ГОСТ Р 59115.16-2021
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Расчет на прочность разъемных соединений
Rules for strength assessment of equipment and pipelines of nuclear power installations. Strength analysis of flanged joints
ОКС 27.120.10
Дата введения 2022-01-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом "Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А.Доллежаля" (АО "НИКИЭТ")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 322 "Атомная техника"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 25 ноября 2021 г. N 1578-ст
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
5 Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии не несет ответственности за патентную чистоту настоящего стандарта. Патентообладатель может заявить о своих правах и направить в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии аргументированное предложение о внесении в настоящий стандарт поправки для указания информации о наличии в стандарте объектов патентного права и патентообладателе
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". 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 ежемесячного 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 (www.rst.gov.ru)
Введение
Настоящий стандарт взаимосвязан с другими стандартами, входящими в комплекс стандартов, регламентирующих обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.
1 Область применения
1.1 Настоящий стандарт устанавливает требования к расчету на прочность разъемных соединений оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, работающих под внутренним избыточным давлением (далее - разъемные соединения), на которые распространяется действие федеральных норм и правил в области использования атомной энергии [1].
1.2 Настоящий стандарт распространяется на следующие типы разъемных соединений:
- фланцевое соединение с плоской или профильной прокладкой;
- фланцевое соединение с клиновой прокладкой.
1.3 Настоящим стандартом не регламентируются методы, применяемые для определения напряженно-деформированного состояния компонентов разъемного соединения.
1.4 Настоящий стандарт предназначен для проведения расчетов по обоснованию прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок в части выбора усилия начальной затяжки разъемного соединения, расчета усилий и напряжений в шпильках (болтах) и обеспечения удельного давления сжатия прокладки в пределах допускаемых значений.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ ISO/IEC 17025 Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий
ГОСТ Р 8.568 Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения
ГОСТ Р 8.932 Государственная система обеспечения единства измерений. Требования к методикам (методам) измерений в области использования атомной энергии. Основные положения
ГОСТ Р 59115.1 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Термины и определения
ГОСТ Р 59115.4 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Длительные механические свойства конструкционных материалов
ГОСТ Р 59115.9 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Поверочный расчет на прочность
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, определения, сокращения, обозначения
3.1 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 59115.1 и ГОСТ Р 59115.9, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1.1 плотность разъемного соединения: Свойство конструкции разъемного соединения и материалов его компонентов, контактирующих с рабочей средой (жидкостью или газом), препятствовать прониканию этой среды наружу.
3.1.2 начальная затяжка разъемного соединения: Нагружение при сборке разъемного соединения для устранения неплотности прилегания прокладки к контактирующим поверхностям и создания условий, обеспечивающих плотность соединения в условиях эксплуатации и испытаний.
3.2 Обозначения и сокращения
В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения:
МКЭ - метод конечных элементов;
НДС - напряженно-деформированное состояние.
4 Общие положения
4.1 В настоящем стандарте приведена методика расчета разъемных соединений оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, работающих под внутренним избыточным давлением, в части выбора усилия начальной затяжки соединения, расчета усилий и напряжений в шпильках (болтах) и обеспечения удельного давления сжатия прокладки в пределах допускаемых значений для следующих типов соединений:
- фланцевое соединение с плоской или профильной прокладкой [см. рисунок 4.1а)];
- фланцевое соединение с клиновой прокладкой [см. рисунок 4.1б)].
Для компонентов разъемного соединения должны быть предусмотрены меры по защите от коррозии, эрозии и других физико-химических воздействий в соответствии с требованиями [1].
4.2 Поверочный расчет на прочность компонентов разъемного соединения, за исключением прокладки, следует выполнять по допускаемым напряжениям для категорий и групп категорий напряжений в соответствии с требованиями ГОСТ Р 59115.9.
Требования к прочности прокладки устанавливаются по максимальному допускаемому удельному давлению на прокладку из условия ее работоспособности. Данные требования не применяются к плоским и профилированным резиновым прокладкам разъемных соединений с контактирующими фланцами.
4.3 Настоящим стандартом не регламентируются методы, применяемые для определения НДС компонентов соединения. Выбранный метод должен учитывать все расчетные нагрузки для всех расчетных случаев и давать возможность определить все необходимые расчетные группы категорий напряжений. Допускается определять НДС соединения с использованием методик и подходов, изложенных в других документах по стандартизации разъемных соединений.
|
Рисунок 4.1 - Типовые конструкции разъемных соединений
4.4 В зависимости от типа, конструкции и материала прокладки для расчета принимают следующие характеристики прокладки:
4.5 Для экспериментального определения значений параметров прокладок и (или) прокладочных материалов следует применять аттестованные в соответствии с ГОСТ Р 8.932 методики измерений при испытаниях. Организации (испытательные лаборатории) и персонал, выполняющие испытания, а также средства измерений, используемые при испытаниях, должны соответствовать требованиям ГОСТ ISO/IEC 17025. Испытательное оборудование, используемое при проведении испытаний, должно быть аттестовано в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.568.
