Законодательная база Российской Федерации

"НОРМЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ СТАЦИОНАРНЫХ КОТЛОВ И ТРУБОПРОВОДОВ ПАРА И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ. РД 10-249-98" (утв. Постановлением Госгортехнадзора РФ от 25.08.1998 N 50) (разделы 10 - 12) (ред. от 13.07.2001)

В разделе приняты следующие обозначения, представленные в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Символ	Название	Единица измерения
1	2	3
A	Ширина котла вдоль главных хребтовых балок	мм
2a, 2b	Расчетные размеры опорной плиты в плане (стороны с размерами 2b всегда опираются на жесткие балки каркаса)	мм
2r	Диаметр отверстия в опорной плите или шайбе	мм
2R	Наружный диаметр шайбы	мм
Qq	Усилие, действующее на подвеску	Н
	Коэффициент прочности сварных соединений
2t	Шаг между отверстиями двух соседних отверстий в опорной плите	мм
2lb	Длина тяги	мм
n_pl	Количество пластин	шт.
n_тп	Количество тарельчатых пружин в комплекте	шт.
f_сд	Прогиб балки от сдвига	мм
2b	Смещение концов тяги	мм
da, d	Наружный и внутренний диаметры тяги	мм
das, ds	Наружный и внутренний диаметры резьбы тяги	мм
Dвт	Внутренний диаметр втулки пружинного блока	мм
l_d	Длина втулки пружинного блока	мм
Mbq	Изгибающий момент, действующий на тягу	Н·мм
Msq	Изгибающий момент в резьбе	Н·мм
Fb	Площадь сечения тяги	мм2
l_b	Момент инерции сечения тяги	мм4
l_s	Момент инерции сечения резьбовой части	мм4
Wb, Wk	Момент сопротивления изгиба и кручения тяги	мм3
L	Расстояние между колоннами каркаса вдоль главных хребтовых балок	мм
sh(kl), ch(kl)	Гиперболический синус и косинус
h	Номинальная высота шайбы	мм
s_pl	Толщина пластины	мм
s_ap	Толщина опорной плиты	мм
s_hp	Наименьшая толщина проушин, сминаемых в одном направлении	мм
l_pl	Длина пластины	мм
e_pl	Ширина пластины	мм
Dh	Диаметр отверстия в щеках (проушинах)	мм
Da	Диаметр валика шарнирного соединения	мм
e_b	Ширина щеки (проушины)	мм
Ebh	Длина отверстия	мм
[o]	Допускаемое напряжение при расчетной температуре	МПа
o1, o2, o3	Главные номинальные напряжения в расчетном сечении детали	МПа
o_eq	Эквивалентное напряжение	МПа
т_к	Напряжение от кручения	МПа
o_ch	Напряжение от смятия	МПа
т_ch	Напряжение от среза	МПа
	Наружный диаметр тарельчатой пружины	мм
	Внутренний диаметр тарельчатой пружины	мм
sn	Толщина стенки тарельчатой пружины	мм
f3	Максимальный прогиб тарельчатой пружины	мм
P3	Максимальное усилие тарельчатой пружины	H
Et	Модуль упругости при расчетной температуре	МПа
P_M, P_Э, Ps	Монтажная, эксплуатационная, сейсмическая нагрузки	Н

10.2.1. Подвески стационарного котла (рис. 10.1) - это несущие элементы, воспринимающие нагрузку от массы котла, временные и особые нагрузки и работающие при высоких температурах.

Рис. 10.1. Подвески стационарного котла

В зависимости от мощности и типа котла (газомазутный или пылеугольный) применяются два варианта крепления подвесок к поверхностям нагрева: за коллектор и за экран. Вариант крепления выбирается конструктором в каждом конкретном случае индивидуально, исходя из сложившейся практики и с учетом конструкторских особенностей. Напряжения в зонах крепления подвесок, возникающие в трубах экранов и коллекторах, следует определять согласно разделу 7 Норм.

