Блоки нефтяных аппаратов

Для полностью гибких конструкций трасс трубопроводов в установке компенсаторов необходимость отсутствует. В случаях, когда гибкие конструкции не реализуемы, устанавливают компенсаторы, воспринимающие деформации в направлении оси трубы, а также шарнирные компенсаторы.

Элементами для самокомпенсации деформаций являются П, Z, Г-образные повороты трассы трубопровода. Эти компенсаторы занимают место в ограниченном пространстве блока, поэтому применяют их для труб с не большими диаметрами.

Существуют линзовые, сильфонные (волновые) компенсаторы для трубопроводов.

Трассировку выполняют с учетом ограничений по пространству внутри блока с использованием следующих технических решений с учетом данных работы [7]:

– трубопроводы прокладывают по возможности для удобства доступа и обслуживания оборудования, средств КИПиА, трубопроводной арматуры;

– трубопроводы с наиболее агрессивными средами прокладывают максимально низко, выше прокладывают трубопроводы с неопасными средами;

– расстояние между осями труб и от стенок аппарата и от металлоконструкции рамы выбирается по нормам с учетом наличия теплоизоляции на трубе и с учетом размещения и обслуживания фланцевых соединений;

– высоту от уровня настила блока принимают по нормам, при этом трубы на одном ярусе выполняют на опорах, обеспечивающих одинаковую высотную отметку трубопроводов;

– количество верхних и нижних точек минимизируется так как требуется установка воздушников и дренажных устройств.

Расчет технологических трубопроводов

После трассировки выполняется гидравлический и прочностной расчеты трубопроводов.

Расчет трубопроводов на прочность выполняется по данным автоматизированным способом по существующим нормам, по данным работы [8]. Теория расчета трубопроводов приведена в работе [16]. Максимально точные результаты можно получить расчетом металлоконструкции трубопровода методом конечных элементов с учетом всех механических и температурных нагрузок и колебаний.

Гидравлический расчет приведен в работе [6]. При проектировании гидравлический расчет выполняется в специализированной компьютерной программе автоматизированным способом.

По специальной программе выполняется подбор насоса для трубопроводной системы.

Стандартом по умолчанию для гидравлических расчетов являются программы Гидросистема, для прочностного расчета программа Старт. Конечно, расчет в Старте уступает расчету методом конечных элементов в ANSYS.

Стандартом по умолчанию для подбора насосов является программа Spaix Pumps или аналогичная.

Рабочие характеристики насосов получают экспериментальным путем или рассчитываются методами вычислительной гидродинамики в программном пакете, как показано в работе Алямовского [24].

Инженер-проектировщик трубопроводной сети подбирает насос по дифференциальному напору.

Инженер-расчетчик проточной части насоса проектирует проточную часть выбранного насоса и выполняет её гидродинамический расчет для получения максимального КПД. Результатом расчета проточной части является определение геометрии и конструкции корпуса насоса и рабочего колеса насоса. При высоких значениях напора применяют многоступенчатые насосы, в который число ступеней определяется делением дифференциального напора на напор одного рабочего колеса. Для перекачивания сред с высокой температурой, применяют насосы предназначенные для горячих сред.

В настоящее время известны решения по применению высоконапорных погружных насосов в горизонтальном положении, например, указанное в работе [25]. В этом случае погружной насос работает в окружении агрегатов установки, отличающихся от погружных агрегатов (электродвигателя, гидрозащиты и др.). Конструкция погружного насоса подробно описана в работах [26], [27]. В такой установке может быть использован и полупогружной насос при конструктивной реализации по типу погружного.

Горизонтальные нефтяные насосы типов НК, НДМ [27] выпускаются в блочном исполнении в виде насосного агрегата, состоящего из насоса, электродвигателя, муфты, системы обвязки торцового уплотнения, технологических трубопроводов и плоской рамы, на которой размещаются все перечисленные агрегаты. Трубопроводы насосов в том числе системы торцового уплотнения являются технологическими трубопроводами и должны проектироваться с учетом соответствующих норм и правил.

__

Расчет и проектирование металлоконструкции

Все металлоконструкции технологических объектов проектируются в 3D и рассчитываются от всех видов нагрузок в специализированных программах. Чертежи по СПДС оформляются с шифром КМ (конструкции металлические). Деталировочные чертежи оформляются с шифром КМД, выполняются монтажной организацией как правило.

