CC BY
111
Меньшин А.Б., Лисовский О.Н.
ОАО «Системы и технологии обеспечения безопасности. Техдиагностика»
E-mail: [email protected]
ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И РЕСУРСА ПРОДЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ БУФЕРНОЙ ЕМКОСТИ ПОРШНЕВОГО ГАЗОВОГО КОМПРЕССОРА ПРИ ВИБРАЦИИ И ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ
Основываясь на анализе нормативных требований нефтегазового оборудования по критерию усталостного растрескивания, собственных расчетно-экспериментальных исследованиях был разработан и апробирован усовершенствованный подход к оценке несущей способности (прочности) и ресурса продления эксплуатации буферных емкостей газовых поршневых компрессоров при вибрации и пульсации давления.
Ключевые слова: буферная емкость, усталостное растрескивание, несущая способность, ресурс.
Для обеспечения технологического процесса на производственных объекта добычи и переработки сероводородсодержащих газоконденсатных месторождений эксплуатируются поршневые компрессоры.
Буферные емкости, установленные на компрессоры и присоединенные к ним трубопроводы испытывают воздействие вибрации и пульсации давления рабочих сред, в том числе содержащих сероводород [1, 2 и др.].
Длительное воздействие пульсации давления и вибрации приводит к накоплению усталостных повреждений в металле буферных емкостей и увеличивает риск их внезапных отказов и разрушений от усталостного растрескивания.
К настоящему времени значительная часть поршневых компрессоров, а с ними и буферных емкостей, выработала проектный срок эксплуатации. В соответствии с требованиями федеральных норм и правил в области промышленной безопасности [3, 4] для продления сроков их эксплуатации выполняется диагностирование с применением методов неразрушающего контроля и дефектоскопии, измерения вибрации, оценки несущей способности (прочности) и ресурса.
Оценка несущей способности и ресурса буферных емкостей поршневых компрессоров представляет собой сложную научно-техническую задачу, поскольку требует использования информации об амплитудных циклических напряжений и характеристиках сопротивления усталости металла, режимах, количестве циклов нагружения и наработке оборудования.
В настоящей работе представлены порядок выполнения и результаты оценок несущей спо-
собности и ресурса прототипа буферной емкости нагнетания поршневого газового компрессора.
Основные параметры конструкции и условия эксплуатации емкости представлены в табл.1.
С целью расчета параметров, определяющих статическую прочность, и выявления наиболее потенциально опасного конструктивного узла (НПОУ) оборудования, лимитирующего его прочность при рабочих условиях, методом конечных элементов с учетом реальной геометрии конструкции выполнен расчет напряжений в конструкции емкости при номинальных статических нагрузках. Расчетная конечно-элементная модель прототипа емкости была построена с использованием оболочечных и твердотельных конечных элементов (КЭ).
В качестве расчетных нагрузок, действующих на оборудование при расчетном режиме, приняты - внутреннее номинальное разрешенное рабочее давление среды, а также собственный вес всей конструкции. Закрепление и введение граничных условий в расчетную модель емкости выполнено в соответствии со схемой монтажа и с условиями нагружения конструк-
вход газа
выход газа
Рисунок 1. Расчетная модель буферной емкости: 1-обечайка, 2-днище, 3-штуцер, 4-труба.
ции. Режим работы на данном этапе расчета рассматривался как постоянный.
Полученное распределение напряжений в конструктивных элементах емкости от действия расчетных нагрузок, а также вычисленные на данном этапе граничные условия для участков конструкции использованы в качестве исходных данных для определения наиболее потанциаль-но-опасного узла (НПОУ) и более детального расчета в нем напряжений. Задача расчета напряжений в элементах НПОУ решалась в рамках трехмерной твердотельной модели. Для более точного расчета напряжений в НПОУ использовался метод, который заключается в моделировании «вырезанной» из конструкции области с достаточно высокой степенью подробности. Для построения конечно-элементной модели НПОУ использовались пространственные КЭ второго порядка.
