Нефтяные аппараты и металлоконструкции

Введение

Конструктору нефтяного статического оборудования (аппаратов емкостного и колонного типов, теплообменных аппаратов, аппаратов воздушного охлаждения) необходимо иметь представление о металлоконструкциях технологических установок, в которых размещаются аппараты и о металлоконструкциях резервуаров. В целом металлоконструкции установок можно разделить на два типа: стержневые конструкции промышленных этажерок, на которые монтируются аппараты и листовые конструкции резервуаров.

Компетенции по металлоконструкциям необходимы для проектирования аппаратов в блочном исполнении (аппарат с обвязкой размещается внутри стрежневого каркаса металлоконструкции) и для решения вопросов, возникающих при комплексном проектировании технологических установок.

Отдельный интерес представляет тема возможности изготовления аппаратов на сравнительно низкое давление в виде металлоконструкций (поставка по договору как металлоконструкции) с оформлением чертежей по системе строительной документации (марки «КМ» и «КМД»). Изготовление аппаратов в этом случае производится вне заводов нефтяного машиностроения на монтажной площадке на основании плана производства работ. В практике существует подход, по которому крупногабаритные аппараты колонного типа поставляются частями на монтажную площадку и собираются с выполнением монтажных сварных швов.

На заводах нефтяного машиностроения, как правило, для аппаратов колонного типа изготавливается только корпус. Внутренние устройства от фирмы-изготовителя поставляются на площадку отдельно и монтируются в выставленном на фундамент аппарате.

Для аппаратов высокого давления до 130 МПа в нормах приведен тип оболочки корпуса, получаемой разворачиванием рулона. Операцией разворачивания рулона также строят резервуары больших объемов для нефтебаз.

Можно сделать вывод о том, что выполнение технологических операций по сборке сваркой из готовых деталей корпуса возможен как в условиях цеха завода, так и в условиях монтажной площадки. Но изготовление на монтажной площадке сложнее и более затратное, поэтому аппараты поставляют в максимальной заводской готовности.

Отдельным является вопрос о разнице в нормах на проектирование, прочностной расчет, изготовление и приемку для сосудов под давлением и металлоконструкций резервуаров.

Аппарат, не проходящий по своим техническим характеристикам (давление и др.) по нормам на металлоконструкции, не может быть к ним отнесен и является сосудом под давлением, то ест статическим оборудованием.

Знания об отнесении аппаратов к сосудам или резервуарам могут понадобиться для решения вопросов при необходимости сборки аппарата на монтаже по условиям перевозки или другим условиям. А также при проектировании вертикальных аппаратов емкостного типа сравнительно большого объема внутреннего пространства.

На аппараты по ЕСКД разрабатывается технический проект в институте, а затем в отделе Главного конструктора на заводе нефтяного машиностроения разрабатывается рабочая конструкторская документация (РКД). Задание на проектирование выдается инженером-технологом нефтепереработки с указанием габаритных размеров аппарата, расположения штуцеров и внутренних устройств. Более подробно процесс разработки проектной документации описан в [10].

Чертежи на аппараты разрабатываются в виде плоских чертежей в программах AutoCAD или Компас.

При компоновке технологической установки в программе трехмерного моделирования, например, AVEVA PDMS или AutoCAD Plant, для аппарата в программе строится 3D-модель и размещается на металлоконструкции.

Для детальной проработки конструкции аппарата в 3D используются программы твердотельного моделирования. Распространение получили программы Solid Works и Компас.

Различие между 3D моделями в программах твердотельного моделирования и программах компоновки установок состоит в том, что в модель установки вносится модель аппарата, построенная упрощенно в виде сопряжения примитивов. За счет этого достигается возможность работы со сборкой большой технологической установки.

В программах твердотельного моделирования выполняется детальная разработка конструкции. Такие программы не смогут обеспечить работу с трехмерной моделью установки за счет его размера одновременно детальной проработки всех конструкций.

В общем случае для расчета на прочность на современном техническом уровне проектирования необходимо использовать компьютерную программу автоматизации расчетов по нормам, например, ПАССАТ (является стандартом по умолчанию для прочностных расчетов и позволяет рассчитывать сосуды и резервуары). В отдельных случаях применяю пакеты программ по методу конечных элементов, для которых стандартом по умолчанию является программа ANSYS. Программа расчета методом конечных элементов должна иметь документ, подтверждающий возможность её применения для расчета аппаратов.

Металлоконструкции этажерок рассчитывают на прочность в специализированных программах, например, ЛИРА или «SCAD». Для подробной разработки конструкции и подготовки чертежей «КМД» используется программа, такая как «TEKLA».

В настоящее время введена «BIM» технология, состоящая в построении 3D-модели установки и использовании ее во время эксплуатации для решения различных вопросов, например, вопросов анализа по обслуживанию и возможным поломкам (анализ по 3D-модели без проведения исследования частей реальной конструкции).

Благодарности

Посвящается Богу Отцу,

выражаю благодарность моей маме Татьяне Викторовне, работавшей в нефтяном машиностроении.

Типы металлоконструкций в нефтепереработке

Технологические установки являются сооружениями, расположенными на открытом воздухе. Основным типом металлоконструкций, определяющих форму установки, является открытая этажерка металлоконструкция. Этажерки являются стержневыми металлоконструкциями и состоят конструктивно из колонн с установленными на них балками, образующими рамы этажерок. Подробно конструкции этажерок описаны в работе Мельникова [1].

Сечения стержней может быть из профильного проката или составным, как указывает автор [2]:

Сечение балки может быть выполнено из разных материалов, в результате чего на наиболее нагруженных участках применяется сталь с высокими механическими свойствами. Применяют балки с установленными ребрами, в которых используется закритическая работа стенки (растянутые участки стенки являются растянутыми раскосами, ребра являются сжатыми стойками) [2]:

Главные балки рамы закладывают из проката с большими номерами или делают с составным сечением, для вспомогательных балок используют прокат. Балки настила устанавливают после размещения технологического оборудования. Несущие основные балки располагают по расположению колонн.

