Расчет нефтяных аппаратов методом конечных элементов

Введение

В настоящей краткой монографии рассмотрена проблема расчета сосудов и аппаратов до 21МПа и сосудов высокого давления до 130МПа по методу конечных элементов (МКЭ).

Проведено историческое прочтение расчетов по нормам и занимаемое в этом контексте место расчётов по МКЭ, их интеграцию в нормативные расчеты.

Сравнены теории в основании расчетов по нормам и МКЭ: теория тонких оболочек, осесимметричная задача теории упругости, трехмерная (пространственная) задача теории упругости. Сделан вывод о предпочтении решения проблем прочности сосудов на основе трехмерной задачи теории упругости.

Приведено построение расчетов МКЭ на основе сравниваемых теорий, сделан вывод о предпочтении расчета сосуда как трехмерного тела с использованием трёхмерных конечных элементов (с решением пространственной задачи теории упругости).

Сформулирован стандарт по умолчанию для расчетов аппаратов по МКЭ.

Рассмотрен вопрос совместного применения расчетов МКЭ и данных нормативной методики.

Книга предназначена для инженеров-проектировщиков нефтяных, атомных, химических сосудов и аппаратов (статического оборудования).

1 История расчетов по нормам и перспективы расчетов по МКЭ

1.1 История норм нефтяных аппаратов

По данным из статьи Рачкова [1], до 1962 г. отсутствовали нормативные документы по расчету на прочность сосудов и аппаратов и вследствие этого проектными институтами использовались накопленный опыт и справочная литература. В результате такого подхода стенка сосуда не назначалась оптимальной толщины: или слишком тонкой с недостаточной прочностью или металлоемкой. В 1962 г. выпущен руководящий технический материал РТМ 42-62, в котором обобщили знания теории и результаты экспериментов, известные для того периода времени. Затем Рачков отмечает о разработке норм расчета сосудов и аппаратов высокого давления РТМ 121-65 (разработчик – институт ИркутскНИИХИММАШ, который является головной организацией по нефтяным и химическим аппаратам высокого давления).

Рачков также сообщает в статье, что при разработке РТМ 42-62 использовались нормы расчета для паровых котлов, зарубежные нормы, нормали предприятий. Металлы, используемые в нефтяном аппаратостроении испытывались на длительные и кратковременные механические. Для каждой температурной точки выполнялось более 18 образцов стали из разных плавок. Также в первых нормах приведены допускаемые напряжения (и коэффициенты запаса), методика расчета на прочность и устойчивость аппаратов.

Рачков отдельно отметил, что для методики расчета фланцевых соединений, в нагрузках на прокладку и крепеж учтены коэффициент жесткости соединения (изменение нагрузок с повышением внутреннего давления); а для кожехотрубных теплообменных аппаратов трубная решетка рассчитывается по модели пластины на упругом основании под нагрузкой от давления в трубном и межтрубном пространствах и от стесненных деформаций труб и кожуха.

Как отмечает Зусмановская С.И. в работе [2], в стандарте на аппараты стальные сварные ГОСТ 52630-2012, предел избыточного давления увеличен с 16 до 21 МПа для проектирования установок глубокой переработки нефти и изменены условия по толщинам стенок. В ГОСТ на сосуды высокого давления пределом является 130 МПа.

1.2 История норм котлонадзора

История норм котлонадзора начиная с Российской империи и до 2013 г. подробно изложена в работах [3], [4], [5].

По приведенным данным в работе[6], в Российской Империи первые нормы по котлонадзору введены в 1843 г., а в Англии позже в 1857 г.

Здесь следует выделить – в работе [4] указывается, что требование о проведении расчета котла на прочность по нормам ЦКТИ им. И.И. Ползунова было впервые введено в «Правилах Правила устройства, установки, содержания и освидетельствования паровых котлов, пароперегревателей и водяных экономайзеров» в 1950 г.

