5 - 2006

Bentley CAE — программные продукты для прочностного и гидравлического расчета трубопроводов в нефтегазовой отрасли

Наталья Гаврилина

Сегодня, говоря о комплексной системе автоматизации проектирования, невозможно оставить без внимания расчетные системы, без которых любой серьезный проект по строительству крупных промышленных объектов вряд ли может считаться законченным.

Основными разделами по расчетам при выполнении проектных работ являются гидравлические и прочностные расчеты трубопроводных систем. Давайте рассмотрим программные продукты, предназначенные для этих расчетов и наиболее широко представленные в нефтегазовой отрасли. Сосредоточимся на аспектах, которые влияют на скорость и качество внедрения, а также на взаимодействие с заказчиками и контролирующими органами по результатам расчетов.

Поверочный расчет на прочность трубопровода необходим при проектировании любых трубопроводов. Он включает расчет элементов трубопровода на статическую прочность от внутреннего давления и температурного перепада, расчет  прочностных характеристик конструкционных элементов трубопровода по твердости, расчет усилий и моментов, действующих на элементы трубопровода и полученных с учетом весовых нагрузок (элементов трубопровода, изоляции, пара), внутреннего давления, температурного расширения, реакций опор и самокомпенсации.

Реальными и потенциальными пользователями программных продуктов для расчета являются проектные институты, монтажно-инжиниринговые организации, нефтехимические и нефтеперерабатывающие заводы. Расчетные продукты используются в основном при проектировании новых трубопроводов, но могут применяться и для оценки прочности действующих трубопроводов, поэтому к их потребителям относятся также эксплуатирующие и ремонтные организации.

Рабочим веществом трубопровода во всех перечисленных программных продуктах для расчета являются нефть, газ, сжиженный газ, вода, нефтепродукты и даже сыпучие материалы (в нефтехимии). С их помощью могут быть рассчитаны различные трубные системы, проектируемые для нужд нефтегаза: магистральные и промысловые трубопроводы, газораспределительные сети, обвязки технологических трубопроводов, котельные, насосные станции, морские платформы, трубные обвязки машинного отделения морских платформ.

Для реализации поставленных задач мы предлагаем решение от лидера мирового рынка САПР — расчетную систему Bentley AutoPIPE. Сотни проектов — как зарубежных, так и отечественных —  были просчитаны в программе AutoPIPE. Многие институты на территории России успешно используют данный программный продукт и рекомендуют его к применению.

В нем воплощено в жизнь давнее желание инженеров всего мира:  посредством одной команды и щелчка на графической модели кнопкой мыши вставлять, модифицировать или удалять элементы конструкции, назначать свойства элементов и нагрузки для моделей с практически не ограниченным количеством расчетных точек.

Фирме Bentley удалось объединить объектно ориентированные графические технологии с современными аналитическими возможностями, которыми не располагают другие программы. В результате получился уникальный инструмент для расчета и проектирования трубопроводов. Но… перейдем непосредственно к самой программе.

AutoPIPE — самостоятельная программа компьютерного моделирования, предназначенная для решения напряженно-деформированного состояния трубопроводов, расчета опор, анализа фланцевых соединений и анализа статических и динамических нагрузок.  AutoPIPE  имеет  тщательно разработанный интерфейс пользователя, с которым легко работать как профессиональным инженерам, занимающимся расчетом напряженного состояния трубопроводов, так и обычным пользователям.

В программе используется 18 стандартов, в том числе американский стандарт ASME.

Согласно сертификату соответствия № РОСС US.ME20.Н01147 от 12.08.2005, в настоящее время программа AutoPIPE отвечает требованиям следующих  нормативных документов:

•  ГОСТ Р ИСО/МЭК 12119-2000 (п. 3.1.3, 3.1.4, 3.1.5, 3.2, 3.3.1, 3.3.2, 3.3.3);

•  СНиП 2.05.06-85* п. 8.23-8.27, 8.34;

•  РТМ 38.001-94 (Минтопэнерго РФ) п. 7.5, 7.6;

•  РД 10-249-98 (Госгортехнадзор России) п. 5.1, 5.2;

•  ВН 39-1.9-005-98 (ОАО «Газпром», согласовано Госгортехнадзором России) п. 4.

Программа позволяет рассчитывать формы и моды колебаний, производить подбор пружин, анализировать фланцевые соединения, патрубки и штуцера оборудования при статических и динамических нагрузках, учитывает влияние грунта, трение в опорах, а также ветровые и сейсмические нагрузки. AutoPIPE  учитывает нелинейное поведение опор и реакций грунта. Программа располагает возможностями для упорядочения нелинейных нагрузок. Можно создавать ветровые, сейсмические, весовые нагрузки на любом участке трубопровода, при этом пользователи могут точно рассчитать нагрузки и напряжения для нагрузок случайного характера, действующих на трубопровод.

