Расчет нефтяных аппаратов методом конечных элементов

Нормативная методика расчета на прочность сосудов и аппаратов стальных сварных всё ещё применяется для расчетов. Но расчет выполняется не вручную, а с использованием компьютерных программ автоматизации расчета. Эти программы должны иметь сертификат соответствия.

В программах автоматизации расчета по нормам строится 3D-модель аппарата и выполняется её расчет по формулам нормативных методик.

В программах автоматизации расчетов по нормам могут быть встроены или применяться отдельно модули расчёта методом конечных элементов узлов врезок штуцеров и других узлов со сложной геометрией. Применение этих модулей объясняется тем, что в методике норм заложена безмоментная теория тонких оболочек (вывод формул – см. работу [7]), а для расчета узлов пересечений необходимо решать пространственную задачу теории упругости.

В работе [8] показан пример совместного применения программы автоматизации расчетов по нормативной методике PVElite (расчет по методике американских норм ASME) и программы расчета методом конечных элементов NozzlePro. Анализируя эту работу, можно сделать вывод о том, что более корректно сразу применять полноценный программный пакет по расчету методом конечных элементов взамен комбинирования двух программ. Пример расчета простого вертикального сосуда методом конечных элементов в программе SolidWorks Simulation показан Алямовским А.А. в работе [9], расчет обечайки с днищем и линзового компенсатора в работе [10].

В статье [11] Чугуновым Н.А. сообщается о применении для автоматизированного расчета по нормативной методике программ ПАССАТ и PVElite, а для решения специальных проблем, возникающих при проектировании, программных пакетов МКЭ ANSYS, COSMOS/M и Зенит 95.

Отметим, что по данным [12] в 2012 г. изготовлен реактор гидрокрекинга массой 1300 тонн при длине 40 м (масса реактора брутто на транспортере (с оснасткой и кильблоками) составила 1386 тонн). Очевидно, что аппарат с такими массо-габаритными характеристиками нужно рассчитывать на все виды нагрузок методом конечных элементов, результаты могут быть сравнены с результатами расчета по нормативной методике.

По мнению автора настоящей работы, на момент её написания, стандартом по умолчанию для расчетов методом конечных элементов является программный пакета ANSYS, а для автоматизированного расчета по нормативной методике программа ПАССАТ.

Вместе с тем, по мнению автора с развитием расчетных подходов и компьютерного оснащения рабочих мест, количество расчетов методом конечных элементов будет расти.

Антикайн в работе по котлонадзору [13] пишет, что безопасность объектов химии, нефтехимии, тепловой энергетики обеспечивается реализацией мероприятий, первыми из которых являются идея конструкции, второй – проектирование аппарата с его конструктивной реализацией. На стадии идеи конструкции главное значение имеет компетентность конструктора и расчетчика. Следующая стадия разработки регламентируются нормативно-технической документации.

При расчете конструкции аппарата методом в программном пакете методом конечных элементов, процесс проектирования не регламентируется нормами, которые используются в качестве исходных данных и как справочная информация. Но результаты расчета МКЭ могут сравниваться с результатами расчета по нормам и по нормам на атомное оборудование. И в результате этого ситуация до введения норм, когда проектировщики полагались только на собственный опыт и знания не возникает. Для возникновения такой ситуации необходимо признание результатов расчета МКЭ более достоверными, чем результаты по нормативной методике, и тогда произойдет постепенный отход от норм.

2 Виды расчетов по нормам

Перечень расчетов определяется различается для аппаратов колонного типа, вертикальных аппаратов, горизонтальных аппаратов, теплообменных аппаратов.

Колонный аппарат отличается от вертикального аппарата конструктивным исполнением опорной части – наличием опоры-юбки. Опора-юбка устанавливается на высокую нагрузку а также при отношении высоты к диаметру аппарата свыше 5.

Горизонтальным аппаратом как правило является аппарат емкостного типа на опорах ложементах, охватывающих обечайку под углом около 120°.

Для аппаратов колонного типа Зусмановская С.И. в работе [14] приводит следующий перечень нагрузок и расчетов напряжений:

– расчет напряжений растяжения от внутреннего избыточного давления

– расчет напряжений от веса среды в аппарате и от веса самого аппарата

– расчет напряжений от эксцентрично приложенных нагрузок

– расчет напряжений сжатия от внешнего давления

– расчет напряжений от ветровых нагрузок

– расчет напряжений от сейсмических сил

По результатам расчета напряжений от каждого вида нагрузок находятся суммарные напряжения в стенке сосуда.

Также колонные аппараты должны рассчитываться для условий монтажа.