Помоги проекту - поделись книгой:
Константин Ефанов
Новое поколение нефтяных аппаратов 2020
1. Введение
В настоящей монографии из проектируемых конструкций аппаратов и резервуаров выделен новый тип конструкций аппаратов нового поколения.
Критерием отнесения к аппаратам нового поколения выбран уровень сложности металлоконструкции аппарата и использование силового взаимодействия и распределения напряжения по конструкции в пространстве.
Металлоконструкция аппаратов нового поколения состоит из металлоконструкций двух типов – листовых металлоконструкций, из которых состоят аппараты предыдущего поколения (условно первого) и стержневых каркасных металлоконструкций.
Монография посвящается Автору бионического дизайна, самого совершенного способа конструирования БОГУ ТВОРЦУ ТРОИЦЕ.
Моей маме Татьяне Викторовне, работавшей инженером в нефтяном машиностроении.
2. Новое поколение нефтяных аппаратов
Металлоконструкции, как известно, делят на листовые и стержневые [1], [2]. Конструкции аппаратов предыдущего поколения были только листовыми. Корпуса могли быть изготовлены из поковок раскаткой до заданного диаметра или получены рулонированием. Но в любом случае получались сплошные оболочки вращения, идентичные листовым. Поэтому корпуса всех аппаратов предыдущего поколения условно отнесем строго к листовым конструкциям. Конструкции аппаратов предыдущего поколения подробно описаны в работах Вихмана [3], Бабицкого [4], Зусмановской [5], Лащинского [6] и других авторов.
Новое поколение аппаратов имеют конструкцию, объединяющую два вида металлоконструкций: листовых и стержневых.
Металлоконструкции нового поколения проектируются в настоящее время индивидуально и в литературе не описаны.
Также новые конструкции аппаратов распространяются и на конструкции резервуаров определенного типа и вместимости. Четко прописанный критерий отличия сосудов от резервуаров в настоящее время отсутствует.
С точки зрения прочностного расчета сосуды рассчитываются по допускаемым напряжениям, а резервуары как строительные конструкции по предельным нагрузкам.
Новое поколение аппаратов требует применения новых методов нормативных расчетов. Нормы для аппаратов предыдущего поколения являются устаревшими.
Методом расчета конструкция аппаратов нового поколения должен стать расчет методом конечных элементов в специализированном пакете, таком как ANSYS. Сейчас в нормах для сосудов и нормах для резервуаров указано о возможности применения метода конечных элементов и методов строительной механики. Применение методов строительной механики является устаревшим по сравнению с расчетом методом конечных элементов.
Теоретические основы метода конечных элементов являются теория упругости или теория оболочек, то есть теория, на основании которой построены устаревшие нормы. Но по методу конечных элементов по заложенным теориям расчет выполняется на принципиально другом информативном и обоснованном методе. Теория методов расчета оболочек и расчета оболочек методом конечных элементов подробно рассмотрена во впервые написанных для аппаратов специальных монографиях Ефановым [7], [8], [9].
Конструкции нового поколения имеют минимальную массу и поэтому те решения, которые применялись для устаревшего поколения аппаратов, неприменимы к аппаратам нового поколения. Стержневые конструкции обеспечивают прочность за счет правильного расположения массы металла в нужной геометрической зоне, листовые металлоконструкции обеспечивают сплошность оболочки сосуда и несущую функцию.
К аппаратам нового поколения относятся аппараты с цилиндрическими и коробчатыми оболочками. Коробчатую оболочку нельзя рассматривать как составную из пластин, потому что с точки зрения топологии она может быть получена из цилиндрической оболочки перемещением её средней линии. В этом состоит обоснование введение в науку теории тонких оболочек коробчатых оболочек. Между парой цилиндрическая оболочка – коробчатая оболочка, полученной топологическим преобразованием, может быть установлен коэффициент пропорциональности напряжений. И для коробчатых оболочек можно ориентировочно через этот коэффициент находить напряжения по формулам для цилиндрических оболочек. Коробчатая оболочка является замкнутой самой на себя и нельзя её стороны рассматривать как пластины, опирающиеся по сторонам, а только как единую оболочку. Такой подход наиболее точный.