AutoPIPE располагает опциями для расчета локальных напряжений в оболочках.

Возможности динамического анализа включают расчет мод и форм собственных колебаний системы, спектров реакций, анализ гармонических нагрузок по методу фаз, динамический анализ временных зависимостей. Кроме того, AutoPIPE может рассчитывать гидроудары в системе и сброс пара.

Выпускаются две версии AutoPIPE: Plus и Standard. Plus обладает более расширенными возможностями, которых нет в стандартной версии.

AutoPIPE базируется на теории конечных элементов, которая используется для анализа системы. Применение интеллектуальных установок по умолчанию позволяет пользователю рассчитывать сложные системы без глубоких знаний теории конечных элементов.

После запуска AutoPIPE на экране дисплея появляется главное окно программы, которое организовано таким образом, что обеспечивает доступ к большинству часто используемых команд. Все команды логически упорядочены и объединены в меню в соответствии с их назначением. При этом вид меню зависит от текущего режима работы программы. Следует отметить, что AutoPIPE обеспечивает работу либо в графическом режиме (по умолчанию), либо в режиме рабочей таблицы, где исходные данные модели воспроизводятся в формате электронной таблицы.

При выполнении большинства команд AutoPIPE на экране появляются диалоговые окна, содержащие поля, которые предназначены для ввода исходных данных.

Программа осуществляет проверку ошибок во время ввода данных и сигнализирует об их наличии.

Удобный графический интерфейс программы AutoPIPE существенно облегчает процесс построения и редактирования моделей трубопроводных систем, а также их анализ. В AutoPIPE применяются стандартная система команд Windows, объектно ориентированные графические средства и CAD-интерфейс.

В программу включен широкий спектр опор — от пружинных до неподвижных. AutoPIPE выполнят расчет и подбор подвесок для любых  рабочих условий. AutoPIPE располагает двухточечными опорными элементами, позволяющими определять соединение между трубопроводом и стальной конструкцией с учетом зазоров и трения. AutoPIPE выполняет нелинейный анализ  опор с заданным направлением их действия при наличии зазоров и трения, двунаправленных пружинных опор и трубопроводов, проложенных в грунте и по дну моря.

AutoPIPE включает встроенные подпрограммы анализа конструкций с элементами рам, что дает пользователям возможность выполнять расчет масс и параметров гибкости опор непосредственно в процессе расчета трубопроводной системы.

AutoPIPE содержит обширную и разнообразную библиотеку элементов трубопроводов и свойств материалов, характеристики которых зависят от температуры, с учетом соответствующих допусков. В библиотеку элементов входят трубопроводы, фланцы, колена, клапаны, переходники, опоры, подвески, гибкие соединительные элементы и многие другие часто используемые компоненты. Характеристики и свойства стандартных элементов, таких как участки трубопроводов или  клапанов, могут быть взяты из предварительно  созданных библиотек.

После построения или в любой другой момент можно свести все входные данные в одну таблицу, которую можно просматривать с экрана, а также сохранить в файл и распечатать.

После расчета системы, чтобы просмотреть результаты расчета, нужно щелкнуть мышью на графическом изображении модели. Кодированные различными цветами напряжения, анимированные колебания и всплывающие окна дают инженеру возможность быстрее исследовать критические области.

Результаты расчета можно воспроизвести как в графическом режиме, так и в режиме таблиц. При этом программа автоматически сравнивает полученные результаты с допустимыми значениями и предупреждает пользователя об ошибке.

Опции выбора отчетов позволяют пользователю выбрать нужный отчет — с фильтрацией данных или без нее, для просмотра на экране или для распечатки.

С помощью опций графического выделения пользователь может графически выбрать нужные точки для включения их в выводимый отчет.

AutoPIPE  тесно связан с другими прикладными программами AutoCAD  пакета AutoPLANT фирмы Bentley для проектирования промышленных объектов и разработки рабочих чертежей. Модели трубопроводных систем могут передаваться в AutoPIPE, что позволяет экономить сотни часов рабочего времени, которые затрачиваются при ручном вводе данных из чертежей. Кроме того, в AutoPIPE могут передаваться данные и из других популярных систем (и графическая, и объектная модели): Caesar II, Aveva PDMS, Intergraph PDS и PlantFLOW.

Как видите, возможности программы AutoPIPE велики. Одним из основных ее достоинств является то, что, не владея глубокими познаниями в прочности и МКЭ-методе, расчетчик может анализировать выходные данные и делать выводы по результатам расчета.

Программное обеспечение Bentley AutoPIPE в течение многих лет подвергалось многочисленным независимым проверкам на соответствие стандартам 10CFR50 Арр. В, ASME NQA-1 и ANSI N45.2 и было одобрено для применения в качестве программного обеспечения для расчетов и управления безопасностью проектов в различных областях промышленности.

Сертификация данного программного продукта на территории России открыла новые пути к использованию AutoPIPE при расчете зарубежных, а также, что очень важно, отечественных проектов.

Сейчас, когда прочность и надежность стали одним из основных аспектов при проектировании трубопроводных систем, расчетную программу столь высокого уровня просто необходимо применять на предприятиях нефтегазовой промышленности.

Для того чтобы в полной мере воспользоваться возможностями расчета подземных трубопроводных систем, мы разработали программное средство для расчета характеристик взаимодействия трубы с грунтом — программу ГРУНТ.

Данные характеристики необходимы для моделирования подземного трубопровода в Bentley AutoPIPE. Расчет ведется по методике, представленной в программе Bentley AutoPIPE.

О расчете данных величин вручную можно забыть — он будет производиться автоматически!

Кроме того, ГРУНТ решает и другие полезные задачи, например выполняет расчет шага точек грунта и активной длины трубы. Программа ГРУНТ предназначена для расчета следующих характеристик взаимодействия подземного трубопровода с грунтом:  коэффициентов жесткости (k1) и погонных сил (p1), действующих со стороны грунта на трубу в четырех направлениях (горизонтальном продольном, горизонтальном поперечном, вертикальном вверх и вертикальном вниз);  максимального шага точек грунта (Maximum Spacing) при растяжении и изгибе трубопровода;  необходимой активной длины подземного трубопровода.

Расчет производится как для горизонтального, так и для вертикального трубопровода (шаг точек грунта и активная длина для вертикального трубопровода не рассчитываются). В программе учтены и устранены недостатки представленной в AutoPIPE методики расчета характеристик грунта, касающиеся ограничения расчета при залегании трубопровода на глубину, превышающую пять диаметров. Полученные результаты расчета используются в дальнейшем для программы Bentley AutoPIPE и позволяют быстро заполнять формы для моделирования грунта на подземных участках трубопровода.

Размерности полученных коэффициентов жесткости (k1) и погонных сил (p1) соответствуют размерностям величин, которые нужно ввести в диалоговое окно Soil Propirties программы Bentley AutoPIPE в том же порядке, в котором они находятся в программе ГРУНТ.

Программа AutoPIPE автоматически рассчитывает нагрузки на патрубки резервуара. Чтобы рассчитать допустимые нагрузки на резервуар и местные напряжения в стенке резервуара от действующих нагрузок, понадобится программа Bentley WinNozl.

Программа AutoPIPE автоматически импортирует нагрузки в модуль WinNozl. Пользователю остается только задать геометрическое расположение резервуара и патрубка и выбрать метод расчета.

Приложение Bentley WinNozl предназначено только для работы в ОС Windows. Оно разработано с применением хорошо известных технических стандартов. Допускаемые значения нагрузок, полученные в результате расчетов, помогут конструкторам и проектировщикам определить, способны ли стенки аппаратов высокого давления, теплообменников, резервуаров или трубопроводов работать при заданных нагрузках.

Bentley WinNozl поддерживает следующие широко используемые международные технические стандарты: WRC107 (стандарт для сварных соединений, включая WRC368 и ASME VIII), WRC297 (включая WRC368 и ASME VIII), BS5500 и расчетные нормы API 650.

Программа имеет обширную базу данных материалов по допускаемым напряжениям, зависящим от применяемого стандарта.

Описание расчетных программ Bentley было бы неполным, если бы мы не ознакомили вас с еще одной программой Bentley PlantFLOW, отвечающей за гидравлические расчеты трубопроводных систем. Это специализированная программа, разработанная для упрощения процесса анализа  течения в трубопроводах.

PlantFLOW  позволяет рассчитывать перепады давлений и скорости течения в разомкнутых и замкнутых трубопроводных сетях и помогает инженерам определять размеры трубопроводных систем,  проектировать водомерные узлы и оценивать потери давления в компрессорах, насосах и теплообменниках.

С ее помощью инженеры могут моделировать с большой точностью различные расчетные схемы за считаные минуты, пользуясь при этом информацией других CAD-приложений для проектирования промышленных объектов и анализа напряжений в трубопроводах. Bentley PlantFLOW дает пользователям возможность легко строить сети трубопроводов любой сложности или размеров, рассчитывать давления, температуры и скорости течения жидкости во всей сети для оценки возможных альтернативных вариантов.

