КОТЛЫ СТАЦИОНАРНЫЕ
И ТРУБОПРОВОДЫ ПАРА И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ.
НОРМЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПО ОБОСНОВАНИЮ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ

(ОСТ 108.031.08-85)

Настоящий стандарт распространяется на паровые котлы и паропроводы с рабочим давлением более 0,07 МПа (0,7 кгс/см²) 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 отдельно стоящие пароперегреватели и экономайзеры;

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

на внекотловые трубопроводы пара и горячей воды;

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

Допускается применение стандарта при расчете сосудов и корпусов арматуры тепловых электростанций.

Стандарт не распространяется на котлы, трубопроводы, встроенные и отдельно стоящие 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.

Стандарт устанавливает общие положения норм расчета на прочность для обоснования толщины стенки деталей, работающих под действием внутреннего или наружного давления.

Стандарт должен применяться совместно с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», «Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» и «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» Госгортехнадзора СССР.

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

1. УСЛОВИЯ ПРИМЕНИМОСТИ СТАНДАРТА

1.1. Приведенные в стандарте 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 Госгортехнадзора СССР;

эксплуатация котла и трубопровода удовлетворяет требованиям не ниже требований «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей» Минэнерго СССР;

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

1.2. 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, рекомендуется производить поверочные расчеты на малоцикловую усталость.

1.3. Прочность деталей, методы расчета которых в стандарте не приводятся, должна быть подтверждена изготовителем в результате проведения испытаний моделей или образцов либо расчетами на прочность, согласованными с базовой организацией по стандартизации энергооборудования. При этом должно быть обеспечено соблюдение запасов прочности не менее установленных настоящим стандартом.

1.4. Методика расчетов на прочность, приведенная в стандарте, 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 стандарте не приводятся указания по выполнению поверочного расчета, основной задачей которого является обоснование расчетного ресурса эксплуатации.

2. ОБОЗНАЧЕНИЯ

2.1. В стандарте приняты следующие обозначения:

р                  - расчетное давление, МПа (кгс/см²);

р_h                 - пробное давление, МПа (кгс/см²);

t                   - расчетная температура стенки,°С;

t_a                  - температура наружной поверхности детали, °С;

[t]                - допустимая температура наружной поверхности детали, °С;

[σ]               - допускаемое напряжение при расчетной температуре стенки, МПа (кгс/мм²);

[σ]_h              - допускаемое напряжение при гидравлическом испытании, МПа (кгс/мм²);

σ_в/t, σ_в          - временное сопротивление металла разрыву при расчетной температуре и при 20 °С соответственно, МПа (кгс/мм²);

σ_0,2/t, σ_0,2      - условный предел текучести металла при остаточной деформации 0,2 % при расчетной температуре и при 20 °С соответственно, МПа (кгс/мм²);

σ_1,0/t              - условный предел текучести металла при остаточной деформации 1 % при расчетной температуре, МПа (кгс/мм²);

σ_T/t               - предел текучести при расчетной температуре, МПа (кгс/мм²);

σ₁₀⁴_/t, σ₁₀⁵_/t, σ₂.₁₀⁵_/t - условный предел длительной прочности при растяжении на ресурс 10⁴, 10⁵, и 2 ^. 10⁵ ч соответственно, МПа (кгс/мм²);

σ_1/10⁵_/t           - условный предел ползучести при растяжении, обуславливающий деформацию в 1 % за 10⁵ ч, МПа (кгс/мм²);

s                   - номинальная толщина стенки детали, мм;

s_R                 - расчетная толщина стенки детали, мм;

s_f                  - фактическая толщина стенки детали, мм;

с                   - суммарная прибавка к расчетной толщине стенки, мм;

с₁, с₂            - производственная и эксплуатационная прибавки к расчетной толщине стенки соответственно, мм.

3. РАСЧЕТНОЕ ДАВЛЕНИЕ

3.1. Под расчетным давлением р следует понимать избыточное давление рабочей среды, по которому производится расчет на прочность дачной 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.

3.2. Расчетное давление детали котла р 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 более 3 % от расчетного давления.

