Прочностной расчет сосудов пассат

Основное назначение программы ПАССАТ от НТП Трубопровод – выполнение расчетов на прочность и устойчивость сосудов, теплообменников, аппаратов. С помощью программы ПАССАТ от НТП Трубопровод можно оценить несущую способность этих емкостей в условиях испытаний, монтажа и, непосредственно, работ.

Расчет на прочность и устойчивость такого аппарата, как представлен на рисунке 1, является довольно сложным процессом, состоящим из нескольких этапов. Это обусловлено необходимостью рассчитать физические параметры сосуда и эксплуатационные условия в соответствии с нормативно-технической документацией.

Если сравнивать программу ПАССАТ с подобными программами, созданными зарубежными специалистами, то отечественный продукт от НТП Трубопровод обладает определенными преимуществами: ориентированием на российскую нормативную базу, русскоязычным интерфейсом, демократичной стоимостью.

Изучение нормативно-технической документации (НДТ) – одно из обязательных условий работы с программой ПАССАТ от НТП Трубопровод. Причем, для быстрого и эффективного взаимодействия с программой ПАССАТ нужно знать, какие требования НТД предъявляются каждой составляющей емкостного аппарата.

В большинстве случаев расчет на прочность и устойчивость осуществляется согласно ГОСТ Р 52857.(1-12)-2007, хотя могут использоваться и другие стандарты. Для изготовления аппарата ВЭЭ1-1-3,2-0,6 используется ГОСТ Р 52630-2012, который в вопросах определения прочности ссылается на документ, указанный ранее.

Разработчики НТП Трубопровод позаботились о том, чтобы программа ПАССАТ содержала как можно больше стандартных элементов конструкции. Именно поэтому в программе ПАССАТ, как и в других программах от НТП Трубопровод, предусмотрены детали аппаратов колонного типа и теплообменников, включая опоры, обечайки, крышки, днища, штуцеры, фланцы, отводы и многое другое.

Приступая к проектированию модели в программе ПАССАТ от НТП Трубопровод, вначале следует определиться с типом аппарата, а также с его общими параметрами, как показано на рисунке 2. В процессе работы эти данные можно корректировать в программе ПАССАТ. Внести в систему исходные данные означает задать геометрические размеры, состав и материал деталей конструкции. Последовательность проектирования каждого из элементов не имеет значения.

Программа ПАССАТ – не единственная программа, с которой работаю специалисты при проектировании сосудов. В такой ситуации необходимо наладить между системами обмен данными. В программах от НТП Трубопровод предусмотрена эта функция: программа ПАССАТ наделена способностью импортировать/экспортировать информацию в текстовый формат XML и другие форматы, обеспечивающие обмен данными.

На рисунке 3 приведен пример необходимых расчетных величин для задания обечайки. Все это нужно для выбора нормативно-технического документа, на основе которого осуществляется расчет прочности и устойчивости, а также определяется внутренний диаметр емкости, толщина стенки, длина обечайки, коэффициенты сварных швов (кольцевого, продольного), допустимое давление и температура, материал, прибавка для компенсации коррозии.

Программа ПАССАТ от НТП Трубопровод выявляет некорректный ввод значений, оповещая пользователя об ошибке (рисунок 4). При исправлении этой погрешности расчет возобновляется.

По такому же принципу задаются исходные данные для нижнего эллиптического днища, что отображено на рисунке 5. Чтобы рассчитать прочность данного элемента в программе ПАССАТ от НТП Трубопровод, потребуется следующая информация: внутренний диаметр, высота и толщина днища, длина отбортовки, прибавка для компенсации коррозии, коэффициент прочности сварных швов, расчетные значения давления и температуры.

Что касается верхнего эллиптического днища, показанного на рисунке 6, то его параметры в точности совпадают с параметрами нижнего. Следовательно, посредством функции «Копирование» нужно выполнить позиционирование элемента с аналогичной геометрией.

Теперь на основе АТК 24.200.03-90 следует определить размеры опор-стоек, которых в конструкции насчитывается три единицы (изображены на рисунке 7), и внести их в программу программу ПАССАТ от НТП Трубопровод. Они представляют собой элементы, привариваемые к аппарату на подкладных листах. По отношению друг к другу они располагаются под углом 120°.

Расчет штуцеров, смотрового люка, несущих ушек выполняется точно так же, как в предыдущем случае.

