу в каждой строке, в которой 8 чисел в порядке следования являются значениями , , , ζ, , i₁, , i₂.

Индекс i₁ показывает, в какой точке имеет место :

при i₁ = 1 - в наружном волокне I оболочки,

при i₁ = 2 - во внутреннем волокне I оболочки,

при i₁ = 3 - в наружном волокне II оболочки,

при i₁ = 4 - во внутреннем волокне II оболочки.

Индекс i₂ показывает, на какой стороне кольца имеет место :

при i₂ = 1 - со стороны I оболочки,

при i₂ = 2 - со стороны II оболочки.

5.5. В табл. 2 приведены результаты расчета по программе СК-3 для сопряжения цилиндрической (γ₁ = 0) и конической оболочек по схеме рис. 2-а при пересечении срединных поверхностей оболочек в средней плоскости кольца (ζ = 1) при значениях параметров:

γ₂ = 15°, 30°, 45°, 60°;

= 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2;

 = 50, 100, 150, 200, 250;

 = 0,1; 0,15; 0,2; 0,25;

 = 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5.

Таблица 2

Значения коэффициентов ,

Продолжение табл. 2

Продолжение табл. 2

___________

* Брак оригинала.

Продолжение табл. 2

Табл. 2 может использоваться для определения коэффициентов ,  при указанных выше значениях исходных данных.

Допускается линейное интерполирование по всем параметрам.

6. Проверка устойчивости производится только для сопряжения выпуклостью наружу в следующем порядке:

а) определяются ширины включаемых в приведенное сечение присоединенных поясков оболочек I и II -

б) находится центр тяжести приведенного сечения, включающего сечение кольца и присоединенные пояски оболочек (для сопряжения без усиления приведенное сечение состоит только из поясков оболочек); определяются r_K - радиус окружности, проходящей через центр тяжести приведенного сечения, и J_K - момент инерции приведенного сечения относительно центральной оси, параллельной оси оболочек;

в) определяется радиальная распределенная нагрузка

(при r₁ ≠ r₂ принимается );

г) определяется критическая радиальная нагрузка

д) для обеспечения устойчивости сопряжения должно выполняться условие

где m определяется по формуле (5.3) при m₁ = 0,65.

Приложение IX

РАСЧЕТ ЗАГЛУШЕК

1. Приводятся методики расчетов заглушек, используемых при гидравлическом испытании трубопровода и работающих на статическую нагрузку.

2. Основные обозначения:

r, δ, c - см. п. 1.5 раздела 1;

p - расчетное давление при гидравлическом испытании, см. раздел 4, п. 4.6;

δ_з - толщина днища заглушки;

γ_з - угол конусности конической заглушки;

M_з, Q_з - соответственно изгибающий момент и перерезывающая сила - см. рис. 1-д, 2-д;

 - коэффициент.

3. Эллиптическая заглушка - см. рис. 1-а.

Рис. 1. Заглушки

а) - эллиптическая; б) - плоская с двусторонней приваркой;
в) - плоская с односторонней приваркой;
г) - коническая заглушка в анкерной опоре;
д) - плоское днище конической заглушки

Расчетные напряжения определяются формулой

где h_з - высота выпуклой части днища - см. рис. 1-а.

Формула применима при выполнении условий

где d_отв - диаметр неукрепленного отверстия в заглушке.

Условие прочности проверяется по формуле (9.2) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

4. Плоская неукрепленная заглушка - см. рис. 1-б, в.

Расчетные напряжения определяются формулой

где ζ_з - коэффициент, принимающий значения:

а) ζ_з = 0,41 - для заглушки по схеме рис. 1-б (двусторонний шов с полным проваром);

б) ζ_з = 0,41∙(1 - 0,23) - для заглушки по схеме рис. 1-в, причем катет углового шва должен быть не меньше величины δ.

В любом случае должно выполняться условие δ_з ≥ δ.

Условие прочности проверяется по формуле (9.2) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

5. Плоская заглушка, подкрепленная системой перекрестных балок, - см. рис. 2-а.

Рис. 2. Расчетные схемы плоской заглушки с набором

а) - общая схема; б) - схема балки II - II; в) - схема балки VI - VI;
г) - схема ребра жесткости; д) - изгибающий момент M_з и перерезывающая
сила Q_з, показаны положительные направления

5.1. Методика предназначена для расчета плоской заглушки, обшивка которой поддерживается системой перекрестных равноотстоящих балок одинакового сечения, по 3 балки каждого направления (показаны жирным пунктиром на рис. 2-а), а также системой ребер жесткости, параллельных основным балкам, по одному ребру между балками (показаны тонким пунктиром).

Распределение нагрузки между балками принято по площадям равнобедренных треугольников, как показано на рис. 2-а, причем, нагрузка на балку I - I показана горизонтальной штриховкой, а на балку V - V - вертикальной.

Расчетные схемы для балок II - II и VI - VI показаны на рис. 2-б, в.

5.2. Расчетные величины

на середине пролета балки II - II:

на крайней опоре балки II-II:

5.3. Схема для расчета ребер жесткости - см. рис. 2-г

на опоре 1 (3):

 

Ребра жесткости и балки проверяются на прочность по условию (9.2) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

5.4. Местные напряжения в обшивке заглушки определяются для каждой панели, как для квадратной пластины размером , жестко защемленной по четырем сторонам и нагруженной давлением р.

Местные напряжения на серединах защемленных сторон

в центре панели

где σ₁ и σ₂ - напряжения в двух взаимноперпендикулярных направлениях, параллельных подкрепляющим балкам.

Верхний знак соответствует смоченной стороне обшивки.