Коробчатые горизонтальные сосуды по сравнению с вписанными по диаметру цилиндрическими емкостными сосудами имеют увеличенную вместимость. И поэтому рекомендованы к использованию в качестве резервуаров и сосудов под налив для хранения больших объемов жидкости. Стержневые металлоконструкции усиливают листовые металлоконструкции коробчатых сосудов и аппаратов.
Эффект взаимодействия листовых и стержневых конструкций состоит в том, что для слабых по прочности мест листовых конструкций сопряженных со стержневыми металлоконструкциями изменяется в пространстве силовые взаимодействия и поле распределения напряжений в пространстве. Именно пространственным эффектом достигается преимущества в легкости, прочности и жесткости нового поколения конструкций аппаратов.
Ранее устаревшие конструкции аппаратов строго отделялись от стержневых металлоконструкций. Стержневые металлоконструкции использовались в промышленных этажерках, то есть строениях технологических установок заводов, внутри которых размещались на заданных высотных отметках аппараты устаревших конструкций. Например, аппараты колонного и емкостного типов, теплообменное оборудование. В новом поколении конструкции аппаратов синтезируются из двух типов металлоконструкций.
Законы физического (тепломеханического) взаимодействия элементов оболочек остались прежними, но используются по-новому. В этом и состоит с научной точки зрение различие между новым и устаревшим поколением нефтяных, химических аппаратов и резервуаров.
Ефановым в работе [10] указывается, что для аппаратов устаревшего поколения при проектировании решаются две проблемы: синтез оболочки и сложная материаловедческая проблема. Синтез оболочки аппарата устаревшего поклонения из типовых листовых элементов является относительно простой задачей.
Для аппаратов нового поколения проблема синтеза оболочки является более сложной задачей из-за необходимости синтеза оболочки из листовой и стержневой металлоконструкции с требуемым распределением напряжений в пространстве. То есть первая проблема усложняется, вторая остается на прежнем уровне сложности. Первая попытка обосновать такие конструкции выполнена Ефановым [11].
Атомная отрасль является консервативной и в ней предположительно будут применяться аппараты устаревших конструкций, например, корпуса ядерных реакторов, изготовленные из поковок.
Применение аддитивных технологий изготовления не сделает конструкции устаревшего поколения конструкциями нового поколения. Изменится только технология изготовления. Обоснованием технической реализации применения аддитивных технологий для изготовления оболочек сосудов и аппаратов впервые выдвинута Ефановым в краткой статье [12] на основании возможного заимствования опыта изготовления колец диаметром около 2 метров в судостроении.
В нефтяном машиностроении по аддитивной технологии могут быть изготовлены сложной формы детали проточной части центробежных насосов и аналогичные изделия. Для изготовления несущих металлоконструкций, аддитивные технологии больше подходят для конструкций с развитым пространственным взаимодействием, применяемых в автомобилестроении и авиастроении.
При проектировании конструкции автомобиля может быть сформулирована задача конструктивного решения в виде получения несущего кронштейна с массой на несколько процентов меньшей, чем у аналогов. Такая задача решается за счет использования сложной формы, которую можно получить только аддитивными технологиями. Для нефтяных аппаратов такая задача может быть сформулирована и решена за счет синтеза металлоконструкции из листовой и стержневой с применением традиционных технологий обработки режущим инструментом, сварочным оборудованием. На этом основании можно сделать принципиальный вывод об отсутствии необходимости применения аддитивных технологий в нефтяном и химическом аппаратостроении и производстве резервуаров.
3. Конструктивные элементы аппаратов нового поколения
Для аппаратов нового и устаревшего поколения изменилась конфигурация элементов, но перечень элементов остался без изменений, например, обечайки, днища, опоры.
Проведем сравнение отличий в конструкциях нового и устаревшего поколения аппаратов по каждому из элементов.
Сейчас применяются ребристые обечайки, имеющие большие величины прочности и жесткости.
Применяются коробчатые обечайки, позволяющие разместить большее количество жидкости по сравнению с вписанной цилиндрической обечайкой. Вследствие повышенной вместимости коробчатые оболочки широко применяют для горизонтальных резервуаров, например, под воду для градирен.
Коробчатые резервуары являются примером конструкции сосудов (в данном случае не проводим границу между сосудами и резервуарами) нового поколения. Так как сочетает листовую оболочечную конструкцию и усиливающую её стержневую каркасную (рамную) металлоконструкцию.