Последний этап предполагает оформление расчетной записки, в которой содержится отчет о проделанной работе (рисунок 8). Вместе с программой ПАССАТ, разработчик НТП Трубопровод поставляется специальные шаблоны со стандартным оформлением отчетов, которое можно редактировать в зависимости от ситуации. При помощи программы программе ПАССАТ от НТП Трубопровод документ, состоящий из 75 страниц и содержащий иллюстрации, будет готов через несколько секунд. В нем указывается полная информация о каждом элементе аппарата, а также делаются выводы насчет того, выполнены ли условия прочности и устойчивости.

Выполнить расчет сосудов на прочность непросто, поскольку это очень трудоемкая работа. К тому же, этот процесс регламентирован множеством нормативных документов. При этом нередко возникает необходимость использования вспомогательных величин, для определения которых приходится использовать методы, не содержащиеся в нормативной литературе. В этом случае специалистам приходится самостоятельно искать правильное решение. В настоящее время есть неплохие иностранные программы, но они ориентированы на зарубежную нормативную базу, а их стоимость достаточно высока.

Программа ПАССАТ, созданная отечественными программистами НТП Трубопровод, не имеет таких недостатков. Более того, удобство ее использования подтвердили многие российские пользователи.

Программа ПАССАТ от НТП Трубопровод рассчитала на прочность спроектированный аппарат ВЭЭ1-1-3,2-0,6 и научила правильно использовать НТД. В результате выявлено, что все условия по расчету на прочность и устойчивость соблюдены, следовательно, емкостной аппарат можно эксплуатировать.

Оригинал статьи

Источник

Программа ПАССАТ компании НТП «Трубопровод» позволяет производить расчет на прочность и устойчивость конструкций сосудов и аппаратов для оценки несущей способности в рабочих условиях, а также при испытаниях и монтаже.

ПАССАТ предназначен для организаций, проектирующих аппараты или сосуды. Название программы – аббревиатура, которая расшифровывается как «Прочностной анализ состояния сосудов, аппаратов, теплообменнико».

Пролог, в котором описываются идеи, заложенные в программу, ее назначение и используемые методы расчета

Разработчики программы ПАССАТ стремились создать эффективный, удобный и наглядный инструмент для автоматизации проектирования, поскольку на современном рынке отсутствуют отечественные программы, соответствующие нашим представлениям об инженерных инструментах.

Программу ПАССАТ выгодно отличают от зарубежных аналогов (Compress, Vessel, PV Elite и т.д.) ориентация на российскую нормативно-правовую базу, более доступная цена, интуитивно понятный русскоязычный интерфейс, наличие встроенной базы отечественных материалов.

В программе реализовано объемное графическое отображение геометрии отдельных элементов и модели в целом.

Рис. 1

Расчетная модель создается в трехмерной среде, что позволяет уже на этапе ввода исходных данных оценить габариты емкости и автоматически исключить нестыковку элементов модели из-за несовпадения размеров. Возможность вывода «каркасного» изображения (Wireless) обеспечивает полную видимость всех элементов, включая внутренние. ПАССАТ автоматически проверяет геометрию модели, позволяя пользователю выбрать способ стыковки элементов. Виртуальная расчетная модель, создаваемая в полном соответствии с заданным рассчитываемым аппаратом (сосудом), обеспечивает правильность ввода исходных размеров.

Программа создана в соответствии с основными нормативами и методиками, применяющимися в Российской Федерации. К сожалению, они не полностью регламентируют все стадии расчета, поэтому в отдельных случаях при расчете тех или иных элементов используются зарубежные методические документы.

Программа ПАССАТ производит расчет на основе:

• ГОСТ 14249-89;
• ГОСТ 25221-82;
• ГОСТ 26202-84;
• ГОСТ 24755-89;
• РД 26−15−88;
• РД РТМ 26−01−96−77;
• РД 26−02−62−98;
• норм расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок;
• ГОСТ 27772-88;
• ГОСТ 25859-83;
• ASME VIII;
• ASME II;
• WRC-107;
• WRC-297;
• BS-5500.

Для оценки прочности и устойчивости заданной конструкции сосуда или аппарата реализованы следующие функции:

• определение расчетных толщин и допускаемых значений давления, сил и моментов;
• автоматическое определение расчетных величин, таких как вес, длины и диаметры элементов, характеристики колец жесткости (в цилиндрических обечайках и в седловых опорах) и др.;
• расчет прочности места соединения штуцера с сосудом (аппаратом);
• расчет арматурных фланцевых соединений с учетом воздействия давления, внешних сил и моментов, температурных напряжений и т.д.

