CC BY
1
УДК 669.1:621.515
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-562-563
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЦИФРОВОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ГИДРОИСПЫТАНИИ КОРПУСА ТЕПЛООБМЕННИКА
М.И. Баязитов, Р.Р. Тляшева, Ю.С. Ковшова, И.Р. Кузеев
В статье рассмотрены вопросы применения цифрового прогнозирования напряженно-деформированного состояния оборудования кожухотрубчатого теплообменника на этапе его гидроиспытания с учетом многофакторного нагружения. В связи с разнообразием их типов исполнения для разных условий эксплуатации, а также надежностью конструкции такие аппараты широко применяются. В работе, на основе методов численного анализа проведен анализ причин разрушения временной обечайки под действием внутреннего давления при проведении гидравлического испытания. Для этого была разработана трехмерная модель узла приварки временной обечайки к элементам теплообменника и исследовано напряженно деформированное состояние. Установлено, что наибольшие напряжения возникают в зоне приварки временной обечайки к трубной решетке и к фланцу корпуса. Наличие в сварных соединениях дефектов позволили получить характер отрыва обечайки от мест приварки. Наличие на верхней образующей обечайки корпуса штуцеров без бобышек для дренажа воздуха не позволила в полной мере освободить теплообменник от воздуха в процессе гидроиспытания, что привело к длительному набору испытательного давления 3,0 МПа в течение 30-40 минут. При разгерметизации временной обечайки вид разрушения получил сложные деформации.
Ключевые слова: Теплообменник, гидроиспытания, наибольшие напряжения, напряженно-деформированное состояние, максимальные напряжения, трубнаяре-шетка
Применение метода цифрового прогнозирования напряженно-деформированного состояния оборудования на этапах жизненного цикла с учетом многофакторного нагружения способствует оценке напряженно-деформированного состояния при проектировании, гидроиспытании новых аппаратов и прогнозирования потенциальных зон возникновения дефектов.
В настоящее время в нефтяной и газовой промышленности широко применяются кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Это обусловливается разнообразием типов исполнения для разных условий эксплуатации, а также надежностью конструкции. [1, 2, 3]
При проектировании и исследовании работы такого вида оборудования хорошо себя зарекомендовали численные методы [3-7].
Методы численного анализа применяются не только при моделировании работы в штатных ситуация, но так и во внештатных [8-12].
В работе, на основе предложенного метода проведен анализ причин разрушения временной обечайки под действием внутреннего давления при проведении гидравлического испытания.
Конструктивная особенность теплообменника, а именно наличие на верхней образующей обечайки корпуса штуцеров без бобышек для дренажа воздуха не позволила в полной мере освободить теплообменник от воздуха в процессе гидроиспытания, что привело к длительному набору испытательного давления 3,0 МПа в течении 30-40 минут. При разгерметизации временной обечайки вид разрушения получил сложные деформации характерные для разрушений с участием газовой среды - «сжатого воздуха».
На момент проведения гидравлического испытания при проведении ремонтных работ с целью определения дефектных труб трубного пучка теплообменника, «воздушник» установлен на манометрической сборке, находившейся на верхней образующей временной обечайки.
Таким образом, при заполнении водой в выше указанных штуцерах остался воздух - «воздушные мешки». При наборе давления произошло сжатие испытательной среды, хотя при проведении испытания водой сжатие испытательной среды исключено.
Сжатый воздух обладает энергией и способствует поддержанию избыточного давления в межтрубном пространстве теплообменника. Соответственно при разгерметизации временной обечайки вид разрушения получил сложные деформации характерные для разрушений с участием газовой среды - «сжатого воздуха».
В условиях несжимаемости испытательной среды - воды, сброс избыточного внутреннего давления происходит в короткий промежуток времени без значительных деформаций.
Для решения такой задачи на первом этапе было проведено моделирование геометрии узла приварки временной обечайки.
На основании технической документации, представленных в исходных данных, была разработана трехмерная модель, включающая подвижную трубную решетку, временную обечайку, фланец и обечайку кожуха. Для оптимизации расчета обечайка кожуха была принята длиной 600 мм.
Для исследования напряженно-деформированного состояния обечайка кожуха была неподвижно закреплена, и на все элементы было приложено внутреннее давление 3,0 МПа и проведена разбивка конструкции на конечно-элементную сетку.
Для моделирования напряженно-деформированного состояния при заданных условиях с помощью расчетного модуля в программе Компас-3D был выполнен прочностной анализ модели при статическом нагружении давлением 3,0 МПа.
Анализ результатов моделирования установлено, что наиболее нагруженными зонами являются середина образующей временной обечайки и место ее приварки к трубной решетке.
На рис. 1 приведены распределения напряжений и деформаций с полученными в результате численного анализа значениями. Анализ полученных данных показал, что наибольшая деформация составляет 0,883 мм в середине образующей временной обечайки.
