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 рассмотрены основные требования к контролю вибропрочности для трубопроводов и оборудования, подвергающихся вибрационному нагружению при установившейся и неустановившейся вибрации. Приведены критерии для оценки допустимого уровня вибрации и рекомендации по снижению вибрации (при необходимости).

Расчет на вибропрочность и контроль вибропрочности проводятся применительно к элементам конструкций энергооборудования и трубопроводов, подвергающихся вибрационному нагружению.

Установившаяся вибрация. Повторяющаяся вибрация, которая имеет место за относительно длительный период времени в течение нормальной эксплуатации.

Неустановившаяся вибрация. Вибрация, которая имеет место в относительно короткий период времени.

Примеры источников неустановившейся вибрации: запуск и выключение насосов, быстрое открытие и закрытие клапанов, срабатывание предохранительных клапанов.

При контроле на вибропрочность оборудование и трубопроводы разделяются на группы.

Группа 1. Трубопроводы I и II категории в соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов горячей воды и пара (далее Правила); основные элементы котла и трубопроводы в пределах котла, влияющие на выработку пара.

Группа 2. Трубопроводы с двухфазной средой.

Группа 3. Трубопроводы III и IV категории в соответствии с Правилами; второстепенные элементы котла.

Проводится для оборудования, относящегося к 1 группе, и заключается в определении собственных частот для проверки отстройки их от частот детерминированного возбуждения.

В качестве детерминированных частот возбуждения рекомендуется принимать основные частоты вращающихся механизмов, частоту электромагнитных сил и частоту гидродинамических сил, связанную с образованием вихрей. Условия отстройки собственных частот для первых трех форм колебаний в каждой плоскости записываются в виде

где fi - низшая собственная частота колебаний ( 1, 2, 3);

f - частота возбуждения.

12.3.2.1. Визуальный метод

Применим для оборудования и трубопроводов, относящихся к группе 2 и 3.

Цель данного метода - определение максимальных амплитуд и мест возможных соударений. Место или места наибольших отклонений могут быть установлены визуально. Амплитуда виброперемещений может быть установлена с помощью простых измерительных устройств.

Если выявлен приемлемый уровень вибрации, никаких дальнейших измерений или оценок не требуется. Наблюдатель должен нести ответственность за собственную оценку того, является ли данный уровень вибрации приемлемым.

Основанием для подобного решения может быть только оценка всех следующих факторов с точки зрения их влияния на напряжения в трубопроводе:

амплитуда вибрации и ее месторасположение;

близость к "чувствительному оборудованию";

режим работы присоединенных ветвей трубопровода;

характеристики опор ближайших компонентов.

Любые особенности работы системы должны быть учтены при оценке.

Если невозможно дать приемлемую оценку отклонениям по результатам наблюдений, необходимо прибегнуть к измерениям (в соответствии с п. 12.3.2.2).

Для исключения возможных соударений произвольных элементов, расположенных с зазором , должно быть выполнено условие

|A1| + |A2| < ,

где A1, A2 - амплитуды виброперемещений соответствующих элементов.

12.3.2.2. Инструментальные методы

Применимы для всех групп оборудования. Контроль проводится на основании замеров параметров вибрации в процессе работы оборудования.

С помощью соответствующей аппаратуры замеряются значения перемещений или виброскоростей в характерных точках.

12.3.2.2.1. Метод перемещений

Предельные вибрационные отклонения трубопроводной системы зависят от большого числа предположений относительно геометрических характеристик системы и свойств материала со многими комбинациями переменных. Необходимо разбивать трубопроводные системы на более мелкие подсистемы, которые могут быть физически определены и смоделированы. Консервативная оценка приемлемости измеренных вибрационных отклонений может быть проведена путем их сравнения с допускаемыми предельными отклонениями, вычисленными для подсистем.

Измерения производятся по длине трубопровода для определения точек с максимальными отклонениями и для установления узловых точек с минимальным отклонением. Узловые точки определяют длины пролетов (границы подсистем). Узловые точки (точки с нулевыми отклонениями) обычно совпадают с точками закрепления, но на длинных участках трубопровода могут располагаться между опорами.

Предельные отклонения для характерных участков трубопроводов (подсистем) могут быть определены по формуле

где [o_a] - допускаемая амплитуда напряжений, определенная по расчетным кривым малоцикловой усталости и равная минимальному значению при максимальном числе циклов;

i - коэффициент интенсификации или коэффициент местных напряжений;

E - модуль упругости материала с учетом температуры;

L - длина характерного участка;

D_0 - наружный диаметр трубы;

K - коэффициент конфигурации (таблица).

Разбиение трубопровода на соответствующие элементы (подсистемы), которые необходимы для определения допускаемых отклонений, рекомендуется проводить на основании результатов измерений перемещений.

Элементы трубопроводов более широко можно разделить на две категории по признаку их закрепления: 1) один конец закреплен, другой свободен; 2) оба конца закреплены. Эти категории затем подразделяются на более мелкие, основанные на различных комбинациях одиночных пролетов и двух пролетов, соединенных под 90°. Отклонения измеряются в плоскости колена и из плоскости колена. Предполагается, что вращательные связи в точках закрепления зафиксированы для более консервативного определения допускаемого предела отклонений. Перечень основных типов подсистем трубопровода приведен выше.

12.3.2.2.2. Метод скоростей

Метод требует консервативного измерения скоростей в различных точках трубопроводной системы для определения точки с максимальной виброскоростью. Когда местоположение этих точек установлено, в них производятся окончательные измерения максимальных скоростей v_max, и затем они сравниваются с пиковыми значениями виброскорости [v]. Критерий v_max =< [v].