10.2.2. Подвеска стационарного котла состоит из следующих основных элементов: тяги и шарнирного соединения (одного или двух - в зависимости от общей длины подвески), состоящего из проушин. Подвески разделяются на "холодные" и "горячие". Тяги "холодных" подвесок представляют собой сплошные прутки, а тяги "горячих" подвесок изготовляются из труб и относятся к обогреваемым элементам.

10.2.3. Для изготовления элементов подвесок следует применять материалы, перечисленные в Правилах устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. Для изготовления элементов подвесок, не работающих под давлением и не примыкающих непосредственно к этим элементам котла, допускается использовать любые материалы.

10.2.4. Основной нагрузкой, действующей на подвеску, является вес. Кроме того, при тепловых перемещениях в процессе эксплуатации в тяге возникает изгибающий момент, достигающий своих максимальных значений на концах тяги.

10.2.5. Количество подвесок по периметру котла определяется максимально допустимыми уровнями напряжений в узлах сопряжения подвески с поверхностями нагрева. Расстояние между подвесками (500-800 мм) должно обеспечивать равномерное распределение весовой нагрузки по периметру котла (при этом следует учитывать работу потолочного перекрытия, возможность перераспределения усилий на подвески в процессе эксплуатации).

В отдельных случаях, когда определяемые поверочным расчетом напряжения в подвесках существенно ниже допускаемых, а уменьшение диаметров тяг нецелесообразно, расстояние между подвесками может быть принято больше 800 мм.

10.2.6. В зависимости от весовой нагрузки, приходящейся на подвеску, следует использовать тарельчатые пружины по ГОСТ 3057 (максимальное восприятие до 71·x 10(4) Н) и винтовые пружины по ГОСТ 13773 (максимальное восприятие до 10(5) Н). Установка тарельчатых пружин может быть последовательной и параллельной.

10.2.7. Для группы подвесок, не связанных с основными поверхностями нагрева (мембранными стенами котла), допускается установка жестких подвесок (без пружинных блоков), если отсутствует перераспределение нагрузок на подвески от прогибов несущих балок.

В группу объединяются связанные с одной поверхностью нагрева (элементом котла) подвески, нагрузки на которые отличаются друг от друга не более чем на 20%.

10.2.8. Расчет на прочность подвесок производится в два этапа:

выбор основных размеров;

расчет на статическую прочность.

Выбор основных размеров элементов подвесок проводится отдельно для каждой группы подвесок на основании полученных расчетных нагрузок. Марка стали элементов должна соответствовать температуре, при которой работает подвеска.

После выбора основных размеров элементов подвесок должен быть произведен расчет на статическую прочность в целях уточнения принятых размеров с учетом всех действующих нагрузок и действительного прогиба балок потолочного перекрытия.

10.2.9. Наружный диаметр тяги выбирается наибольшим из двух расчетных: в сечении с максимальным уровнем напряжений и в сечении с максимальными расчетными температурами. Выбор размеров элементов шарнирного соединения производится с учетом максимальных температур (в "теплом ящике").

Под расчетной температурой металла детали подвески следует понимать температуру, по которой принимается значение допускаемого напряжения.

10.2.10. Проверка прочности газоплотных экранов при неодинаковой прочности мембранных стен котла производится по программе расчета на прочность цельносварных газоплотных конструкций на основании результатов расчета потолочного перекрытия.

10.3.1. Последовательность оценки статической прочности деталей подвесок представлена в табл.10.2.

Таблица 10.2

10.3.2. Средние напряжения растяжения по сечению резьбовой части в тягах подвесок весовых нагрузок должны удовлетворять условию o_eq =< 1,1[o]

Приведенные напряжения, определяемые по суммам составляющих средних напряжений растяжения, изгиба и кручения в резьбовой части подвесок, должны удовлетворять условию o_eq =< 1,5[o] Средние касательные напряжения, вызванные действием срезывающих весовых нагрузок в резьбе тяг и шарниров, а также в сварных швах, должны удовлетворять условию т_sh =< 0,7[o].

10.3.3. Средние напряжения смятия не должны превышать следующих значений:

для подвижных шарниров o_ch =< 1,5[o]

для неподвижных шарниров o_ch =< 2,5[o]

10.3.4. Основным допускаемым напряжением, которое используется для оценки прочности при статическом нагружении, является номинальное допускаемое напряжение [o], значения которого приведены в разделе 2 Норм.