4.6 Расчет соединений с прокладками из терморасширенного графита, в том числе с контактирующими фланцами, следует проводить на основании экспериментальных данных, определенных в соответствии с требованиями 4.5 и (или) в соответствии с документами по стандартизации для уплотнений с применением терморасширенного графита, данные в которых определены в соответствии с 4.5.
5 Расчет коэффициента нагрузки
5.4 Для типовых компонентов разъемных соединений коэффициенты податливости допускается определять по формулам, приведенным в таблице А.1 приложения А. Также допускается определять значения коэффициентов податливости численными методами, например МКЭ.
6 Расчет усилия, вызванного температурным воздействием
6.1 Усилие в шпильках или болтах, вызванное температурными перепадами в компонентах и (или) различием коэффициентов линейного температурного расширения материалов компонентов соединения, следует определять по формуле
Пример разбивки соединения по участкам для вычисления температурных расширений показан на рисунке 4.1а). Для данного примера:
(6.2)*
6.2 Значения модуля упругости и коэффициента линейного расширения материалов прокладок следует принимать по документам по стандартизации на уплотнительное изделие. При отсутствии в указанных документах необходимых данных допускается руководствоваться данными, приведенными в таблице Б.1 приложения Б, либо полученными экспериментально.
7 Расчет коэффициента нагрузки и усилия, вызванного температурным воздействием, численным методом
1) в начале расчета усилие начальной затяжки шпилек (болтов) следует принять равным
8 Расчет усилия начальной затяжки шпилек (болтов)
8.1 Начальную затяжку разъемного соединения следует производить для устранения неплотности прилегания прокладки к уплотняемым поверхностям (обжатия прокладки) и обеспечения нераскрытия стыка и плотности соединения в условиях эксплуатации и при испытании.
8.2 Усилие, обеспечивающее обжатие прокладки, следует определять по формуле
Для соединений с клиновой прокладкой следует принимать
9 Расчет усилий на прокладке
- для соединений с плоской или профильной прокладкой
- для соединений с клиновой прокладкой
- для соединений с плоской или профильной прокладкой
- для соединений с клиновой прокладкой
- в соединениях с плоской или профильной прокладкой
- в соединениях с клиновой прокладкой на плоской контактной поверхности прокладки
- в соединениях с клиновой прокладкой на конусной контактной поверхности прокладки
- в соединениях с клиновой прокладкой на цилиндрической контактной поверхности прокладки
9.5 Необходимо выполнение следующих условий:
- для обеспечения плотности соединения при испытании и в условиях эксплуатации
- для обеспечения прочности и работоспособности прокладки при затяжке, испытании и в условиях эксплуатации
В соединениях с клиновой прокладкой [см. рисунок 4.1б)] на плоской контактной поверхности прокладки следует проверять только условие прочности и работоспособности (9.11).
После выполнения изменений необходимо повторное проведение расчета.
10 Расчет усилий в шпильках (болтах)
11 Расчет усилий в условиях ползучести
Допускается проводить расчет численным методом (например, МКЭ).
12 Расчет напряжений в шпильках
12.1 Расчет напряжений в стержне шпильки
|
|
|
Наличие смазки | ||
Имеется | 0,13 | 0,26 |
Отсутствует | 0,18 | 0,37 |
Принятые в формулах положительные направления перемещений и углов поворота указаны на рисунке 12.1.
|
Рисунок 12.1 - Положительные направления перемещений и углов поворота шпильки
12.1.7 Если усилие начальной затяжки выбрано при помощи численного расчета разъемного соединения в сборе, допускается определять напряжения в шпильках (болтах) непосредственно по результатам расчета.
