Новое поколение нефтяных аппаратов 2020

В опорах-юбках изнутри устанавливают диафрагмы, выполненные из труб. Диафрагмы обеспечивают жесткость цилиндрической оболочки при подъеме в условиях монтажа.

Конструктивно диафрагмы представляют собой сваренные рамы из трех или четырех стержней и установленные в опорной юбке через накладки.

В работе Мельникова [1,с.454] указывается о применении диафрагм из стержней для горизонтальных цилиндрических резервуаров. В горизонтальных сосудах в местах опор обечайки лучше укреплять кольцами жесткости, но не диафрагмами. При наличии внутренних устройств, например, в случае факельного сепаратора, диафрагма перекроет сечение аппарата, что нежелательно. Решение по установке диафрагм во внутреннем пространстве аппарата или сосуда является плохим вариантом.

Расчет опор-юбок с диафрагмами должен выполняться в программах методом конечных элементов.

3.5. Фланцы и затворы

Применяются фланцы по стандарту ASME, под установку иностранных приборов и комплектующих.

Возможно применение фланцев с расчетом в виде ребристой обечайки с усиленным краем, как описано в работе Михайловского [13]. Такой подход позволит одинаково рассматривать ребристые оболочки корпуса и фланцев.

По ASME расчет выполняется по методу Уотерса, похожему на метод расчета Тимошенко. Метод Тимошенко изложен в его монографии по сопротивлению материалов (механике материалов).

Метод Михайловского имеет расчетную модель с описанием конструкции фланца, более соответствующей реальной конструкции. Метод михайловского применен в устаревшей нормативной методике [15] для расчета байонетных затворов горизонтальных автоклавов. Для расчета фланца по Михайловскому применяется теория ребристых оболочек, то есть обечайки с укрепленным краем. По методу Уотерса фланец делится на круглую пластину (тарелка фланца по наименованию из ГОСТ), коническую втулку и цилиндрический патрубок. Элементы рассчитываются отдельно и рассчитываются условия в зоне их сопряжения. Метод Уотерса по теоретическому подходу уступает методу Михайловского по мнению автора, однако, метод Михайловского требует специальной адаптации к расчету фланцев. В связи с тем, что Михайловский не применил свой метод к расчету фланцев, его теория в книге останется не востребованной в том числе из-за появления расчетов методом конечных элементов. Байонетные затворы в настоящее время рассчитывают методом конечных элементов, а не по методике Михайловского. В работе Макарова [16] изложены основные геометрические пропорции байонетных затворов, которые можно использовать в качестве исходных данных при расчете и определении точной геометрии затвора в пакете МКЭ.

Расчетная схема фланца, приведенная в работе В.В. Новожилова, К.Ф. Черныха, Е.И. Михайловского [13,с.557]:

Расчетная схема Михайловского по-видимому более корректна по сравнению со схемой Уотерса.

Отдельным вопросом является требование норм о несовпадении отверстий под болты во фланцах с главными осями аппарата.

Рассмотрение изгиба фланцевых соединений приведено в работе Волошина [21]. Волошин показал наличие главной оси изгиба фланца и её положение относительно осей симметрии фланца.

Можно сделать вывод, что при совпадении главной оси изгиба фланца с осью симметрии фланца, максимальный момент от усилия в болтах будет при несовпадении осей отверстий под болты с главными осями (осями симметрии) аппарата. Например, для фланца с 4 отверстиями, при совпадении оси изгиба с осью симметрии фланца, максимальный момент от болтов будет при их расположении с поворотом фланца на 45 градусов относительно осей симметрии аппарата.

Ранее в литературе по расчету и конструированию аппаратов данный вопрос не рассматривался.

Вместе с тем, Вихман [4] указывает о преимущественном применении шпилек во фланцевых соединениях, так как усилия в болтах в 1,3 раза выше по сравнению с усилиями в шпильках. Отметим, что в нормах для высоких температур указывается о стягивании фланцев только шпильками.

Фланцы должны рассчитываться методом конечных элементов с использованием сетки, построенной на трехмерных конечных элементах. Так получатся наиболее обоснованные и точные результаты.

Хомутовые (скобовые) затворы применяются в основном для газового оборудования.