Результаты расчета представлены в виде расчетного распределения на конечно-элементной модели эквивалентных напряжений по теории удельной энергии формоизменения (по Мизесу) (рис.2).
Результаты расчетов показывают, что НПОУ конструкции, лимитирующим ее долговечность является штуцер входа газа (рис. 1, 2б). Согласно требованиям [4, 5] в сечениях НПОУ расчетным путем приведенные напряжения, определяемые по сумме общих или местных мембранных и общих изгибных напряжений (^2 = [5т или 5т1] + зъ=134МПа не превышают допустимой величины 1,3[5]. Размах приведенных напряжений (5 )Ку=$эке=392МПа, определяемый по сумме общих или местных мембранных и изгибных напряжений с учетом концентрации напряжений не превышает значения величины Яо.2' тт[(2,5 - Я,2/Ят );2], где Я02 и Ят - нормативные значения предела текучести
и предела прочности материалов конструктивных элементов НПОУ.
Оценка несущей способности емкости от вибрации и пульсации давления на стационарном режиме проводилась с использованием экспериментальных данных о частотах и амплитудах колебаний (виброперемещений) в контрольных точках конструкции, принятых по результатам диагностирования емкости на стационарном режиме работы.
Результаты расчетов послужили для определения циклических напряжений и оценки условия сопротивления усталости на режимах «испытание - пуск - остановка» и на стационарном режиме.
В спектре вибрации на стационарном режиме работы (рис. 3) отмечаются основные частотные составляющие - f » 5,2е40Гц (гармоники оборотной составляющей поршневого компрессора двойного действия при частоте вращения коленчатого вала - 296 мин-1).
Для определения спектров частот собственных колебаний емкости, амплитуд виброперемещений и циклических вибронапряжений, а также уточнения НПОУ конструкции, лимитирующего усталостную долговечность выполнены расчеты амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) циклического нагружения емкости.
Одна из полученных расчетным путем значений первых собственных частот емкости (50 Гц) близка к частотам возмущения компрессора. Работоспособность емкости в данном случае определяется уровнями амплитуд виброперемещений и соответствующими им уровнями амплитуд циклических вибронапряжений в НПОУ конструкции. В конструкции емкости эти уровни оценены расчетным путем с использованием данных виброизмерений.
Таблица 1. Основные параметры конструкции и условия эксплуатации емкости (см. рис.1).
Обозначение элемента Обечайка Днище Штуцер Труба
Наружный диаметр, мм 700 273
Исполнительная толщина стенки, мм 12,0 12,7
Материал ШНпа! 54W А106 вгВ
Расчетное давление, кгс/см2 33
Расчетная температура,°С +84
Допускаемое напряжение, [у], кгс/см2 1765 1224
Рабочая среда Природный газ с
Прибавка на коррозию, с, мм 3,0
Дата ввода в эксплуатацию 1978
Наработка сначала эксплуатации, часов 103994
Вычисленные значения форм частот колебаний конструкции емкости и значений амплитуд виброперемещений представлены на рис. 4. Значения уровней возникающих при этом амплитуд вибронапряжений в конструкции емкости, соответствующие колебаниям на частоте 50 Гц, представлены на рис. 5.
Результаты расчетов также показывают, что НПОУ конструкции, лимитирующим ее долговечность является штуцер входа газа.
По результатам расчетов собственных форм колебаний конструкции емкости и амплитуд виброперемещений (рис. 5), результатам замеров вибрации (рис. 3), можно заметить, что измеренные перемещения существенно меньше расчетных значений.
Анализ результатов измерений параметров вибрации показал, что колебания емкости происходят главным образом на частотах до 40 Гц, а собственные частоты оболочечных колебаний элементов корпуса выше 40 Гц. Таким образом, виброперемещения и изменения напряжений в конструкции емкости в целом и НПОУ вызваны колебаниями емкости за счет пульсации давления и вибрации.
