5 - 2007

Нужны ли вам программные продукты для прочностного и гидравлического расчета трубопроводов, и есть ли от них толк?

Наталья Гаврилина, Ведущий инженер, ЗАО «Компания «Ребис РАША».

Если задуматься, то данный вопрос не так прост, ведь существуют разнообразные трубопроводы и широкий спектр программных продуктов, посредством которых их рассчитывают, а в этих программах используются разные численные методы расчетов, допущения, алгоритмы и пр. Поэтому в настоящей статье я решила рассмотреть программные продукты, предназначенные для гидравлического и прочностного расчета трубопроводов, которые наиболее широко представлены в нефтегазовой отрасли. Мы сосредоточимся на аспектах, влияющих на скорость и качество внедрения, а также на взаимодействие с заказчиками и контролирующими органами по результатам расчетов. Сразу хочу подчеркнуть, что данная статья выражает мое личное мнение как специалиста в данном вопросе. Кроме того, прошу читателей не рассматривать ее с позиции сравнительного анализа программных продуктов различных разработчиков. Попробуем забыть о политике и сосредоточимся на производственном процессе.

Думаю, что не открою Америку, если скажу, что поверочный расчет на прочность 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. Пользователями программных продуктов для подобного рода расчетов являются проектные институты, монтажно-инжиниринговые организации, нефтехимические и нефтеперерабатывающие заводы. Расчетные программные продукты используются в основном при проектировании новых трубопроводов, но могут применяться и для оценки прочности действующих трубопроводов, поэтому их потребителями также являются эксплуатирующие и ремонтные организации. Рабочим веществом трубопровода во всех перечисленных продуктах может быть нефть, газ, сжиженный газ, вода, нефтепродукты или даже сыпучие материалы (в нефтехимии). С помощью такого программного обеспечения рассчитываются различные трубные системы, проектируемые для нужд нефтегаза: магистральные и промысловые трубопроводы, газораспределительные сети, обвязки технологических трубопроводов, котельные и насосные станции, морские платформы, трубные обвязки машинного отделения морских платформ.

После анализа как российского, так и зарубежных рынков программных средств для подобных расчетов мы остановились на самой «продвинутой» программе — AutoPIPE фирмы Bentley Systems, Inc., занимающей первые места на мировом рынке программных средств в данной области. С тех пор десятки проектов — как зарубежных, так и отечественных — были просчитаны именно в ней. Многие российские институты успешно используют этот программный продукт и рекомендуют его к применению своим коллегам.

Почему же программа AutoPIPE фирмы Bentley Systems так популярна в России и за рубежом? В ней реализована мечта всех инженеров: воспользовавшись одной командой и щелкнув мышью на графической модели, можно вставлять, модифицировать или удалять элементы конструкции, назначать свойства элементов и нагрузки для моделей с практически неограниченным количеством расчетных точек. Фирме Bentley Systems удалось объединить объектно-ориентированные графические технологии с современными аналитическими возможностями, которыми не располагают другие программы. В результате получился совершенно уникальный инструмент для расчета и проектирования трубопроводов.

Вас уже заинтересовала AutoPIPE или еще нет? Тогда давайте рассмотрим ее возможности. AutoPIPE — самостоятельная программа компьютерного моделирования, предназначенная для решения напряженно-деформированного состояния трубопроводов, расчета опор, анализа фланцевых соединений, а также статических и динамических нагрузок. Она имеет тщательно продуманный и удобный интерфейс, которым легко пользоваться как профессиональным инженерам, занимающимся расчетом напряженного состояния трубопроводов, так и обычным пользователям.

Продукт поддерживает 18 стандартов, в том числе американский стандарт ASME. Программа AutoPIPE переведена на русский язык и сертифицирована в России. Согласно сертификату соответствия № РОСС US.ME20.Н01147 от 12.08.2005 она отвечает требованиям следующих нормативных документов:

  • ГОСТ Р ИСО/МЭК 12119-2000 (пп. 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* пп. 8.23-8.27, 8.34;
  • РТМ 38.001-94 (Минтопэнерго РФ) пп. 7.5, 7.6;
  • РД 10-249-98 (Госгортехнадзор России) пп. 5.1, 5.2;
  • ВН 39-1.9-005-98 (ОАО «Газпром», согласовано Госгортехнадзором России) п. 4.

