ГОСТ 34233.1-2017. Межгосударственный стандарт. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования

4 Общие положения

 

4.1 Расчет на прочность необходимо проводить для всех прогнозируемых состояний сосудов и аппаратов, работающих под давлением, возникающих во время их эксплуатации, испытания, транспортирования, монтажа. При этом следует учитывать все нагрузки и внешние факторы, которые могут оказать влияние на прочность и устойчивость конструкции, а также учитывать вероятность их одновременного воздействия.

В частности, при определении расчетных параметров для каждого элемента сосуда или аппарата необходимо учитывать при условии их наличия следующие нагрузки и факторы:

- внутреннее и/или наружное давление;

- температуры окружающей среды и рабочие температуры;

- разность температур в переходных состояниях или разность коэффициентов линейного расширения;

- нагрузки от массы сосуда и его содержимого в рабочих условиях и условиях испытания;

- нагрузки при транспортировании и монтаже сосуда;

- инерционные нагрузки при движении, остановках и колебаниях элементов сосудов и аппаратов;

- нагрузки от ветровых и сейсмических воздействий;

- реактивные усилия (противодействия), которые передаются от опор, креплений, трубопроводов и т.д.;

- ударные нагрузки от воздействия газожидкостной смеси или иных причин;

- разность температур в переходных состояниях и/или разность коэффициентов линейного расширения;

- нагрузки от стесненности температурных деформаций;

- изменения давления и температуры как в процессе нормальной эксплуатации, так и при возможных нарушениях режима работы;

- ползучесть металла;

- усталость при переменных нагрузках;

- вибрацию;

- резонанс;

- коррозию и эрозию;

- старение металла, охрупчивание под действием среды и другие механизмы деградации материала.

4.2 При проектировании сосудов и аппаратов и выполнении расчетов на прочность необходимо учитывать все возможные предельные состояния, которые могут привести к выходу конструкции из строя и/или потере работоспособности.

4.2.1 К основным предельным состояниям при статическом нагружении, не зависящим от времени эксплуатации, относятся:

а) недопустимая общая пластическая деформация, разрушение, связанное с образованием трещин при значительной общей пластической деформации, пластическая потеря устойчивости, пластическое разрушение из-за чрезмерных местных деформаций;

б) упругая или упругопластическая потеря устойчивости конструкции в целом или ее отдельных частей;

в) значительная упругая или пластическая деформация, приводящая к потере герметичности разъемных соединений или к потере работоспособности конструкции при эксплуатации;

г) хрупкое разрушение.

4.2.2 К основным предельным состояниям при статическом нагружении, зависящим от времени эксплуатации, относятся:

а) разрушение при ползучести, связанное с деградацией свойств материала и исчерпанием запаса длительной прочности;

б) значительная деформация, вызванная ползучестью, приводящая к потере герметичности разъемных соединений или к потере работоспособности конструкции при эксплуатации;

в) потеря устойчивости при ползучести;

г) коррозия и/или эрозия;

д) сероводородное коррозионное растрескивание под напряжением, водородное растрескивание и т.д.

4.2.3 К основным предельным состояниям при повторно-статическом и циклическом нагружениях относятся:

а) накопление местных пластических деформаций при повторно-статическом нагружении, приводящее к образованию трещин при значительном уровне местных пластических деформаций и сравнительно небольшом числе циклов;

б) малоцикловая усталость, приводящая к образованию усталостных трещин при местных упруго-пластических деформациях;

в) усталость, приводящая к образованию усталостных трещин при номинальных упругих деформациях;

г) совместное воздействие усталости и ползучести;

д) усталость, в условиях воздействия сред, вызывающих коррозионное растрескивание под напряжением, сероводородное коррозионное растрескивание и т.д.;

е) прогрессирующая пластическая деформация при циклическом нагружении, приводящая к недопустимым изменениям формы конструкции и потере работоспособности.

4.3 В качестве критерия прочности, позволяющего использовать прочностные характеристики, полученные при одноосном растяжении, для анализа прочности элементов конструкции, находящихся в двух- или трехосном напряженно-деформированном состоянии, в ГОСТ 34233.1 - ГОСТ 34233.11 используется критерий прочности по теории максимальных касательных напряжений, за исключением сосудов из титана и титановых сплавов, для которых используется критерий прочности Мизеса-Хилла. В настоящем стандарте учет этого критерия для трансверсально-изотропных материалов осуществляют корректировкой коэффициентов запаса прочности. Применение этих критериев обязательно в любых расчетах, использующих коэффициенты запаса и допускаемые напряжения по ГОСТ 34233.1.

4.4 Нормы и методы расчета на прочность, приведенные в ГОСТ 34233.1 - ГОСТ 34233.11, учитывают основные виды нагружения и основные, наиболее часто встречающиеся предельные состояния, которые могут привести к выходу конструкции из строя и/или потере работоспособности. При этом при соблюдении требований к материалам, конструкции, изготовлению и контролю, приведенных в ГОСТ 34347 и в соответствующих нормативных документах для сосудов и аппаратов из цветных металлов, исключается возможность хрупкого разрушения [см. перечисление г) 4.2.1].