Для оценки циклической прочности НПОУ емкости использовались методики, приведенные в [4, 5]. В конструкции выбрались представительные точки, соответствующие максимальным значениям амплитуд циклических напряжений. Для каждой представительной точки определялась постоянная составляющая напряжений, связанная с нагружением номинальным рабочим давлением и от собственного веса всей конструкции, полученные ранее путем расчетов на статическую прочность. Для каждого
: :
і і
я
СП
£ й!
оо ЄІ I
Ч" я; !
ш І 5
1 IК I
I Г Г 1
ц,. л .1» . . і . і . А , . . Л . .
0 20 40 60 80 100
Рисунок 3. Спектр вибрации буферной емкости в зоне вварки штуцера входа газа в обечайку емкости
циклического воздействия, соответствующего вычисленной частоте колебания 50 Гц, на стационарном режиме работы в каждой представительной точке НПОУ емкости рассчитывались параметры кривой усталости. По этим кривым усталости определялись допускаемые значения амплитуд циклических напряжений согласно [5] и сравнивались с фактическими значениями, полученными ранее расчетами амплитуд напряжений в НПОУ от пульсации давления и вибрации. Путем анализа результатов расчетов и сравнения фактических и допускаемых амплитуд циклических напряжений оценивалось условие циклической прочности (сопротивления усталости) в НПОУ на прогнозируемый период эксплуатации.
Таким образом, результаты оценки сопротивления усталости НПОУ емкости при непрерывной работе на прогнозируемый период экс-
Рисунок 2. Распределение эквивалентных напряжений от действия расчетных нагрузок (цветовая шкала -значения напряжений в МПа): а) во всей конструкции емкости; б) в конструкции НПОУ.
плуатации, показывают, что условие циклической прочности при стационарном режиме работы выполняется при измеренных и меньших значениях амплитуд виброперемещений в контрольных точках конструкции.
Расчет на сопротивление хрупкому разрушению выполнен в соответствии с требованиями и по методикам действующей нормативнотехнической документации [4, 5]. Расчет выполнен при условном трещиноподобном дефекте, представляющем собой полуэллиптическую трещину на поверхности металла НПОУ с глубиной а = 8/4 (5 - толщина, стенки) и полудли-ной с такой, что а/с =2/3. По результатам расчетов напряжений при статических нагрузках по методике и зависимости, приведенной в [5, п.5.8.2.2 и 5.8.5] определено значение коэффициента интенсивности напряжений, которое составило КИН - К1=12,2 МПаЧм1/2. Допускаемый КИН определен при минимальной температуры эксплуатации емкости равной 20°С и возможного сдвига критической температуры хрупкости вследствие старения материала принят по [5] и составил [К1]=17 МПаЧм1/2.
Результаты расчетов показывают, что условие сопротивления хрупкому разрушению К1 < [К] выполняется при рабочем диапазоне температур стенки емкости и при величине возможного дефекта (несплошности) в металле не превышающего 3,0 мм.
Выводы
1. Результаты выполненных расчетов на прочность и остаточного ресурса емкости и присоединенных трубопроводов технологической обвязки поршневого газового компрессора
0 5 9 14 18 2 3 2 7 32 36 41^
Рисунок 4. Уровни расчетных амплитуд виброперемещений (цветовая шкала - величины амплитуд виброперемещений, в мм) - на частоте 50 Гц
по исходным данным их диагностирования и виброизмерения; воздействии пульсации давления и вибрации на стационарном режиме работы, показывают, что:
- НПОУ оборудования, лимитирующим его прочность и ресурс по механизму усталостного растрескивания, является штуцерный узел входа газа природного газа в емкость (рис. 1);
- условия статической, циклической (усталостной) прочности и сопротивление хрупкому разрушению НПОУ на прогнозируемый период эксплуатации удовлетворяют требованиям [4, 5] при величине возможного дефекта (несплошности) в металле не более 3 мм.