Кроме того, программа ПАССАТ обеспечивает выполнение ряда вспомогательных функций:

• настройка размерностей;
• ввод и анализ исходных данных. В случае, если пользователь не ввел всех данных, необходимых для выполнения расчета, или ввел их некорректно, программа выдает предупреждение до тех пор, пока все данные не будут заданы;
• автоматические изменения в смежных элементах всей модели при изменении геометрических параметров или условий нагружения в одном из элементов
• выбор используемых материалов из базы данных с возможностью ее пополнения;
• автоматическое изменение величины допускаемых напряжений, модулей упругости и т.д. при изменении материала, температуры или толщины стенки;
• формирование, просмотр и печать полного отчета по расчетам элементов модели с промежуточными результатами вычислений.

ПАССАТ содержит открытую базу данных материалов, применяемых в СНГ, доступную для пополнения и корректировки.

Программа предназначается для проектно-конструкторских бюро и отделов, которые специализируются на проектировании и реконструкции сосудов и аппаратов, работающих под давлением, а также для организаций нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, газовой, нефтяной, теплоэнергетической и других отраслей промышленности.

Системные требования программы ПАССАТ весьма скромны: программа работает в среде Windows 9x/2000/XP, рекомендуется видеокарта с поддержкой OpenGL.

Глава об интерфейсе, исходных данных и результатах расчета

ПАССАТ имеет дружественный интерфейс, а также интуитивно понятную структуру создания моделей и расчета сосудов и аппаратов. Параметризованные элементы, применяемые в программе вместо геометрических примитивов, значительно упрощают работу и позволяют существенно сэкономить время.

На рисунках 2−4 в качестве примеров показано создание конической обечайки и цилиндрического элемента.

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Из иллюстраций видно, что для создания элемента, корректно пристыкованного к модели, инженеру достаточно заполнить поля в коротком диалоге, иллюстрированном наглядной схемой, и выбрать необходимую схему соединения.

Особо подчеркнем, что для работы с программой пользователю не требуется большой опыт работы с системами 3D-моделирования – достаточно владеть обычным набором знаний инженера-расчетчика.

Исходными данными в ПАССАТ являются тип, геометрические характеристики и материал элементов сосуда или аппарата, тип и расположение опор, вид испытаний, величины нагрузок. Выбор используемых материалов производится из базы данных.

Процесс завершается выдачей полного отчета по расчетам элементов модели с промежуточными результатами вычислений, который пользователь может либо экспортировать в Word, либо, при необходимости, модифицировать, внеся изменения в конструкцию и/или условия. Заметим, что экспорт расчета осуществляется поэлементно – это позволяет пользователю компоновать отчет в соответствии со своими требованиями.

В качестве примера приведен образец такого документа: в нем отражены результаты расчета эллиптического днища горизонтального сосуда в условиях гидроиспытаний.

Расчеты производятся по следующим элементам:

• цилиндрические обечайки (гладкие и подкрепленные кольцами жесткости);
• конические переходы;
• днища (сферические, эллиптические, торосферические, конические, плоские, сферические неотбортованные);
• врезки (штуцеры) в обечайки и выпуклые днища;
• седловые опоры в горизонтальных сосудах и аппаратах;
• опорные стойки и лапы в вертикальных сосудах и аппаратах.

Существующие конструкции сосудов и аппаратов, а также условия их работы часто не позволяют без значительного упрощения расчетных моделей выполнить расчеты в строгом соответствии с нормами, что приводит к искажению полученных результатов. После долгой и глубокой проработки методик нам удалось создать универсальную программу, значительно расширив сферу ее применения.

Расчет в условиях испытаний (гидроиспытания)

Условия нагружения при испытаниях:

Рабочая температура, T: 20 °C

Внутреннее давление, p: 0.5 МПа

По ГОСТ 14249-89 расчет на прочность при испытаниях не проводится, если выполнено условие:

Pисп < 1,35 · Pрасч

[ σ ]20 [ σ ]

1,35 · Pрасч

[ σ ]20 [ σ ]

=

Допускаемые напряжения для материала ВСТ3 при температуре 20 °C (условия испытаний):

[σ]=

Re nT

250/1,1=227,3 МПа

Коэффициент nT выбирается в зависимости от группы аппарата.

Модуль продольной упругости при температуре 20 °C.

E = 199000 МПа

Коэффициент линейного расширения при температуре 20°C:

α = 1.16e-0,05 C-1

Днища, нагруженные внутренним избыточным давлением (п. 3.3.1).

