5 - 2006

Комплексный подход к исследованию поведения конструкций нефтяной промышленности с использованием программного комплекса ABAQUS и приборов неразрушающего контроля

Резеда Тляшева, Сергей Рыжов, Кирилл Ильин, Игорь Канарейкин

Краткая характеристика программного комплекса ABAQUS

Комплексный подход к исследованию поведения конструкций нефтяной промышленности

Примеры использования диагностического оборудования

Поведение ректификационной колонны при воздействии ударной взрывной волны с применением программного комплекса ABAQUS

Статика. Предварительно нагруженное состояние

Динамика. Воздействие взрывной волны

Заключение

Объекты нефтяной промышленности, такие как резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов, трубопроводы, сосуды давлений и многие другие, относятся к категории объектов повышенной опасности. Надзорные органы предъявляют самые высокие и жесткие требования к проектированию и безопасной эксплуатации таких объектов.
В статье представлен комплексный подход к проектированию и эксплуатации конструкций нефтяной промышленности, к оценке остаточного ресурса при штатных и аварийных ситуациях. Следует отметить, что только одновременное использование современных и надежных средств численного моделирования, таких как ABAQUS, и современных методов диагностики с помощью приборов для неразрушающего контроля позволит, с одной стороны, осуществлять достоверный контроль над критическими зонами конструкции при различных нагрузках, а с другой стороны, оценивать ресурс долговечности конструкций при повреждениях.
Общность данного подхода позволяет применять его и для других отраслей народного хозяйства, что особенно актуально в настоящее время для проведения экспертиз в строительстве в связи с участившимися авариями.

Краткая характеристика программного комплекса ABAQUS

Конечно-элементный комплекс ABAQUS — это программный комплекс общего назначения, предназначенный для проведения инженерного прочностного анализа различных конструкций.

ABAQUS широко применяется для проектирования и расчетного анализа объектов нефтегазовой и нефтехимической отраслей во всем мире.

ABAQUS является безусловным лидером среди коммерческих программ по распространенности в нефтегазовой отрасли США, Канады и некоторых других западных странах. Из его пользователей следует отметить такие компании, как Shell, DNV, Statoil, BP AMOCO, Schlumberger, Exxon Mobil Chemical, Chevron и др.

ABAQUS позволяет рассчитывать сложное нелинейное напряженно-деформированное состояние конструкции и оценивать ее прочность и устойчивость с учетом многофакторного нагружения, в том числе теплового и взрывного нагружения.

К преимуществам данного программного комплекса относится также наличие целого ряда нелинейных моделей материалов, в частности материалов грунтов, пористых и других материалов, что позволяет эффективно и с большой точностью решать задачи, содержащие данные типы материалов, например расчет прочности подземных трубопроводов или задачи диффузии в пористых средах.

Из спектра решаемых ABAQUS задач следует выделить:

•  расчет усталостной прочности и долговечности конструкций под воздействием как циклического, так и произвольного по времени нагружения с учетом пластичного состояния (рис. 1);

Рис. 1. Пример расчета усталостной прочности выхлопного коллектора

Рис. 1. Пример расчета усталостной прочности выхлопного коллектора

•  оптимизация конструкций к изменению параметров, например оптимизация геометрии конструкции по напряжениям, возникающим в конструкции при заданных нагрузках;

•  расчет конструкций, погруженных в воду, с учетом различных типов нагрузок, таких как подводное течение, волнение на поверхности водоема, ветровые нагрузки и пр.;

•  задачи трещинообразования, что особенно актуально в местах сварных соединений, местах — концентраторах напряжений и областях конструкции, находящихся под циклической нагрузкой;

•  решение полностью связанных задач прочности и гидродинамики.

ABAQUS является надежным, качественным расчетным кодом с удобным интерфейсом.