Настил опирается на балки балочной клетки. Автор [2] указывает, что балочные клетки бывают трех типов: простые, усложненные и сложные:

– простая

– усложненная (положение балок этажное, одноуровневое и пониженное)

– сложная

Балки рассматриваются отдельно. Нагрузка передается от настила на балки настила, затем на главные балки, дальше на колонны.

Настил рассчитывается отдельно на изгиб. В зависимости от толщины по схеме изгиба балки с распором (осевым усилием) или без распора.

Расчет статически неопределимых систем выполняется методом конечных элементов. Теория расчета методом сил и методом перемещений приведена в учебнике Рабиновича [12]. Знание теории необходимо для более глубокого понимания методик расчетов стержневых металлоконструкций. Статически неопределимая система получается из статически определимой системы добавлением дополнительных связей. Связи добавляются конструктивно для обеспечения пространственной жесткости и прочности стержневой металлоконструкции.

Балки металлоконструкций могут быть двух опорными или многоопорными неразрезными. Расчет многоопорных балок подробно приведен в работе Беляева [13].

Колонны делят на центрально сжатые и внецентренно-сжатые конструкции.

В центрально сжатых колонная осевая нагрузка передается по оси колонны на фундамент. Сечение колонн может быть сплошным из прокатного профиля или сквозным из ветвей, соединенных пластинами или уголками.

Колонна конструктивно состоит из базы, стержня и оголовка [2]:

При проектировании колонны обеспечивается устойчивость колонны. Для этой цели применяют сквозные сечения.

В работе [2] приводятся варианты сплошного сечения колонн:

Сквозное сечение состоит из разнесенных прокатных профилей на расстояние, при котором свободная гибкость меньше гибкости по материальной оси. Подробно – см. работу [2].

Опорная плита рассчитывается на изгиб. Размеры рассчитываются по условию смятия бетона под плитой.

Толщина пластины оголовка колонны назначается конструктивно. Для равномерной передачи контактным давлением нагрузки через плиту оголовка на торцы ветвей колонны, торцы механически обрабатывают (фрезеруют) в размер с минимальным сбегом допусков. Или используют подкладки из пластин.

Технологическое оборудование при разработке монтажно-технологической компоновки установки размещают на высотных отметках. Под эти отметки выполняют этажерки, в которых будет размещаться оборудование с обвязкой. Пример конструкции рамы приведен Мельниковым [1]:

Схема коксовой камеры на стержневой металлоконструкции из работы Капустина и Рудина [15]:

Мельников приводит схему этажерки [1]:

Внецентренно-сжатые колонны используются в случае установки на них путей под пролетный кран, например, в насосной станции. Внецентренно-сжатые колонны могут иметь конструктивное исполнение с одинаковым по высоте сечением или изменяющимся. Крановые балки могут устанавливаться на отдельные колонны.

Другим типом металлоконструкций являются металлоконструкции для обслуживания аппаратов, устанавливаемые, в том числе на корпуса аппаратов – площадки обслуживания, лестницы, ограждения.

Резервуары относятся к сплошным металлоконструкциям (листовым).

Принципиальное различие в технологии изготовления аппаратов на заводах нефтяного машиностроения и в полевых условиях состоит в том, что в заводских условиях аппарат изготавливают методом обечаек (в горизонтальном положении используя приспособления роликовые опоры и посты автоматической сварки). На монтажной площадке аппарат аналогично резервуару в основном собирается в вертикальном положении.

Монтаж металлоконструкций состоит из операций:

– выполнение фундамента и колонн первого яруса,

– монтаж этажерок,

– монтаж оборудования и трубопроводов на этажерки.

Для монтажа этажерок могут быть использован вертикальный или по ярусный способы монтажа. По ярусный способ монтажа обеспечивает равномерную жесткость каркаса во время возведения сооружения.

Из грузоподъемной техники применяются башенные краны и стреловые.

Проектирование стержневых каркасных металлоконструкций

При проектировании металлоконструкции этажерки разрабатываются оси стержней каркаса. По осям располагают профили и подбирают сечение. Для жесткости в каркас вводят связи и фермы. После этого выполняется расчет на прочность каркаса.

Стержневые системы этажерок являются статически неопределимыми системами и выполняются в специальных компьютерных программах методом конечных элементов.

Отметим, что для расчета, как правило, используются строительные программные пакеты, в которых данные передаются в программный пакет трехмерной компоновки. В универсальных пакетах расчета методом конечных элементов расчет, как правило, не выполняется.

Установка проектируется в специальных программах 3D моделирования, например, AVEVA PDMS, Revit. Сравнение программ AVEVA PDMS и AutoCAD Plant представлено в работе [14].

Полученная модель относится к BIM технологии, являющейся аналогом PLM технологии в машиностроении. То есть получается цифровой двойник установки, который используется в процессе эксплуатации для изучения объекта, анализа возможных поломок и др.

В программах инженером задаются оси стержней (швеллеров и др.), по которым программа автоматически добавляет стержень с выбранным сечением. В программе можно проверить правильность выполнения узлов сопряжения стержней в узловых точках рам.

После компоновки в 3D металлоконструкция передается в программу или модуль прочностного расчета. После выполнения расчетов и определения сечений данные из программы (например, Лира) возвращаются обратно в 3D программу для подготовки чертежей «КМ» и «КМД» (а также «КЖ»).

Этажерка рассчитывается на следующие виды нагрузок:

– нагрузки в линейной и нелинейной постановке задачи,