2. Дальнейшая эксплуатация емкости при установленных параметрах эксплуатации может быть продолжена в течении 4 лет очередного диагностирования, при проведении периодических контрольных измерений амплитуд вибрации. При регистрации амплитуд вибро-
Рисунок 5. Расчетные значения амплитуд вибронапряжений (цветовая шкала - величины амплитуд напряжений, МПа) - на частоте колебаний 50 Гц
тальных методов позволяет оценивать несущую способность, срок и условия дальнейшей эксплуатации емкостей поршневых газовых компрессоров, эксплуатируемых под действием вибрации и пульсации давления.
02.02.2011
Список литературы:
1. Митрофанов А.В. Методы управления состоянием технологического оборудования по критериям вероятности и риска отказа. - М.: Недра, 2007. - 384 с.
2. Барышов С.Н. Оценка поврежденности, несущей способности и продление ресурса технологического оборудования. Модели, критерии, методы. - М: Недра, - 2007. - 287 с.
3. Заряев М.Ю., Ломанцов В.А., Меньшин А.Б. Обоснование возможности отбора проб для мониторинга деградации металла сосудов, работающих под давлением / Материалы VII международной науч.-техн. конф. «Диагностика емкости и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред». 26-29 ноября 2008 г. (г. Оренбург Само-родово) С. 317 - 321.
4. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов.
5. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность емкости и трубопроводов атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.
Сведения об авторах:
Меньшин Анатолий Борисович, ОАО «Системы и технологии обеспечения безопасности.
Техдиагностика», e-mail: [email protected] Лисовский Олег Николаевич, ведущий инженер расчетно-эспериментального центра ОАО «Системы и технологии обеспечения безопасности. Техдиагностика»
460047, г. Оренбург, ул. Юных Ленинцев, 22, тел. (3532) 629389, e-mail: [email protected]
UDC 681.5:620.19 Menshin A.B., Lisovskiy O.N.
E-mail: [email protected]
ASSESSMENT OF BEARING STRENGTH AND RESOURCE OF PROLONGATION OF EXPLOITATION OF BUFFER CAPACITY OF THE PISTON GAS COMPRESSOR AT VIBRATION AND PULSATIONS OF PRESSURE
As a matter of analysis of standard requirements of the oil and gas equipment by criterion fatigue fissure, own it is settlement-experimental researches was the advanced approach to an estimation of bearing strength (strength) and a resource of prolongation of operation of buffer capacity of gas piston compressors is developed and approved at vibration and a pressure pulsation.
Key words: a buffer capacity, fatigue fissure, bearing strength, a resource.
Bibliography:
1. Mitrophanov A.V. Method of management of a condition technological equipment by criteria of probability and risk of refusal. - M.: Bowels, 2007. - 384 with.
2. Baryshov S.N. Assessment damaged, bearing capacity and prolongation of a resource technological equipment. Models, criteria, methods. - M: Bowels, - 2007. - 287 with.
3. Zarjaev M.J., Lomantsov V.A., Menshin A.B. Background of a possibility of sampling for monitoring degradation of metal of the vessels working under pressure / Materials VII international research conference «Diagnostics of capacity and the pipelines subject to influence sulphuretted hydrogen inclusive of environments». On November, 26-29th, 2008 (Orenburg Samorodovo) With. 317 - 321.
4. Pfl 03-421-01. Methodical indications on carrying out of diagnosing of a technical condition and definition of residual service life of vessels and devices.
5. ПАНЭ r-7-002-86. Norms of calculation on strength of capacity and pipelines of nuclear power installations. - M.: Poweratompublishing, 1989. - 528 with.
перемещений в контрольных точках емкости выше нормативных допустимых значений, емкость вывести из эксплуатации.
3. Разработанная последовательность применения совокупности расчетно-эксперимен-
