Нефтяные аппараты и металлоконструкции

– статические нагрузки с учетом температур,

– нагрузки в условиях монтажа при изменении расчетных схем,

– ветровые нагрузки,

– сейсмические нагрузки,

– колебательные нагрузки.

Можно видеть, что виды расчетов совпадают с видами расчетов сосудов под давлением колонного типа, приведенными в работе [9].

По результатам расчета выбирается сечение каждого стержня и выбирается конструкция узла сопряжения стержней. В программе выполняется подбор сечения по геометрическим характеристикам по расчету: на изгиб и кручение, на сдвиг. Также можно подобрать сечение для составного стержня из разных марок стали.

Напряжения проверяются одновременно по нескольким теориям прочности.

По результатам расчета напряжения представляются в цветовой схеме с использованием диаграммы напряжение-цвет.

Для выполнения чертежей металлоконструкций «КМД» используют специальные программы, например, TEKLA.

Проектирование металлоконструкций выполняют в одну или две стадии. Двух стадийное проектирование содержит технический проект и рабочие чертежи. При одностадийном проектировании выполняются только рабочие чертежи. Рабочие чертежи марки «КМ» выполняются проектным институтом, чертежи марки КМД выполняются заводом-изготовителем.

Чертежи «КМ» выполняются по требованиям СПДС и состоят из частей по ГОСТ 21.502 СПДС [19]:

– общих данных по чертежам «КМ»,

– чертежей общего вида металлоконструкции,

– схемы расположения элементов металлоконструкции,

– ведомостей к схемам расположения,

– чертежей элементов и узлов металлоконструкции,

– спецификации металлопроката,

– расчетов, которые по ГОСТ прикладываются в комплект по требованию.

Общие данные размещают на первых листах чертежей с данными по конфигурации металлоконструкции, нагрузкам и воздействиям на металлоконструкцию, расчетную схему, нагрузки на фундамент, нормативная документация, мероприятия по защите от коррозии, указания по изготовлению и монтажу.

На чертеже общего вида показывают схему металлоконструкции со связями, соединение частей конструкции и опора на фундамент. В ГОСТ СПДС [19] показан пример чертежа шарового резервуара:

На чертежах показываются [19]:

– привязка к координатным осям,

– габаритные размеры металлоконструкции и наиболее крупных элементов и стоящие рядом объекты,

– марки элементов.

Под маркой в СПДС понимается сборочная единица по ЕСКД.

По ГОСТ [19] схема расположения металлоконструкции соответствует выполнению схемы расположения в СПДС для архитектурных и конструктивных решений (ГОСТ 21.501). Схема разрабатывается с учетом последовательности строительных работ и показывает элементы металлоконструкции и связи между ними. На схему наносят координатные оси и высотные отметки. Для несимметричных каркасов показывают условия правильного монтажа. Со схемой или отдельно размещают ведомость элементов. На чертежах узлов показывают их конструктивное исполнение для обеспечения работы металлоконструкции. На чертежи наносят размеры, усилия и опорные реакции, тип сварного шва, марки деталей, отметки верха и низа элементов. Чертежи элементов разрабатывают для изображения конструкции отдельных элементов металлоконструкции. Спецификация металлопроката выполняется к схемам расположения. Сварные швы могут быть показаны в чертежах «КМД». Как правило, назначают по толщине свариваемого металла.

Чертежи «КМД» разрабатывают на основании Инструкции по разработке «КМД».

«КМД» являются отдельным комплектом чертежей и разрабатываются на основании комплекта «КМ».

В комплект КМД включают

– общие данные,

– монтажные схемы,

– монтажные узлы,

– отправочные элементы,

– дополнительные чертежи.

Металлоконструкция разбиваются на отправочные элементы по условиям изготовления, транспортирования и монтажа.

Металлоконструкции нефтяных аппаратов и резервуаров

Конструирование аппаратов (статического оборудования) в виде резервуаров подробно приводится в работе Мельникова [1]. Поэтому выполним критическое прочтение глав из указанной работы.

Возникает проблема о возможности отнесения статического оборудования к резервуарам и об изготовлении его на монтаже.

Классическим типом резервуаров являются приведенные в [1] конструкции, в отношении которых отсутствуют какие-либо вопросы:

– со стационарной плоской крышей

– с понтоном (для закрытия зеркала поверхности нефтепродуктов от потерь за счет «дыхания»)

– с плавающей крышей

Вместе с тем, Мельников показал скруббер газоочистки со схемой раскроя листовой металлоконструкции корпуса [1]:

Металлоконструкцию скруббера корректно отнести к сосудам и аппаратам стальным сварным на давление до 21 МПа. Скруббер по конфигурации оболочки корпуса аналогичен, например, коксовой камере (имеющей опору-юбку в конической части).

Такие металлоконструкции могут собираться на монтажной площадке в полевых условиях, но при этом должны проектироваться по нормам на сосуды и аппараты.

Одним из отличий в сборке является то, что на заводах нефтяного машиностроения аппарат собирается на роликовых опорах, на монтаже аппарат собирается, как правило, в вертикальном положении. Пример сборки пылеуловителя в условиях монтажа показан Мельниковым [1,с.367].

Отдельно рассмотрим проблему горизонтальных сосудов и резервуаров.

По размерам горизонтальные резервуары надземного и подземного исполнения с вместимостью до 100 куб. м. не отличаются от аппаратов емкостного типа. Такие конструкции корректно относить к сосудам и аппаратам с распространением на них норм на сосуды под давлением.