205.09 ЭУМ|МПа) 106.е35 5Ш[МПа|
Рис. 1. Напряжения и деформации в узлах
При анализе конструкции временной обечайки, установлены различные дефекты сварки с сопряженными элементами теплообменника отраженные в акте обследования, дальнейшее исследование направлено на влияние величины давления на напряженно-деформированное состояние в зоне приварки дополнительной обечайки толщиной 6 мм к трубной решетке толщиной 108 мм нахлесточным односторонним швом. Такая конструкция создает внутренний концентратор напряжений и под действием
563
внутреннего давления может привести к разрушению (раскрытию) сварного шва. На рис. 2 приведена картина распределения напряженно-деформированного состояния в этом месте при давлении 3 МПа.
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние в зоне приварки временной
обечайки к трубной решетке
На основании данного расчета был построен график зависимости напряжений с внутренней стороны приварки временной обечайки к трубной решетке от величины давления. График эквивалентных напряжений в зоне приварки временной обечайки к трубной решетке представлен на рис. 3.
50.С
0.5 1,0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Давление, МПа
Рис. 3. Эквивалентные напряжения в зоне приварки временной обечайки
к трубной решетке
Таким образом, при давлении 2,2 МПа эквивалентные напряжения достигают допускаемое напряжение, которое для стали 09Г2С составляет 196 МПа.
Данным анализом установлена зона наибольших эквивалентных напряжений, которая находится с внутренней стороны в зоне приварки временной обечайки к трубной решетке. Разрыв и начало раскрытия временной наиболее вероятно произошли в этой зоне.
Моделирование последовательности разрыва временной обечайки было принято, что сжатый воздух обладает энергией и способствует поддержанию избыточного давления в межтрубном пространстве теплообменника. Соответственно при разгерметизации временной обечайки вид разрушения получил сложные деформации характерные для разрушений с участием газовой среды - «сжатого воздуха».
В условиях несжимаемости испытательной среды - воды, сброс избыточного внутреннего давления происходит в короткий промежуток времени без значительных деформаций.
Рассмотрено длительное воздействие внутреннего давления на последовательное разрушение (раскрытие) временной обечайки. В расчетах принято максимальное давление, равное 3,0 МПа. Рассмотрена временная обечайка длиной 300 мм и внутренними диаметрами 1200 мм и 1190 мм. Разность диаметров обусловлена условиями их сопряжения с фланцем корпуса и трубной решеткой, с соответствующими размерами. На рис. 4 приведены: конечно-элементная модель временной обечайки, которая при моделировании закреплена на концах с приложением внутреннего давления 3,0 МПа; распределение напряженно-деформированного состояния данной обечайки.
Рис. 4. Модель и распределение напряженно-деформированного состояния
во временной обечайке
Наибольшие величины эквивалентных напряжений находятся в зонах закрепления обечайки к фланцу и трубной решетки, что подтверждает ранее сделанный вывод о месте наиболее вероятного начала разрушения.
В связи с этим, представляет интерес распределения напряжений при наличии частичного разрыва в зоне приварки временной обечайки к трубной решетке длиной 240 мм.
Анализ полученных результатов показал, что наибольшие эквивалентные напряжения сконцентрированы в месте приварки обечайки к трубной решетке, что ведет к дальнейшему распространению разрыва. С учетом того, что на временной обе-
чайке имеются продольные сварные швы с непроваром, то направление разрыва в этом месте изменилось, так как в цилиндрических обечайках кольцевые напряжения в 2 раза выше, чем меридиональные.
Анализ результатов моделирования показывает, что наибольшие эквивалентные напряжения находятся в точке разрыва (раскрытия), что способствует дальнейшему разрушению временной обечайки на всю длину продольного сварного шва 300 мм вплоть до места приварки к фланцу корпуса. Наибольшая деформация в точке разрыва (раскрытия) составляет более 80 мм.
При дальнейшем распространении разрыва обечайки будет происходить ее отрыв от места приварки к фланцу. Так как в момент окончательного разрыва временной обечайки испытательная среда (вода) практически выйдет из корпуса и давление будет незначительным, то характер деформации и ее обрыва будет иметь вид, как приведено на рис. 5.
Рис. 5. Характер окончательного разрыва временной обечайки
Величина наибольшей деформации в вершинах составит 240 и 333 мм, что удовлетворительно соотносится с визуальной картиной разрушения временной обечайки.
Выводы. Проведен анализ возможных причин разрушения временной обечайки под действием внутреннего давления при проведении гидравлического испытания. На основании представленных материалов была разработана трехмерная модель узла приварки временной обечайки к элементам теплообменника и исследовано напряженно деформированное состояние. Установлено, что наибольшие напряжения возникают в зоне приварки временной обечайки к трубной решетке и к фланцу корпуса. Наличие в сварных соединениях дефектов позволили получить характер отрыва обечайки от мест приварки.
