ПНСТ 720-2023
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Нефтяная и газовая промышленность
СИСТЕМЫ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ
Расчет усталостной прочности райзера. Методические указания
Petroleum and natural gas industry. Subsea production systems. Riser fatigue calculation. Recommended practice
ОКС 75.020
Срок действия с 2023-09-30
по 2026-09-30
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Газпром 335" (ООО "Газпром 335")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 023 "Нефтяная и газовая промышленность"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 6 сентября 2023 г. N 32-пнст
Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).
Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: inf@gazprom335.ru и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112 Москва, Пресненская набережная, д.10, стр.2.
В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты" и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)
Введение
Создание и развитие отечественных технологий и техники для освоения шельфовых нефтегазовых месторождений должно быть обеспечено современными стандартами, устанавливающими общие правила и положения для проектирования, строительства и эксплуатации систем подводной добычи. Для решения данной задачи Министерством промышленности и торговли Российской Федерации и Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии реализуется "Программа по обеспечению нормативной документацией создания отечественной системы подводной добычи для освоения морских нефтегазовых месторождений". В объеме работ программы предусмотрена разработка национальных стандартов и предварительных национальных стандартов, областью применения которых являются системы подводной добычи углеводородов.
Целью разработки настоящего стандарта является разработка методических указаний в части выполнения расчетов усталостной прочности райзера.
1 Область применения
1.1 Настоящий стандарт устанавливает правила по расчету усталостной прочности райзеров, применяемых в системах подводной добычи углеводородов.
1.2 Настоящий стандарт распространяется на стальные райзеры, стальные элементы гибких райзеров и шлангокабелей.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 25.502 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость
ГОСТ 25.504 Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости
ГОСТ 25.507 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытаний на усталость при эксплуатационных режимах нагружения. Общие требования
ГОСТ 23207 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения
ГОСТ Р 55311 Нефтяная и газовая промышленность. Сооружения нефтегазопромысловые морские. Термины и определения
ГОСТ Р 57180 Соединения сварные. Методы определения механических свойств, макроструктуры и микроструктуры
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 термины по ГОСТ Р 55311, ГОСТ 25.504, ГОСТ 25.502, ГОСТ 23207, ГОСТ Р 57180, ГОСТ 25.507, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 глобальный расчет: Расчет райзерной системы, при котором вычисляют распределения изгибающего момента и осевого усилия от действия функциональных нагрузок, движений плавучей установки и нагрузок от окружающей среды.
3.2 допуск на коррозию: Дополнительная толщина, добавляемая к толщине основного металла для компенсации его потери вследствие коррозии/эрозии/износа.
3.3 классы безопасности: Категории, принятые для классификации степени безопасности райзерных систем.
3.4 колебания плавучей установки с частотой волн: Колебания, вызванные прямым воздействием волн первого порядка на плавучую установку.
3.5 коэффициент запаса на основе анализа рисков: Коэффициент запаса по устойчивости, полученный на основе анализа определенного риска.
3.6 коэффициент запаса по усталости: Коэффициент запаса по усталостной долговечности, используемый в расчетах.
3.7 коэффициент концентрации напряжений: Отношение напряжения в критической области конструкции к локальному номинальному напряжению.
3.8 критическая область: Область в конструкции, где вследствие воздействия колебаний напряжений и геометрических особенностей (наличие сварного шва или надреза) может начинаться зарождение усталостной трещины.
3.9 механика разрушения: Раздел физики твердого тела, описывающий поведение и прочность компонентов (деталей) с трещинами.
3.10 нагрузки от воздействия окружающей среды: Нагрузки, обусловленные воздействием окружающей среды (волны, течение, ветер, лед и землетрясение и т.д.).
3.11 напряжение критической области: Величина напряжения конструкции на поверхности в критической области.
3.12 неразрушающий контроль: Испытания и контроль сварных соединений или основного материала неразрушающими методами (рентгенография, ультразвуковой контроль и пр.).
3.13 нормальная эксплуатация: Работа райзерной системы в условиях установившегося потока во всем диапазоне скоростей потока.
3.14 остаточный срок эксплуатации: Время, в течение которого компонент будет находиться в эксплуатации с настоящего момента.