12.2 Расчет напряжений в резьбах
Напряжение среза резьбы следует определять по формулам:
- для шпильки (болта)
- для фланца (гайки)
Приложение А
(рекомендуемое)
Формулы для расчета коэффициентов податливости
Таблица А.1 - Формулы расчета коэффициентов податливости типовых компонентов разъемных соединений
|
|
|
|
Компонент | Коэффициент податливости | Примечание | |
Фланец нажимной | ; | - плечо осевой силы; - радиус центра масс сечения фланца; - момент инерции сечения относительно центра масс. | |
Бурт опорный с антикор- розионной рубашкой | , - высота элемента рубашки; , - площадь поперечного сечения элемента рубашки. Для бурта без антикоррозионной рубашки принимается . | ||
Прокладка | . Для комбинированных прокладок расчет проводится с модулем упругости материала уплотняющего наполнителя. | ||
Шпилька, болт | =0,6 для шпильки; =0,3 для болта. Допускается использовать значения , определенные экспериментально;
. | ||
Шайба (втулка) | , - высота и площадь сечения шайбы соответственно. | ||
Приложение Б
(справочное)
Характеристики прокладочных материалов
|
|
|
|
|
Материал прокладки | , МПа | , 10 1/°С | , МПа | , МПа |
Резина твердая
| 10 | 200 | 3,5 | 20 |
Фторопласт
| 650 | 120 | 4 | 40 |
Паронит
| 2000 | 15 | 10 | 110 |
Алюминий и его сплавы
| 0,7·10
| 24 | 50 | 140 |
Медь и ее сплавы
| 1,1·10
| 19 | 70 | 200 |
Никель и его сплавы
| 1,8·10
| 16 | 70 | 200 |
Перлитная сталь
| 2·10
| 13,5 | 80 | 350 |
Аустенитная сталь | 2·10 | 17,5 | 100 | 600 |
Примечание - При уплотнении воздуха или пара значение должно быть увеличено в 1,8 раза, а для сред с высокой проникающей способностью (водород, гелий и т.п.) - в 2,5 раза. | ||||
Приложение В
(рекомендуемое)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип | Конструкция | Материал | Эффективная | Рабочая среда | |||||
прокладки | прокладки |
| ширина b, мм | Жидкие среды | Воздух, пар, пароводяная смесь | Газы с высокой проникающей способностью (водород, гелий и т.д.) | |||
|
|
|
| m | , МПа | m | , МПа | m | , МПа |
Мягкая | Плоская | Резина твердая | 1,2 | 5,0 | 2,2 | 9,0 | 3,0 | 13,0 | |
| Фторопласт |
| 1,4 | 10,0 | 2,5 | 18,0 | 3,1 | 26,0 | |
|
| Паронит | при при при >10 | 1,6 | 2,9 | 4,0 | |||
Комбинированная | Спиральная
| Сталь перлитного класса | 1,5 | 27 | 2,5 | 50 | 4 | 70 | |
| Гофрированная | Алюминий, его сплавы | 1,75 | 20,0 | 3,0 | 30,0 | 4,25 | 42,0 | |
| Медь и ее сплавы |
| 1,9 | 20,0 | 3,25 | 35,0 | 4,5 | 50,0 | |
|
| Сталь перлитного класса |
| 2,0 | 22,0 | 3,5 | 40,0 | 5,0 | 55,0 |
| С наружной металлической оболочкой | Алюминий, его сплавы | 1,9 | 27,0 | 3,25 | 50,0 | 4,5 | 70,0 | |
| Медь и ее сплавы |
| 2,0 | 32,0 | 3,5 | 60,0 | 5,0 | 80,0 | |
|
| Сталь перлитного класса |
| 2,25 | 38,0 | 3,75 | 70,0 | 5,5 | 100,0 |
Металлическая | Профилированная | Медь и ее сплавы, никель и его сплавы | 0,6 | 2,5 | 2,5 | 4,5 | 3 | 6,0 | 4 |
| Сталь перлитного класса |
| 3,0 |
| 5,0 |
| 7,0 |
| |
|
| Сталь аустенитного класса |
| 3,5 |
| 6,0 |
| 8,0 |
|
| Плоская (клиновая) | Алюминий и его сплавы | при при при >10 | 2,0 | 3,5 | 5,0 | |||
| Медь и ее сплавы, никель и его сплавы |
| 2,5 |
| 4,5 |
| 6,0 |
| |
|
| Сталь перлитного класса |
| 3,0 |
| 5,0 |
| 7,0 |
|
|
| Сталь аустенитного класса |
| 3,5 |
| 6,0 |
| 8,0 |
|
| Зубчатая с числом зубцов | Медь и ее сплавы, никель и его сплавы | 1,8 | 2,5 | 3,3 | 3 | 4,6 | 4 | |
| Сталь перлитного класса |
| 2,25 |
| 3,75 |
| 5,5 |
| |
|
| Сталь аустенитного класса |
| 2,5 |
| 4,25 |
| 6,0 |
|
Примечание - Для клиновой прокладки ; при наличии проточек на прокладке или контактирующих поверхностях вместо значений , , следует использовать соответственно , , ; при определении принимают . | |||||||||
Библиография
|
|
|
[1] | Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии НП-089-15 | Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок |
|
|
УДК 621.039:531:006.352 | ОКС 27.120.10 |
| |
Ключевые слова: прочность, оборудование и трубопроводы, атомные энергетические установки, разъемные соединения, фланцы | |