Суммарные максимальные напряжения в обшивке в обоих направлениях

где М_max берется по формуле (IX.4),

W - момент сопротивления сечения балки вместе с присоединенным пояском обшивки.

Знак перед вторым членом берется таким же, как у первого.

Расчет на прочность производится по формуле (9.1) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

5.5. Местные напряжения в окантовывающем комингсе (оболочке) заглушки определяются в предположении, что край комингса не смещается в радиальном направлении, а поворачивается на угол, равный углу поворота балки II - II на крайней опоре. Положительные направления для величин М_з и Q показаны на рис. 2-д.

Напряжения определяются по формулам

 

где

J - момент инерции сечения балки II - II вместе с присоединенным пояском обшивки.

 

 

Суммарные напряжения

 

Здесь верхний знак относится к наружной стороне оболочки.

Условие прочности проверяется по формуле (9.1) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

5.6. Проверка устойчивости элементов набора производится по СНиП II-В.3-72.

6. Конические заглушки.

6.1. Предусматривается, что сопряжение конических оболочек между собой или сопряжение конической и цилиндрической оболочек может осуществляться через ребро жесткости или без него.

Расстояние по оси заглушки между сопряжениями должно выбираться так, чтобы оболочки относились к типу длинных, что устанавливается по графику рис. 3 приложения VIII.

Расчет прочности сопряжений оболочек осуществляется по указаниям приложения VIII, причем, условие прочности проверяется по формуле (9.1) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

6.2. Сопряжение конической оболочки с плоским днищем - см. рис. 1-д - при действии внутреннего давления.

Величины Q_з, M_з определяются из решения системы уравнений

 

Напряжения в днище в месте сопряжения (общие)

 

Напряжения в центре днища (общие)

Верхний знак относится к несмоченной стороне днища.

Напряжения в конической оболочке в месте сопряжения

 

Суммарные напряжения в конической оболочке с учетом местных определяются на основании последней формулы (IX.13) и (IX.14), где

Условие прочности для днища и конической оболочки проверяется по формуле (9.1) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

7. Коническая заглушка с защемленным контуром в бетоне - см. рис. 1-г.

В месте сопряжения конической оболочки с цилиндрической должно быть установлено ребро, как указано на рис. 1-г.

Напряжения краевого эффекта в конической оболочке

 

Суммарные напряжения в конической оболочке с учетом местных определяются на основании последней формулы (IX.13) и (IX.14),

где

Условие прочности проверяется по формуле (9.1) без учета требования п. 5.11 раздела 5.

Приложение X

РАСЧЕТ ЛАЗОВ

1. Рассматриваются две конструкции лазов: сварная и литая. Конструкция сварного лаза представлена на рис. 1-а, литого - на рис. 1-б. Расчетными элементами конструкций являются элементы, укрепляющие трубопровод: накладка и цилиндрический патрубок для сварной конструкции, патрубок специальной формы для литой конструкции и крышка.

Рис. 1. Схема устройства лаза

а) - сварной конструкции; б) - литой конструкции
1. Патрубок. 2. Крышка. 3. Стопорное устройство

Размеры остальных элементов, в случае отсутствия специфических для какого-либо лаза нагрузок, выбираются конструктивно.

2. Обозначения:

D, δ - см. раздел 1, п. 1.5;

p - давление в месте расположения лаза, определяемое по формуле (4.1) раздела 4;

d_п - внутренний диаметр патрубка;

d_пред - наибольший допустимый внутренний диаметр патрубка;

h_н - толщина накладки сварного лаза;

b_н - ширина накладки сварного лаза;

δ_п - толщина патрубка сварного лаза;

h_п - высота патрубка сварного лаза;

 - конструктивные размеры укрепления лаза литой конструкции;

p - радиус галтели укрепления лаза литой конструкции;

 - площади укрепляющих элементов в диаметральном сечении лаза вдоль образующей трубопровода;

r_кр - радиус опирания крышки (по середине уплотнения);

δ_кр - толщина крышки в центре;

δ′_кр - толщина крышки под пазом для уплотнения;

 - общее окружное напряжение, определяемое по формуле (9.10) раздела 9;

R₁, R₂ - расчетные сопротивления, определяемые соответственно по формулам (5.1) и (5.2) раздела 5. (R₁ - для общих напряжений в оболочке);

 - соотношение для определения d_пред.

3. Если диаметр отверстия превышает наибольший допустимый диаметр неукрепляемого отверстия, определяемый по формуле:

при φ₀ > 0,5

при φ₀ ≤ 0,5

то необходимо или увеличить толщину обечайки трубопровода, или укрепить отверстие.

4. Наибольший допустимый диаметр сварного лаза, у которого

 

 

и литого, площади укрепления которого, определенные согласно формуле (Х.5), равновелики тем же площадям для сварного лаза, укрепленного по (Х.3), определяется по рис. 2, при условии, что материал укрепления равнопрочен материалу обечайки трубопровода.

Рис. 2. График для определения d_п при укреплении по (Х.3)

Если конструктивно необходимый диаметр лаза превышает допускаемый или, наоборот, он меньше допускаемого более, чем на 50 %, то выбор размеров укрепляющих элементов следует производить согласно п. 5.

5. Размеры укрепляющих элементов лазов, проектируемых отличающимися от рекомендуемых в п. 4, выбираются так, чтобы выполнялось следующее условие:

где:

 

 

В (Х.5) для лазов литой конструкции принимается

i = 0,5;

для лазов сварной конструкции

i = 1,0;

p = 0;

h′_п = 0.

При вычислении сечения укрепляющих элементов сварного лаза вводимые в расчет размеры высоты патрубка и ширины накладки принимаются не более

 

 

6. Если материал укрепляющего элемента обладает меньшей прочностью, чем металл обечайки трубопровода, то вычисленная площадь укрепляющего сечения должна быть увеличена пропорционально отношению их расчетных сопротивлении R₂.