3.15 отказ: Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
3.16 пакетный райзер: Райзерная система, состоящая из нескольких вертикальных райзеров (как правило, до 20 райзеров).
3.17 правило Пальмгрена-Майнера: Правило, при котором усталостное разрушение происходит тогда, когда линейное суммирование повреждений для различных циклов нагружения достигает единицы.
3.18 предшествующий срок эксплуатации: Время, в течение которого компонент находился в эксплуатации с момента его установки.
3.19 размах напряжений: Разница между максимальным напряжением и минимальным напряжением в цикле нагружения.
3.20 секция райзера: Участок трубы с коннекторами на каждом конце.
3.21 система натяжения райзера: Устройство, обеспечивающее натяжение райзерной колонны с целью компенсации относительного вертикального перемещения плавучей установки.
3.22 смещение плавучей установки: Общее смещение плавучей установки, учитывающее среднее значение смещения и колебания с частотой волн, а также низкочастотные колебания под действием ветра и волн.
3.23 среднее смещение плавучей установки: Смещение, вызванное постоянными силами от действия течения, ветра и волн.
3.24 срок эксплуатации: Промежуток времени, в течение которого предполагается эксплуатация компонента.
3.25 сумма Майнера: Суммирование индивидуальных степеней усталостной повреждаемости, вызываемых каждым циклом нагружения или блоком размаха напряжений, в соответствии с правилом Пальмгрена-Майнера.
3.26 увеличенный срок эксплуатации: Срок эксплуатации компонента, увеличенный относительно запланированного при проектировании первоначального срока эксплуатации.
3.27 усталостная долговечность: Количество циклов нагружения при конкретной амплитуде, требуемое для появления усталостного разрушения данного компонента.
3.28 усталостная повреждаемость: Отношение количества циклов приложения нагрузки и соответствующего количества циклов до разрушения при постоянной амплитуде напряжения.
3.29 усталость: Процесс накопления повреждений под действием переменных нагрузок.
3.30 установка: Операция, связанная с установкой райзерной системы (спуск, посадка и соединение).
3.31 цикл нагружения: Некоторая часть истории нагружения, содержащая максимальное и минимальное значения напряжений.
3.32 кривая S-N: Графическое представление зависимости количества циклов до разрушения от размаха напряжений.
4 Обозначения и сокращения
4.1 В настоящем стандарте использованы следующие сокращения:
КЭ - конечный элемент/конечно-элементный;
МКЭ - метод конечных элементов;
ПО - программное обеспечение;
CF - поперечный поток;
DFF - коэффициент запаса по усталости;
IL - продольный поток;
SCF - коэффициент концентрации напряжений;
CFD - вычислительная гидродинамика.
4.2 В настоящем стандарте применены следующие обозначения:
| - | значительная высота волны, м; |
| - | период пика спектра волнения, с; |
| - | высота волны, м; |
| - | период волны, с; |
| - | вероятность наступления состояния моря; |
| - | толщина стенки трубы, мм; |
| - | толщина стенки трубы, используемая в усталостных расчетах, мм; |
| - | номинальная толщина стенки трубы, мм; |
| - | допуск на коррозию, мм; |
| - | нормативное значение толщины стенки трубы, мм; |
| - | поправочный коэффициент на толщину стенки трубы; |
| - | наружный диаметр стального райзера, мм/усталостное повреждение; |
| - | эффективное натяжение, Н; |
| - | изгибающий момент относительно локальной оси координат у, Н·мм; |
| - | изгибающий момент относительно локальной оси координат z, Н·мм; |
| - | момент инерции сечения, мм |
| - | количество циклов нагружения до отказа с постоянным размахом напряжений S; |
| - | параметры, характеризующие пересечение кривой S-N с осью log N; |
| - | параметры, характеризующие угол наклона кривой S-N; |
| - | размах напряжений в критической области, МПа; |
| - | номинальный размах напряжений, МПа; |
| - | показатель толщины; |
| - | значение напряжений в точке пересечения участков билинейной кривой S-N, МПа; |
| - | количество циклов, при котором изменяется наклон кривой S-N; |
| - | накопленное усталостное повреждение; |