Комплексный подход к исследованию поведения конструкций нефтяной промышленности

Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов, трубопроводы и сосуды под давлением относятся к категории объектов повышенной опасности, к которым предъявляются самые высокие требования как на стадии изготовления, так и для обеспечения безопасной работы в процессе эксплуатации. Возрастающее количество аварий на этих объектах связано с высоким уровнем изношенности конструкций, так как большой их процент выработал свой проектный ресурс. Последствия таких аварий могут приводить к человеческим жертвам, к экологическим катастрофам, к остановке технологического процесса на время устранения аварии и к огромным финансовым потерям (рис. 2).

Рис. 2. Результат падения аппарата колонного типа

Рис. 2. Результат падения аппарата колонного типа

Основные причины, приводящие к авариям, следующие:

•  повышенная пожаро- и взрывоопасность хранимых продуктов;

•  высокая скорость коррозионного износа;

•  жесткие климатические условия: ураганный ветер, резкие перепады температур, сейсмические воздействия и др.;

•  сложный характер нагружения конструкции в зоне уторного шва на примере резервуаров;

•  вибрационное воздействие со стороны присоединенного оборудования и трубопроводов;

•  изменение температуры при сменах режимов;

•  агрессивность рабочей среды.

Накопление повреждений в материале вследствие этих воздействий, а также возможное        нарастание технологических дефектов приводит к сокращению ресурса конструкций. Задача исследования поведения, в том числе остаточного ресурса, конструкции должна опираться на полную и точную информацию о ее состоянии. Большая часть этой информации может быть получена экспериментальными диагностическими методами. Другая часть документируется в процессе эксплуатации. Эти источники информации являются необходимыми, но недостаточными: невозможно чисто экспериментальным путем выявить наиболее нагруженные зоны и определить напряжения в них — как из-за трудностей доступа (в частности, к внутренней поверхности сосуда), так и из-за неопределенности расположения нагруженных зон при вибрационном или тепловом нагружении. Только одновременное использование современных и надежных средств численного моделирования, таких как ABAQUS, и современных средств и методик диагностики (приборы для неразрушающего контроля) даст возможность осуществлять достоверный контроль над критическими зонами конструкции при различных нагрузках и оценивать ресурс долговечности конструкций при повреждениях.

С одной стороны, точное определение характеристик конструкции при диагностировании позволит дать достоверное заключение о ресурсе конструкции при использовании методов численного моделирования, таких как ABAQUS.

С другой стороны, численное моделирование поведения конструкций при реальных нагружениях обеспечивает выявление наиболее критических зон конструкции, где необходимо осуществлять постоянный контроль с использованием приборов для неразрушающего контроля.

На рис. 3 приведена общая схема комплексного подхода к исследованию поведения конструкции.

Рис. 3. Схема комплексного подхода к исследованию поведения конструкции

Примеры использования диагностического оборудования

Одна из основных причин вывода объектов из эксплуатации в неф­тяной промышленности — коррозия внутренней поверхности резервуаров и емкостей.

При обследовании резервуаров широко используется ультра­звуковой контроль, который обладает высокой чувствительностью к обнаружению наиболее опасных дефектов типа трещин и может быть проведен на объекте, находящемся в эксплуатации. Обследование на степень коррозионного износа также не вызывает каких-либо трудностей.

Существующая в настоящее время практика ручного ультразвукового контроля очень часто не удовлетворяет последующим требованиям при эксплуатации оборудования и требованиям инспекционного надзора. Достоверность результатов при ручном контроле зависит в первую очередь от квалификации оператора-дефектоскописта и от ряда субъективных факторов, от соблюдения технологии контроля, от применяемой аппаратуры и др. При ручных методах контроля для обследования резервуаров на коррозионный износ используют только выборочный контроль, не дающий полной информации о состоянии объекта. Наибольшую опасность вызывает местная, или питтинговая, коррозия, которую очень легко пропустить при ручном выборочном контроле. Существенным моментом является также то, что в некоторых случаях инспекционный контроль может быть проведен только при ремонтных или регламентных работах с остановкой оборудования на несколько дней или часов, что недостаточно при больших объемах работы из-за низкой производительности и малой достоверности ручного контроля.

