ГОСГОРТЕХНАДЗОР РОССИИ

НОРМЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ
СТАЦИОНАРНЫХ КОТЛОВ
И ТРУБОПРОВОДОВ ПАРА И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ

РД 10-249-98

Москва

1999

НОРМЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ СТАЦИОНАРНЫХ КОТЛОВ И ТРУБОПРОВОДОВ ПАРА И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ

Редакционная коллегия:

В.С. Котельников, Н.А. Хапонен, А.А. Шельпяков (Госгортехнадзор России)

Ю.К. Петреня, Е.Э. Гильде, А.В. Судаков, А.А. Чижик, И.А. Данюшевский, П.В. Белов, А.М. Рейнов (АООТ НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова)

Н.А. Махутов, А.Н. Романов, Ю.X. Хуршудов, Л.Е. Ильинская, (Институт машиноведения им. акад. А.А. Благонравова)

Настоящее издание «Норм расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» подготовлено АООТ "НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова"

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Настоящие "Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды" распространяются на паровые котлы и паропроводы с рабочим давлением более 0,07 МПа и на водогрейные котлы и трубопроводы горячей воды с температурой свыше 115°С:

на котлы с топкой, котлы-утилизаторы, энерготехнологические котлы и др.;

на встроенные и автономные пароперегреватели и экономайзеры;

на трубопроводы пара и горячей воды в пределах котла, включая опускные трубы, соединительные трубы и стояки;

на трубопроводы пара и горячей воды любого назначения;

на сосуды, подключенные к тракту котла (пароохладители, сепараторы и др.).

Допускается применение Норм при расчете сосудов энергомашиностроения и корпусов арматуры тепловых электростанций и других установок.

Нормы не распространяются на котлы, трубопроводы, встроенные и автономные пароперегреватели и экономайзеры, устанавливаемые на морских и речных судах и на других плавучих средствах или объектах подводного применения, а также на подвижном составе железнодорожного, автомобильного и гусеничного транспорта, и на котлы с электрическим обогревом.

Нормы должны применяться совместно с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» (ПГК-93), «Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» (ПГТ-94) и «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением" (ПБ-10-115-96).

Для котлов и трубопроводов, находящихся в эксплуатации, в процессе монтажа или изготовления или оконченных проектированием до введения настоящих Норм, переоформление расчетов на прочность в соответствии с новыми нормами не требуется.

Все изменения и дополнения вносятся в "Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды" по согласованию с разработчиком Норм.

1.1. Основные условные обозначения

1.1.1. В формулах приняты следующие обозначения, представленные в таблице 1.1.

Таблица 1.1

1.2. Область применения

1.2.1. Приведенные в Нормах методы расчета на прочность применимы при соблюдении следующих условий:

конструкция, материалы, изготовление, контроль, монтаж и ремонт котла, трубопровода и их деталей, работающих под давлением, удовлетворяют соответствующим требованиям Правил (ПГК-93, ПГТ-94, ПБ-10-115-96);

эксплуатация котла и трубопровода удовлетворяет требованиям не ниже требований правил технической эксплуатации, согласованных с Госгортехнадзором России (далее по тексту Госгортехнадзором), например «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей»;

при монтаже, эксплуатации и ремонте обеспечено выполнение инструкций и указаний предприятия-изготовителя.

1.2.2. При расчете деталей, конструкция которых, способы изготовления и условия эксплуатации отличаются от общепринятых, установленных соответствующими Правилами, необходимо вводить коррективы, учитывающие особенности изготовления и эксплуатации. Для деталей, подверженных частым сменам нагрузки или колебаниям температуры, должны выполняться поверочные расчеты на малоцикловую усталость.

1.2.3. Прочность деталей, методы расчета которых в Нормах не приводятся, должна быть подтверждена изготовителем в результате проведения испытаний моделей или образцов либо расчетами на прочность, согласованными со специализированными научно-исследовательскими организациями. При этом должно быть обеспечено соблюдение запасов прочности не менее установленных настоящими Нормами.

1.2.4. Методика расчетов на прочность, приведенная в Нормах, предусматривает выполнение расчетов в прямом и обратном порядке. При прямом порядке расчетов определяется номинальная или допустимая толщина стенки по заданному или принятому расчетному давлению, при обратном порядке расчета определяется величина допустимого давления по фактической или номинальной толщине стенки. Обратный порядок расчета может быть назван контрольным расчетом. Выбор порядка расчета должен производиться организацией, выполняющей расчет.