Программа AutoPIPE фирмы Bentley Systems позволяет рассчитывать формы и моды колебаний, производить подбор пружин, анализировать фланцевые соединения, патрубки и штуцеры оборудования при статических и динамических нагрузках, учитывает влияние грунта и трения в опорах, а также ветровые и сейсмические нагрузки. Она учитывает нелинейное поведение опор и реакций грунта и располагает возможностями для упорядочения нелинейных нагрузок. С ее помощью можно создавать ветровые, сейсмические и весовые нагрузки на любом участке трубопровода. Таким образом пользователи могут точно рассчитать нагрузки и напряжения для нагрузок случайного характера, действующих на трубопровод. Как видите, это целая лаборатория, уникальное программное средство для виртуального моделирования и прогнозирования! И это еще не все. AutoPIPE имеет опции 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. Разработчики постарались учесть тот факт, что с программой могут работать не только инженеры, но и ученые. С ее помощью могут выполняться как простые расчеты, так и сложные с большим количеством различных нагрузок. Поэтому разработчик предложил две версии программы AutoPIPE: Standard и Plus. Последняя обладает более расширенными возможностями, отсутствующими в стандартной версии.

Хотя бы кратко хотелось бы рассмотреть методику расчетов. AutoPIPE базируется на теории конечных элементов, которая используется для анализа системы. Применение интеллектуальных установок по умолчанию позволяет рассчитывать сложные системы без глубокого знания теории конечных элементов. После запуска AutoPIPE на экране дисплея появляется главное окно программы. Оно организовано таким образом, что доступ к большинству часто используемых команд очень прост. 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, когда исходные данные модели отображаются в формате электронной таблицы. При выполнении большинства команд AutoPIPE на экране появляются диалоговые окна, содержащие поля, предназначенные для ввода исходных данных. Программа осуществляет проверку ошибок во время ввода данных и сигнализирует об их наличии. Удобный и очень функциональный графический интерфейс программы AutoPIPE существенно облегчает построение и редактирование моделей трубопроводных систем, а также их анализ. В AutoPIPE используются стандартная система команд MS Windows, объектно-ориентированные графические средства и CAD-интерфейс. В программу включен широкий класс опор — от пружинных до неподвижных. AutoPIPE выполнят расчет и подборку подвесок для любых рабочих условий. Она располагает двухточечными опорными элементами, позволяющими определять соединение между трубопроводом и стальной конструкцией с учетом зазоров и трения. Программа выполняет нелинейный анализ опор с заданным направлением 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. Данная программа содержит обширную и разнообразную библиотеку элементов трубопроводов и свойств материалов, свойства 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 элементы. Характеристики и свойства стандартных элементов, таких как участки трубопроводов или клапанов, могут быть взяты из предварительно созданных библиотек.

С исходной информацией и с результатами расчетов очень легко и просто работать, в программе этот вопрос был хорошо продуман. После построения или в любой другой момент можно вывести все входные данные в одну сводную таблицу, которую можно просматривать на экране, а также сохранить в файл и распечатать. После расчета системы для мгновенного просмотра результатов расчета нужно просто щелкнуть мышкой на графическом изображении модели. Кодированные различными цветами напряжения, анимированные колебания и всплывающие окна дают инженеру возможность быстро 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 об этом пользователя. Опции выбора отчетов позволяют ему указывать и выбирать тот отчет, который должен генерироваться, с фильтрацией данных или без, для просмотра на экране или для распечатки. С помощью опций графического выделения пользователь AutoPIPE может графически выбрать нужные точки для включения их в выводимый отчет. Но самое интересное будет дальше.

 

Продолжение в следующем номере

САПР и графика 5`2007