При значениях [v] до 15 мм/с не требуется проверки вибропрочности.

При значениях [v] =15-25 мм/с требуется расчетная проверка на основании подробных измерений (с определением спектров виброскоростей).

При значениях [v] свыше 25 мм/с принимаются меры для снижения вибрации.

Величину [v] также можно определить аналитически, разделив значение [] на частоту собственных колебаний подсистемы.

12.3.2.2.3. Расчет на циклическую прочность с учетом вибронапряжений

Расчет на циклическую прочность с учетом высокочастотного нагружения проводится в тех случаях, когда низкочастотные циклические напряжения, связанные с пуском, остановкой, изменением мощности, срабатыванием аварийной защиты или с другими режимами, сопровождаются наложением высокочастотных напряжений, вызванных, например, вибрацией или пульсацией температур при перемешивании потоков теплоносителя с различной температурой.

Исходные данные о высокочастотном нагружении получаются при анализе результатов измерений при эксплуатации элемента конструкции или их расчетом.

Условие прочности при наличии различных циклических нагрузок проверяется по формуле

где Ni - число циклов i-го типа за время эксплуатации;

k - общее число типов циклов;

(N_0)i - допускаемое число циклов i -го типа;

a - накопленное усталостное повреждение, предельное значение которого (a_N) = 1.

В общем случае

a = a1 + a2 + a3 < [a_N],

где a1 - повреждение от эксплуатационных циклов нагружения, на которые не наложены высокочастотные напряжения;

a2 - повреждения от высокочастотных напряжений при постоянных эксплуатационных напряжениях (стационарные режимы);

a3 - сумма повреждений от высокочастотных напряжений в течение циклов переменных напряжений на переходных эксплуатационных режимах a*3 и при прохождении резонансных частот a**3 в тех же циклах.

При расчете повреждения a2 в случае узкополостного спектра используются максимальная среднеквадратическая амплитуда высокочастотных местных напряжений и соответствующая ей частота.

При широкополостном спектре значение a2 определяется как сумма повреждений для тех амплитуд местных напряжений и соответствующих им частот, которые вызывают повреждения более 10% максимального повреждения на одном из сочетаний амплитуды - частоты из всего спектра. Асимметрия цикла определяется с учетом среднего напряжения, принимаемого равным постоянному местному напряжению от механических и тепловых нагрузок с включением остаточных напряжений растяжения.

Повреждение a*3 определяется с учетом максимальных амплитуд высокочастотных напряжений без учета концентрации и соответствующих им частот для каждого типа цикла переменного напряжения на переходных режимах.

Повреждение a**3 определяется с учетом максимальной амплитуды высокочастотного напряжения при прохождении резонанса. Число циклов определяется с учетом времени эксплуатации в условиях резонанса. Асимметрия цикла высокочастотного нагружения определяется местным напряжением от механических и тепловых нагрузок при эксплуатации с учетом остаточных напряжений растяжения для середины интервала времени, соответствующего резонансу.

12.3.2.3. Экспериментально-расчетный метод

Основной задачей этой проверки является получение точной оценки вибронапряжений в трубопроводной системе исходя из измеренного вибрационного поведения.

12.3.2.3.1. Метод ответа по формам

Этот метод требует, чтобы перемещения по формам и собственные частоты системы были определены из экспериментальных данных. Метод также требует, чтобы был выполнен расчет на собственные значения, результатами которого являются аналитически определенные собственные частоты и формы, а также вектор модальных напряжений (напряжения в каждой точке по каждой форме) или изгибающих моментов, соответствующих собственным векторам. Полученные аналитически и измеренные собственные частоты и формы трубопроводной системы сопоставляются и затем с помощью вектора модальных напряжений определяются истинные напряжения в трубопроводе.

Для определения собственных частот и модальных перемещений система должна быть оснащена большим количеством датчиков, которые могут измерять скорость, перемещение или ускорение. Места установки датчиков должны выбираться как можно ближе к точкам, включенным в расчетную модель системы.

Запись измерений должна быть продолжительной.

Обработка данных при установившейся вибрации должна сводиться к получению амплитуды перемещений по каждой доминирующей форме системы.

Измеренные модальные перемещения и сопоставленные с ними аналитические должны использоваться для получения точной оценки вибронапряжений (или моментов) в трубопроводной системе. Полученные напряжения не должны превышать допускаемых значений [o_a].

12.3.2.3.2. Метод измерения напряжений

Для прямого измерения напряжений при установившейся и неустановившейся вибрации можно использовать тензодатчики.

Трубопроводная система должна быть оснащена достаточно большим количеством тензодатчиков в районе точек, где появление максимальных напряжений наиболее вероятно. Тензодатчики должны располагаться как можно ближе к местам концентрации напряжений.

Экспериментально полученные напряжения не должны превышать допускаемых значений.

Если вибрация трубопровода превышает уровень, при дальнейшей оценке рекомендуется выяснить, надо ли предпринять меры для снижения вибрации. Возможные корректирующие действия включают идентификацию и снижение или устранение вызывающей вибрацию нагрузки, отстройку от резонансных частот посредством модификации, изменения в режиме эксплуатации для устранения причин вибрации или установку демпфирующих устройств.

После проведения мероприятий по снижению вибрации необходимы повторные измерения для определения эффективности проведенных мероприятий.

Если для снижения вибрации требуется введение дополнительных связей или модификация системы, то при необходимости расчет трубопроводной системы должен быть повторен с учетом этих изменений.