3.3. Расчетное давление рабочей среды на выходе из котла должно приниматься равным номинальному давлению при номинальной температуре и паропроизводительности, увеличенному на положительное отклонение, вызванное регулированием величины номинального давления, если это отклонение превышает 3 %.

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

3.5. Расчетное давление в чугунных экономайзерах рассчитывают в соответствии с п. 3.2; при этом оно должно быть не менее расчетного давления в котле, увеличенного на 25 %.

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.

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

3.8. Во всех случаях величина расчетного давления должна приниматься не менее 0,2 МПа (2 кгс/см²).

4. РАСЧЕТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА

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

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 3619-82, ГОСТ 21563-82, ГОСТ 22530-77.

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.

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

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 в ней греющих теплообменников).

4.5. Если избыточное давление горячих газов превышает 0,1 МПа (1 кгс/см²), то расчетная температура стенки обогреваемых деталей должна приниматься по тепловому расчету или по данным измерений температуры.

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

Допускается принимать расчетную температуру стенки необогреваемых деталей котлов и трубопроводов ниже 250 °С по согласованию с базовой организацией по стандартизации.

5. ДОПУСКАЕМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

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

Приведенные в настоящем стандарте допустимые напряжения и указания по их выбору применимы при использовании металлов и полуфабрикатов, которые разрешены Правилами Госгортехнадзора СССР.

5.2. Номинальные допускаемые напряжения для катаной или кованой стали марок, широко используемых в котлах и трубопроводах, следует принимать по табл. 1 - 4.

Для промежуточных значений температуры, указанных в таблицах, значение допускаемого напряжения следует определять линейной интерполяцией ближайших значений с округлением до 0,5 МПа (0,05 кгс/мм²) в меньшую сторону.

Допускаемые напряжения для сталей иностранных марок, допущенных к применению Госгортехнадзором СССР, должны устанавливаться базовой организацией по стандартизации.

Таблица 1

Номинальные допускаемые напряжения [σ] для углеродистой и низколегированной сталей, не зависящие от расчетного ресурса, МПа (кгс/мм²)

Таблица 2

Номинальные допускаемые напряжения [σ] для углеродистой и марганцовистой сталей, МПа (кгс/мм²)

Продолжение табл. 2

Примечания: 1. Выше черты приведены значения допускаемых напряжений, не зависящих от ресурса.

2. Значения допускаемых напряжений, указанные в средней колонке для ресурса 10⁵ ч, следует использовать для ресурса 10⁴ и 2 ^. 10⁵ ч.

Таблица 3

Номинальные допускаемые напряжения [σ] для теплоустойчивой стали, МПа (кгс/мм²)

Продолжение табл. 3

Примечания: 1. Выше черты приведены значения допускаемых напряжений, не зависящих от ресурса.

2. Значения допускаемых напряжений, указанные в средней колонке для ресурса 10⁵ ч, следует использовать для ресурса 10⁴ и 2 ^. 10⁵ ч.

Таблица 4

Номинальные допускаемые напряжения [σ] для высокохромистой и аустенитной сталей, МПа (кгс/мм²)

Примечания: 1. Выше черты приведены значения допускаемых напряжений, не зависящих от ресурса.

2. Значения допускаемых напряжений, указанные в средней колонке для ресурса 10⁵ ч, следует использовать для ресурса 10⁴ и 2 ^. 10⁵ ч.

Таблица 5

Формулы для определения номинального допускаемого напряжения [σ], не зависящего от расчетного ресурса, или для расчетного ресурса 10⁵ ч

¹ Для углеродистой и теплоустойчивой стали повышенной прочности, у которой σ_в > 490 МПа (49 кгс/мм²) и минимальное относительное удлинение δ₅ < 20 %, запас прочности по пределу текучести следует увеличить на 0,025 на каждый процент уменьшения относительного удлинения ниже 20 %.

² Характеристики прочности должны определяться без учета термического и механического упрочнения. Условие не применимо для деталей, в которых не допустима пластическая деформация (фланцы, шпильки),

Допускается использовать минимальное значение условного предела текучести при остаточной деформации 0,2 % с запасом 1,15.

