Расчёты для оборудования под давлением по ТР ТС 032/2013

01

Какие расчёты обязательны

Перечень зависит от вида оборудования, но четыре расчёта присутствуют почти всегда, и ни один из них не заменяется ссылкой на аналогичную конструкцию или на опыт эксплуатации.

02

Исходные данные: главный источник ошибок

Расчёт ведётся по максимально допустимым параметрам, а не по технологическому режиму. Это правило нарушается чаще всего и обесценивает всю расчётную часть: результат получается для условий, в которых оборудование не оценивается.

03

Что входит в расчёт на прочность

• допускаемые напряжения материала при расчётной температуре;
• толщины обечаек, днищ и конических переходов;
• укрепление отверстий под штуцеры, люки и лазы;
• расчёт фланцевых соединений и крепежа;
• расчёт трубных решёток и креплений труб;
• расчёт опор, седловых и лап, с нагрузками от массы и среды;
• нагрузки на штуцеры от присоединённых трубопроводов;
• устойчивость при наружном давлении и вакууме;
• проверка на действие ветровых и сейсмических нагрузок для наружной установки;
• проверка при испытательном давлении, а не только при рабочем.

04

Метод конечных элементов и аттестованное ПО

Современный расчёт на прочность выполняется методом конечных элементов в трёхмерной постановке. Конструкция разбивается на элементы, связанные в узлах, и для каждого решается система уравнений. Принципиальный момент для документа: программное обеспечение должно быть аттестовано, иначе результат воспринимается как справочный.

• расчётная модель строится по рабочему чертежу детали;
• модель образуется тетраэдрическими или гексаэдрическими элементами;
• качество сетки влияет на точность результата;
• в зонах концентрации напряжений сетка сгущается;
• программный комплекс должен иметь аттестационный паспорт;
• аттестация проводится экспертным советом при надзорном органе;
• номер и срок действия паспорта указываются в расчёте.

05

Нормативная база расчёта сосудов

• для сосудов и аппаратов применяется серия стандартов, построенная по частям;
• базовая часть содержит общие требования и определение допускаемых напряжений;
• частные части покрывают отдельные виды расчётов;
• в расчёте указывается обозначение применённого стандарта с годом редакции;
• при импортном оборудовании применяются гармонизированные подходы;
• методика и стандарт указываются в разделе исходных данных.

06

Номинальные допускаемые напряжения

Допускаемое напряжение определяется как минимум из нескольких отношений: предела текучести, временного сопротивления, предела длительной прочности и предела ползучести — каждое делится на свой коэффициент запаса. Итог умножается на поправочный коэффициент, зависящий от вида материала и контроля.

• для рабочих условий учитываются характеристики при расчётной температуре;
• для условий испытания — характеристики при нормальной температуре;
• поправочный коэффициент для стальных отливок без индивидуального неразрушающего контроля снижается;
• для остальных материалов он равен единице;
• характеристики материала берутся из стандарта на марку стали;
• при расчётной температуре они существенно ниже, чем при нормальной.

07

Расчётные состояния: рабочий режим и гидроиспытание

• оценка выполняется минимум для двух расчётных состояний;
• в рабочем режиме давление ниже, но температура выше;
• при гидроиспытании давление выше, но металл холодный и прочнее;
• допускаемые напряжения для этих состояний разные;
• условие прочности проверяется по каждому состоянию отдельно;
• прохождение одного не означает прохождения другого.

08

Критерий оценки: эквивалентные напряжения

• напряжённо-деформированное состояние оценивается по критерию эквивалентных напряжений;
• применяется критерий Мизеса как наиболее распространённый для пластичных материалов;
• условие прочности: эквивалентное напряжение не превышает допускаемого;
• результат представляется картиной распределения напряжений по модели;
• максимальное значение сравнивается с допускаемым по каждому состоянию;
• запас между ними показывает степень нагруженности конструкции.

09

Прибавки к толщине стенки

• расчётные напряжения определяются по номинальной толщине за вычетом прибавок;
• производственная прибавка учитывает предельное минусовое отклонение проката;
• она принимается по соответствующему квалитету;
• эксплуатационная прибавка учитывает коррозию и эрозию за срок службы;
• расчёт по номинальной толщине без вычета прибавок завышает запас;
• это типовое замечание при проверке чужих расчётов.

10

Структура документа расчёта

• документ оформляется по правилам конструкторской документации;
• имеет обозначение, литеру, листы и основную надпись;
• подписи разработчика, проверяющего, нормоконтролёра и утверждающего;
• расчёт входит в комплект технической документации на оборудование;
• он предъявляется органу по сертификации;
• и хранится у изготовителя весь срок службы оборудования.

1. Титульный лист с обозначением документа и изделия.
2. Содержание.
3. Общие сведения: объект, цель расчёта, применённые стандарты.
4. Исходные данные: давление, температура, расчётные состояния, учтённые нагрузки.
5. Физико-механические свойства материалов и допускаемые напряжения.
6. Методика расчёта: программный комплекс, его аттестация, основы метода.
7. Расчёт на статическую прочность с моделью и картинами напряжений.
8. Таблица исходных данных и результатов.
9. Заключение с выводом о выполнении условия прочности.

11

Стоимость и сроки расчёта

• стоимость зависит от сложности геометрии и числа расчётных состояний;
• простой сосуд с одним нагружением считается быстрее;
• аппарат со штуцерами, опорами и переменной геометрией дороже;
• при наличии готовой трёхмерной модели срок сокращается;
• при её отсутствии модель строится по чертежам;
• полный комплект чертежей — условие начала работ.