В табл. 10.3 указаны номинальные допускаемые напряжения при расчетном ресурсе 10(5) ч для различных марок стали.

Таблица 10.3

Если в техническом задании на разработку не оговорены другие условия, номинальное допускаемое напряжение согласно разделу 2 Норм принимается исходя из расчетного ресурса 10(5) ч.

10.4.1. Значения коэффициента прочности сварных соединений в зависимости от типа сварного соединения, вида нагрузки, метода и объема контроля сварного соединения приведены в табл. 10.4.

Таблица 10.4

Тип соединения	Вид нагрузки	Схема нагрузки	Метод контроля	Объем контроля	_w.
1	2	3	4	5	6
				100%	1,0
				>= 10%	0,8
Стыковое	Растяжение, изгиб			< 10%	0,7
				100%	1,0
				>= 10%	0,9
	Срез		Визуальный осмотр, УЗД	< 10%	0,8
				100%	0,9
				10%	0,8
Угловое и тавровое (с полным проваром)				10%	0,7
	Растяжение, изгиб, срез			100%	0,8
				>= 10%	0,7
Угловое и тавровое (без полного провара)				< 10%	0,6
			Визуальный осмотр	100%	0,8
				>= 10%	0,7
Нахлесточное				< 10%	0,6

10.4.2. К стыковым сварным соединениям (рис. 10.2) относятся швы, у которых в поперечном сечении отношение диаметра к толщине пластины (или отношение большего диаметра к меньшему) не превышает 3/1. При отношениях, превышающих 3/1, швы считаются угловыми.

Рис.10.2. Варианты сварных соединений:
a, б - стыковые; в, г - угловые

10.4.3. Допускаемое напряжение сварного соединения следует принимать по металлу свариваемых деталей. Если деталь изготовляется из разных марок сталей, то расчет должен производиться по детали с наименьшей расчетной характеристикой прочности.

10.4.4. Для деталей из углеродистой, марганцевой (кремнемарганцевой) и хромомолибденовой стали значения коэффициента прочности, приведенные в табл. 10.4, применимы для всего диапазона расчетных температур стенки и для всех допустимых способов сварки.

10.4.5. Для деталей из хромомолибденовой и высокохромистой стали значения коэффициента прочности, приведенные в табл.10.4, применимы до температур 510 °С. При расчетной температуре выше 510 °С коэффициент прочности определяется как произведение коэффициентов прочности согласно п. 10.4 и разделу 4 Норм.

10.5.1. Для каждой группы подвесок по величине средней расчетной эксплуатационной нагрузки Qq по рис.10.3 в зависимости от величины Qq / (10(3)[o]) и максимального относительного смещения тяги подвески b / lb определяется наружный диаметр тяги. Расчетная длина тяги 2lb включает также длину изгибаемой части пластины соединения подвески с экраном.

Рис.10.3. Номограмма для определения наружного диаметра тяги:
a - тяги малого диаметра; б - тяги большого диаметра

По наружному диаметру тяги принимается диаметр резьбы. В целях уменьшения изгибающего момента в резьбе при проектировании пружинного блока следует стремиться к тому, чтобы разница между внутренним диаметром втулки и диаметром тяги не превышала 5% диаметра тяги.

Если подвески в группе имеют разную длину, выбор диаметров тяги для таких подвесок производится с учетом их длин и реальных нагрузок, воспринимаемых этими подвесками.

10.5.2. Размеры элементов шарнирного соединения принимаются по номограмме (рис. 10.4). В зависимости от величины Qq / (10(3)[o]) определяются: диаметр Da - из условия прочности на срез; толщина средней пластины s_hp - из условия прочности на разрыв и смятие; размеры m1 и m2 - из условия прочности на разрыв и срез.

Рис. 10.4. Номограмма для определения размеров элементов шарнирного соединения

В целях унификации размеров пластин, входящих в шарнирные соединения разных групп подвесок, допускается увеличение или уменьшение размеров m1 и m2 по сравнению с определенными по номограмме (см. рис.10.4) с последующей проверкой расчетом.

