ГОСТ Р 55431-2013 Системы трубопроводные. Расчетно-экспериментальный метод оценки динамического напряженно-деформированного состояния.
ГОСТ Р 55431-2013
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДНЫЕ
Расчетно-экспериментальный метод оценки динамического напряженно-деформированного состояния
Piping systems. Calculated and experimental method for estimating the dynamic stress-strain state
ОКС 23.040
Дата введения 2013-12-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Некоммерческим партнерством "Сертификационный центр НАСТХОЛ" (НП "СЦ НАСТХОЛ"), Открытым акционерным обществом "Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (ОАО "ИркутскНИИхиммаш")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 155 "Соединения трубопроводов общемашиностроительного применения"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 мая 2013 г. N 104-ст.
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)
Введение
Трубопроводные системы являются одной из основных составляющих нефтегазовых и нефтехимических производств, поэтому от технического состояния трубопроводов в значительной мере зависит их безопасность. В наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации находятся трубопроводные системы насосных и компрессорных установок, испытывающие значительные вибрационные воздействия со стороны как машин, так и транспортируемой среды. Эти воздействия имеют сложную природу и вызваны пульсацией давления, срывом потока, изменением направления и скорости его движения, акустическими резонансами, взаимодействием потоков в местах ветвления трубопровода и другими факторами. В ряде случаев вибрационное воздействие передается на опоры трубопровода через грунт.
При проектировании трубопроводных систем практически невозможно учесть взаимодействие перечисленных выше факторов, оценить уровень и параметры вибрационных воздействий на трубопроводную систему и, следовательно, определить ресурс безопасной эксплуатации трубопроводов. Ресурс трубопроводов, испытывающих вибрационное воздействие, определяется уровнем циклически изменяющихся напряжений, которые приводят к накоплению повреждений на наиболее нагруженных участках и последующему усталостному разрушению или нарушению герметичности соединений. Поэтому для прогнозирования ресурса необходимо уметь правильно оценить напряженно-деформируемое состояние эксплуатируемых трубопроводных систем.
Настоящий стандарт разработан в целях определения единого подхода к обеспечению безопасной эксплуатации трубопроводных систем, эксплуатируемых в условиях вибрационных воздействий.
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает расчетно-экспериментальный метод оценки динамического напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем, подверженных вибрационным воздействиям. Метод базируется на численном моделировании трубопроводной системы по результатам ее натурного обследования и последующей идентификации системы.
Настоящий стандарт распространяется на трубопроводные системы любой конфигурации, совершающие вынужденные колебания наибольшей интенсивности в диапазоне частот от 0 до 100 Гц.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ ИСО 5348-2002 Вибрация и удар. Механическое крепление акселерометров
ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 вибрация: Движение точки или механической системы, при котором происходят колебания характеризующих его скалярных величин.
3.2 виброперемещение: Составляющая перемещения, описывающая вибрацию.
3.3 виброизмерения: Экспериментальное определение параметров вибрации инструментальными средствами.
3.4 невязка: Отклонение между расчетными и измеренными перемещениями трубопроводной системы.
4 Сокращения
В настоящем стандарте использованы следующие сокращения:
- ДНДС - динамическое напряженно-деформированное состояние;
- КЭ - конечный элемент;
- МИА - многоканальная измерительная аппаратура;
- МКЭ - метод конечных элементов;
- ОИП - одноканальный измерительный прибор;
- ТС - трубопроводная система.
5 Общие положения
5.1 Расчетно-экспериментальный метод определения ДНДС ТС (метод идентификации), подверженной вибрационному воздействию, основан на том, что поле виброперемещений ТС может быть аппроксимировано полями перемещений, соответствующими собственным формам колебаний ТС.
Примечание - Наряду с формами колебаний в аппроксимации могут быть использованы также формы прогибов от единичных сил, приложенных в тех точках ТС, в которых присутствуют сосредоточенные динамические силы.
5.3
5.6 Для повышения точности определения ДНДС ТС при вибрационных воздействиях рекомендуется для измерений использовать МИА. ОИП допускается использовать лишь для предварительной оценки ДНДС.
5.6 Использование многоканальной измерительной аппаратуры
применяют метод наименьших квадратов.
5.7 Использование одноканальной измерительной аппаратуры
6 Порядок применения метода
6.1 Общие положения
Практическая реализация метода оценки ДНДС ТС включает в себя следующие основные этапы:
а) построение КЭ модели ТС;
б) определение собственных форм и частот колебаний ТС;
в) обследование вибрационного состояния ТС;
г) идентификация ДНДС ТС.
Примечание - Для простейших случаев ТС КЭ модель [перечисление а)] допускается не строить. При этом определение собственных форм и частот колебаний [перечисление б)] и идентификация ДНДС [перечисление в)] выполняются аналитически.
6.2 Построение конечно-элементной модели трубопроводной системы
6.2.1 Построение КЭ модели ТС является необходимым для проведения последующих расчетов.
6.2.2 КЭ следует формировать с использованием специализированных программных комплексов, реализующих МКЭ. При этом функционал применяемого программного комплекса должен обеспечивать возможность моделирования всех элементов ТС.
6.2.3 Построение КЭ модели ТС следует выполнять с использованием проектной документации на ТС (чертежи, аксонометрические схемы и т.д.).
6.2.4 В случае несоответствия фактической конфигурации ТС проектной документации построение КЭ модели выполняют по результатам натурных обмерочных работ.