7. Крышки лазов обеих конструкций рассчитываются одинаково.

Толщина крышки определяется по формуле:

При этом необходимо соблюдать условия

 

Толщина крышки под пазом для уплотнения и толщина кольцевого упора крышки выбираются такими, чтобы:

 

Здесь  - отношение расчетных сопротивлений материалов крышки и ее кольцевого упора.

Для лазов литой конструкции при выборе δ′_п следует иметь в виду, что этот параметр участвует в условии прочности укрепления (Х.4).

Приложение XI

РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА УСТОЙЧИВОСТЬ

1. Обозначения:

p - внутреннее давление в трубопроводе;

p_н - наружное давление, действующее на трубопровод;

p_v - величина вакуума в трубопроводе, с учетом коэффициента перегрузки;

l_ж - длина неподкрепленного участка трубопровода (при наличии колец жесткости - шаг колец жесткости);

σ_x, σ′_x, σ_z - осевые и окружное общие напряжения в оболочке (верхний индекс (о) и нижний индекс (т) для сокращения записи опускаются);

σ_0x, σ′_0x, σ_0z - напряжения, определяемые по указаниям п.п. 3, 4;

ψ^*, c^* - коэффициенты, определяемые по табл. 1;

E, μ, r, δ, m, δ_T - см. раздел 1, п. 1.5;

R₂ - расчетное сопротивление, определяемое по формуле (5.2) раздела 5;

l_об - ширина присоединенного пояска оболочки, включаемого в приведенное сечение кольца;

 - ширина пояска, с которого "собирается" нагрузка при расчете кольца на растяжение-сжатие;

b - ширина кольца в месте примыкания его к оболочке;

F_K - площадь приведенного сечения кольца;

r_K - радиус окружности, проходящей через центр тяжести приведенного сечения кольца;

J_K - момент инерции приведенного сечения кольца относительно центральной оси;

y_max - расстояние от центральной оси до наиболее удаленной точки в сечении кольца;

 - толщина усиленного участка оболочки вблизи кольца;

s - длина усиленного участка с одной стороны от кольца (см. рис. 1 приложения III);

l₁ - длина, определяемая по формуле (XI.11);

ᴂ, β - величины, определяемые по формулам (XI.12);

a₁₂ - коэффициент, определяемый по рис. 2;

 - критическое наружное давление;

j - величина, определяемая по формуле (XI.14);

f₀ - наибольшая начальная погибь кольца (наибольшее отклонение осевой линии кольца от номинальной окружности);

p_кр - критическое внутреннее давление;

η, L₀, L′₀, L′′₀ - величины, определяемые по указаниям п. 6.1.

2. Открытый трубопровод проверяется на устойчивость от наружного давления воздуха р_н = p_v - см. раздел 4, табл. 7, а также на продольный изгиб, как стержень, при внутреннем давлении.

Если нормативное внешнее давление по п. 7 табл. 7 раздела 4 больше 0,07 МПа (0,7 кгс/см²), то лимитирующим является расчет на основное сочетание, то есть на данное давление, взятое с коэффициентом перегрузки n_в = 1,2 (но не больше p_v = 0,1 МПа (1 кгс/см²) - см. раздел 4, п. 4.13). В противном случае лимитирующим является расчет на особое сочетание, то есть на внешнее давление по табл. 7, п. 12, равное p_v = 0,1 МПа (1 кгс/см²) - см. раздел 4, п. 4.14.

Проверка устойчивости трубопровода от наружного давления включает проверку устойчивости оболочки и при наличии колец жесткости, расположенных с шагом l_ж < 20r - проверку устойчивости колец.

Устойчивость оболочки участков типа I (см. раздел 9, п. 9.12) проверяется без учета осевых напряжений, а для участков типа II предварительно следует определить осевую силу N и изгибающий момент M в опорожненном трубопроводе при наружном давлении р_н и повышении температуры.

3. Проверка устойчивости оболочки участков типа I, а также участков типа II в случае растягивающей осевой силы производится в следующем порядке.

3.1. Определяется окружное напряжение

3.2. Определяется напряжение σ'_0z по формулам:

при  ≥ 20 -

при 10 <  < 20 -

при 0,5 ≤  < 10 -

3.3. Если σ′_0z > 0,5σ_т, то по графику рис. 1 в зависимости от  находится отношение  и по нему - напряжение σ_0z.

Рис. 1. График для определения

Если σ′_0z ≤ 0,5σ_т, то принимается σ_0z = σ′_0z.

3.4. Проверяется устойчивость оболочки по формуле

где m определяется по формуле (5.3) при m₁ = 0,9.

4. Проверка устойчивости оболочки участков типа II в случае сжимающей осевой силы производится в следующем порядке.

4.1. Определяются величины σ_z и σ_0z в соответствии с пп. 3.1 - 3.3.

4.2. По формуле (9.11) определяются наибольшее по абсолютной величине сжимающее напряжение σ_x и напряжение σ′_x в диаметрально противоположной точке сечения.

4.3. Определяется напряжение σ_0x, в качестве которого принимается меньшая из двух величин

или

где коэффициенты ψ^*, с^* находятся по табл. 1.

Таблица 1

4.4. Проверяется устойчивость оболочки по формуле

где m - определяется по формуле (5.3) при m₁ = 1.

5. Проверка устойчивости колец жесткости производится в следующем порядке.

5.1. При отсутствии усиления оболочки под стенкой кольца определяется

затем методами сопротивления материалов определяются характеристики приведенного сечения кольца (включающего поясок оболочки длиной l_об) F_K, J_K, r_K, y_max.