Bentley PlantFLOW — единственная программа анализа течения носителей в трубопроводах, в которой используются трехмерные модели, близкие к реальным, при этом применяется интерфейс с системой проектирования Bentley AutoPLANT и программами анализа напряжений в трубопроводах и их элементах. Это позволяет свести к минимуму ошибки в конструкции и значительно упростить процесс проектирования. Программа Bentley PlantFLOW включает набор программных средств для выбора оптимальных размеров трубопроводов и их расположения, библиотеки для подбора оборудования и размеров клапанов, средства для расчета стабилизации течения в распределительных магистралях и сборных коллекторах.

В PlantFLOW применен специальный пользовательский  интерфейс, с которым легко работать как профессиональным инженерам, рассчитывающим параметры течения в трубопроводах, так и  обычным пользователям. После разработки модели воспроизводится ее трехмерное графическое представление. PlantFLOW осуществляет тщательную проверку ошибок при вводе данных и извещает пользователя в случае, если разработанная модель не соответствует модели, создаваемой с помощью обычно используемых методов проектирования трубопроводов. Это позволяет сразу же обнаруживать ошибки ввода.

PlantFLOW содержит обширную и полную библиотеку  элементов трубопроводных систем и свойств жидкостей и газов. Параметры стандартных элементов, таких как участки трубопроводов и клапаны, могут быть выбраны из предварительно определенных библиотек. PlantFLOW также располагает обширной библиотекой свойств жидкостей и газов.

Алгоритмы анализа позволяют исследовать течения в системах, содержащих  клапаны и  переходники   с постоянными и переменными потерями давлений,  центробежные компрессоры, теплообменники, мерные диафрагмы, турбинные расходомеры, сетчатые фильтры и ловушки, спрямляющие лопатки, внезапные расширения и сжатия.

В PlantFLOW входит модуль итеративного нелинейного матричного решения, с помощью которого выполняется анализ системы граничных условий, находится решение уравнений неразрывности, уравнений течения при наличии давления и уравнений теплопередачи для сложной трубопроводной системы.  Наличие интеллектуальных, используемых по умолчанию параметров и процедур позволяет пользователю анализировать течение в сложных трубопроводных системах без глубоких теоретических знаний о происходящих процессах.

При вводе данных в Bentley PlantFLOW можно пользоваться двумя методами анализа результатов расчета: интерактивным просмотром графических данных и просмотром пакетных отчетов. При интерактивном просмотре пользователь может увеличить область около любой точки модели и, щелкнув по ней мышью, получить индикацию значений скоростей, давлений, температур, плотностей и расходов с применением всплывающих окон. Кроме того, пользователь может просмотреть цветные кодированные трехмерные графические изображения модели для быстрой оценки значений давлений и скоростей как во всей сети, так и в каждом из ее элементов.

Результаты расчета можно воспроизвести как в графическом виде, так и в режиме таблиц.

Bentley PlantFLOW Standard позволяет рассчитывать параметры течения жидкости и идеальных газов  при отсутствии теплообмена (чисто изотермический процесс).

Модуль Bentley PlantFLOW Plus идентичен Bentley PlantFLOW Standard, за исключением того, что Plus позволяет строго рассчитывать показатели сжимаемости и термодинамические свойства газов и газовых смесей для применения в расчете параметров течения и осуществляет упрощенный и комплексный расчет теплообмена. Bentley PlantFLOW работает как самостоятельная прикладная программа в среде ОС Windows 95/98/2000 и с Windows NT.

По легкости использования, графическим и техническим возможностям Bentley PlantFLOW является лидером среди прикладных программ расчета течения жидкости в трубопроводах для Windows.

Если вы до сих пор выполняете расчеты течения носителей в системах трубопроводов, применяя традиционные методы расчетов, методы последовательного расчета падений давлений или значительно более простые программные средства, — позвольте Bentley PlantFLOW сохранить ваше время для творчества и повысить качество и безопасность вашего проекта!

Ознакомившись с технической стороной вопроса в настоящей статье, вы вооружены всеми необходимыми знаниями для принятия решения о покупке программного обеспечения Bentley.

Специалисты компании «Ребис Раша» с радостью ответят на все интересующие вас вопросы. С любым из программных продуктов можно поработать в демо-версии или приобрести временные лицензии, позволяющие изучить программу изнутри. Дополнительно можно пройти обучение или заказать пробный расчет специалистам компании «Ребис Раша». Технические специалисты работают в режиме онлайн.

Работайте с нами! Работайте с удовольствием!

САПР и графика 5`2006