³ При расчете на изгиб допускается уменьшение запаса прочности на 50 %.

⁴ Условие используется, если в стандартах или технических условиях на металл используют гарантируемые значения σ_в/t, σ_1,0/t, σ₁₀⁵_/t.

5.3. Для сталей марок, не приведенных в табл. 1 - 4, и для других металлов, допущенных к применению Госгортехнадзором СССР, номинальное допускаемое напряжение следует принимать равным наименьшему из приведенных в табл. 5 значений, полученных в результате деления соответствующей расчетной характеристики прочности металла при растяжении на соответствующий запас прочности по данной характеристике.

При выполнении контрольных расчетов деталей, изготовленных из стали 12ХМФ, допускается использовать значения допускаемых напряжений, приведенных в табл. 1 - 4 для стали 12Х1МФ.

5.4. В качестве расчетных характеристик прочности металла следует принимать:

временное сопротивление при растяжении σ_в и σ_в/t;

предел текучести σ_Т/t или условный предел текучести σ_0,2/t; σ_1,0/t;

условный предел длительной прочности σ₁₀⁴_/t, σ₁₀⁵_/t, σ₂.₁₀⁵_/t;

условный предел ползучести σ_1/10⁵_/t;

Значения характеристик σ_в, σ_0,2/t, σ_1,0/t и σ_Т/t следует принимать равными минимальным значениям, установленным в соответствующих стандартах или технических условиях для металла данной марки.

Значения характеристик σ₁₀⁴_/t, σ₁₀⁵_/t, σ₂.₁₀⁵_/t и σ_1/10⁵_/t следует принимать равными средним значениям, установленным в соответствующих стандартах или технических условиях для металла данной марки.

Отклонения характеристик в меньшую сторону допускаются не более чем на 20 % от среднего значения.

Допускается использование σ_Т/t вместо σ_0,2/t, если в стандартах или технических условиях на металл нормированы значения σ_Т/t и отсутствуют нормированные значения σ_0,2/t.

5.5. Для стальных отливок номинальное допускаемое напряжение следует принимать равным следующим величинам:

85 % от значений допускаемого напряжения, определенного согласно табл. 1 - 5 для одноименной марки катаной или кованой стали, если отливки подвергаются сплошному неразрушающему контролю;

75 % от указанных в табл. 1 - 4 значений, если отливки не подвергаются сплошному неразрушающему контролю.

5.6. Для стальных деталей, работающих в условиях ползучести при разных за расчетный ресурс расчетных температурах, за допускаемое разрешается принимать напряжение [σ]_е, вычисляемое по формуле

где τ₁, τ₂ ,..., τ_n - длительность периодов эксплуатации деталей с температурой стенки соответственно t₁, t₂,..., t_n, ч; [σ]₁, [σ]₂,..., [σ]_n - номинальные допускаемые напряжения для расчетного ресурса при температурах t₁, t₂,..., t_n, МПа;  - общий расчетный ресурс, ч; m - показатель степени в уравнении длительной прочности стали.

Для углеродистой и легированной жаропрочной сталей допускается принимать m = 8. Периоды эксплуатации при разной температуре стенки рекомендуется принимать по интервалам температуры в 5 или 10 °С.

5.7. Расчетные характеристики прочности и номинальные допускаемые напряжения следует принимать для расчетных температур стенки, определенных согласно разделу 4.

5.8. При определении допустимой величины пробного давления допускаемое напряжение должно приниматься согласно табл. 6.

Таблица 6

Формулы для определения допускаемого напряжения [σ]_h при вычислении пробного давления

* Условие используется, если в стандартах или технических условиях на металл характеристики нормированы.

5.9. При расчете стальных деталей, работающих под наружным давлением, допускаемое напряжение должно быть уменьшено в 1,2 раза по сравнению со случаем, когда используются формулы расчета по внутреннему давлению (например, для дымогарных труб).

