Проблемы экологии и промышленной безопасности при выборе норматитвов прочности в расчетах ответственного оборудования

В настоящее время база нормативно-технической документации при расчетах прочности представлена двумя группами. Они применяются при проектировании и оценке прочности объектов разной степени ответственности.

К одной группе относятся нормы, регламентирующие расчеты на прочность элементов оборудования, подлежащих ведению «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ГОСТ 14249-89, ГОСТ 24755-89, ГОСТ 26202-84, ГОСТ 26859-83 и др.), где представлены аналитические зависимости для расчета толщин несущих обечаек по безмоментной теории гладких оболочек и границы применимости по отношению толщины к радиусу кривизны. Однако об адекватности применения таких формул к диапазону скоростей нагружения внешними рабочими нагрузками (температурными, силами давления и т.п.) при наличии концентраторов напряжений в конструкции в указанных документах сведений  не имеется.

При обнаружении отклонений от заданных геометрических размеров, дефектов сплошности материала, необходимости продления срока службы РД 03-421-01 рекомендует выполнять оценку несущей способности и расчет остаточного ресурса эксплуатации с учетом концентраторов напряжений и влияния краевых эффектов в соответствии с ПНАЭ Г-7-002-86, включая расчеты статической прочности гладких несущих обечаек по безмоментной теории, то есть по аналитическим зависимостям аналогичным ГОСТ 14249-89. Таким образом, при проектировании оборудования общепромышленного назначения допускается использовать упрощенные нормы ГОСТ 14249-89, однако при необходимости продления эксплуатации оборудования или при обнаружении каких-либо отклонений в нагрузках (или особых случаев их сочетания), внешней геометрии, дефектов сварки и т.п. регламентируется подтверждение несущей способности (статической, циклической прочности, сопротивления хрупкому разрушению и др.) только по ПНАЭ Г-7-002-86 (см. РД 03-421-01). К сведению, можно заметить полную аналогию российских ГОСТ 14249-89 и германских норм AD Merkblatt B1/B9 и TRD 301/310.

К другой группе относятся нормы, регламентирующие расчеты на прочность элементов оборудования, работающих под давлением и подлежащих ведению «Правил устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» (ПНАЭ Г-7-002-86), «Общих положений обеспечения безопасности объектов ядерного топливного цикла» (РП-ОТ ЯТЦ-04). Российские нормы прочности по ПНАЭ Г-7-002-86 аналогичны американским нормам прочности «ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Vol. III». В случае отсутствия нормативных методов расчета тех или иных несущих элементов, согласно упомянутым спецификациям норм прочности, рекомендуется выполнять специальные расчеты с использованием численных методов, таких как метод конечного элемента или тензометрирование натурных конструкций. При этом указывается, что за правильность применения норм, выбор метода расчета для определения напряжений (деформаций, внутренних усилий) несет ответственность предприятие или организация, выполнявшие соответствующий расчет. ПНАЭ Г-7-002-86 регламентирует, чтобы выбранный метод учитывал все расчетные нагрузки, для всех расчетных случаев и давал возможность определять все необходимые расчетные группы категорий напряжений. Кроме этого, специалист, выполняющий расчеты оборудования  только по нормам прочности ГОСТ 14249-89, не освобождается от ответственности за адекватность полученных результатов расчета условию применимости использованных аналитических зависимостей. Юридически это означает только одно: «незнание законов не освобождает от ответственности». Таким образом, специалист должен иметь хотя бы минимальный уровень знаний по механике разрушения и свои результаты, а также сомнения в выполнении условий области применимости использованных норм прочности, поверял другим методом, например, методом конечного элемента (например, в ANSYS и в NASTRAN и/или в ProE), либо тензометрированием на натурных образцах.

На этапе завершения проектирования или продления срока службы в зависимости от уровня ответственности (тяжести последствий при аварийном разрушении, понесенных обществом и средой обитания) проектируемое/поверяемое оборудование подвергается прочностному расчету с выдачей заключения о степени соответствия прочности несущих обечаек в заданных режимах эксплуатации нормам прочности в течение установленного срока службы. Существующее РД 03-421-01 прямо указывает на приоритет норм ПНАЭ Г-7-002-86 в части применения их для прочностного анализа оборудования (даже если оно спроектировано в соответствии требованиям норм ГОСТ 14249-89, ГОСТ 24755-89, ГОСТ 26202-84, ГОСТ 26859-83 и др.) с отклонениями внешней формы, дефектами сварных швов и т.д., как наиболее надежного инструмента инженера-расчетчика.
Нормы ГОСТ 14249-89 используются для оценки прочности гладких обечаек в наиболее напряженной точке (опасной с точки зрения статического разрушения) по среднему значению напряжения по толщине стенки – так называемого мембранного напряжения. Других напряжений по толщине оболочки не может возникать, поскольку зависимости получены по упрощенной теории прочности – безмоментной теории гладких оболочек. В реальных обечайках под действием внутреннего давления такое напряженное состояние наблюдается только в местах удаленных от врезок, сварных швов, присоединения опор, локальных концентраторов и т.п.