1.3 Перспективы расчетов по МКЭ

В настоящее время нефтяные аппараты сложных рассчитываются в компьютерных пакетах методом конечных элементов.

Нормативным стандартом по-умолчанию в расчетах методом конечных элементов является применяемый программный пакет.

Программа, являющаяся стандартом по-умолчанию должна как минимум отвечать следующим требованиям:

– сертификат на применение программы,

– совпадение результатов расчета с экспериментом (при корректном выполнении расчета),

– высокий уровень вычислительного функционала, заложенного в программу, выполнение междисциплинарных расчетов,

– общая известность среди инженеров по прочностным расчетам и конструкторов.

Нормативная методика расчета на прочность сосудов и аппаратов стальных сварных всё ещё применяется для расчетов. Но расчет выполняется не вручную, а с использованием компьютерных программ автоматизации расчета. Эти программы должны иметь сертификат соответствия.

В программах автоматизации расчета по нормам строится 3D-модель аппарата и выполняется её расчет по формулам нормативных методик.

В программах автоматизации расчетов по нормам могут быть встроены или применяться отдельно модули расчёта методом конечных элементов узлов врезок штуцеров и других узлов со сложной геометрией. Применение этих модулей объясняется тем, что в методике норм заложена безмоментная теория тонких оболочек (вывод формул – см. работу [7]), а для расчета узлов пересечений необходимо решать пространственную задачу теории упругости.

В работе [8] показан пример совместного применения программы автоматизации расчетов по нормативной методике PVElite (расчет по методике американских норм ASME) и программы расчета методом конечных элементов NozzlePro. Анализируя эту работу, можно сделать вывод о том, что более корректно сразу применять полноценный программный пакет по расчету методом конечных элементов взамен комбинирования двух программ. Пример расчета простого вертикального сосуда методом конечных элементов в программе SolidWorks Simulation показан Алямовским А.А. в работе [9], расчет обечайки с днищем и линзового компенсатора в работе [10].

В статье [11] Чугуновым Н.А. сообщается о применении для автоматизированного расчета по нормативной методике программ ПАССАТ и PVElite, а для решения специальных проблем, возникающих при проектировании, программных пакетов МКЭ ANSYS, COSMOS/M и Зенит 95.

Отметим, что по данным [12] в 2012 г. изготовлен реактор гидрокрекинга массой 1300 тонн при длине 40 м (масса реактора брутто на транспортере (с оснасткой и кильблоками) составила 1386 тонн). Очевидно, что аппарат с такими массо-габаритными характеристиками нужно рассчитывать на все виды нагрузок методом конечных элементов, результаты могут быть сравнены с результатами расчета по нормативной методике.

По мнению автора настоящей работы, на момент её написания, стандартом по умолчанию для расчетов методом конечных элементов является программный пакета ANSYS, а для автоматизированного расчета по нормативной методике программа ПАССАТ.

Вместе с тем, по мнению автора с развитием расчетных подходов и компьютерного оснащения рабочих мест, количество расчетов методом конечных элементов будет расти.

Антикайн в работе по котлонадзору [13] пишет, что безопасность объектов химии, нефтехимии, тепловой энергетики обеспечивается реализацией мероприятий, первыми из которых являются идея конструкции, второй – проектирование аппарата с его конструктивной реализацией. На стадии идеи конструкции главное значение имеет компетентность конструктора и расчетчика. Следующая стадия разработки регламентируются нормативно-технической документации.

При расчете конструкции аппарата методом в программном пакете методом конечных элементов, процесс проектирования не регламентируется нормами, которые используются в качестве исходных данных и как справочная информация. Но результаты расчета МКЭ могут сравниваться с результатами расчета по нормам и по нормам на атомное оборудование. И в результате этого ситуация до введения норм, когда проектировщики полагались только на собственный опыт и знания не возникает. Для возникновения такой ситуации необходимо признание результатов расчета МКЭ более достоверными, чем результаты по нормативной методике, и тогда произойдет постепенный отход от норм.