Конструкция и примеры расчета фланцев и элементов хомутового затвора на примере камер узлов очистки полости газопроводов приведены в работах [17], [18]. В хомутовых затворах применяются металлоемкие фланцы с привалочной поверхностью, выполненной под углом к вертикали. Полухомуты за счет давления через ответные наклонные привалочные поверхности создает усилие стягивания фланцев и сжатия прокладки в канавке типа «ласточкин хвост». Особенностью конструкции полухомутов является скос или специальная заходная фаска на торце, препятствующая задирам при движении полухомута по поверхности фланца. Для фланцевого узла хомутового затвора можно выполнить попытку оттачивания геометрии на основании результатов теории оболочек и сделать расчет методом конечных элементов с целью снижения металлоемкости.

В крышках фланцевых затворов камер запуска и приема используются эллиптические днища. Такое решение не обосновано. Необходимо использовать крышку в форме сферического сегмента с выполнением переходного радиуса (поднутрение) для снижения краевых нагрузок, действующих на сварной шов и крышку. При этом распорные усилия будет воспринимать фланец со стороны крышки. Конструктивное решение позволит снизить металлоемкость затвора.

Для плоских крышек байонетных затворов камер запуска и приема также необходимо применять крышку в форме сферического сегмента с целью весьма существенного снижения металлоемкости затвора (или как вариант эллиптическую крышку).

Перечисленные новые компоновочные решения по хомутовым и байонетным затворам аппаратов и камер запуска и приема газопроводов являются новыми перспективными конструкциями для оборудования.

3.6. Материальное исполнение аппаратов

В публикации специалистов из Волгограда [23] указывается о том, что российские марки сталей по качеству успешно заменяют их импортные аналоги, применение которых оговаривается в технологических процессах нефтепереработки. На основании применения российских сталей со специальными свойствами взамен их импортных аналогов.

4. Методики прочностного расчета

В настоящее время в нормах на прочностной расчет применяется расчет аппаратов по допускаемым напряжениям.

Резервуары как и другие строительные металлоконструкции рассчитываются по предельным состояниям.

В нормах на сосуды указано о применении метода конечных элементов и применении строительной механики для резервуаров.

4.1. Расчет по допускаемым напряжениям

Допускаемым напряжением считается то, при котором обеспечивается запас от опасного напряженного состояния и записывается по формуле:

Здесь σ0 – напряжение, соответствующее опасному состоянию.

σ0 = σТ – для пластичного материала является пределом текучести,

σ0 = σВ – для хрупкого материала является пределом прочности при развитии трещины,

σ0 = σК – для материала, подвергающегося знакопеременной нагрузке пределу выносливости, при котором появляется усталостная трещина.

Соответственно, отличаются коэффициенты запаса:

Предел прочности связан с пределами текучести и выносливости, поэтому через его коэффициент можно выразить остальные напряжения. Допускаемые напряжения [σ] на растяжение и сжатие, одинаковые для пластичных материалов и различаются для хрупких материалов.

Перечисленные напряжения в условиях линейного растяжения находятся на лабораторных стендах. В условиях трехмерного напряженного состояния используют теоретический подход для определения опасного состояния материала так как затруднительно реализовать опыты по испытанию образца по трем осям [19].

Для трехмерного напряженного состояния составляется условие прочности с использованием коэффициента запаса k для линейного растяжения. Для этого используют гипотезы, связывающие прочность с главными напряжениями и путем разрушения материала.

4.2. Расчет по предельным состояниям

Предельным состоянием является состояние, в котором металлоконструкция в условиях максимальной нагрузки получает недопустимые деформации или разрушается. Расчет состоит в подтверждении работоспособности металлоконструкции в условиях максимальных нагрузок. Результаты расчета дают менее металлоемкую конструкцию по сравнению с расчетом по методу допускаемых напряжений.

Предельные состояния разделяются на два типа:

– первое предельное состояние, в котором работоспособность металлоконструкции определяется по несущей способности

– второе предельное состояние, в котором работоспособность строительной конструкции определяется по возможности эксплуатации.

По первой группе должно выполняться условие:

Fр < Fн

где:

Fр – расчетное усилие,

Fн – наименьшее усилие для обеспечения несущей способности.

Fн является функцией геометрических параметров сечения, прочности материала конструкции.

По второй группе выполняются расчеты раскрытия трещин в материале, чрезмерных деформаций по перемещениям и прогибам.

4.3. Новые методики прочностного расчета

Аппараты, состоящие, из листовых или листовых и стержневых металлоконструкций должны рассчитываться методом конечных элементов в специальных программных пакетах.

Расчет конструкций по методу конечных элементов известен довольно давно, еще в работах Тимошенко [20]. Но применяться начал с появлением мощных компьютеров.