Конструктивно коробчатый аппарат (резервуар) нового поколения состоит из оболочки с затем собранной на ней сваркой металлическим усиливающим каркасом или из сваренных стенок.
Стенки по отдельности в этом случае представляют собой раму из стержневого проката (трубы прямоугольного сечения, двутавры, швеллеры) и приваренные листы стенки оболочки.
Стержни каркаса размещают в местах максимального восприятия нагрузок от массы жидкости.
Функцию несущей конструкции выполняет каркасная металлоконструкция, а листовая металлоконструкция имеет функцию создания внутреннего объема. Каркасная металлоконструкция по стенке как правило выполняется решетчатой. Элементы листовой металлоконструкции прогибаются в центре ячеек решетки и работают как пластина, закрепленная по четырем краям.
Разработки коробчатых сосудов и резервуаров нового поколения должна выполняться при расчетах на прочность и жесткость методом конечных элементов в программах МКЭ.
При правильном проектировании обеспечивается минимальная толщина стенки листового материала и минимальный сортамент стержней каркаса с одновременно максимальной прочностью и жесткостью.
Технология сварки отрабатывается с целью исключения деформаций и коробления листового металла после его приварки к стержневому металлопрокату (прямоугольным трубам).
В сосудах предыдущего поколения применялось решение в виде цилиндрической обечайки из биметалла. Наружный слой выполняет функцию несущей конструкции. Такое же решение может быть применено для листового материала коробчатого резервуара. Но в аппаратах нового поколения функция несущей конструкции может быть реализована более выраженно и ярко. За счет того, что может быть использована оболочка из нержавеющей стали AISI 304 (сталь 12Х18Н10Т) и каркас из стали 09Г2С. Сварной шов выполняется сваркой по аустенитному типу. Здесь необходим правильный подбор сварочных материалов. Явление, при котором будет протекать электрохимическая коррозия за счет наличия сопряжения нержавеющей и черной стали устраняется защитой.
В аппаратах колонного типа предыдущего поколения применяются укрепляющие кольца. Назначение этих элементов, как правило, в повышении жесткости оболочки для условий работы под внутренним вакуумом. То есть при расчете по нормам на жесткость гладкая цилиндрическая оболочка не выдерживала нагрузок, но выдерживала нагрузки от внутреннего давления. Вряд-ли в проектных институтах целенаправленно конструировали ребристые оболочки сосудов. Результатом является ребристая оболочка, эквивалентная гладкой оболочки, но увеличенной толщины. И поэтому достигалось проектирование аппарата с минимальной массой.
Сведения об эквивалентной оболочке и о расчете ребристых оболочек подробно приведены в работах Новожилова [12] и Михайловского [13].
В работах Ефанова [7], [8] рассмотрено решение по углублению применения пространственного взаимодействия и перехода от ребристо оболочки к решетчатой оболочке. То есть можно выстроить ряд:
гладкая оболочка – ребристая оболочка – решетчатая оболочка.
Решетчатые оболочки уже находят применение в емкостном оборудовании. Ребра выполняют из пластин. И как указано выше находят применение в коробчатых резервуарах.
__
Конструктивно синтезируется из листовой и стержневой металлоконструкции, позволяет получить аппараты и резервуары, цилиндрические и коробчатые с минимальной массой и применить разные материальные исполнения для оболочечной и каркасной металлоконструкций.
Составим сравнительную таблицу металлоконструкций аппаратов нового 2020 и предыдущего поколений:
Сейчас находят применение просечные рубашки «пуклеванные», описанные еще в работе Касаткина [14].
Аппараты с «пуклеванной» рубашкой нашли широкое распространение в производстве емкостного оборудования из тонколистовой нержавеющей стали AISI 304. Например, еще в начале 2000 одна из Питерских компаний-изготовителей изготавливала такие рубашки из стали и титана.
Опытный образец для испытаний оболочки рубашки был выполнен небольших размеров прямоугольной формы. Образец вваривался в коробчатую открытую оболочку со штуцерами и подвергался гидроиспытанию.
«Пуклеванные» оболочки за счет наличия близко расположенных конусных элементов имеют наибольшую жесткость и прочность при минимальной толщине стенки, возможной для теплообменной рубашки. Недостаток классических рубашек в форме полого цилиндра состоит в неравномерном течении жидкости и наличии застойных зон с противоположной стороны от нижнего штуцера выхода (входа). Для этого в классических конструкциях могут применяться спиральные направляющие. В «пуклеванных» рубашках поток изменяет направление при обтекании конусных элементов. Конусные элементы тем самым интенсифицируют процесс теплообмена.