| - | усталостная долговечность, год; |
| - | время работы компонента/узла (срок службы), год; |
| - | накопленное усталостное повреждение за один год (долговременное); |
| - | кратковременное усталостное повреждение в критической области/внутренний диаметр, мм; |
| - | количество циклов нагружения с размахом напряжений S в критической области; |
| - | количество дискретных состояний моря/волн, описываемых диаграммой рассеивания; |
| - | накопленное усталостное повреждение вследствие вибраций, вызванных вихреобразованием; |
| - | коэффициент запаса по усталости для вибраций, вызванных вихреобразованием; |
| - | накопленное усталостное повреждение вследствие вибраций за время экстремального кратковременного события; |
| - | коэффициент запаса по усталости для вибраций экстремального кратковременного события; |
| - | средняя частота циклов напряжений, Гц; |
| - | плотность распределения вероятности циклов напряжений; |
| - | нормализованный усталостный коэффициент использования; |
| - | случайное усталостное повреждение; |
| - | основное усталостное повреждение с заданными параметрами, используемыми при усталостном расчете конструкции; |
| - | неопределенность модели; |
| - | случайные переменные, которые вносят неопределенность при оценке усталостного повреждения; |
| - | фактор относительной значимости для случайной переменной; |
| - | расчетный срок эксплуатации, год; |
| - | увеличенный срок эксплуатации, год; |
| - | предшествующий срок эксплуатации, год; |
| - | остаточный срок эксплуатации, год; |
| - | вычисленное усталостное повреждение за год в течение предшествующего периода эксплуатации; |
| - | вычисленное усталостное повреждение за год в течение остаточного периода эксплуатации; |
| - | максимальные локальные напряжения, МПа; |
| - | частота пересечения нулевого значения отклика напряжений, Гц; |
| - | характерный размах напряжений для высокочастотного отклика, МПа; |
| - | характерный размах напряжений для низкочастотного отклика, МПа; |
| - | количество циклов для высокочастотного отклика; |
| - | количество циклов для низкочастотного отклика; |
| - | расчетное усталостное повреждение для высокочастотного отклика; |
| - | расчетное усталостное повреждение для низкочастотного отклика; |
| - | эффективная скорость потока, м/с; |
| - | длина возбуждения, м; |
| - | частота вихревого потока, Гц; |
| - | гидродинамический наружный диаметр, м; |
| - | эффективное число Струхаля для осциллирующих цилиндров; |
| - | частота поперечного вихревого потока, Гц; |
| - | частота продольного вихревого потока, Гц; |
| - | среднеквадратическое значение амплитуды отклика поперечного потока, отнесенное к гидродинамическому диаметру; |
| - | среднеквадратическое значение амплитуды отклика продольного потока, отнесенное к гидродинамическому диаметру; |
| - | среднеквадратическая амплитуда i-й моды поперечного потока, м; |
| - | среднеквадратическая амплитуда i-й моды продольного потока, м; |
| - | модуль упругости, МПа; |
| - | наружный диаметр трубы, мм; |
| - | оси локальной системы координат сечения трубы; |
| - | спектральный момент порядка n; |
| - | номинальные напряжения, МПа/среднеквадратическое отклонение; |
| - | осевые напряжения, МПа; |
| - | осевые напряжения, вызванные действием изгибающего момента и зависящие от угловой координаты, МПа; |
| - | угловая координата в полярной системе координат сечения трубы, °; |
| - | кривизна относительно локальной оси координат y, 1/мм; |
| - | кривизна относительно локальной оси координат z, 1/мм; |
| - | эффективная кривизна, 1/мм; |
| - | кривизна i-й формы, 1/мм; |
| - | поправочный коэффициент отклонения; |
| - | коэффициент запаса по усталости; |
| - | коэффициент класса безопасности; |
| - | неопределенность в усталостном повреждении; |
| - | неопределенность в нормализованной усталостной постоянной (в логарифмических координатах); |
| - | параметр полосы частот; |
| - | среднеквадратическое отклонение напряжений, МПа. |
, 
, 
, 
, 
, 
Попробуйте «Техэксперт: Лаборатория. Инспекция. Сертификация» бесплатно