В ГОСТ 34233.1 - ГОСТ 34233.11 рассматриваются предельные состояния [см. перечисления а), б), в) 4.2.1, перечисления а), г), д) 4.2.2, перечисления а), б) 4.2.3] при действии основных нагрузок и факторов, приведенных в 4.1. Как правило, проведения расчетов в соответствии с ГОСТ 34233.1 - ГОСТ 34233.11 достаточно для подтверждения прочности и плотности сосуда или аппарата. В отдельных случаях необходимо учитывать особенности нагружения и предельные состояния, методики учета которых не приведены в ГОСТ 34233.1 - ГОСТ 34233.11, и выполнять для подтверждения прочности и работоспособности сосудов и аппаратов специальные дополнительные расчеты и/или испытания, выходящие за рамки ГОСТ 34233.1 - ГОСТ 34233.11.

4.5 Для подтверждения прочности, плотности, устойчивости и работоспособности конструкции могут быть использованы:

- расчет по формулам, приведенным в ГОСТ 34233.1 - ГОСТ 34233.11;

- численное моделирование напряженно-деформированного состояния и предельных состояний конструкции;

- подтверждение прочности, плотности и работоспособности конструкции с помощью экспериментальных исследований и испытаний.

Эти методы могут использоваться как по отдельности, так и совместно для получения наиболее надежных результатов.

4.5.1 Расчеты на прочность элементов сосудов и аппаратов в ГОСТ 34233.2, элементов теплообменных аппаратов с плавающей головкой, U-образными трубами и камер секций аппаратов воздушного охлаждения в ГОСТ 34233.7 выполняются по методу предельных нагрузок.

В основу методов расчета узлов врезки штуцеров, приведенных в ГОСТ 34233.3, положены результаты экспериментальных исследований, приближенные расчеты по методу предельных нагрузок и условный упругий расчет напряжений с оценкой по категориям приведенных напряжений.

Условный упругий расчет напряжений используется также для расчета фланцевых соединений - по ГОСТ 34233.4, оценки малоцикловой усталости - по ГОСТ 34233.6, расчета элементов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с неподвижными трубными решетками и компенсатором на кожухе - по ГОСТ 34233.7, расчета элементов аппаратов с рубашками - по ГОСТ 34233.8.

Для расчета элементов сосудов и аппаратов в узлах опирания в ГОСТ 34233.5 в основном используется смешанный метод, при котором напряженно-деформированное состояние рассматриваемых узлов определяется с помощью условного упругого расчета, а оценка проводится по предельному состоянию пластической балки-полоски.

4.5.2 Основным условием применения расчета по методу предельных нагрузок является достаточная пластичность материалов.

Условно материал считается пластичным, если ударная вязкость на образцах KCV более 27 Дж/см², удлинение образца при разрыве превышает 14%, а отношение предела текучести к временному сопротивлению не более 0,8. Если материал не обладает достаточной пластичностью, то допускаемое напряжение определяют на основании специальных исследований или применяют другие методы расчета.

4.5.3 Предельная нагрузка определяется на основе анализа, использующего теорему о нижней границе несущей способности и расчетную схему, предполагающую, что материал является жесткопластическим, зависимость деформация - перемещение относится к теории малых перемещений и при решении уравнений равновесия не учитываются перемещения элементов конструкции под нагрузкой.

4.5.4 Для обеспечения единого подхода и удобства расчета коэффициенты запаса прочности по отношению к предельным нагрузкам отнесены к прочностным характеристикам используемого материала и учитываются при назначении допускаемых напряжений.

4.5.5 При расчете на устойчивость допускаемые нагрузки определяют по нижним критическим напряжениям.

4.5.6 Численное моделирование конструкции проводят, когда конструктивные особенности или особенности нагружения не позволяют рассчитать ее с помощью расчетных формул ГОСТ 34233.2 - ГОСТ 34233.11, когда те или иные параметры конструкции выходят за пределы применения расчетных формул ГОСТ 34233.2 - ГОСТ 34233.11 или в ГОСТ 34233.2 - ГОСТ 34233.11 содержатся прямые указания на возможность выполнения альтернативного расчета численными методами, при этом следует руководствоваться дополнительными требованиями, содержащимися в ГОСТ 34233.2 - ГОСТ 34233.11.

4.5.7 Численное моделирование конструкции может осуществляться с использованием следующих моделей поведения материала: условно упругого и упругопластического.

4.5.7.1 Условный упругий расчет проводят с оценкой по категориям напряжений.

Критерии оценки результатов условного упругого расчета приведены в 8.10.

4.5.7.2 Упругопластический расчет проводят с учетом физической и в случае необходимости геометрической нелинейности. Этот метод позволяет получить более точную оценку прочности, устойчивости и работоспособности конструкции, но существенно сложнее условного упругого расчета.

4.5.8 Допускается также при анализе конструкций, отсутствующих в ГОСТ 34233.2 - ГОСТ 34233.11 или выходящих за пределы применения расчетных формул ГОСТ 34233.2 - ГОСТ 34233.11, использовать методы и подходы, аналогичные используемым в соответствующих стандартах и перечисленные в 4.5.1.