Поскольку ГОСТ 14249-89 не учитывает влияние концентраторов напряжений (дефекты, остаточные напряжения, сосредоточенные нагрузки и т.д.), то разрушение конструкционного материала реального оборудования возможно в режимах импульсного нагружения несущих обечаек внешними нагрузками (импульсное давление, температурный удар, сосредоточенный механический удар). Данное обстоятельство следует учесть в требованиях по эксплуатации, а также подтвердить динамическим теплопрочностным расчетом. Так, например, с целью исключения хрупкого разрушения испытуемого изделия в Регламенте Приложения 17 ОСТ 26 291-94 указываются особые условия пуска оборудования, эксплуатируемого при отрицательных температурах и/или на открытой площадке. В нормативной документации норм прочности имеется также классификация оборудования по категориям, классам, группам опасности, однако всестороннего обоснования условий формирования таких групп в полной мере не отражено.

Основное отличие норм ПНАЭ Г-7-002-86 от ГОСТ 14249-89 заключается в том, что, кроме оценки прочности по мембранной составляющей разрушающего напряжения, аналогичной ГОСТ 14249-89, дополнительно используется оценка разрушающего напряжения по сумме мембранной и изгибной компонентам напряжений для учета влияния концентраторов напряжений и влияния краевых эффектов на прочность (статическую и циклическую) несущих элементов в режимах (статика и/или динамика) неравномерного теплового нагрева, действия сейсмических нагрузок и т.д.

При равенстве коэффициентов запасов прочности результаты расчетов по каждой группе Норм прочности (ГОСТ 14249-89 и ПНАЭ Г-7-002-86) приводят к совпадающим результатам только для случаев статически определимых конструкций, находящихся в безмоментном напряженно-деформированном состоянии, таких как нагруженные статическим (медленно изменяющимся во времени) внутренним давлением цилиндрические обечайки, выпуклые днища и конические переходы в зонах, удаленных от мест приложения сосредоточенных нагрузок, концентраторов напряжений (изменения геометрических параметров: кривизны обечаек, их толщины, узлов врезок, крепления опор и т.п., изменения механических свойств конструкционного материала несущих оболочек, зон сварных швов и т.д.).

В настоящих экономических условиях решение о соответствии выпускаемых изделий тем или другим нормам прочности (ГОСТ 14249-89 или ПНАЭ Г-7-002-86 или тензометрирование натурных образцов) приобретает новый оттенок в создании имиджа предприятия, как поставщика качественного, надежного, безопасного оборудования, имеющего гарантированный ресурс безаварийной эксплуатации. Инвестиции в технологии компьютерного анализа прочности технологического оборудования и строительных сооружений позволяют существенно повысить безопасность промышленной эксплуатации оборудования сложных производств, коренным образом изменить экологию среды обитания человека.

Для предприятий с огромным опытом эксплуатации выпускаемых однотипных изделий, по классификации подпадающих под ведение «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», при проектировании достаточно формального соблюдения требований норм прочности ГОСТ 14249-89. Снижение общественных затрат труда в этой ситуации оправдывает использование упрощенных норм прочности. Однако при выпуске новых изделий (недостаточном опыте промышленной эксплуатации) формальный подход к применению норм прочности ГОСТ 14249-89 потенциально требует подтверждения соответствия выбранных толщин несущих обечаек области применимости нормативных формул. Практически такая проверка не делается по причинам трудоемкости и недостаточной квалификации исполнителя. Правда, на это обстоятельство инспекция Ростехнадзора особого внимания не обращает, полагаясь на квалификацию специалистов предприятия. Обычно при наступлении события аварийного разрушения выясняется, что требования ГОСТ 14249-89 были нарушены в части подтверждения правильности выбора метода расчета, проверки адекватности области применения формул ГОСТ 14249-89 к спроектированному изделию. Примеров на этот счет масса: аварии несущих конструкций аквапарков, бассейнов, строительных сооружений крытых рынков, нефтепроводного оборудования, оборудования химпроизводств (см. журналы «Промышленная безопасность» и т.д.). Для ознакомления ИТР с примерами можно также рекомендовать научно-популярную книгу: В.З. Партон. Механика разрушения: от теории к практике. М., Наука, 1990 г.

Делкам-Урал предлагает уникальные виды расчетов:
 

• Расчет остаточного ресурса эксплуатации оборудования и строительных сооружений;
• Расчет нестандартного оборудования с учетом термоциклического воздействия, пневмогидравлического и сейсмического воздействий;
• Расчет нестандартного оборудования повышенной социальной ответственности.

Программное обеспечение ANSYS бессрочно аттестовано Госатомнадзором Росссии
Региcтрационный номер ПС в ЦОЭП при РНЦ КИ - 940
Регистрационный номер паспорта аттестации ПС - 145
Дата регистрации 10.09.2002

г. Екатеринбург, тел. (343) 214-46-70, факс (343) 214-46-76
e-mail: info@delcam-ural.ru, www.delcam-ural.ru