5.2. При наличии усиления оболочки под стенкой кольца:

а) из расчета кольца на прочность с помощью программы СК-4 (см. приложение III) определяются F_K, J_K, r_K, y_max.

б) определяется

где

а коэффициент a₁₂ находится по графику рис. 2 в зависимости от величин

Рис. 2. Графики a₁₂

5.3. Определяется критическое наружное давление

где

5.4. Проверяется несущая способность кольца, для обеспечения которой должны быть выполнены два условия

где m - определяется по формуле (5.3) при m₁ = 0,55;

где m - определяется по формуле (5.3) при m₁ = 0,75, и при отсутствии данных о фактической величине начальной погиби принимается f₀ =0,003r.

6. Проверка устойчивости трубопровода при внутреннем давлении, как стержня на продольный изгиб, производится в следующем порядке.

6.1. Определяется критическое внутреннее давление

где L₀ и η определяются в зависимости от схемы рассматриваемого участка трубопровода:

а) при наличии промежуточных опор с зубом (упором), препятствующим боковому смещению трубопровода, и температурном компенсаторе, расположенном в пролете между опорами с зубом, принимается

где L′₀ - шаг опор с зубом;

L′′₀ - наибольшее расстояние от компенсатора до опоры с зубом;

коэффициент η принимается по табл. 2 в зависимости от отношения ;

Таблица 2

Значения коэффициента η

б) при наличии промежуточных опор с зубом и температурном компенсаторе вблизи анкерной опоры в качестве L₀ принимается длина наибольшего из пролетов между опорами с зубом или между компенсатором и опорой с зубом;

при этом η = 9,87;

в) при отсутствии опор с зубом и расположении температурного компенсатора посредине между анкерными опорами в качестве L₀ принимается расстояние от компенсатора до анкерной опоры;

при этом η = 2,47;

г) при отсутствии опор с зубом и расположении температурного компенсатора вблизи анкерной опоры в качестве L₀ принимается расстояние от компенсатора до удаленной от него анкерной опоры;

при этом η = 20,2.

Величины r, δ в формуле (XI.17) берутся средние по участку длиной L₀.

6.2. Проверяется устойчивость трубопровода по формуле

где р - среднее давление по участку длиной L₀;

m - определяется по формуле (5.3) при m₁ = 0,65.

Приложение XII

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

1. При вычислении гидравлических потерь рекомендуется использовать следующие источники:

а) И.Е. Идельчик "Справочник по гидравлическим сопротивлениям", Госэнергоиздат, М.-Л., 1960; в дальнейшем ссылкам на диаграммы, таблицы и т.д. из указанной книги предпосылается индекс "Ид";

б) Г.И. Кривченко, И.С. Иванов, А.П. Мордасов "Напорные водоводы гидроэлектрических и насосных станций", изд. "Энергия", М, 1969; в дальнейшем ссылкам на материалы из указанной книги предпосылается индекс "Кр".

Примечание. Терминология и некоторые обозначения, используемые в приложении XII, частично сохранены в соответствии с упомянутыми книгами для удобства пользования.

2. Условные обозначения (основные):

F₀ - площадь поперечного сечения трубопровода (м²);

П - периметр поперечного сечения трубопровода (м);

 - гидравлический диаметр (м), для круглого сечения;

D_г = D₀ - номинальному диаметру трубопровода (м);

ΔH_тр - потери на трение или потери по длине (м) для участков постоянного сечения;

ΔH_м - потери местные (м);

ξ_тр - коэффициент сопротивления трения;

λ - коэффициент сопротивления трения единицы относительной длины (длины в один диаметр);

Δ - средняя высота выступов шероховатости стенок (м);

 - относительная шероховатость;

ν - коэффициент кинематической вязкости (м²/с), см. Ид, рис. 1.2.

υ - скорость потока (м) для следующих случаев:

в сечении трубы с постоянным диаметром, во входном сечении диффузора,

в выходном сечении конфузора,

в сечении основного трубопровода разветвления;

 - число Рейнольдса;

l - длина участка трубопровода с постоянным диаметром (м).

3. Для участка трубопровода постоянного сечения при равномерном движении жидкости

В зависимости от режима течения, т.е. величины и значения шероховатости Δ коэффициент λ определяется согласно: Ид, диаграммы 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, таблицы 2-1.

Для технических труб, характеризующихся неравномерной шероховатостью, при переходных режимах (Re = 2,000 ÷ 100,000) значения следует определять согласно: Ид, диаграмма 2-4.

4. Для участков трубопровода, где происходит изменение направления движения потока или сечения трубопровода, гидравлические потери определяются с помощью коэффициента гидравлических потерь в местном сопротивлении ξ, который учитывает суммарные потери, зависящие как от изменения формы потока (расширение, сужение, изменение направления), так и от потерь на трение по длине участка местных потерь. Коэффициент ξ для рассматриваемого элемента определяется формулой

где ξ_м - коэффициент потерь на изменение формы потока;

ξ_тр - коэффициент сопротивления трения рассматриваемого участка.

Суммарные местные потери для всего трубопровода определяются по формуле

где суммирование ведется для всех участков с изменением формы потока.

4.1. Диффузор

D₁, F₁, и υ₁ - соответственно внутренний диаметр (м), площадь (м²) и скорость потока (м/с) выходного сечения;

α - центральный угол расширения (град.);

 - степень расширения.

Оптимальный угол раскрытия

где λ - см. п. 3;

k₁ - определяется по Ид, диаграммы 5-1, 5-6.

Обычно α_опт = 6 - 10°.