Всех перечисленных недостатков можно избежать только при использовании 100% автоматического контроля, по результатам которого выдается документация о выявленных дефектах, позволяющая оценить реальное состояние объектов.

Фирма AMDATA (США) — один из лидеров в области разработки и производства портативных переносных установок для автоматического ультразвукового и вихретокового контроля серии IntraSpectI/UX (рис. 4).

Рис. 4. Портативная переносная установка для автоматического ультразвукового и вихретокового контроля серии IntraSpectI/UX

Рис. 4. Портативная переносная установка для автоматического ультразвукового и вихретокового контроля серии IntraSpectI/UX

Системы AMDATA позволяют легко переходить от малопроизводительного и выборочного ручного контроля к 100% автоматизированному контролю, определяющему любые дефекты в сварных швах и основном материале, остаточную толщину стенок, язвенную, ручейковую и канальную коррозию на поверхностях различной геометрической формы и размеров в любых пространственных положениях. Получение данных осуществляется в масштабе реального времени. Все системы IntraSpect обеспечивают высокоскоростное сканирование, сбор данных, повторяемость результатов, постоянное хранение RF-данных и параметров настройки, последующий вызов накопленных данных и анализ, изменение параметров настроек без повторного сканирования, печать результатов, снижение общего времени обследования (одновременный сбор и обработка данных) и выдачи результатов контроля. Возможность проведения контроля с очень малым шагом сканирования (до 0,2 мм и меньше) при высокой общей точности позиционирования от начальной точки отсчета позволяет осуществлять контроль особо ответственных изделий с выявлением дефектов очень малых размеров.

Приведем наиболее характер­ные примеры применения систем AMDATA в нефтехимической и газовой промышленности:

•  обследование днищ и боковых стенок нефтехранилищ, резервуаров (сварные швы, основной металл, степень коррозионно-эрозионного износа, обнаружение язвенной и канальной коррозии) с наружной и внутренней поверхностей;

•  контроль технологических трубопроводов, ректификационных колонн;

•  обследование котлов, сосудов высокого давления, ресиверов и др.;

•  контроль магистральных трубопроводов;

•  проведение контроля в опасных для жизни человека местах.

Демонстрация работы систем AMDATA проводилась на реальных объектах предприятий АО «СН-Мегионнефтегаз», АООТ «ЛУКойл-Лангепаснефтегаз», «Самаратрансгаз» и «Приволж­ские магистральные нефтепроводы».

Так, для организации «При­волж­ские магистральные трубопроводы» проводились обследования толщины днища хранилища топлива на предмет обнаружения остаточной коррозии. Обнаружены участки с недопустимой остаточной толщиной. Днище подлежит срочному ремонту. Во внутренней части хранилища в зоне приварки (уторный шов) боковой стенки к днищу (на расстоянии 40-50 мм по высоте) по всему периметру имеются как отдельные, так и протяженные участки глубокой язвенной коррозии. Контроль проводился с наружной стенки. При номинальной толщине 13,5 мм на исследуемом участке обнаружена зона с остаточной толщиной всего 3,6 мм (рис. 5).

Измеренные данные были полностью подтверждены при последующем визуальном контроле с измерением координат участков коррозии и остаточной толщины.

Рис. 5. Боковая стенка хранилища топлива. Зона уторного шва. Номинальная толщина — 13,5 мм. Обнаружены участки с минимальной остаточной толщиной всего 3,6 мм

Рис. 5. Боковая стенка хранилища топлива. Зона уторного шва. Номинальная толщина — 13,5 мм. Обнаружены участки с минимальной остаточной толщиной всего 3,6 мм

Поведение ректификационной колонны при воздействии ударной взрывной волны с применением программного комплекса ABAQUS

Рассматривается поведение ректификационной колонны с использованием программного комплекса ABAQUS при воздействии ударной взрывной волны при взрыве парогазовоздушного облака на некотором расстоянии от колонны. Помимо этого исследуется напряженно-деформированное состояние колонны до взрыва при штатной эксплуатации.

