Как рассчитать рабочее давление стальной трубы: формула и пример расчета

Какие данные нужны для расчета давления

Чтобы рассчитать, какое давление выдерживает труба, сначала собирают исходные данные. Для инженерного расчета важны не только размеры изделия, но и характеристики материала.

Допускаемое напряжение выбирают для конкретной стали и расчетной температуры. Нельзя просто взять предел прочности из справочника и использовать его в формуле.

Для бесшовной трубы коэффициент прочности соединения обычно принимают равным единице, если применяемая нормативная методика не устанавливает иное. У электросварной трубы необходимо учитывать характеристики сварного соединения.

Формула расчета прочности трубы на внутреннее давление

Расчет прочности трубы на давление выполняют по нормативной методике. Для технологических трубопроводов требования к определению толщины стенки и проверке прочности содержит ГОСТ 32388-2013. Стандарт распространяется на трубопроводы, работающие в том числе под внутренним давлением.

Для прямой трубы допускаемое давление можно определить по формуле:

[p] = 2 × φ × [σ] × (s − c) / (Dn − (s − c))

Здесь [p] ‒ допускаемое давление, МПа; Dn ‒ наружный диаметр; s ‒ номинальная толщина стенки; c ‒ суммарная прибавка; [σ] ‒ допускаемое напряжение материала; φ ‒ коэффициент прочности соединения.

Важный момент: в расчет входит не вся номинальная стенка, а величина s − c. Прибавка учитывает факторы, которые уменьшают эффективную толщину металла, в том числе предполагаемый коррозионный износ.

Совет эксперта. Не подменяйте расчетное давление рабочим. Рабочее характеризует нормальный режим системы, а расчетное выбирают для проверки прочности с учетом возможных режимов работы оборудования. Для технологических трубопроводов ГОСТ 32569-2013 отдельно определяет порядок выбора расчетного давления.

Пример расчета давления стальной трубы

Рассмотрим условный пример для трубы 108×4 мм. Возьмем наружный диаметр 108 мм, стенку 4 мм, допускаемое напряжение 140 МПа, коэффициент φ = 1 и суммарную прибавку 0,5 мм.

Эффективная толщина стенки:

4 − 0,5 = 3,5 мм.

Подставляем данные:

[p] = 2 × 1 × 140 × 3,5 / (108 − 3,5) = 9,38 МПа.

То есть расчетное допускаемое давление в данном примере составляет около 9,4 МПа.

Это именно иллюстрация работы формулы, а не универсальное значение для любой трубы 108×4 мм. Если изменится марка стали, температура, прибавка к стенке или коэффициент прочности соединения, результат станет другим.

Поэтому на вопрос «какое давление выдерживает труба 108×4 мм» нельзя корректно ответить только по размеру.

Подробнее факторы, влияющие на давление стальной трубы, разобраны в материале «Какое давление выдерживают стальные трубы»:

Бесшовные трубы

Горячедеформированные трубы

Холоднокатаные трубы

Электросварные трубы

Газлифтные трубы

Котельные трубы

Толстостенные трубы

Хладостойкие трубы

Нефтепроводные трубы

Нержавеющие трубы

Трубы большого диаметра

Трубы термообработанные

Что влияет на допустимое давление

• Толщина стенки. Чем больше рабочая толщина металла при том же диаметре, тем выше сопротивление внутреннему давлению.

• Диаметр. При одинаковой стали и стенке увеличение наружного диаметра снижает допускаемое давление.

• Температура. При нагреве расчетные характеристики многих сталей меняются, поэтому допускаемое напряжение выбирают для заданной температуры.

• Коррозия. Потеря части стенки во время эксплуатации уменьшает запас по толщине.

• Тип трубы. Для электросварного изделия в расчете учитывают прочность соединения. Бесшовный способ производства исключает продольный сварной шов, но сам по себе не дает оснований назначать любое рабочее давление.

Совет эксперта. Не смешивайте расчет прочности трубы и гидравлический расчет трубопровода. Потеря давления, напор воды, скорость потока и внутренний диаметр относятся к гидравлике. Формула прочности отвечает на другой вопрос: выдерживает ли стенка заданную нагрузку.

Как подобрать трубу по результатам расчета

После расчета инженер сопоставляет требуемые параметры с сортаментом, ГОСТ или техническими условиями и сертификатом на конкретную продукцию. Для системы важна прочность не только прямого участка: отдельно проверяют соединительные детали, арматуру, сварные соединения и другие элементы.

Если по проекту нужна труба без продольного сварного шва, подходящие бесшовные трубы можно посмотреть в каталоге ИНОКС: https://inoks.ru/truby-po-tipu/besshovnye-truby/

На складе ИНОКС в Челябинске находится около 950 тонн трубной продукции. Для подбора по готовой спецификации достаточно передать диаметр, толщину стенки, марку стали и требуемый стандарт.

Итог

Расчет прочности трубы начинается не с таблицы готовых значений, а с исходных данных. Диаметр и стенка задают геометрию, свойства стали и температура определяют допускаемое напряжение, а прибавка учитывает уменьшение эффективной толщины. После расчета полученное значение сравнивают с расчетным давлением трубопровода и проверяют остальные элементы системы.