Расчетная толщина стенки с учетом прибавок:

s1p+c =

p·R 2·[σ]·φ-0,5·p

+c=

=

0,5·1330 2·227,3·1−0,5·0.5

+0 =

= 1,47 мм

Допускаемое давление:

[p]=

2·[σ]·φ·(s1-c) R+0,5·(s1-c)

=

=

2·227,3·1·(10−0) 1330+0,5·(10−0)

=

Заключение: условие прочности выполнено.

Это касается, в частности, расчета прочности и жесткости узлов врезок штуцеров в цилиндрические обечайки и выпуклые днища с учетом внутреннего давления и внешних нагрузок. В основе методики такого расчета лежат известные зарубежные разработки.

Существенно расширена область применения горизонтальных сосудов и аппаратов на седловых опорах: в отличие от методики, описанной в ГОСТ 26202-84, стало возможным определять изгибающие моменты и силы (как над опорами, так и между ними) сосудов произвольной конструкции, а также опор, расположенных в любом месте цилиндрических обечаек.

Расчет арматурных фланцев производится в соответствии с ASME VIII. При этом помимо давления учитываются внешние нагрузки и изгибающие моменты, а также напряжения, вызванные разницей линейных удлинений фланцев и шпилек (болтов) при температурном воздействии.

Эпилог, в котором описывается дальнейшая судьба программы

Внимательные читатели заметили, что мы не упомянули о теплообменниках – последней составляющей аббревиатуры ПАССАТ. Функцией расчета теплообменников программа пополнится в ближайшей перспективе.

Кроме того, планируется реализовать:

• расчет аппаратов колонного типа в соответствии с ГОСТ Р 51273−99 и ГОСТ Р 51274−99;
• расчет сейсмических и ветровых нагрузок, воздействующих на вертикальные аппараты колонного типа, в том числе – при определении периода собственных колебаний (без ограничений количества элементов);
• расчет рубашек сосудов и аппаратов по ГОСТ 25867-83;
• расчет вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов;
• БД стандартных узлов и элементов в полном соответствии с требованиями ОСТ, ГОСТ и АТК.

К уже реализованной функции расчета арматурных фланцевых соединений будет добавлен расчет фланцевых соединений сосудов и аппаратов.

В эти дни проводится открытое бета-тестирование, участниками которого стали более 20 предприятий различных отраслей промышленности.

С 1 июня 2004 года НТП «Трубопровод» осуществляет опрос заинтересованных организаций. Опросный лист размещен по адресу: https://www.truboprovod.ru/cad/demo/PollPassat.doc

По результатам опроса и бета-тестирования мы сможем установить приоритетные направления развития программы и определить, в какие программные системы будет осуществляться импорт/экспорт расчетных моделей, созданных в программе ПАССАТ.

Литература, использованная при создании программы ПАССАТ

1. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
2. ГОСТ 25221-82. Сосуды и аппараты. Днища и крышки сферические неотбортованные. Нормы и методы расчета на прочность.
3. ГОСТ 26202-84. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок.
4. ГОСТ 24755-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий.
5. РД 26−15−88. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений.
6. РД РТМ 26−01−96−77. Плоские круглые крышки и днища с ребрами жесткости.
7. РД 26−02−62−98. Расчет на прочность элементов сосудов и аппаратов, работающих в коррозионно-активных сероводородсодержащих средах.
8. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. – М., Энергоатомиздат, 1989. – 525 с.
9. ГОСТ 27772-88. Прокат для строительных стальных конструкций.
10. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках.
11. ASME VIII, Div 1, 2002, Appendix 2.
12. ASME II, 1998, Appendix 2.
13. WRC-107 Welding Re Council. Bulletin. – «Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells due to External Loadings», 1979.
14. WRC-297 Welding Re Council. Bulletin. «Local Stresses in Cylindrical Shells due to External Loadings on Nozzles, – Supplement to WRC Bulletin № 107», 1987.
15. BS-5500: 1976 Specification for Unfired fusion welded pressure vessels. British Standards Institution.
16. WRC-368 Welding Re Council. Bulletin. «Stresses in Intersecting Cylinders subjected to Pressure», – 1991. – 32 P.
17. Bildy Les M. 2000. «A Proposed Method for Finding Stress and Allowable Pressure in Cylinders with Radial Nozzles», – PVP Vol. 399, ASME, New York, NY. – pp. 77−82.
18. Zick L.P. «Stresses in Large Horizontal Cylindrical Pressure Vessels on Two Saddle Supports», – Welding Re Journal Supplement, September, 1951.

Источник