10.5.3. Размеры пластин в узле соединения подвески с экраном принимаются в зависимости от конструктивного исполнения (рис.10.5, a, б) по величине Qq / (10(2)n_pl[o]). Максимальное количество пластин не должно превышать n_pl = 6, а толщина пластины не должна превышать 6-8 мм.

Увеличение длины изгибаемой части пластины l_pl (см. рис.10.5) способствует уменьшению напряжений в экранах при температурных расширениях. Длина сварного шва должна находиться в пределах 250-300 мм.

Рис.10.5. Номограмма для определения размеров пластин:
a - односторонняя приварка; б - двухсторонняя приварка;
_____ - s = 6 мм; ---- - s = 8 мм

10.5.4. По ГОСТ 3057 при деформации 0,8f3 в зависимости от максимальной эксплуатационной нагрузки Pэ, умноженной на коэффициент перегрузки 1,2 (при нормальных условиях эксплуатации), выбирается тарельчатая пружина II класса, типа 2-й и 3-й группы (II-2-3).

Если в i-й группе расчетные нагрузки на отдельные подвески различны (за счет крепления к ним элементов котла на разных высотных отметках), пружины для этой группы выбираются по средней расчетной эксплуатационной нагрузке; при этом разность между максимальной и минимальной нагрузками не должна превышать 20% средней.

10.5.5. Количество тарельчатых пружин в комплекте определяется исходя из относительного прогиба балок потолочного перекрытия, равного 1/500, и допускаемой перегрузки подвески на 20% по сравнению со средней расчетной по формуле n_тп = 4f*b / f3, где f*b - максимальная разность просадок пружин для групп подвесок, определяемая по рис.10.6:

для газомазутных котлов (монтажные прогибы) f*b = ;

для пылеугольных котлов (эксплуатационные прогибы) f*b = ;

для пылеугольных котлов в случае выравнивания весовых нагрузок после монтажа

Рис.10.6. Номограмма для определения максимальной разности
просадок пружин: ____ - при нормальных условиях эксплуатации (1/500);
-- -- - при сейсмическом воздействии (1/400)

На рис.10.6 размер A - ширина цельносварного блока при монтаже (при определении ) или ширина экрана (при определении ). Если L > A (L - расстояние между опорами балки потолочного перекрытия), то при расчете следует принимать L = A).

Минимально необходимое количество пружин уточняется на основании фактических прогибов балок потолочного перекрытия при проведении поверочного расчета.

10.5.6. Выбор витых пружин производится по ГОСТ 13769 и ГОСТ 13773, расчет затяжки - по НТД.

10.6.1.1. При расчете на статическую прочность определяются напряжения от всех нагрузок, действующих на подвеску, с учетом коэффициентов прочности сварных соединений. Проверка условий прочности производится последовательно в зависимости от нагружающих факторов в соответствии с п. 10.3.1.

10.6.2.1. С учетом выбранных размеров балок потолочного перекрытия определяются их прогибы от монтажной, эксплуатационной и сейсмической нагрузки. Определение прогибов балок потолочного перекрытия необходимо для установления величины перераспределения нагрузок между подвесками котла.

10.6.2.2. По действительному прогибу хребтовой или межхребтовой балки при расчетной нагрузке (монтажной, эксплуатационной и сейсмической) определяется разность просадок пружин крайних и средних подвесок fnn, при этом коэффициент неравномерности (перегрузки) K вычисляется по формуле

,

где принимается согласно п.10.5.5. При нормальных условиях эксплуатации , при сейсмическом воздействии .

Если при монтаже проводится выравнивание нагрузок на подвески с помощью гидродомкрата, то fn определяется по прогибу балки от разности Рэ - Рм.

При сейсмическом воздействии расчет производится для или в случае выравнивания нагрузок для . Коэффициент неравномерности не должен превышать 1,4.

10.6.2.3. Для наиболее нагруженных подвесок производится проверка прочности с учетом найденного коэффициента неравномерности K.