Конструктивная особенность теплообменника, а именно наличие на верхней образующей обечайки корпуса штуцеров без бобышек для дренажа воздуха не позволила в полной мере освободить теплообменник от воздуха в процессе гидроиспытания, что привело к длительному набору испытательного давления 3,0 МПа в течение 30-40 минут. При разгерметизации временной обечайки вид разрушения получил сложные деформации характерные для разрушений с участием газовой среды - «сжатого воздуха».
Список литературы
1. Юша В.Л. Теплообменное оборудование для компрессорных, низкотемпературных и технологических установок: учебное пособие / В.Л. Юша [и др.]. Изд-во ОмГТУ. 2012. 168 с.
2. ГОСТ 31842-2012. Теплообменники кожухотрубчатые. Технические требования. - введ. 2014-01-01. М: Стандартинформ, 2013.
3. Миргадиев Д.И., Ризванов Р.Г., Сквознов М.А. Влияние овальности корпуса теплообменного аппарата на его теплогидравлические характеристики // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2019. № 4 (112). С. 15-20.
4. Горшков Р.В., Павлов А.А., Жаров А.В., Фавстов В.С. Изучение вторичных эффектов в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах // История и перспективы развития транспорта на севере России. 2014. № 1. С. 124-126.
5. Горшенин А.С., Краснова Н.П., Рахимова Ю.И.Численное моделирование кожухотрубчатого теплообменника в программном продукте ANSYSFLUENT // Градостроительство и архитектура. 2020. Т. 10. № 4 (41). С. 174-179.
6. Четверткова О.В., Миронов А.В., Ризванов Р.Г., Шарафиев Р.Г. Верификация конечно-элементной модели кожухотрубчатого теплообменного аппарата // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2015. № 3. С. 452-465.
7. Четверткова О.В., Ризванов Р.Г. Влияние конструктивных зазоров на интенсивность теплообмена и гидравлическое сопротивление кожухотрубчатого теплооб-менного аппарата // Нефтегазовое дело. - Уфа: ФГБОУ ВПО УГНТУ, 2012. Т. 10. № 3. С. 109-112.
8. Абдрахманова К.Н. Прогнозирование предельного состояния обечаек аппаратов на основе цифровых моделей // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2021. № 5 (133). С. 112-120.
9. Иванова Е.И., Тляшева Р.Р., Абызгильдин А.Ю. Анализ опасности технологической системы с применением графических моделей // В сборнике: Мировое сообщество: проблемы и пути решения. Уфимский государственный нефтяной технический университет. Уфа, 2005. С. 41-43.
10. Тляшева Р.Р., Мансурова С.М., Ивакин А.В., Шайзаков Г.А., Байрамгулов А.С. Оценка напряженно-деформированного состояния стального цилиндрического резервуара с учетом эксплуатационных нагрузок // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2014. № 1. С. 329-344.
11. Кузеев И.Р., Тляшева Р.Р., Мансурова С.М., Ивакин А.В., Шайзаков Г.А., Байрамгулов А.С. Методика определения напряженно-деформированного состояния стального цилиндрического резервуара // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2013. № 4. С. 339-347.
12. Кузеев И.Р., Тляшева Р.Р., Гостёнова Е.А. Исследование напряженно-деформированного состояния аппарата колонного типа с трубопроводной обвязкой при взрывном воздействии ударной волны // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2009. № 2 (76). С. 111-115.
Баязитов Марат Ихсанович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Тляшева Резеда Рафисовна, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Ковшова Юлия Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Кузеев Искандер Рустемович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет
APPLICATION OF THE METHOD OF DIGITAL PREDICTION OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE EQUIPMENT DURING HYDRO-TESTING OF THE HEAT EXCHANGER
BODY
M.I. Bayazitov, R.R. Tlyasheva, Yu.S. Kovshova, I. R. Kuzeev
567
The article deals with the issues of application of digital prediction of stress-strain state of shell-and-tube heat exchanger equipment at the stage of its hydro-testing taking into account multifactor loading. Due to the variety of their types of performance for different operating conditions, as well as the reliability of the design, such apparatuses are widely used. In this paper, on the basis of numerical analysis methods, the causes of failure of a temporary shell under the action of internal pressure during hydraulic testing have been analysed. For this purpose, a three-dimensional model of the node of welding the temporary shell to the elements of the heat exchanger was developed and the stress-strain state was investigated. It was found that the highest stresses occur in the zone of welding of the temporary shell to the pipe grid and to the body flange. The presence of defects in the welded joints allowed to obtain the character of tear-off of the shell from the welding points. The presence on the upper form of the casing shell of fittings without bosses for air drainage did not allow to fully free the heat exchanger from air in the process of hydro-testing, which led to a long set of test pressure of 3.0 MPa for 30-40 minutes. During depressurisation of the temporary shell, the fracture type received complex deformations.
Key words: Heat exchanger, hydro-testing, highest stresses, stress-strain state, maximum stresses, pipe lattice.
Bayazitov Marat Ikhsanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Tlyasheva Rezeda Rafisovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Kovshova Yulia Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Kuzeev Iskander Rustemovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University