6.2.5 Построение КЭ модели ТС следует проводить в такой последовательности:
- выбор начала координат;
- КЭ моделирование элементов ТС (трубопроводов, при необходимости емкостей, аппаратов и т.д.);
- назначение жесткостных характеристик КЭ;
- задание граничных условий (моделирование опорных конструкций ТС);
- задание динамических параметров системы (инерционные характеристики трубопроводов, трубопроводной арматуры, разъемных соединений, изоляции, среды и т.д.);
- задание параметров расчета.
6.3 Определение собственных форм и частот колебаний трубопроводной системы
6.3.2 Собственные формы и частоты колебаний ТС следует рассчитывать автоматизированным путем с использованием программных комплексов, реализующих специализированные алгоритмы решения обобщенной задачи на собственные значения [1]. Для этой цели используют КЭ модель ТС, получаемую в соответствии с 6.2.
6.3.3 Для расчета форм и частот собственных колебаний ТС простой геометрической формы и оценки собственных форм и частот колебаний отдельных участков ТС сложной пространственной конфигурации допускается использовать аналитические методы расчета собственных форм и частот [2].
6.4 Обследование вибрационного состояния трубопроводной системы
6.4.1 Выбор точек для измерения амплитуд виброперемещений
6.4.1.1 Измерение амплитуд виброперемещений ТС следует выполнять в точках виброизмерений в направлении координатных осей глобальной системы координат.
6.4.1.3 Точки для установки вибропреобразователей следует выбирать с таким расчетом, чтобы, по возможности, все основные элементы ТС были охвачены обследованием. Точки замеров следует назначать на стыках труб, в местах поворотов трубопроводов, серединах пролетов и местах расположения опор. При выборе точек измерения следует принимать во внимание также характерные формы колебаний системы, полученные расчетом по 6.3.
6.4.1.4 Способ крепления вибропреобразователя следует выбирать согласно ГОСТ ИСО 5348.
6.4.2 Проведение измерений
6.4.2.1 Измерение амплитуд виброперемещений ТС следует выполнять в точках и направлениях, выбираемых в соответствии с 6.4.1.
6.4.2.2 При использовании МИА измерение амплитуд виброперемещений следует выполнять синхронно во всех намеченных точках ТС. При этом в каждой точке необходимо регистрировать временную реализацию виброперемещений.
6.4.2.3 При использовании ОИП измерение амплитуд виброперемещений следует выполнять последовательно во всех точках. При этом в каждой точке необходимо регистрировать абсолютное значение амплитуды виброперемещений.
6.5 Идентификация напряженно-деформированного состояния трубопроводной системы
Примечание - Измерения в одной и той же точке (месте) ТС в направлении различных осей глобальной системы координат приравнивают к измерениям в разных точках ТС.
Пример применения метода оценки ДНДС простейшей ТС приведен в приложении А.
Приложение А
(справочное)
Пример применения метода оценки динамического напряженно-деформированного состояния
А.1 Исходные данные примера
Рассмотрим вынужденные установившиеся колебания трубопровода постоянного сечения, расчетная схема которого показана на рисунке А.1.
Рисунок А.1 - Расчетная схема трубопровода
А.2 Оценка ДНДС
Примечание - Для оценки динамического напряженно-деформированного состояния трубопровода, представленного на рисунке А.1, используют алгоритм согласно разделу 6.
А.2.1 Построение КЭ модели
Рисунок А.2 - Итоговая КЭ модель трубопровода
А.2.2 Определение собственных форм и частот колебаний
Для определения собственных форм и частот колебаний трубопровода используют модуль динамического анализа программы COMPASS [3], который реализует решение задачи на собственные значения методом итераций в подпространстве [1]. Находят две первые формы и частоты колебаний трубопровода и соответствующие им усилия/напряжения.
Графическое представление результатов расчета показано на рисунке А.3.
Эпюра усилий/напряжений для формы N 1
Эпюра усилий/напряжений для формы N 2
Рисунок А.3 - Формы колебаний и соответствующие им эпюры усилий/напряжений
А.2.3 Обследование вибрационного состояния
А.2.4 Идентификация ДНДС
Рисунок А.6 - График изменения изгибающих моментов, соответствующих 1-й и 2-й формам колебаний трубопровода (см. рисунок А.3)
Рисунок А.8 - График изменения нормальных напряжений для 1-й и 2-й форм колебаний (см. рисунок А.3)
График изменения нормальных напряжений, возникающих в трубопроводе от вибрационной нагрузки, показан на рисунке А.9.
Рисунок А.9 - График изменения нормальных напряжений, возникающих в трубопроводе от вибрационной нагрузки
Библиография
|
|
[1] | Бате К. Численные методы анализа и метод конечных элементов/ Бате К., Вильсон Е./Под ред. А.Ф.Смирнова - М.: Стройиздат, 1982. - 448 с. |
[2] | Вибрации в технике: Справочник/Ред. В.Н.Челомей - М.: Машиностроение, 1980. Т.1-6 |
[3] | Безделев В.В. Программная система COMPASS: Руководство пользователя/ Безделев В.В., Буклемишев А.В. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. - 120 с. |
[4] | Киселев В.А. Строительная механика: Специальный курс. "Динамика и устойчивость сооружений"/В.А.Киселев. - М.: Стройиздат, 1980. - 616 с. |
|
|
УДК 626.1 | ОКС 23.040 |
Ключевые слова: вибрация, измерения, напряженно-деформированное состояние, трубопроводная система, идентификация, виброперемещения |