10.6.3.1. Общие мембранные напряжения от растяжения силой Qq определяются по формуле

,

где - для сплошного круглого сечения;

- для полого круглого сечения (d1 = da(ds));

67 - принимается согласно п.10.4.1 при наличии стыкового шва.

10.6.3.2. Средние напряжения от внутреннего давления в полом круглом сечении (в подвесной трубе) тяги определяются согласно разделу 3 Норм.

10.6.3.3. Максимальный изгибающий момент, действующий на тягу, определяется по формуле

,

где - параметр;

- для сплошного круглого сечения;

- для полого круглого сечения тяги.

Если kl >= 3, то .

10.6.3.4. Общие изгибные напряжения, возникающие от момента Mbq, определяются по формуле

,

где - для сплошного круглого сечения;

- для полого круглого сечения.

10.6.3.5. Изгибающий момент m_sq, воспринимаемый резьбой, зависит от длины втулки l_вт и разницы между внутренним диаметром втулки и диаметром тяги 2s = Dвт - da:

,

где

- для сплошного круглого сечения;

- для полого круглого сечения тяги.

Если полученное значение Msq превосходит значение Mbq, следует принимать Msq = Mbq.

10.6.3.6. Изгибные напряжения, возникающие в резьбе от момента Msq, определяются по формуле

где - для сплошного круглого сечения;

- для полого круглого сечения.

10.6.3.7. Напряжение кручения в резьбе при затяге гайки определяется по формуле

где - для сплошного круглого сечения;

- для полого круглого сечения;

- крутящий момент, действующий на подвеску;

Qq - усилие при затяге гайки;

- коэффициент, зависящий от трения в резьбе; определяется по табл.10.5.

Таблица 10.5

Коэффициент	Качество поверхности
0,10	Чисто обработанные поверхности при наличии смазки
0,13	Чисто обработанные поверхности без смазки и грубо обработанные поверхности при наличии смазки
0,18	Грубо обработанные поверхности без смазки

При использовании гидродомкрата в целях выравнивания нагрузок на подвески Mк = 0. Не допускается затяг гаек тарельчатых пружин под нагрузкой.

10.6.3.8. В соответствии с разделом 5 Норм для расчетных сечений вычисляются три главных нормальных напряжения o1, o2, o3, которые представляют собой алгебраическую сумму действующих в одном направлении напряжений от приложенных к расчетному сечению нагрузок.

10.6.3.9. Проверка условий прочности производится последовательно в соответствии с табл. 10.2 в зависимости от нагружающих факторов и приложенных усилий.

10.6.3.10. Напряжение среза в резьбе определяется по формуле

где hs - высота рабочей части резьбы, мм.

Проверка условия прочности производится согласно п.10.3.1.

10.6.4.1. Напряжение смятия в шарнирах определяется по формуле

Формула справедлива при условии 1,0 =< D_h / Da =< 1,1.

10.6.4.2. Средние касательные напряжения, вызванные действием срезывающих усилий в валике, определяются по формуле

10.6.4.3. Напряжение смятия в шарнирах с овальным отверстием (см. рис. 10.1) определяется по формуле

10.6.4.4. Общие мембранные напряжения в проушине с круглым отверстием от растягивающего усилия определяются по формуле

10.6.4.5. Общие мембранные напряжения в проушине с овальным отверстием от растягивающего усилия определяются по формуле

где E_0h - длина отверстия, мм.

10.6.4.6. Общие мембранные напряжения в проушине с овальным отверстием от растягивающего усилия определяются по формуле

где E_0h - длина отверстия, мм.

10.6.4.7. Проверка условия прочности производится согласно п.10.3.

10.6.5.1. Максимальная локальная нагрузка в пластине (см. рис.10.1) узла соединения подвески с экраном определяется по формуле

Q_L = KQq / n_pl,

где n_pl - число пластин, шт.;

K - коэффициент неравномерности; определяется по табл.10.6.

Таблица 10.6

Рис. 10.7. Типы опорных плит

10.6.5.2. Общие мембранные напряжения в пластине от усилия Q_L определяются по формуле

где Fpl = e_pl s_pl - площадь поперечного сечения пластины, мм ;

- коэффициент прочности, определяемый согласно п.10.4.1 (при наличии стыкового шва).