Для блока аппарата чертеж металлоконструкции рамы может быть оформлен по ЕСКД в техническом проекте и рабочей конструкторской документации на изготовление рамы.

Чертежи КМ содержат компоновочную схему, конструктивные решения каждого элемента и узлов сопряжений элементов, спецификацию металла на раму блока.

Чертежи КМД содержат все размеры, указания по изготовлению, спецификации, методы контроля качества, защиту от коррозии. Проекты КМ и КМД должны быть выполнены так, что на стадии КМД не вносилось изменений в конструкцию.

Разработка чертежа по ЕСКД для условий изготовления на машиностроительном производстве с полным набором оснастки, станочного и сварочного оборудования, позволит получить конструкцию с точностью сборки выше, чем для строительных металлических конструкций.

__

Первоначально выполняется построение 3D-модели металлоконструкции в программе CATIA с передачей данных в программу ANSYS для выполнения проектирочного расчета, при необходимости вносятся корректировки в конструкцию. Затем по 3D-модели выполняются обычные 2D проектные чертежи по требованиям ЕСКД. После этого разрабатывается рабочая конструкторская документация на металлоконструкцию, на сборку металлоконструкции в блоке. По рабочей конструкторской документации пишутся технологические процессы на сборку, сварку, заготовительные и механические (обработка на станках резанием) операции, составляются материальные карты, выполняется заказ металла.

Рама блока

Конструктивно пространственная рама блока аппарата является плоской рамой с полозьями и установленными на неё несущими стойками, соединенными балками.

Стрелецкий [18,с.220] называет такую систему балочной клеткой. Балки рамы, передающие нагрузку на опоры блока (фундамент) являются основными, балки, опирающиеся на главные являются вспомогательными. К главным балкам можно отнести полозья плоской рамы, связи жесткости, и балки, обеспечивающие жесткость пространственной металлоконструкции блока.

То есть металлоконструкция блока представляет из себя плоскую раму с установленными стойками и соединенными балками-связями.

Сверху по контуру на раме выполняют пояс из балок (ригелей), за которые может осуществляться строповка и подъем блока. В этом случае указываются места строповки и рама рассчитывается на условия монтажа. Строповка может выполняться за нижнюю раму блока, в которой для этих целей предусматриваются монтажные цапфы.

Мельников в работе [17,с.117] указывает о том, что расчет рам следует выполнять численными методами в специальных компьютерных программах.

В настоящее время расчет металлоконструкций технологических установок выполняется в специализированных программах таких как Лира. Но для расчета металлоконструкции блока аппарата следует применять пакет расчета методом конечных элементов, которую используют для расчета аппаратов на прочность и других элементов. Стандартом по умолчанию является программа ANSYS, которая применяется также для расчета металлических каркасов сложных машиностроительных изделий. Указанная программа МКЭ является более функциональной и сильной по сравнению с программами расчета строительных конструкций.

Описание применения программы ANSYS приведено в работах [21], [22], [23].

Существуют решения бистальных балок [19,с.114], для которых наиболее нагруженные участки изготавливают из высокопрочной стали. Это решение может быть применено в блоках с учетом температуры окружающей среды. Существуют решения балок с удаленным металлом из стенки, что снижает массу рамы.

Стойки рамы конструктивно состоят из башмака, стержня и оголовка. Стойки могут быть выполнены из одного стержня, например, двутавра или швеллера, объединенных двух стержней, из двух и более разнесенных стержней (ветвей), например как показано в работе [19,с.118].

Торцы стоек из нескольких стержней рекомендуется обработать после сварки для исключения зазора при сбеге допусков составляющих стержней.

Площадки, лестницы, ограждения

Площадки обслуживания конструктивно состоят из балок и настила. К площадкам добавляются ограждения и лестницы. Опирание площадок производится на основные (несущие) балки металлоконструкции блока. Проектирование и расчет площадок, лестниц и ограждений производится в соответствии с нормами и правилами для объектов.

Лестницы и ограждения, как правило, являются съемными и поставляются с рамой блока разборно. Крепление может быть сварными или разъемным.

__

На площадки, лестницы и ограждения разработаны серии с типовыми конструкциями, которыми необходимо руководствоваться при проектировании:

– серия 1.459-1, 1.459-2 «площадки, лестницы, ограждения»,

– серия 3.405-1 «решетчатые настилы».

При необходимости используются другие серии и другие виды документов.

Существуют документы на проектирование и расчет рамы блока ЦКБН г. Подольск. Однако указанные серии разработаны в ЦНИИПромзданий, заслуживающего большего доверия.