В Нормах не приводятся последовательность и методика поверочного расчета, основной задачей которого является обоснование расчетного ресурса эксплуатации. Однако в поверочном расчете должны использоваться значения номинальных допускаемых напряжений и основные расчетные формулы и зависимости, приведенные в разделах 3 и 4 данных Норм.

1.3. Расчетное давление

1.3.1. Под расчетным давлением p следует понимать избыточное давление рабочей среды, по которому производится расчет на прочность данной детали.

Расчетное давление должно приниматься конструкторской организацией с целью обеспечения расчетом на прочность, выполняемым этой организацией, надежности детали в условиях испытаний и эксплуатации.

Расчетное давление должно быть равно максимальному давлению рабочей среды, возможному для данной детали в нормальных условиях эксплуатации, или более его. Необходимость превышения расчетного давления над рабочим, а также размеры этого превышения должны определяться конструкторской организацией с учетом особенности конструкции котла и его комплектации (например, предохранительными клапанами), назначения котла и опыта эксплуатации котла данного типа.

1.3.2. Расчетное давление детали котла p следует принимать равным расчетному давлению рабочей среды на выходе из котла (перегревателя), увеличенному на потерю давления от гидравлического сопротивления на участке между расчетной деталью и выходом рабочей среды из котла. Потеря давления должна определяться при максимальном расходе среды.

Для элементов, заполненных водой, следует прибавить гидростатическое давление столба воды, расположенного над нижней частью расчетного элемента.

Гидростатическое давление и потери гидравлического сопротивления принимаются в расчет, если их сумма равна или более 3% от расчетного давления.

1.3.3. Расчетное давление рабочей среды на выходе из котла должно приниматься равным номинальному давлению при номинальной температуре и паропроизводительности (или номинальном расходе воды для водогрейного котла), увеличенному на положительное отклонение, вызванное регулированием величины номинального давления, если это отклонение превышает 3%.

1.3.4. Расчетное давление в трубах поверхностей нагрева или в трубопроводах принимается равным давлению рабочей среды на входе в рассчитываемый пакет или трубопровод (в соответствующем коллекторе, барабане котла или полости теплообменника).

1.3.5. Расчетное давление в чугунных экономайзерах следует определять в соответствии с п. 1.3.2; при этом оно должно быть не менее расчетного давления в котле, увеличенного на 25%.

1.3.6. Кратковременное повышение давления при полном открытии предохранительных клапанов в расчете допускается не учитывать, если при максимальной производительности котла оно не превышает 10% от рабочего давления. Если это условие не соблюдается, то расчетное давление должно приниматься равным 90% от давления при полном открытии предохранительных клапанов.

1.3.7. Расчетное давление в трубопроводах воды после насосов должно приниматься равным 90% от максимального давления, создаваемого насосами при закрытых задвижках.

1.3.8. Во всех случаях величина расчетного давления должна приниматься не менее 0,2 МПа.

1.4. Расчетная температура

1.4.1. Под расчетной температурой стенки t следует понимать температуру металла, по которой выбирается величина допускаемого напряжения для рассчитываемой детали котла или трубопровода.

1.4.2. Расчетную температуру стенки деталей, не обогреваемых горячими газами или надежно изолированных от обогрева извне, следует принимать равной температуре содержащейся в ней рабочей среды без учета допусков по отклонению температуры рабочей среды от номинальной, установленных ГОСТ 3619, ГОСТ 21563, ГОСТ 22530.

Детали считаются надежно изолированными, если обеспечены условия, при которых повышение средней температуры стенки от тепловосприятия извне не будет превышать 5°С.

Для экранов это условие соблюдается, если просвет между экранными трубами или между плавниками труб не превышает 3 мм.

1.4.3. За расчетную температуру стенки обогреваемых деталей следует пpинимaть среднеарифметическое значение температур наружной и внутренней поверхности стенки наиболее нагретой части детали, определенных теплотехническим расчетом или измерением.

1.4.4. Расчетную температуру стенки необогреваемых деталей котлов и трубопроводов следует принимать равной температуре среды на входе в расчетный элемент (при отсутствии внутри детали греющих теплообменников или при размещении в ней охлаждающего теплообменника) или равной температуре среды на выходе из детали (при размещении вне греющих теплообменников).

1.4.5. Если избыточное давление горячих газов превышает 0,1 МПа, то расчетная температура стенки обогреваемых деталей должна приниматься по тепловому расчету или по данным измерений температуры.

1.4.6. Расчетную температуру стенки деталей котлов и трубопроводов в пределах котла следует принимать не менее 250°С.

Расчетную температуру стенки необогреваемых деталей котлов и трубопроводов допускается принимать ниже 250°С по согласованию со специализированными научно-исследовательскими организациями.

1.5. Толщина стенки и прибавки

1.5.1. Расчетная толщина стенки s_R, вычисленная по формулам раздела 3 данных Норм должна определяться по заданным значениям расчетного давления и номинального допускаемого напряжения с учетом ослабления отверстиями и (или) сварными соединениями.

1.5.2. Номинальная толщина стенки s должна приниматься по расчетной толщине стенки с учетом прибавок, указанных в пп. 1.5.5 и 1.5.6, с округлением до ближайшего большего размера, имеющегося в сортаменте толщин соответствующих полуфабрикатов. Допускается округление в меньшую сторону не более 3% от принятой окончательно номинально толщины стенки.

1.5.3. Допустимая толщина стенки [s] должна определяться по расчетной толщине стенки с учетом эксплуатационной прибавки с₂, определяемой согласно пп. 1.5.5 и 1.5.7.

1.5.4. Фактическая толщина стенки s_f, полученная непосредственными измерениям толщины готовой детали при операционном и (или) эксплуатационном контроле, должна быть не менее допустимой толщины стенки. Точность измерительного прибора, используемого при определении s_f, следует учитывать, если его погрешность превышает 1%.

1.5.5. По назначению прибавки к расчетной толщине стенки следует подразделять:

- на прибавку с₁ (производственная прибавка), компенсирующую возможное понижение прочности детали в условиях изготовления детали за счет минусового отклонения толщины стенки полуфабриката, технологических утонений и др.;

- на прибавку c₂ (эксплуатационная прибавка), компенсирующую возможное понижение прочности детали в условиях эксплуатации за счет всех видов воздействия: коррозии, механического износа (эрозии) и др.

Утонение в результате абразивного износа труб учтено в приводимых значениях прибавки с₂ только при выборе скорости газов, ограничивающих чрезмерный износ согласно «Тепловому расчету котельных агрегатов. Нормативный метод» (далее по тексту «Тепловой расчет»). При большем износе прибавка на утонение из-за абразивного износа также должна приниматься согласно «Тепловому расчету».

Сумма прибавок с=с₁+c₂ должна быть не менее минимальных значений, указанных в разделе 3 и относящихся к расчету конкретных деталей.

1.5.6. Производственная прибавка с₁ состоит из прибавки, компенсирующей минусовое отклонение с₁₁, и технологической прибавки с₁₂: с₁=с₁₁+с₁₂.

Значение прибавки с₁₁ следует определять по предельному минусовому отклонению толщины стенки, установленному стандартами или техническими условиями на полуфабрикаты; значение прибавки с₁₂ должно определяться технологией изготовления детали и принимается по техническим условиям на изделие.

Для прямых труб и обечаек, подвергающихся на предприятии-изготовителе механической обработке, с₁₁=0; для деталей, деформирование которых при изготовлении не приводит к ослаблению стенки заготовки, c₁₂=0.

1.5.7. Эксплуатационная прибавка состоит из прибавок, компенсирующих понижение прочности по пароводяной стороне с₂₁ и со стороны газов c₂₂.

Значение прибавки с₂₁ для всех обогреваемых и необогреваемых деталей из аустенитных сталей, а также для труб наружным диаметром 32 мм и менее из углеродистой и теплоустойчивой сталей равно нулю. Для остальных деталей (труб наружным диаметром более 32 мм, коллекторов, барабанов, фасонных деталей и трубопроводов и других, изготавливаемых из углеродистой и теплоустойчивой сталей) значение прибавки с₂₁ на расчетный ресурс 10⁵ ч должно определяться по таблице 1.2.

При расчетном ресурсе более 10⁵ ч прибавку с₂₁ следует увеличить с учетом скорости коррозии; при ресурсе до 2×10⁵ ч допускается принимать (впредь до уточнения) значение этой прибавки такой, как при ресурсе 10⁵ ч.

При расчетном ресурсе менее 10⁵ ч прибавку с₂₁ допускается принимать уменьшенной пропорционально ресурсу.

Значение прибавки с₂₂ для необогреваемых деталей равно нулю.

Таблица 1.2

Прибавка с₂₁, мм

Примечание. Для гибов опускных, водоперепускных и необогреваемых труб для пароводяной смеси и насыщенного пара наружным диаметром более 76 мм при рабочем давлении котла от 8 до 20 МПа следует принимать прибавку с₂₁ от 1 до 3 мм в зависимости от опыта эксплуатации котла данного типа; для труб наружным диаметром 133 мм и более использование прибавки с₂₁ менее 3 мм должно быть согласовано со специализированными научно-исследовательскими организациями.