Коэффициент ξ_м для расчетов конических или криволинейных диффузоров, переходных участков с круга на прямоугольник и с прямоугольника на круг определяется зависимостью

Коэффициенты ξ_расш, ξ_тр определяются согласно: Ид, диаграммы 5-2, 5-3.

Для диффузора криволинейной формы сразу определяется ξ_м согласно: Ид, диаграмма 5-7.

Характеристики потока и эффективность работы различных форм диффузоров, то есть величины КПД диффузоров, равные η = 1 - ξ_м, показаны на рис. 1.

Рис. 1. Влияние формы диффузора на его эффективность

а) распределение скоростей в выходном сечении;
б) коэффициент Кориолиса α_K1 в выходном сечении;
в) КПД в зависимости от распределения скоростей на входе;
г) КПД диффузоров с круглым сечением;
д) КПД диффузоров разных форм

4.2. Конфузор

D₁; F₁; υ₁ - соответственно внутренний диаметр (м), площадь (м²) и скорость потока (м/с) входного сечения;

α - центральный угол сужения (град.).

Переходные участки от водоприемников к напорным водоводам или от большего сечения к меньшему следует выполнять в виде прямолинейных или криволинейных конфузоров. Оптимально α_опт = 5 - 15°.

Для прямолинейных конфузоров

где ξ′ - определяется согласно: Ид, диаграмма 3-7, а коэффициент ξ_тр определяется согласно: Ид, диаграммы 5-2, 5-3.

Для криволинейных конфузоров

где ξ_тр - определяется согласно: Ид, диаграммы 5-2, 5-3.

4.3. Повороты, колена

Повороты или сопрягающие колена характеризуются углом поворота δ°, относительным радиусом , где R₀ - радиус осевой линии колена.

Для крутоизогнутых колен при  = 0,5 ÷ 1,5, δ° =0° ÷ 180° коэффициент ξ определяется согласно: Ид, диаграмма 6-1, а при определении ξ_тр учитываются: Ид, диаграммы 2-2, 2-3, 2-4, 2-5.

Для колен при  > 1,5, δ° = 0° ÷ 180° коэффициент ξ определяется согласно: Ид, диаграмма 6-2, а при определении ξ_тр учитываются: Ид, диаграммы 2-2, 2-3, 2-4, 2-5.

Для очень крутых колен или наличия отвода с нишей коэффициент ξ определяется согласно: Ид, диаграммы 6-7, 6-9, причем при определении ξ_тр учитываются: Ид, диаграммы 2-2, 2-3, 2-4, 2-5.

Для колена, выполняемого составным из отдельных звеньев с косыми срезами, угол скоса торцевого сечения не должен превышать 5°.

Если колено выполняется сужающимся или расширяющимся, то данные для расчета приведены на рис. 2, 3.

Рис. 2. Колена цилиндрические

а) изменение коэффициента ξ_м для колена круглого или квадратного сечения в зависимости от  и δ°;
б) влияние изменения соотношения сторон прямоугольного сечения на коэффициент ξ_м,
здесь ξ_м - коэффициент сопротивления для круглого сечения

Рис. 3. Колена с переменным сечением

а) оптимальное соотношение радиусов для колен с переменным сечением;
б) потери в коленах с переменным сечением ,
где ξ′_м - коэффициент сопротивления для колена с постоянной площадью

В сужающихся коленах можно обеспечить минимальные потери при безотрывных условиях обтекания границ, даже при δ° > 90°. Однако в этом случае требуется значительное стеснение выходного сечения  = 2.

Рациональные сужающиеся колена при δ° ≤ 45°. Расширяющиеся колена применять не рекомендуется.

При достаточно длинных трубопроводах l ≥ 10D₀ рекомендуется применять цилиндрические колена с R₀ = (2,5 ÷ 3,5)D₀, см. рис. 2-а.

4.4. Фасонные элементы.

Тройник-разветвление, в котором сопрягается три трубы так, что оси двух труб совпадают.

Развилка-разветвление, в котором сопрягаются либо более трех труб, либо три трубы так, что оси никаких труб не совпадают.

α - угол между осями ответвления и основного трубопровода (град.);

β - угол конусности отвода или прохода тройника (развилки) (град.);

D_б, D_п, D₀ - внутренние диаметры бокового отвода, прямого прохода, основного трубопровода разветвления (м);

F_б, F_п, F₀ - площади сечения бокового отвода, прямого прохода и основного трубопровода разветвления (м²);

Q_б, Q_п, Q₀ - расходы через боковой отвод, прямой проход и основной трубопровод разветвления (м³/с);

ΔH_б, ΔH_п - потери напора в боковом отводе и прямом проходе разветвления (м);

ξ_б, ξ_п - соответственно коэффициент сопротивления: бокового отвода тройника, приведенный к скорости в этом отводе, прямого прохода, приведенный к скорости в проходе;

ξ_об, ξ_оп - коэффициенты сопротивления бокового отвода и прямого прохода разветвления, приведенные к скорости в основном трубопроводе;

дополнительным значком i = 1, 2, 3 ... помечается порядковый номер отвода.

Разветвления напорных водоводов исполняются в виде симметричных и несимметричных, плоских и пространственных, цилиндрического или сферического исполнения. По направлению движения жидкости в узле разветвления последние делятся на "вытяжные", работающие на слияние потоков (в основном, для насосных режимов), и на "приточные", работающие на разделение потока (в основном, для турбинных режимов).

4.4.1. Тройники "вытяжного" типа плоские несимметричные. Коэффициенты ξ_об; ξ_оп; ξ_б; ξ_п в случае F_б + F_п > F₀, F_п = F₀ и для различных α определяются по: Ид, диаграммы 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5, 7-6, 7-7, 7-28.