Расчет методом конечных элементов в стандарте по умолчанию ANSYS является более обоснованным, чем расчет по методике ЦКБН. Также и ручной расчет методами строительной механики (методом сил) является более обоснованным, так как в нем учитывается статическая неопределимость балочной системы.

Литература

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

2. Ефанов К.В. Теория расчета оболочек нефтяных аппаратов. – М.: Литрес, 2019. – 50 с.

3. Ефанов К.В. Химические и нефтяные аппараты с мешалками. – М.: Литрес, 2019. – 320 с.

4. Молоканов Ю.К., Харас З.Б. Монтаж аппаратов и оборудования для нефтяной и газовой промышленности. Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Недра, 1982. 391 с.

5. Рябчук Г.В. Технология монтажа оборудования химических предприятий и заводов строительных материалов: Учебное пособие. – Волгоград.: ВолгГТУ, 1995. – 116 с.

6. Балашов В.А. Устройство и основы расчета технологического трубопровода: Метод. Указания. – Волгоград: ВолгГТУ, 2004. – 27 с.

7. Магалиф В.Я., Иткина Д.М., Корельштейн Л.Б. Монтажное проектирование химических, нефтехимических и нефтеперабатывающих производств. – Москва, 2010. – 346 с.

8. Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов (курс лекций. – Москва, 2011. – 35 с.

9. Ивановский В.Н., Пекин С.С. , Сабиров А.А. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти М. : ГУП Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. – 255 с.

10. Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. – М.: Недра, 1977. – 192 с.

11. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производства. – М.: Наука, 1987. – 624 с.

12. Кузнецов О.А. Моделирование установки переработки нефти в Aspen HYSYS V8. – М.-Берлин: Директ-Медиа, 2033. -116 с.

13. Кузнецов О.А. Моделирование схемы переработки природного газа в Aspen HYSYS V8. – М.-Берлин: Директ-Медиа, 2015. -116 с

14. Кузнецов О.А. Начало работы в Aspen HYSYS. – М.-Берлин: Директ-Медиа, 2015. – 68 с.

15. Кузнецов О.А. Основы работы в программе Aspen HYSYS. – М.-Берлин: Директ-Медиа, 2015. – 153 с.

16. Камерштейн А.Г., Рождественский В.В., Ручимский М.Н. Расчет трубопроводов на прочность. Справочная книга. – М.: Гостоптехиздат, 1963. – 424 с.

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

18. Стрелецкий Н.С. Металлические конструкции. – М.: Стройиздат, 1961. – 777 с.

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

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10т. т. 6. Гидродинамика. – 3-е изд. – М.: Наука, 1986 – 736 с.

21. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Солдоусова Е.А., Глазунова Н.А., Адеянов И.Е. Инженерный анализ в ANSYS Workbench.: Учеб. пособ. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т., 2010. – 271 с.

22. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Кураева Я.В. Инженерный анализ в ANSYS Workbench.: Учеб. пособ. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т., 2013. – 149 с.

23. Пересыпкин В.П., Пересыпкин К.В., Иванова Е.А. Проектирование силовых конструкций ракет-носителей с применением метода конечных элементов. Самара: Самарский гос. аэрокосм. ун-т, 2012. – 95 с.

24. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 448 с.

25. Мясников А.Н. Горизонтальные насосные системы Шлюмберже в России// Инженерная практика 2015. – №06-07.

26. Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (Расчет и конструкция). – М.: Недра, 1968. – 272 с.

27. Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. М.: Гостоптехиздат. 1957. 363 с.

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

29. Капустин В.М., Рудин М.Г., Химия и технология переработки нефти. – М.: Химия, 2013. – 496 с.

30. Капустин В.М. Технология переработки нефти. В 4-х частях. Ч.1. Первичная переработка нефти. – М.: Колос, 2012. – 456 с.

31. Владимиров А.И., Щелкунов В.А., Круглов С.А. Основные процессы и аппараты нефтегазопереработки: Учебное пособие для вузов. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. – 227 с.

33. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. – 3-е изд. – М.: ООО «Недра- Бизнесцентр», 2000. – 677 с.

34. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973. – 752 с.

35. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Химия, 1988. – 464 с.

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

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

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

39. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 9-е изд. – Л.: Химия, 1981, 560 с.

40. Кафаров В.В. Основы массопередачи. – М.: Высшая школа, 1972. – 496 с.