4. Коэффициенты запаса прочности и допускаемые напряжения

Прочность элементов конструкций теплоэнергетического оборудования является одним из определяющих условий надежности, закладываемых на стадии проектирования. Порядок расчета на прочность регламентируется различными нормативными документами, отраслевыми стандартами и др.

Важнейшие исходные показатели при выполнении расчетов на прочность  коэффициент запаса прочности (запас прочности) и допускаемое напряжение. Коэффициент запаса прочности необходимо выбирать с тем расчетом, чтобы был обеспечен определенный запас против появления предельного состояния материала, характеризуемого величиной s_пред. В качестве s_пред принимается:

• s_т (s_0,2)  предел текучести для пластического состояния материала;

• s_в  временное сопротивление при разрушении (появлении трещины) для хрупкого состояния материала;

• s_r  предел выносливости при появлении трещин усталости.

Коэффициентом запаса прочности п называется отношение предельного напряжения для данного материала к максимальному эквивалентному напряжению: n = s_пред/s_экв. В практике инженерных расчетов используется также понятие коэффициента запаса по долговечности n₁  отношение времени t_пред, за которое происходит разрушение, к плановому сроку эксплуатации t₀:

В расчетах на прочность элементов конструкций теплоэнергетического оборудования и в машиностроении основным является расчет по допускаемым напряжениям. Критерием надежности конструкции будет выполнение условия прочности

s_max £ [s], (49)

где [s] = s_пред/[n]  допускаемое напряжение; [n]  нормативный коэффициент запаса прочности.

Выбор допускаемого напряжения и соответственно нормативного коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов:

• достоверности сведений о механических характеристиках материалов;

• технологических допусков на размеры элементов конструкции;

• изменения свойств материалов во время эксплуатации;

• точности расчетного и экспериментального определения напряжений и деформации;

• допускаемых отклонений параметров нагружения в режиме эксплуатации.

При установлении запаса прочности учитывается назначение конструкции, последствия, к которым может привести ее разрушение. По мере накопления опыта проектирования, эксплуатации и совершенствования методик расчета значения коэффициентов запаса прочности уточняются. На определенный период времени эти значения устанавливаются стандартами и нормами.

Необходимо принять во внимание, что нагрузки, свойства материалов и условия эксплуатации конструкции не являются детерминированными величинами, их значения определяются с некоторой степенью вероятности. Для получения достоверных представлений о значениях допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности, необходимо учитывать их статистическую природу.

Значения нормативного коэффициента запаса прочности приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Нормативные коэффициенты запаса

Характер нагрузки	Состояние материала	[n]
Статическая Ударная Переменная	Пластичный материал Хрупкий материал Пластичный материал Пластичный материал (сталь)	2,4-2,6 3,0-9,0 2,8-5,0 5,0-15,0

Эти значения носят ориентировочный характер; они дают представление об изменении нормативного коэффициента запаса в зависимости от различных факторов.