В настоящее время, по-видимому «пуклеванные» рубашки являются лучших конструкторским решением по теплообменным устройствам типа рубашек для аппаратов емкостного типа (вертикальные и горизонтальные аппараты емкостного типа и вертикальные аппараты с мешалками).
Применение «пуклеванных» рубашек должно сопровождаться расчетом на прочность методом конечных элементов. Одной из конструктивных ошибок является закладывание рубашки более прочной, чем несущая обечайка корпуса аппарата. В этом случае при создании давления внутри рубашки, превышающем давление внутри обечайки корпуса произойдет течь в обечайке. Автор настоящей монографии наблюдал такой случай.
Плоские крышки в аппаратах емкостного типа и резервуарах усиливают стержневыми металлоконструкциями. Также усиливают крышки, в которых установлен привод перемешивающего устройства.
Наименьшую толщину стенки имеет шаровое днище, так как оно имеет одинаковые меридиональный и кольцевой радиусы, которые подставляются в расчетную формулу по нормативной методике.
По современной технологии шаровые днища с диаметрами около 5 м могут изготавливаться из одного сферического сегмента и 5 лепестков по данным специалистов из Волгограда [22] (сокращается количество сварных швов).
Широко распространены эллиптические и торосферический днища. Эпюры распределения напряжения для этих типов днищ приведены в работе Новожилова [12]. Эллиптическое днище считается более прочным, так как у торосферического в месте сопряжения тора со сферой (сферическим сегментом) имеется рост напряжений, так как геометрия изменяется менее плавно, чем у эллиптического днища.
Применение плоских днищ потребует весьма толстой стенки днища, как например, в крышках байонетных затворов камер для очистки газопроводов.
Выводы из теории оболочек применительно к конструированию корпусов сосудов состоят в необходимости плавного изменения геометрии для минимальных напряжений, то есть для отсутствия краевой задачи (краевых усилий и моментов).
Днища в форме сферического сегмента по нормам аппаратов до 21МПа применяются в составе крышек затворов. В этом случае крышка из поковки с сечением, близким к прямоугольному, воспринимает краевые усилия, возникающие в месте сопряжения сферического сегмента.
Для снижения краевого усилия в кольцевом поясе затвора выполняют поднутрение по радиусу с плавным переходом. Это позволяет обеспечить снижение резкого изменения геометрии и тем самым снизить напряжения и уменьшить толщину стенки.
В эллиптических и торосферических днищах выполняют отбортовку. Назначение отбортовки состоит в вынесении сварного шва приварки днища к обечайки из зоны действия краевых усилий и моментов. Для того чтобы эти нагрузки воспринимались металлом листа со сплошной структурой, а не металлом сварного шва с литой структурой.
Но при усилении укрепляющим кольцом узла стыка или введением специальной короткой промежуточной обечайки (кольца) можно приваривать сферический сегмент или эллиптические и торосферические днища без отбортовки.
В первом случае получаем конструкцию днища, синтезированного из листовой конструкции оболочки днища (сферического сегмента, эллиптического или торосферического днища) и стержневой конструкции их круглого укрепляющего кольца. То есть днище в виде элемента аппарата нового поколения 2020. Во втором случае получает также конструкцию аппарата нового поколения при применении короткого кольца, которое можно рассматривать как изогнутый стержень прямоугольного сечения. При широком кольце сохраняется принцип конструирования аппаратов нового поколения, основанный на глубоком знании и применении теории оболочек, но аппарат конструктивно может быть отнесен к предыдущему поколению.
Эпюры напряжений при сопряжении эллиптического днища и сферического сегмента с цилиндрической обечайкой по данным Новожилова [12,с.347]:
Новожилов [12,с.343] приводит условие сопряжения днищ и обечаек для листовых конструкций аппаратов предыдущего поколения:
Приведенную выше схему Новожилова необходимо держать в уме при проектировании листовых конструкций аппаратов и резервуаров.
Сейчас применяют плоские днища с опорой на каркас стержневой металлоконструкции.
Поделиться книгой: