CC BY
4
УДК 66-5
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-582-583
ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ КОРПУСА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ШТУЦЕРОВ
М.М. Закирничная, А.В. Рубцов, А.Х. Габбасова, М.И. Баязитов, Р.Р. Тляшева
Рассмотрены задачи оценки степени изменения напряженно-деформированного состояния в корпусе технологической емкости с учетом влияния геометрических размеров и расположения штуцеров, а также нагрузок на штуцеры входа и выхода продукта от присоединяемых трубопроводов, с применением метода конечных элементов. Анализ полученных результатов показал, что конструктивные особенности штуцеров технологической емкости значительным образом влияют на распределение ее напряженно-деформированного состояния, причем распределение носит индивидуальный характер.
Ключевые слова: технологическая емкость, штуцеры, эксплуатационные нагрузки, напряженно-деформированное состояние, максимальные напряжения, зона распределения максимальных напряжений.
Технологические емкости представляют собой конструкции оболочкового типа, широко используются в различных производственных процессах и часто эксплуатируются при повышенных давлениях и температурах. Как правило, в общих случаях емкостное оборудование, работающее под избыточным внутренним давлением, включает в себя такие конструктивные элементы, как: цилиндрическая обечайка корпуса, выпуклые днища, опорная конструкция, а также технологические штуцера. Под воздействием рабочих эксплуатационных нагрузок возможны различные сценарии формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) в корпусе емкости. На закономерности распределения зон повышенных напряжений и их значения влияние могут оказывать также и конструктивные особенности емкости, такие как, например, тип и размеры конструктивного элемента, расположение штуцеров и т.д. В некоторых случаях значения максимальных напряжений могут вплотную приближаться к допустимым значениям и даже превышать их. В действующей нормативной и технической документации прописаны все требования к оценке технического состояния, как при проектировании, так и в процессе эксплуатации [1-5]. Однако все требования направлены на обнаружение уже существующих несоответствий и дефектов и не учитываются все возможные сценарии и факторы, предполагающие появление и дальнейшее развитие этих дефектов и несоответствий. Так, например, в действующей нормативно-технической документации по промышленной безопасности нет рекомендаций по оценке технического состояния корпусов емкостного оборудования путем моделирования напряженно-деформированного состояния в специализированных программных комплексах с учетом ослабления сечения основных конструктивных элементов врезками в них обечаек меньшего диаметра и патрубков штуцеров с приложенными нагрузками от трубопроводной обвязки. В той или иной степени попытки решения вышеуказанных задач для различных оболочковых конструкций предприняты в работах [6-12], однако возможность развития различных индивидуальных сценариев, требует проведение дальнейших углубленных исследований.
Объектом исследования является технологическая емкость, назначение которой - отделение жидкости и газа в парожидкостной смеси. Технические и геометрические характеристики аппарата:
- внутренний диаметр корпуса, мм - 1400;
- длина корпуса, мм - 3650;
- толщина стенки корпуса, мм - 20;
- наружный диаметр отстойника, мм - 325;
- толщина стенки отстойника, мм - 14;
- температура расчетная, °С - плюс 40;
- давление расчетное, МПа - 2,0;
- материал сосуда - сталь 09Г2С.
На рис. 1 представлен эскиз исследуемой технологической емкости.
УГт Н'Щ /ImSyiOO Нйу%
хю__ш
__L
Ш ¡57
вжжшк ПуШ
=1
ЦйуЦ) КДу20в
Р.,С:
Г,С,
Рис. 1. Эскиз исследуемой технологической емкости
Трехмерная модель емкости построена с учётом геометрических особенностей в ПК «KOMnAC-3D», а в интегрированной в него системе APM FEM - разбита на конечные элементы.
Участки трубопроводов, технологически сопряженных со штуцерами входа и выхода продукта емкости, построены для расчётов согласно монтажным схемам (рис. 2). Эксплуатационные нагрузки на них определены в программе «START-PROF».
В результате расчета получены значения эксплуатационных нагрузок, создаваемые трубопроводной обвязкой на штуцеры входа и выхода продукта технологической емкости.
Допускаемые нагрузки на штуцера определены с использованием программы «Штуцер-МКЭ».
Полученные значения распределенных сил и момента от вида нагрузки на штуцеры представлены в таблице.
На основе фактических условий эксплуатации емкости, а также анализа сравнения эксплуатационных и допускаемых нагрузок, в дальнейших исследованиях НДС приняты нагрузки, максимальные значения которых могут составлять до 45 % от допускаемых на основные штуцера системы.
В процессе исследования была проведена оценка НДС технологической емкости для таких сценариев, как последовательное добавление штуцеров, приложение нагрузок на штуцера, без учета и с учетом уменьшения толщины стенки корпуса:
- сценарий № 1 - последовательность добавления штуцеров при толщине стенки корпуса 20 мм:
а) шаг № 1 - люка Ду400 мм;
б) шаг № 2 - отстойника Ду300 мм;
в) шаг № 3 - штуцера Ж Ду250 мм;
г) шаг № 4 - штуцера К Ду200 мм;
д) шаг № 5 -
е) шаг № 6 -
ж) шаг № 7 -
з) шаг № 8 -
и) шаг № 9 -к) шаг № 10 л) шаг № 11 м) шаг № 12 н) шаг № 13
штуцера И Ду150 мм; штуцера Л Ду50 мм;
- штуцера Н Ду50 мм; штуцера М Ду40 мм; штуцера П Ду40 мм;
- штуцера Р1 Ду40 мм;
- штуцера Р2 Ду40 мм;
- штуцера С1 Ду40 мм;
- штуцера С2 Ду40 мм;
а
б
в г
Рис. 2. Участки трубопроводов, смоделированные в ПК «START-PROF.»: а — слив парожидкостной смеси из конденсаторов;
б — слив парожидкостной смеси из конденсаторов; в — отвод газовой фазы; г — слив жидкой фазы на насосы
- сценарий № 2 - последовательность добавления штуцеров при толщине стенки корпуса 18 мм (порядок шагов аналогичен со сценарием № 1);
- сценарий № 3 - последовательность добавления штуцеров при толщине стенки корпуса 16 мм (порядок шагов аналогичен со сценарием № 1);
- сценарий № 4 - последовательность добавления штуцеров при толщине стенки корпуса 14 мм (порядок шагов аналогичен со сценарием № 1);
- сценарий № 5 - приложение эксплуатационных нагрузок на штуцера Ж Ду250 мм, И Ду150 мм, К Ду200 мм, Л Ду50 мм при толщине стенки корпуса 20 мм:
а) шаг № 1 - 15 % от допускаемых значений;
б) шаг № 2 - 25 % от допускаемых значений;
в) шаг № 3 - 35 % от допускаемых значений;
г) шаг № 4 - 45 % от допускаемых значений;
- сценарий № 6 - приложение эксплуатационных нагрузок на штуцера Ж Ду250 мм, И Ду150 мм, К Ду200 мм, Л Ду50 мм при толщине стенки корпуса 18 мм (порядок шагов аналогичен со сценарием № 5);
- сценарий № 7 - приложение эксплуатационных нагрузок на штуцера Ж Ду250 мм, И Ду150 мм, К Ду200 мм, Л Ду50 мм при толщине стенки корпуса 16 мм (порядок шагов аналогичен со сценарием № 5);
- сценарий № 8 - приложение эксплуатационных нагрузок на штуцера Ж Ду250 мм, И Ду150 мм, К Ду200 мм, Л Ду50 мм при толщине стенки корпуса 14 мм (порядок шагов аналогичен со сценарием № 5).
Полученные значения распределенных сил и момента от вида нагрузки на штуцеры
Вид нагрузки Значение
Распределенная сила F, Н Распределенный момент М, Н-м
Штуцер Ж
Допускаемые 25125,78 7009,89
При эксплуатации 3227,00 310,17
Штуцер К
Допускаемые 28986,42 6203,85
При эксплуатации 2232,00 981,11
Штуцер И
Допускаемые 15382,13 1711,18
При эксплуатации 662,00 160,65
Штуцер Л
Допускаемые 2018,35 47,12
При эксплуатации 111,00 7,21
В качестве примера, на рис. 3-6 представлено распределение НДС технологической емкости и распределение максимальных напряжений в зоне врезки люка в соответствии со сценарием № 1 для шага № 1 и № 9, соответственно.
Рис. 3. Распределение НДС технологической емкости в соответствии
со сценарием № 1, шаг № 1
На рис. 7-8 в виде гистограмм представлены зависимости значений максимальных напряжений и размера зоны распределения максимальных напряжений во врезке люка для сценариев № 1-4 от расчетных условий.
585
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы. Конструктивные особенности штуцеров технологической емкости значительным образом влияют на распределение ее НДС. При этом распределение НДС носит индивидуальный характер. В связи с этим в процессе проектирования необходимо проводить не только расчеты согласно действующей нормативно-технической документации, но и дополнительно - оценку НДС с целью оптимального расположения штуцеров в техническом устройстве для минимизации значений напряжений и размера зон их концентрации.
Рис. 4. Распределение максимальных напряжений в зоне врезки люка в соответствии со сценарием № 1, шаг № 1
!УМ1Н/ни*2]
Млпм
Рис. 5. Распределение НДС технологической емкости в соответствии
со сценарием № 1, шаг № 9
Рис. 6. Распределение максимальных напряжений в зоне врезки люка в соответствии со сценарием № 1, шаг № 9
586
1 2 3 4 3 6 7 8 9 10 II 12 13 №шап1 Испенаркп № 1 (з = 20 мм)| [сценарии V" 2(а 18 мм) сценарий № 3 (5 - 16 мм) ■ сценарий 14 мм)
Рис. 7. Зависимость значений максимальных напряжений в соответствии со сценариями № 1-4 от расчетных условий
250
я
1= гт£
| 200 &
I 2 3 ■! 5 6 7 8 9 10 II 12 ¡3 № шага
^сценарий № 1 (з = 20 мм) я сценарий № 2 - 18 мм) сценарий №:(з - 16 мм) ■ сценарии № 4 (ь = 14 ми)
Рис. 8. Зависимость размера зоны распределения максимальных напряжений во врезке люка в соответствии со сценариями № 1-4 от расчетных условий
В продолжение исследований была проведена оценка НДС технологической емкости при расчетном давлении и температуре с учетом уменьшения толщины стенки до 18 мм, 16 мм и 14 мм и нагрузок от трубопроводов, присоединяемых к штуцерам входа и выхода продукта.
В результате расчетов была получена зависимость значения максимальных напряжений для сценариев № 5-8 от расчетных условий, представленная в виде гистограммы на рис. 9.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при варианте расчета НДС технологической емкости с учетом приложенных нагрузок от трубопроводной обвязки, составляющих соответственно 15 %, 25 %, 35 % и 45 % от допускаемых нагрузок, приложенных к штуцерам входа и выхода продукта, значения максимальных напряжений возрастают по сравнению с вариантом без учета вышеприведенных нагрузок примерно в 1,1-1,2 раза. Причем, максимальное увеличение значений напряжений в 1,2 раза наблюдается при номинальной толщине стенки корпуса, равной
587
20 мм. При уменьшении толщины стенки наблюдается видимое увеличение значений максимальных напряжений. Так, например, при уменьшении толщины стенки корпуса емкости с 20 мм до 18 мм значения максимальных напряжений увеличиваются с 195,9 МПа до 268,4 МПа. При увеличении значений нагрузок до 45 % от допускаемых, значения максимальных напряжений значительно увеличиваются - 1,5 раза.
£ 400 .
- „А ,,
§ 350 „Ш* ^ :
IЛ Й Й
1 2 3 4 № шага
[^сценарий 5 (5 = 20 ым)|сценарнЯ № 6 (з = 18 мм) с сценарий №7 (5 = 16 мм) сценарий Л^ Я (5 :-I мм)
Рис. 9. Зависимость значения максимальных напряжений в соответствии со сценариями № 5-8 от расчетных условий
Для каждого рассматриваемого расчетного варианта характерно индивидуальное расположение зоны концентрации повышенных напряжений. Так, например, в случае сценария № 12 значения максимальных напряжений понижаются до 192,4 МПа и перемещаются в область врезки штуцера К Ду200 мм. В корпусе наблюдается перераспределение зон концентраций повышенных напряжений со значениями 96,2 МПа.
Выводы:
1. Проведена оценка НДС корпуса технологической емкости в ПК «Компас 3D» с учетом эксплуатационных нагрузок (температура 40 °С, давление 2,0 МПа) и без учета нагрузок от трубопроводов, присоединяемых к штуцерам входа и выхода продукта. Установлено, что распределение НДС в корпусе технологической емкости при последовательном добавлении штуцеров носит неравномерный характер. В отдельных случаях наблюдается рост значений максимальных напряжений. Однако, в определенных случаях значения напряжений снижаются или происходит их скачкообразное увеличение, что может быть связано с перераспределением НДС емкости из-за взаимовлияния штуцеров. Также характерным является изменение местоположения зон концентрации напряжений и их размеров.
2. Проведена оценка НДС корпуса технологической емкости в ПК «Компас 3D» с учетом эксплуатационных нагрузок (температура 40 °С, давление 2,0 МПа) с учетом уменьшения толщины стенки до 18 мм, 16 мм и 14 мм, а также с учетом нагрузок от трубопроводов, присоединяемых к штуцерам входа и выхода продукта. Показано, что при увеличении приложенных эксплуатационных нагрузок от трубопроводной обвязки (до 45 % от допускаемых значений) максимальные напряжения возрастают примерно 1,1-1,2 раза. При уменьшении толщины стенки наблюдается видимое увеличение значений максимальных напряжений. Так, например, при уменьшении толщины стенки корпуса емкости с 20 мм до 18 мм значения максимальных напряжений увеличиваются с 195,9 МПа до 268,4 МПа. При увеличении значений нагрузок до 45 % от допускаемых, значения максимальных напряжений значительно увеличиваются - в 1,5 раза.
Список литературы
1. Ди0Р-05. Методика диагностирования технического состояния и определения остаточного ресурса технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических производств. - введ. 13.01.2006. Волгоград.: ОАО «ВНИКТИнефте-химоборудование», 2006. 88 с.
„-^.о -ли.* . ,чг,у
ЯЙЙЙ
1 2 3 4 №
2. СТО 00151526-006-2022. Сосуды и аппараты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Требования к надзору во время эксплуатации, проведению технического освидетельствования и отбраковке. - введ. 31.05.2022. Волгоград.: АО «ВНИКТИнефтехимоборудование», 2022. 100 с.
3. ГОСТ 34347-2017. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия. - введ. 01.08 2018. М.: «Стандартинформ», 2018. 103 с.
4. ГОСТ34233.2-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек. - введ. 01.08.2018. М.: «Стандартинформ», 2018. 54 с.
5. ГОСТ34233.3-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и наружном давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер. - введ. 01.08.2018. М.: «Стандартинформ», 2019. 40 с.
6. Закирничная М.М., Гатин Р.Р. Определение допускаемой нагрузки на штуцера с учетом общего напряженно-деформированного состояния колонного аппарата // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. Т. 3. № 2 (35). С. 35-39.
7. Гостенова Е.А., Тляшев И.Р. Применение конечно-элементного анализа к решению задач прогнозирования поведения аппаратов колонного типа с технологической обвязкой в аварийных ситуациях // Нефтегазовое дело. 2017. № 4. С. 140.
8. 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.
9. Rubtsov A.V., Mukhametzyanov Z.R., Kulakov P.A., Arkhipova K.S. Evaluation of the stressed-deformed condition of the cylindrical shell of the separator under corrosion wear. IOP Conference Series: Metrological support of innovative technologies. ICMSIT-2020. Vol. 1515 (2020). 42007. DOI: 10.1088/1742-6596/1515/4/042007.
10. Zakirnichnaya M.M., Rubtsov A.V., Dementev V.A., Gabbasova A.Kh., Arkhipova K.S. Stress-strain state assessment capacitive apparatus taking into account impact piping for connectors. Journal of Physics: Conference Series. APITECH-III 2021. Vol. 2094 (2021). 42033. D0I:10.1088/1742-6596/2094/4/042033.
11. Скопинский В.Н., Берков Н.А., Столярова Н.А. Упругопластическое деформирование сосуда давления с нерадиальным патрубком и определение предельной нагрузки // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 6. С. 34-43.
12. Скопинский В.Н., Берков Н.А., Столярова Н.А. Нелинейный анализ и определение предельных нагрузок для сосуда давления с эллиптическим днищем и патрубком при комбинированном нагружении // Машиностроение и инженерное образование. 2015. № 1 (42). С. 22-31.
Закирничная Марина Михайловна, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Рубцов Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Габбасова Айгуль Хайриваровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
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
STRENGTH ANALYSIS PROCESS VESSEL HOUSINGS TAKING INTO ACCOUNT THE INFLUENCE OF NOZZLES
M.M. Zakirnichnaya, A.V. Rubtsov, A.Kh. Gabbasova, M.I. Bayazitov, R.R Tlyasheva
The tasks of assessing the degree of change in the stressed-deformed state in the case of the process tank are considered, taking into account the influence of geometric dimensions and the location of the nozzles, as well as loads on the nozzles of the inlet and outlet of the product from the connected pipelines, using the finite element method. The analysis of the obtained results showed that the design features of the nozzles of the process tank significantly affect the distribution of its stressed-deformed state, and the distribution is individual in nature.
Key words: process tank, nozzles, operating loads, stressed-deformed state, maximum stresses, maximum stress distribution zone
Zakirnichnaya Marina Mikhailovna, doctor of technical sciences, professor, head of the department, zakmarina'amail. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Rubtsov Aleksey Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Gabbasova Aygul Khayrivarovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
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, rezedat@,gmail.com, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University