Коэффициенты ξ_об; ξ_оп; ξ_б; ξ_п в случае F_б + F_п = F₀ и для различных α определяются по: Ид, диаграммы 7-8, 7-9, 7-10, 7-11, 7-12.

Коэффициенты ξ_об; ξ_оп; ξ_б; ξ_п тройников улучшенной формы в случае F_б + F_п > F₀; F_п = F₀ и для различных α определяются по: Ид, диаграммы 7-13, 7-14, 7-15.

4.4.2. Тройники "приточного" типа плоские несимметричные. Коэффициенты ξ_об; ξ_оп; ξ_б; ξ_п в случае F_б + F_п > F₀, F_п = F₀ и для различных α определяются по: Ид, диаграммы 7-21, 7-22, 7-23. То же, но при улучшенной форме определяется по: Ид, диаграмма 7-24.

4.4.3. Развилки симметричные, плавные и неплавные, плоские ("вытяжные" или "приточные") - см. Ид, диаграмма 7-30, 7-36.

4.4.4. Развилки симметричные плоские. Коэффициенты сопротивления в случае F_1б = F_2б = F_б, F_п = F₀ и для различных α определяются согласно: Ид, диаграммы 7-31, 7-32, 7-33, 7-34, 7-35.

4.4.5. Тройники несимметричные плоские с коническим боковым отводом. Коэффициент сопротивления ξ_м = ξ_об определяется по: Кр., рис. 13, рис. 15.

При любом значении α = 40° ÷ 90° и любой соотношении расходов  = 0 ÷ 1,0 и диаметров  = 0,525 ÷ 0,725 в указанных пределах ξ_об с изменением утла конусности отвода от 4° до 15° практически не изменяется. Значение ξ_оп с увеличением угла конусности в указанных пределах при цилиндрическом проходе снижается незначительно.

Коэффициент сопротивления ξ_м = ξ_оп при проходе коническом определяется по: Кр, рис. 14, рис. 17.

4.4.6. Два последовательно стоящих несимметричных тройника с коническими боковыми отводами и коническим проходом.

Коэффициенты сопротивления ξ_м = или ξ_1б, или ξ_2б, или ξ_оп определяются по: Кр, рис. 18, рис. 19, рис. 20.

При проектировании плоских несимметричных тройников существенно следующее:

а) при выборе эксплуатационных режимов работы агрегатов, питающихся от тройника, необходимо учитывать, что коэффициент ξ_м зависит не только от геометрической формы тройника, но и от соотношения расходов отдельных отводов;

б) коэффициенты ξ_iб в не зависят от порядкового номера;

г) угол отвода в диапазоне 40° ÷ 90° существенного влияния на работу прохода не оказывает, поэтому график в Кр, рис. 20-г может использоваться и для других α;

д) угол конусности переходного участка отвода в диапазоне 5° ÷ 15° не оказывает существенного влияния на ξ_м.

4.4.7. Развилки симметричные плоские с двумя коническими боковыми отводами. Коэффициенты сопротивления ξ_м = ξ_1б = ξ_2б с учетом влияния внутренней диафрагмы определяются по: Кр, рис. 23, 24. Рекомендации по учету влияния внутренних диафрагм, ребер жесткости на ξ_м приведены в Кр, стр. 43, 45, 46, 47 и на Кр, рис. 25, рис. 26.

4.4.8. Развилки симметричные плоские с тремя коническими боковыми отводами.

Коэффициенты сопротивления ξ_м = или ξ_1б, или ξ_2б, или ξ_оп (с учетом влияния внутренних диафрагм или ребер жесткости определяются по: Кр, рис. 27, рис. 28, рис. 29, рис. 30, рис. 31, рис. 32, рис. 33, рис. 34.

Диафрагмы с толщиной (0,01 ÷ 0,05) и длиной (0,2 ÷ 0,25)D₀, если диафрагма без отверстий, или длиной (0,3 ÷ 0,35)D₀, если диафрагма перфорирована, потери в развилке практически не изменяют. Допустимы углы ответвления α = 35° ÷ 45°.

При проектировании трубопроводов с симметричными развилками кили тройниками за разветвлением могут предусматриваться колена с поворотом на угол δ°. Колена с δ° ≤ 45° и радиусом оси поворота R₀ > 3D₀, практически не приводят к увеличению потерь напора, и их можно не учитывать. Если колено отодвинуто от выходного сечения разветвления на длину, большую (1,5 ÷ 2,0)D_i, то при определении потерь в разветвлении необходимо добавить местные потери на поворот.

4.4.9. Развилки несимметричные плоские.

Коэффициенты сопротивления ξ_м для ответвлений и всего разветвления определяются по рис. 4.

Значения коэффициентов K₁ и K₂ для различных отводов

Коэффициент потерь отвода:

Общий коэффициент потерь тройной развилки:

где K₁ и K₂ экспериментальные коэффициенты:

 

Рис. 4. Потери напора в тройной развилке

5. Рекомендации по гидравлическому расчету узла сопряжения уравнительного резервуара с напорным трубопроводом приводятся в книге Г.И. Кривченко, И.С. Иванов, А.П. Мордасов "Напорные водоводы гидроэлектрических и насосных станций", изд. "Энергия", М, 1969, гл. 7.

6. Нагрузки на внутренние диафрагмы симметричных плоских разветвлений определяются по данным § 5, гл. 4 книги Г.И. Кривченко, И.С. Иванов, А.П. Мордасов "Напорные водоводы гидроэлектрических и насосных станций", изд. "Энергия", М., 1969.