За последние десятилетия появились программы плоского черчения AutoCAD, Компас, трехмерного твердотельного моделирования SolidWorks, Inventor, CATIA, Компас 3D, NX.

Современные программы автоматизированного расчета по нормативной методике имеют относительно современный интерфейс, в котором первоначально строится 3D модель, а затем программа рассчитывает её по нормам. Для отдельных узлов применяются программы или модули расчета методом конечных элементов.

Сейчас вся конструкция аппарата может быть рассчитана методом конечных элементов.

Нормативная методика, основанная на теории тонких оболочек для аппаратов до 21 МПа потеряла свое значение.

Метод конечных элементов позволяет рассчитывать конструкции с использованием различных теорий и полностью анализируя геометрию аппарата.

Программы для расчета методом конечных элементов и по нормативной методике имеют документ на право применения для нефтяного и химического машиностроения.

В современном машиностроении появились новые сведения по сравнению с периодом Советского Союза. Например, процесс сквозного проектирования изделий, модель управления PLM. В строительстве для металлоконструкций это BIM технология.

Из программ твердотельного моделирования конструкцию можно выгрузить в программу расчета методом конечных элементов.

Методом конечных элементов рассчитывается весь перечень проблем, решаемых при проектировании аппаратов: гидродинамика, прочность, жесткость, циклика и др.

Подходы по нормативной методике основаны на использовании устаревшего подхода с советского времени.

Нужно взять все лучшее из подхода по нормам и дополнить современным подходом, то есть выполнить современное прочтение процессов проектирования аппаратов и пересмотр.

4.4. Современные вопросы проектирования аппаратов и резервуаров

Применяются программы компьютерного моделирования, в которых создаются цифровые двойники проектируемых объектов и на них изучается поведение реальных конструкций.

Аппараты и резервуары проектируются с использованием перечисленных выше программ. В отдельных компаниях разработка плоских двухмерных чертежей уже исключена, в сборочные цеха передается трехмерная модель, по которой изготавливается аппарат отдельно или в блочном исполнении. Возникает вопрос относительно применения такого подхода для деталей с высокой долей механической обработки и последовательными операциями механической обработки, сварки и термической обработки.

Прочностной расчет аппаратов должен выполняться методом конечных элементов.

Квалификация конструкторов должны быть высокой для владения теоретическими знаниями по проектированию сосудов и резервуаров, теории прочности, материаловедения и знаниями в области компьютерных программ. Знание одних только средств проектирования без теории конструирования не позволит проектировать сложное оборудование.

Главный конструктор должен понимать уровень сложности задачи по проектированию и в соответствии с квалификацией конструкторов ставить адекватные сроки на выполнение задач, а сами задачи должны быть сформулированы предельно корректно.

Необходимо соблюдение принципа, состоящего в том, что сначала думаем, потом проектируем. То есть необходимо продумать теоретическое основание конструкции и только затем использовать отработанные алгоритмы проектирования. При выполнении проекта должны быть реализованы все необходимые последовательные шаги на пути от исходных данных к готовой документации.

Конструктор должен быть думающим специалистом. Это касается конструкторов от должности ведущего конструктора и до конструктора без категории.

5. Заключение

В монографии показано новое поколение нефтяных (нефтегазовых) и химических аппаратов и резервуаров, металлоконструкция которых состоит из металлоконструкций двух типов – листовых и стержневых.

Предыдущее поколение аппаратов имело конструкцию, являющуюся главным образом листовой. Стержневые элементы выполняли отдельные функции, но конструкция не рассматривалась как листовая с интегрированной стержневой.

Новое поколение аппаратов проектируется на основании теоретических знаний о силовом взаимодействии и распределение напряжений по конструкции в пространстве.

Способы проектирования аппаратов нового поколения дополняют старые способы применением расчетов по методу конечных элементов и современных средств проектирования.

6. Библиографический список

1. Ефанов К.В., Нефтяные аппараты и металлоконструкции. – М.: Литрес, 2020.

2. Мельников Н.П., Металлические конструкции. 2-е изд. – М.: Стройиздат, 1980. – 776 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. Рахмилевич Р.З., Зусмановская С.И. Расчет аппаратуры, работающей под давлением. – М.: Издательство стандартов, 1968. – 180 с.

6. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры : справочник. 4-е изд. – М.: Машиностроение, 1970. – 752 с.

7. Ефанов К.В., Теория оболочек сосудов и аппаратов. – М.: Наука. Самиздат. 2019. – 50 с.

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

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

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