6. ТОЛЩИНА СТЕНКИ И ПРИБАВКИ

6.1. Расчетная толщина стенки s_R, вычисленная по формулам ОСТ 108.031.09-85, должна определяться по заданным значениям расчетного давления и номинального допускаемого напряжения с учетом ослабления отверстиями и (или) сварными соединениями.

6.2. Номинальная толщина стенки s должна приниматься по расчетной толщине стенки с учетом прибавок, указанных в пп. 6.5 и 6.6, с округлением до ближайшего большего размера, имеющегося в сортаменте толщин соответствующих полуфабрикатов. Допускается округление в меньшую сторону не более 3 % от принятой окончательно номинальной толщины стенки.

6.3. Допустимая толщина стенки [s] должна определяться по расчетной толщине стенки с учетом эксплуатационной прибавки с₂, определяемой согласно пп. 6.5 и 6.7.

6.4. фактическая толщина стенки s_f, полученная непосредственными измерениями 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 %.

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

на прибавку c₁ (производственная прибавка), компенсирующую возможное понижение прочности 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 c₂ 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 должна приниматься с учетом указаний «Теплового расчета».

Сумма прибавок с = c₁ + c₂ должна быть не менее минимальных значений, указанных в ОСТ 108.031.09-85 и относящихся к расчету конкретных деталей.

6.6. Производственная прибавка c₁ состоит из прибавки, компенсирующей минусовое отклонение c₁₁, и технологической прибавки c₁₂: c₁ = c₁₁ + c₁₂.

Значение прибавки c₁₁ следует определять по предельному минусовому отклонению толщины стенки, установленному стандартами или техническими условиями на полуфабрикаты; значение прибавки c₁₂ должно определяться технологией изготовления детали и принимается по техническим условиям на изделие.

Для прямых труб и обечаек, подвергающихся на предприятии-изготовителе механической обработке, c₁₁ = 0; для деталей, деформирование которых при изготовлении не приводит к ослаблению стенки заготовки, c₁₂ = 0.

6.7. Эксплуатационная прибавка состоит из прибавок, компенсирующих понижение прочности по пароводяной стороне c₂₁ и со стороны газов c₂₂.

Значение прибавки c₂₁ 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 c₂₁ на расчетный ресурс 10⁵ ч должно определяться по табл. 7.

При расчетном ресурсе более 10⁵ ч прибавку c₂₁ 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.

Таблица 7

Прибавка c₂₁, мм

Примечание. Для опускных и перепускных труб наружным диаметром более 76 мм при рабочем давлении котла от 8 до 20 МПа (от 80 до 200 кгс/см²) следует принимать прибавку c₂₁ от 1 до 3 мм в зависимости от опыта эксплуатации котла данного типа, что должно быть согласовано с базовой организацией по стандартизации.

Таблица 8

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

При расчетном ресурсе менее 10⁵ ч прибавку c₂₁ допускается принимать уменьшенной пропорционально ресурсу.

Значение прибавки c₂₂ для необогреваемых деталей равно нулю.

Значение прибавки c₂₂ для обогреваемых деталей должно приниматься в зависимости от температуры наружной поверхности детали, вида топлива и металла детали. Для определения прибавки c₂₂ температура наружной поверхности деталей должна сравниваться с допустимой температурой, значения которой приведены в табл. 8. 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].

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 c₂₂ для ресурса 10⁵ ч должно приниматься минимальным из условий:

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

c₁ + c₂ > 0,5 мм;

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

c₁ + c₂ > 1,0 мм;

Для обогреваемых углеродистых труб общего назначения (например, из стали марки ВСт3пс) прибавка c₂₂ 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 применение деталей с температурой наружной поверхности выше допустимой, но не более чем на 30 °С, при условии увеличения значения прибавки c₂₂ 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 c₂₂ 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 котла, значения прибавки c₂₂ должны приниматься равными 0,5 значения, определяемого для обогреваемых труб при той же расчетной температуре наружной поверхности.

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

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

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рекомендуемое

Номинальные допускаемые напряжения [σ], МПа (кгс/мм²), для расчетного ресурса 3 ^. 10⁵ ч