7. Взаимное влияние местных сопротивлений оценить расчетным путем затруднительно, поскольку принцип суммирования потерь в отдельных местных сопротивлениях практически не соблюдается. Взаимное влияние тем более, чем ближе расположены сопротивления и чем больше сопротивления по величине. Из-за взаимного влияния местных сопротивлений возможно как повышение общего сопротивления, так и понижение его. Для расчетной оценки взаимного влияния, для относительно простых схем типа колен рекомендуется пользоваться диаграммой 6-5 в книге И.Е. Идельчик "Справочник по гидравлическим сопротивлениям", Госэнергоиздат, М-Л., 1960.

Для сложных узлов рекомендуется проведение модельных исследований.

Приложение XIII

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ОПОРОЖНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА

1. Трубопровод опорожнения предназначается для выпуска воды из основного трубопровода при остановке агрегатов и ремонте основного трубопровода.

2. Схема к расчету опорожнения трубопровода с постоянным диаметром на всех участках представлена на рис. 1.

Рис. 1 Схема трубопровода

1. Трубопровод опорожнения

3. Рассматриваются три возможных случая опорожнения:

I случай: H₁ > H₂, L₁ ≠ L₂;

II случай: H₁ = H₂, L₁ > L₂;

III случай: H₂ = 0.

В первом случае опоражниваются от воды одновременно два различной длины участка трубопровода.

Обозначения:

H₁ и H₂ - пьезометрические напоры (м);

L₁ и L₂ - общая длина опоражниваемых участков, считая по оси трубопровода (м);

L₃ - общая длина части 1 участка, показанной на рис. 1 (м);

D₀ - внутренний диаметр основного трубопровода (м);

d₀ - внутренний диаметр трубопровода опорожнения (м);

l₀ - длина трубопровода опорожнения (м).

3.1. Случай I.

Время полного опорожнения трубопровода в ceкундах определяется по формуле

где

λ ≈ 0,03 - коэффициент трения для определения потери напора в трубопроводе опорожнения;

 

Начальная скорость при опорожнении может быть определена ориентировочно по формуле:

3.2. Случай II.

Время полного опорожнения трубопровода определяется по формуле:

где с - коэффициент, определяемый по формуле (ХIII.3);

Начальная скорость воды при опорожнении трубопровода ориентировочно определяется по формуле

3.3. Случай III.

Время полного опорожнения трубопровода определяется по формуле

где α - коэффициент, определяемый по формуле (ХIII.2).

4. При неодинаковых диаметрах на отдельных участках трассы диаметр D₀ рекомендуется определять по формуле

где D_0i, l_i - соответственно внутренний диаметр и длина i-го участка с постоянным диаметром.

Приложение XIV

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО НАЗНАЧЕНИЮ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРУБОПРОВОДА НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектирование трубопровода на начальной стадии рекомендуется вести в нижеследующей последовательности.

1. В соответствии с Заданием на проектирование стального трубопровода и требованиями разделов 1 и 2 определяются основные положения по конструкции оболочки, главных узлов и опор трубопровода.

Рекомендуется разработка нескольких вариантов конструкции.

2. Составляется геометрическая схема трубопровода с графиками напоров при эксплуатационном режиме и гидравлическом испытании, а также внешних давлений.

В геометрической схеме длины участков должны быть вычислены с точностью до 1 мм и углы переломов оси с точностью до 1".

Изменение напора по длине трубопровода при отсутствии специальных данных на начальной стадии проектирования может приниматься по линейному закону.

В случае проектирования узла деривации, состоящего из деривационного трубопровода, уравнительного резервуара и турбинного трубопровода, рекомендуется составление общей геометрической схемы, охватывающей все три объекта.

3. В соответствии с требованиями п. 1.3 раздела 1 и раздела 3 назначаются марки материалов и определяются размеры листового проката для изготовления оболочки.

4. Назначаются толщины оболочки δ.

Сначала определяется требуемая минимальная толщина

где  - минимальный расчетный напор по длине трубопровода;

R′₁ - расчетное сопротивление материала, определяемое по формуле (5.1) раздела 5, R^н, с, k, m_к принимаются по указаниям раздела 5, а коэффициент условий работы для предварительных расчетов принимается m = 0,6;

γ_в, D₀ - см. п. 1.5 раздела 1.

При наличии в задании на проектирование специальных требований толщина δ_min увеличивается с учетом запаса на износ - см. раздел 2, п. 2.41.

Полученная величина δ_min округляется до большей из двух величин:

а) ближайшей большей толщины по стандарту на листовой прокат;

б) минимальной допустимой толщины для данного диаметра, определяемой по табл. 1 раздела 2.

Далее δ увеличивается последовательно с минимальными ступенями, определяемыми стандартом на листовой прокат, и для каждой толщины определяется соответствующий ей максимальный расчетный напор по формуле

куда δ подставляется за вычетом запаса на износ, если таковой имеется.

Затем по графику расчетных напоров определяются границы участков, соответствующих каждой толщине. Если график напоров строился по прямой линии, то границы участков определяются по формуле:

где H_в и H_н - расчетные напоры соответственно в верхней и нижней точках прямолинейного участка трубопровода (в точках перелома оси);

H_р - максимальный расчетный напор, соответствующий данной толщине;

L - расстояние между точками перелома оси;

х - расстояние от верхней точки перелома оси до конца участка с данной толщиной.

При назначении толщины оболочки в коленах следует исходить из предварительной оценки уровня напряжений в коленах, которая производится по следующим формулам.

Максимальные напряжения от внутреннего давления р, уравновешенного осевыми силами N = pπr², имеют место у стыка секций при d₀ = π (см. рис. 1 приложения VII) колена в наружном волокне и равны:

 

где ε₀ - угол косого среза (см. рис. 1 приложения VII) в радианах.