10.6.5.3. Общие изгибные напряжения в пластине от смещения определяются по формуле

где l_pl - смещение пластины, мм:

10.6.5.4. Проверка условия прочности производится согласно п.10.3.

10.6.6.1. Эквивалентное напряжение в прямоугольной опорной пластине (рис.10.8) с рядом отверстий от усилия Q определяется по формуле, справедливой для любых размеров плиты в плане:

где c* - коэффициент, принимаемый в зависимости от способа опирания плиты и вариантов нагружения по табл.10.7.

Таблица 10.7

Примечания: 1. Для промежуточных значений коэффициенты определяются линейной интерполяцией ближайших значений с округлением до 0,1 в большую сторону.

2. При a < 2 коэффициенты определяются линейной экстраполяцией с округлением до 0,1 в большую сторону.

Рис. 10.8. Варианты нагружения:
a - нагружение по контуру отверстия; б - нагружение по ширине кольца

Для плиты, защемленной по опорным кромкам (тип I на рис. 10.8), c* = c11, если нагрузка распределена по контуру отверстия, и c* = c12, если нагрузка распределена по ширине кольца.

Для плиты, свободно опертой по опорным кромкам (тип I), c* = c21, если нагрузка распределена по контуру отверстия, и c* = c22, если нагрузка распределена по ширине кольца.

Коэффициенты c12 и c22 соответствуют передаче нагрузки через гайку, внутренний диаметр которой равен диаметру отверстия в опорной плите (рис.10.9).

Параметр a определяется как отношение расстояния между опорными кромками к диаметру отверстия:

a = a / r,

где расстояние a принимается равным расстоянию между стенками опорных балок

Параметр определяется как отношение расстояния между центрами отверстий к диаметру отверстий:

= t / r

10.6.6.2. Эквивалентное напряжение в прямоугольной опорной плите с единичным отверстием (см. рис.10.8) от усилия Qq определятся по формуле, справедливой для любых размеров плиты в плане:

где c* - коэффициент, принимаемый в зависимости от способа опирания плиты и варианта нагружения по табл.10.8.

Таблица 10.8

Примечания: 1. Для промежуточных значений коэффициенты определяются линейной интерполяцией ближайших значений с округлением до 0,1 в большую сторону.

2. При a < 2 коэффициенты определяются линейной экстраполяцией с округлением до 0,1 в большую сторону.

Для плиты, у которой две противоположные кромки защемлены, а две другие свободны (тип II), c* = c31, если нагрузка распределена по контуру отверстия, и c* = c32, если нагрузка распределена по ширине кольца.

Для плиты, у которой две противоположные кромки свободно оперты, а две другие свободны (тип II), c* = c41, если нагрузка распределена по контуру отверстия, и c* = c42, если нагрузка распределена по ширине кольца.

Для плиты, защемленной по контуру, при нагрузке, распределений по контуру отверстия (тип III), c* = c51.

Для плиты, свободно опертой по всему контуру, при нагрузке, распределенной по ширине кольца (тип III), c* = c62.

Параметр a определяется как отношение расстояния между опорными кромками к диаметру отверстия:

a = a / r.

Параметр y определяется как отношение длины опорных кромок к диаметру отверстия:

y = b / r.

10.6.6.3. Полученные значения эквивалентного напряжения не должны превышать 1,5[o] согласно п. 10.3.

10.6.7.1. Если радиус приложения нагрузки (радиус линии контакта r_к) не превосходит среднего радиуса шайбы, т.е. r_к =< r + R, то эквивалентное напряжение в конической шайбе от нагрузки при любом угле конусности определяется по формуле

10.6.7.2. Полученное значение эквивалентного напряжения не должно превышать 1,2[o] согласно п.10.3.

10.6.7.3. Напряжения от среза в опорном бурте конической шайбы

,

где r_b - наружный радиус бурта.

10.6.7.4. За счет большой длины зоны контакта сферической и конической шайб напряжения смятия в этой зоне оказываются значительно меньше допускаемых, поэтому проверка на смятие не производится.