Значение прибавки с₂₂ для обогреваемых деталей должно приниматься в зависимости от температуры наружной поверхности детали, вида топлива и металла детали. Для определения прибавки с₂₂ температура наружной поверхности детали должна сравниваться с допустимой температурой, значения которой приведены в таблице 1.3. Расчетная температура наружной поверхности обогреваемых деталей, определяемая по тепловому расчету с учетом тепловой и гидравлической неравномерности, но без учета временного увеличения неравномерности обогрева, не должна превышать значений допустимой температуры [t].

Таблица 1.3

Допустимая температура наружной поверхности с учетом продуктов сгорания [t], °С

Примечание. Допустимая температура наружной поверхности экранных труб из стали 12Х1МФ, расположенных в зоне максимальных тепловых нагрузок более 407 кВт/м² (350×10³ ккал/(м²×ч), при сжигании сернистых мазутов не должна превышать 545°С с учетом запаса на межпромывочный период.

Для необогреваемых участков труб из стали марок 12Х1МФ, 12Х2МФСР и 12Х2МФБ, соединяющих трубы поверхности нагрева из аустенитной стали с коллекторами из легированной стали, допускается температура стенки до 600°С.

Значение прибавки с₂₂ для ресурса 10⁵ ч должно приниматься минимальным из условий:

при температуре наружной поверхности t_a<([t]-40)°С

c₁+с₂³0,5 мм;

при температуре согласно условию ([t]-40)°С<t_a£[t]

c₁+с₂³1,0 мм.

Для обогреваемых углеродистых труб общего назначения (например, из стали марки Ст3) прибавка с₂₂ должна приниматься не менее 0,4 мм независимо от температуры стенки, марки стали и категории качества.

Для стали марки 12Х18Н12Т при сжигании высокосернистых и сернистых мазутов и для сталей марок 12Х1МФ, 12Х2МФСР и 12Х2МФБ при сжигании эстонских сланцев допускается температура наружной поверхности деталей выше допустимой, но не более значений температуры, установленных для остальных энергетических топлив, при условии увеличения значения прибавки с₂₂ на 0,5 мм в первом случае и на 0,3 мм во втором на каждые 10°С повышения температуры.

Для ресурса эксплуатации менее 10⁵ ч значение прибавки с₂₂ к фактической толщине стенки допускается принимать пропорционально отношению данного ресурса к ресурсу в 10⁵ ч.

При выборе расчетной температуры наружной поверхности труб экранов котлов сверхкритических параметров следует учитывать повышение этой температуры в течение межпромывочного периода.

Для труб, находящихся в теплом ящике энергетического котла, значения прибавки с₂₂ должны приниматься равными 0,5 значения, определяемого для обогреваемых труб при той же расчетной температуре наружной поверхности.

Расчетная температура стенок труб в теплом ящике должна приниматься равной температуре рабочей среды с учетом неравномерностей ее распределения.

1.5.8. При вычислении и измерении толщины стенки в документацию следует записывать значение с округлением до 0,1 мм.

2. ДОПУСКАЕМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

2.1. Под номинальным допускаемым напряжением [s] следует понимать величину напряжения, используемую для определения расчетной толщины стенки детали или допустимого давления по принятым исходным данным и марке металла.

Приведенные в настоящих Нормах допускаемые напряжения и указания по их выбору применимы для использования металлов и полуфабрикатов, которые разрешены Правилами Госгортехнадзора.

Уровень расчетных характеристик используемых металлов и полуфабрикатов должен быть подтверждён статистической обработкой данных испытаний, периодическим контролем качества продукции не реже одного раза в 5 лет и положительным заключением специализированной научно-исследовательской организации в соответствии с требованиями Правил Госгортехнадзора.

2.2. Номинальные допускаемые напряжения для катаной или кованой стали марок, широко используемых в котлах и трубопроводах, следует принимать по таблицам 2.1 - 2.5.

Для промежуточных значений ресурса эксплуатации, указанных в таблицах, значение допускаемого напряжения разрешается определять линейной интерполяцией ближайших значений между ресурсами с округлением до 0,5 МПа в меньшую сторону, если разница между этими значениями не превышает 20% от их среднего значения. В остальных случаях должно применяться "логарифмическое" интерполирование. Экстраполяция значений допускаемых напряжений для ресурса менее 10⁴ не допускается без согласования со специализированными научно-исследовательскими организациями.

Таблица 2.1

Номинальные допускаемые напряжения |s| для углеродистой и марганцовистой сталей, не зависящие от расчетного ресурса, МПа