Для решения поставленной задачи была смоделирована ректификационная колонна (рис. 6), состоящая из следующих элементов: корпус 1, верхнее и нижнее эллиптические днища 2, опора 3, массообменные тарелки 4, люки и штуцера 5. Опора крепится к бетонному фундаменту с помощью анкерных болтов 6.

Рис. 6. Модель ректификационной колонны

Рис. 6. Модель ректификационной колонны

При моделировании учитывалось нахождение кубовой жидкости в нижней части колонны и жидкой фазы на массообменных тарелках.

Решение задачи выполнялось в два этапа.

На первом этапе проводилось исследование статического нагруженного состояния колонны с учетом рабочих условий эксплуатации, таких как температура, внутреннее давление, собственный вес и гидростатическое давление жидкости.

На втором этапе исследовалось динамическое поведение предварительно нагруженной колонны под действием фронта взрывной ударной волны. При этом результаты статического расчета были приняты в качестве начальных условий для расчета динамического воздействия.

Основные конструктивные параметры модели: диаметр колонны — 4 м, высота — 30 м, количество тарелок — 27, толщина стенки колонны — 18 мм, количество анкерных болтов — 10. Болты равномерно распределены по периметру основания.

Учитывались упругопластические свойства материалов колонны и анкерных болтов, выполненных из стали.

В статическом расчете принимались следующие нагрузки, действующие в колонне:

•  собственный вес конструкции. Эта распределенная нагрузка в ABAQUS вычисляется автоматически при задании плотности материала и ускорения свободного падения;

•  гидростатическое давление столба кубовой жидкости, P2. Высота столба жидкости — 1,5 м. Эта нагрузка в ABAQUS вычисляется автоматически при задании высоты столба жидкости и ее плотности;

•  гидростатическое давление слоя жидкости, действующее на каждую тарелку, P1;

•  внутреннее давление в колонне величиной 2 Атм;

•  температура верха колонны — 85 °С;

•  температура низа колонны — 174 °С. Температура на границе каждого отсека колонны задается по высоте по линейному закону;

•  температура окружающей среды — 20 °С;

•  в расчете учитывались анкерные болты во взаимосвязанной системе.

Фундамент колонны закреплен по всем степеням свободы, на плоскости симметрии колонны задается условие симметрии, а нижняя грань анкерных болтов имеет закрепление по всем степеням свободы.

В модели задано условие контактного взаимодействия между фундаментом и основанием колонны, а также между анкерными болтами и основанием. Коэффициент трения в обоих случаях равен нулю.

Схема нагружения, граничных условий и контакта показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема нагружения, граничных условий и контактного взаимодействия

Рис. 7. Схема нагружения, граничных условий и контактного взаимодействия

Сетка конечных элементов создана в препроцессоре ABAQUS/CAE. Использовались твердотельные объемные элементы первого порядка аппроксимации типа C3D8R. Общее количество элементов в модели — 9492. Конечно-элементная модель приведена на рис. 8.

Рис. 8. Дискретизация модели. Сетка конечных элементов

Рис. 8. Дискретизация модели. Сетка конечных элементов

Статика. Предварительно нагруженное состояние

Результаты численных экспериментов статического расчета приведены на рис. 9: распределение температур в материале колонны, распределение эквивалентных напряжений по Мизесу, а также распределение перемещений.

Рис. 9. Результаты статического расчета

Рис. 9. Результаты статического расчета

Видно, что максимальные напряжения в колонне достигают 67 МПа, что не превышает предела текучести стали.

Максимальные перемещения составляют 4,2 см, которые до­стигаются в центре тарелок.

На рис. 10 также показано распределение эквивалентных напряжений по Мизесу вдоль образующей от верхней точки колонны до фундамента.

Наиболее напряженные места колонны — это места крепления тарелок к оболочке колонны, а также область крепления колонны к основанию.

Рис. 10. Эквивалентные напряжения по Мизесу по образующей от верхней точки колонны до фундамента

Рис. 10. Эквивалентные напряжения по Мизесу по образующей от верхней точки колонны до фундамента

Динамика. Воздействие взрывной волны

Помимо начального условия в виде преднагружения, в динамических расчетах сохраняются все нагрузки и граничные условия с предыдущего статического расчета, а также появляется нагрузка от действия ударной волны в виде давления, параметры которого представлены на рис. 11.

Рис. 11. Варианты амплитуд давления ударной волны

Рис. 11. Варианты амплитуд давления ударной волны

Представлены результаты трех расчетов с максимальными значениями давления во фронте волны в 50, 75 и 100 КПа. Длительность воздействия ударной волны во всех трех вариантах составляет 0,02 с.

На рис. 12 показано деформированное состояние колонны в области основания, в частности можно наблюдать разрушение анкерных болтов, напряжения в которых превышают предел прочности.

Рис. 12. Деформированное состояние колонны в области основания

Рис. 12. Деформированное состояние колонны в области основания

В результате расчетов получено, что при давлении в 50 КПа не происходит падения колонны. При давлении в 75 КПа колонна теряет устойчивость и опрокидывается, но с меньшей скоростью, чем при давлении в 100 КПа.

На рис. 13 и 14 показано распределение эквивалентных напряжений по Мизесу и эквивалентных пластических деформаций соответственно вдоль образующей колонны от верхней точки колонны до фундамента в момент времени t = 1,5 c для варианта с максимальным давлением на фронте волны Pф = 50 КПа. Видно, что наибольшие напряжения и пластические деформации достигаются в нижней части основания колонны.

Рис. 13. Эквивалентные напряжения по Мизесу вдоль центральной образующей от верхней точки колонны до фундамента. Время t=1,5 c. Pф = 50 КПа

Рис. 13. Эквивалентные напряжения по Мизесу вдоль центральной образующей от верхней точки колонны до фундамента. Время t=1,5 c. Pф = 50 КПа

Рис. 14. Пластические деформации вдоль центральной образующей от верхней точки колонны до фундамента. Время t = 1,5 c. Pф = 50 КПа

Рис. 14. Пластические деформации вдоль центральной образующей от верхней точки колонны до фундамента. Время t = 1,5 c. Pф = 50 КПа

Заключение

В статье представлен комплексный подход к проектированию и эксплуатации конструкций нефтяной промышленности, а также к оценке остаточного ресурса при штатных и аварийных ситуациях. Следует отметить, что только одновременное использование современных и надежных средств численного моделирования, таких как ABAQUS, и диагностики (приборы для неразрушающего контроля) позволит, с одной стороны, осуществлять достоверный контроль над критическими зонами конструкции при различных нагрузках, а с другой стороны, оценивать ресурс долговечности конструкций при повреждениях.

Приведены примеры применения диагностического оборудования компании AMDATA (США) типа портативных переносных установок для автоматического ультразвукового и вихретокового контроля серии IntraSpectI/UX для объектов неф­тяной промышленности.

Рассмотрено поведение ректификационной колонны с использованием программного комплекса ABAQUS при статическом нагружении и при воздействии ударной взрывной волной.

Универсальность данных подходов позволяет применять их и для других отраслей народного хозяйства. 

Резеда Тляшева

Окончила Уфимский государственный нефтяной технический университет в 1995 году по специальности «Машины и аппараты химических производств». Доцент кафедры МАХП, кандидат технических наук. Заместитель заведующего по информационному обеспечению УГНТУ.

Сергей Рыжов

Окончил Московский физико-технический институт в 1979 году по специальности «Вычислительная математика». Кандидат физико-математических наук. Начальник отдела систем проектирования и инженерного анализа «ТЕСИС».

Кирилл Ильин

Окончил Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова в 1996 году по специальности «Математика, прикладная математика». Инженер отдела систем проектирования и инженерного анализа «ТЕСИС».

Игорь Канарейкин

Окончил Московское высшее техническое училище им. Н.Э.Баумана в 1975 году по специальности «Оборудование и технология сварочного производства». Кандидат технических наук. Начальник отдела неразрушающих методов контроля и диагностики «ТЕСИС».

В начало В начало

САПР и графика 5`2006