Программа для расчетов на прочность сосудов под давлением

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

+ =

= 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 Research Council. Bulletin. — «Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells due to External Loadings», 1979.
14. WRC-297 Welding Research 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 Research 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 Research Journal Supplement, September, 1951.