Представленные два вида металлоконструкций вертикального и горизонтального аппарата должны изготавливаться на заводах нефтяного машиностроения.

В нормативной методике для аппаратов до 21МПа заложены формулы из теории тонких оболочек [3], [4]. Подробно проблема теории оболочек сосудов рассмотрена в монографии [5], проблема расчета методом конечных элементов в монографии [6]. Вопросы расчета коробчатых оболочек кратко рассмотрены в [7]. Проблемы металловедения стенки (в том числе сварка и контроль) приведены в работе [8]. Виды нагрузок, на которые рассчитывают аппараты емкостного и колонного типов приведены в работе [9].

В опорах-юбках тяжелых аппаратов колонного типа устанавливают диафрагмы. Расчет таких конструктивных элементов должен выполняться методом конечных элементов. Пример расчетной схемы диафрагмы показан Мельниковым.

Металлоконструкции технологических трубопроводов

Металлоконструкции трубопровода можно разделить на металлоконструкцию самого трубопровода и опорные металлоконструкции.

При трехмерном проектировании объектов трубопровод прокладывается между начальной и конечной точками, первоначально прокладывается трасса основного трубопровода, затем трассы ответвлений к аппаратам и др. Более подробно вопрос рассмотрен в работах [17], [18].

Для трасс трубопроводов на заводах нефтепереработки используются металлоконструкции, состоящие из опоры и фермы для жесткости в пролете, внутри которой размещаются трубы.

Ферма образована четырьмя стержнями с поперечными связями из уголка. Внутри фермы располагаются трубы.

Для трубопроводов применяется балочная прокладка, при которой несущей балкой является труба с максимальным размером.

На этажерках, в насосных станциях, трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой располагаются на опорах без дополнительных металлоконструкций, но с установкой систем компенсации тепловых деформаций.

Металлоконструкция труб отличается от конструкции обечаек аппаратов. Трубы изготавливают без сварных швов или с одним продольным швом. Трубы для экономии материала делают из стали с классом прочности, например, КП90, для получения минимальной массы.

Технология изготовления труб на трубном заводе отличается от изготовления обечаек на единичном производстве на заводах нефтяного машиностроения и оболочек из рулона резервуаров.

Общим в конструкции труб и обечаек является расположение продольных швов в зоне стыка:

Конструирование элементов трубопроводов, содержащих врезки (места пересечения оболочек) аналогично конструированию соответствующих элементов корпусов аппаратов.

Конструирование трубных фитингов (тройников, переходов) выполняется, так же как и узлов врезки и переходов для сосудов под давлением.

Методика прочностного расчета технологических и магистральных трубопроводов по нормам имеет отличия от методики по нормам на расчет сосудов и аппаратов. Однако для расчета трубных деталей можно выделить два вида нагрузок: от внутреннего давления и от механического воздействия остальной части трубопровода, передающейся в местах стыков.

Элемент отвода в нормах рассчитывается по формуле для прямой катушки с использованием коэффициента интенсификации напряжений. Но отвод, как и патрубок штуцера, технически должен быть рассчитан от внутреннего давления и от изгиба. При расчете на изгиб вводится коэффициент интенсификации, показывающий различие в жесткости прямой и гнутой трубы. Подробно вопрос расчета трубных деталей на прочность приведен в работе [16]. В настоящее время технологические трубопроводы рассчитываются на прочность в программе СТАРТ.

Заключение

1. В настоящей работе рассмотрен вопрос проектирования и изготовления нефтяных аппаратов по СПДС и изготовления на монтажной площадке в сравнении с изготовлением на заводах нефтяного машиностроения.

2. Для проектирования установок и аппаратов в отдельности выполнено сравнение применения программ трехмерного моделирования, используемым для проектирования нефтеперерабатывающих заводов и программ твердотельного моделирования для машиностроительного конструирования.

3. Приведено краткое описание металлоконструкций промышленных этажерок технологических установок нефтепереработки, в которых размещаются аппараты.

4. Приведены краткие сведения по программным пакетам, используемым для проектирования металлоконструкций и проектирования сосудов и аппаратов.

Литература

1. Мельников Н.П. Металлические конструкции. 2-е изд. – М.: Стройиздат, 1980. – 776 с.

2. Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций: Учеб. пособие для техникумов. – 2-е изд. – М.: «Стройиздат», 1991. – 431 с.

3. Вихман Г.Л., Круглов С.А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов. М.: Машиностроение. 1978. – 328 с.

4. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов. – М.: Недра. 1965. – 904 с.

5. Ефанов К.В. Теория расчета оболочек сосудов и аппаратов. – М.: Литрес. Самиздат. 2019. – 50 с.

6. Ефанов К.В. Расчет нефтяных аппаратов методом конечных элементов. – М.: Литрес, 2020. – 70 с.

7. Ефанов К.В. Расчет коробчатых оболочек корпусов сосудов, аппаратов и металлоконструкций. – М.: Литрес, 2020. – 26 с.

8. Ефанов К.В. Металловедение стенки нефтяного аппарата. – М.: Литрес, 2020. – 60 с.

9. Рахмилевич Р.З., Зусмановская С.И. Расчет аппаратуры, работающей под давлением. – М.: Издательство стандартов, 1968. – 180 с.

10. Капустин В.М., Рудин М.Г., Кудинов А.М. Основы проектирования нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. – М.: Химия, 2012. – 440 с.