Максимальное напряжение от изгиба колена имеет место при α₀ =  в наружном и внутреннем волокнах и равно

где R₀ - радиус колена (см. рис. 1 приложения VII);

M_max - максимальный изгибающий момент по длине колена.

5. Составляются чертежи геометрических схем фасонных элементов (колен, тройников, развилок) с указанием толщины оболочки и разбивкой на обечайки (с учетом ширины используемого листового проката); при проектировании фасонных элементов следует учитывать указания раздела 2 и приложения XII.

6. Приступают к составлению чертежа общего вида трубопровода, который корректируется по мере дальнейшей разработки проекта.

7. Размечается положение по длине трубопровода промежуточных опор и компенсаторов в соответствии с п.п. 2.29 и 2.31 раздела 2 (положение анкерных опор должно определяться заданием на проектирование стального трубопровода).

Длину пролета между промежуточными опорами l рекомендуется принимать постоянной в пределах участка типа I или II (см. п. 9.12 раздела 9) и равной

где R′₁ - то же, что в формуле (XIV.1);

r, δ - см. п. 1.5 раздела 1;

q - поперечная распределенная нагрузка, определяемая по формуле (4.2) раздела 4.

При определении q и в формуле (XIV.7) используются средние значения величин r, δ по участку типа I или II.

При опирании трубопровода на слабые грунты в некоторых случаях необходимо уменьшение пролета l по сравнению с величиной, полученной по формуле (XIV.7), из условия уменьшения опорной реакции, равной

до допустимой величины, определяемой при проектировании строительной части опор.

Крайний пролет у анкерной опоры рекомендуется принимать длиной α = l (о положении условной заделки у анкерной опоры - см. п. 1 приложения I).

Компенсаторы располагаются в соответствии с указаниями раздела 2. Длину условной консоли - расстояние "с" от температурного компенсатора до ближайшей к нему промежуточной опоры рекомендуется назначать с ≈ 0,35l (о положении конца условной консоли - см. п. 1 приложения I).

8. Производится предварительное проектирование стальной части анкерных опор.

9. Выбираются тип и основные размеры опорного устройства промежуточных опор. При выборе диаметра d_к и ширины b_к катка можно ориентироваться на данные табл. 1, где  - реакция опоры, определяемая по формуле (XIV.8).

Таблица 1

Основные размеры опорных катков (для катков из стали с σ_в = 550 МПа (5500 кгс/см²) в готовом изделии)

10. Назначаются основные размеры и поперечные сечения опорных колец промежуточных опор.

Размеры B и H, определяющие положение середин опорных плит кольца (см. рис. 1-а приложения III), рекомендуется принимать:

В = (0,9 ÷ 1,05)r, Н - в зависимости от В и конструкции опорного устройства.

Поперечное сечение опорного кольца рекомендуется, с учетом диаметра трубопровода и величины опорной реакции, принимать по рис. 1-в, г, д, е, ж, з приложения III.

Для сечений по рис. 1-в, г, д приложения III должно выполняться условие l₀ ≥ 0,8l_c.

Рекомендуется, задавшись несколькими вариантами колец, отличающихся размерами B, H и поперечными сечениями, произвести их расчет на ЭЦВМ по программе СК-4 (см. приложение III) с целью выбора оптимального варианта. Для колец без усиления оболочки возможен расчет без использования ЭЦВМ по методике п. 3 приложения III.

11. Назначаются основные конструктивные размеры компенсаторов в соответствии с указаниями разделов 2, 3 и приложений V, VI.

12. Производится разбивка оболочки прямолинейных участков на обечайки в зависимости от ширины используемого листового проката с учетом требования п. 3.2.6 раздела 3.

Границы участков с постоянной толщиной оболочки уточняются, то есть совмещаются с краями обечаек; при этом допускается только увеличение толщин по сравнению с полученными в п. 4.

13. Прорабатываются основные положения по изготовлению и монтажу трубопровода, и производится разбивка трубопровода на звенья (монтажные единицы) с учетом требований п. 2.22 раздела 2 и раздела 3.

14. По длине трубопровода размещаются кольца жесткости. Максимальное допустимое расстояние между кольцами l_ж при предварительном проектировании рекомендуется определять в зависимости от отношения  по графику рис. 1. При  < 66, а также при длине пролета между промежуточными опорами l, меньшей, чем величина l_ж, требуемая по график рис. 1, установка колец жесткости не требуется.

Рис. 1. График для определения требуемого шага колец жесткости
при р_и = 0,1 МПа (1 кгс/см²), m = 0,81;

а - область устойчивости;
б - область неустойчивости

15. Выбираются поперечные сечения колец жесткости, которые рекомендуется принимать по рис. 1-з, и приложения III. Рекомендуется, задавшись несколькими вариантами сечений, произвести проверку колец на прочность по указаниям приложения III и на устойчивость по указаниям приложения XI.

16. По длине трубопровода размещаются лазы, воздушные клапаны, сбросные патрубки, затворы, фланцевые соединения и прочие узлы и определяются их основные конструктивные размеры в соответствии с указаниями раздела 2 и приложений V, X, ХIII.

17. Составляются основные положения по гидравлическому испытанию трубопровода в соответствии с указаниями раздела 10.

18. После выполнения, в соответствии с предыдущими пунктами, предварительного проектирования производится подробный проверочный расчет трубопровода по указаниям раздела 9 и приложений I, III - XI, на основании которого вносятся необходимые изменения в конструкцию и размеры. В соответствии с приложением II составляется сводка сил, действующих на опоры, для проектирования строительной части опор.

Приложение XV

ТАБЛИЦЫ К РАЗДЕЛУ 3

Таблица 1

Физические свойства различных марок стали, применяемых при изготовлении трубопроводов