12

Расчёт на циклические нагрузки

Он нужен там, где давление и температура меняются регулярно: автоклавы, аппараты периодического действия, котлы с переменной нагрузкой, компрессорные ресиверы с частыми пусками. Результат расчёта — назначенный ресурс в циклах, который указывается в паспорте и служит основанием для планового диагностирования.

• перечень расчётных режимов и число циклов по каждому;
• зоны концентрации напряжений: штуцеры, укрепления, узлы крышек, опоры;
• амплитуды напряжений и накопление повреждения;
• влияние термических напряжений при быстром нагреве и охлаждении;
• назначенный ресурс с указанием, при каких условиях он действителен;
• требования к скорости изменения параметров в руководстве по эксплуатации;
• порядок учёта фактической наработки: счётчик циклов или журнал.

13

Расчёт защиты от превышения давления

Формально это отдельный расчёт, практически — продолжение анализа аварийных сценариев. Он определяет требуемую пропускную способность и позволяет проверить, закрывает ли выбранное устройство эту потребность.

1. Перечислить применимые аварийные сценарии для объекта.
2. Выбрать сценарий с максимальным поступающим расходом.
3. Рассчитать этот расход по параметрам источника давления.
4. Определить требуемую пропускную способность с учётом свойств среды.
5. Проверить характеристики выбранного устройства и коэффициент расхода.
6. Проверить потери на подводящей линии и противодавление на линии сброса.
7. Убедиться, что давление при полном сбросе не превысит допустимого предела.
8. Оформить расчёт как часть комплекта на защищаемое оборудование.

14

Кто выполняет расчёты

Регламент не требует, чтобы расчёт делала сторонняя организация: его выполняет изготовитель или проектировщик. Но требования к содержанию строгие, и на практике проблема возникает не с квалификацией, а с полнотой: расчёт есть, но он не покрывает часть элементов или сделан для другой модификации.

15

Что проверяет орган по сертификации

• соответствие исходных данных паспорту, табличке и чертежам;
• полноту: все ли элементы под давлением охвачены расчётом;
• правильность выбора допускаемых напряжений при расчётной температуре;
• учёт прибавки на коррозию и минусовых допусков толщин;
• проверку при испытательном давлении;
• наличие расчёта укрепления отверстий и фланцевых соединений;
• соответствие расчёта фактической геометрии по чертежам;
• наличие расчёта защиты и его увязку с установленным устройством;
• для циклического нагружения — наличие ресурса и его отражение в паспорте;
• подписи, дату и идентификацию модификации изделия в расчёте.

16

Расчёт и обоснование безопасности

Это разные документы с разными задачами. Расчёт отвечает на вопрос, выдержит ли конструкция; обоснование безопасности — что произойдёт при отказах и какие условия применения из этого следуют. Расчёты входят в обоснование как основание для выводов, но не заменяют его.

17

Типоразмерные ряды и распространение результата

Для серийной продукции считать каждый типоразмер отдельно не требуется, но распространение результата нужно обосновать. Обоснование строится на подобии конструкции и на выборе представителей по наиболее тяжёлым условиям.

1. Сгруппировать изделия по конструкции, материалам и способу изготовления.
2. Определить параметры, по которым изделия различаются внутри группы.
3. Выбрать представителей по наиболее тяжёлым сочетаниям параметров.
4. Выполнить полный расчёт для представителей.
5. Показать монотонность: как меняется запас при изменении параметра.
6. Оформить обоснование распространения результата на остальные типоразмеры.
7. Пересматривать обоснование при появлении новых типоразмеров за границами ряда.

18

Когда расчёт нужно пересматривать

• изменение материала элементов под давлением;
• изменение толщин, диаметров или геометрии штуцеров;
• изменение максимально допустимого давления или температуры;
• смена рабочей среды, в том числе на более агрессивную;
• изменение схемы опирания или условий монтажа;
• увеличение производительности источника давления;
• изменение режима работы, увеличивающее число циклов;
• ремонт с заменой элементов под давлением;
• продление срока службы по результатам диагностирования.

19

Типичные ошибки

• расчёт по рабочему, а не по максимально допустимому давлению;
• объём взят полезный вместо полного внутреннего;
• температура взята по среде, а не по расчётной температуре стенки;
• допускаемые напряжения взяты при нормальной температуре;
• не учтён минусовой допуск толщины и утонение после гибки;
• прибавка на коррозию не соответствует среде и сроку службы;
• нет проверки при испытательном давлении;
• не рассчитано укрепление отверстий под штуцеры и люки;
• не рассчитаны нагрузки на штуцеры от трубопроводов;
• расчёт не соответствует текущей версии чертежей;
• часть элементов под давлением осталась вне расчёта;
• для теплообменника рассчитано одно пространство из двух;
• нет расчёта на цикличность при явно переменном режиме;
• расчёт защиты подогнан под уже установленное устройство.

20

Сроки

21

Что подготовить до начала расчётов

1. Максимально допустимое давление по каждому пространству под давлением.
2. Полный внутренний объём или номинальный диаметр.
3. Расчётные температуры стенки, минимальную и максимальную.
4. Наименование среды с классификацией опасности.
5. Марки материалов элементов и сертификаты на них.
6. Чертежи с фактическими толщинами, допусками и геометрией штуцеров.
7. Назначенный срок службы и предполагаемое число циклов нагружения.
8. Параметры источника давления для расчёта защиты.
9. Условия установки: наружная или в помещении, опоры, климатический район.
10. Перечень присоединённых трубопроводов и нагрузок от них.