Применение программного обеспечения ANSYS, Inc. в нефтегазовой отрасли

Дмитрий Фролов
Инженер технической поддержки, группа компаний «Делкам-Урал» — «ПЛМ Урал»

Александр Комаров
Ведущий инженер технической поддержки отдела инженерного анализа, группа компаний «Делкам-Урал» — «ПЛМ Урал»

В России — стране, богатой природными ресурсами, — на протяжении уже многих лет лидирующей отраслью промышленности является добыча и транспортировка нефти и газа. Необратимо устаревающая инфраструктура трубопроводов и сопутствующего оборудования, спроектированного и возведенного еще во времена СССР, приводит к росту затрат на ремонт и поддержание оборудования в работоспособном состоянии, а также к значительному росту числа аварий. В ближайшем будущем, когда ресурс существующего оборудования будет исчерпан, а также при освоении новых, удаленных или ранее считавшихся сложно разрабатываемыми месторождений потребуется вводить в эксплуатацию оборудование с более высокими техническими характеристиками. Без создания виртуальных прототипов разработка нового или улучшение показателей старого оборудования потребует немалых материальных затрат, которые к тому же могут не дать желаемого результата.

Главной задачей ANSYS, Inc. является применение инженерного анализа на ранних стадиях разработки изделия для уменьшения в конечном счете количества экспериментов и реальных прототипов. Программное обеспечение ANSYS, Inc. включает богатый набор возможностей для расчета механики деформируемого твердого тела и гидрогазодинамики и широко используется в различных отраслях промышленности: от автомобилестроения до разработки гидротехнических сооружений. В нефтегазовой отрасли ANSYS применяется для проведения прочностных расчетов отдельных изделий и узлов конструкций, например тройников, пластинчатых муфт, систем компенсации нагрузок и т.д.; для расчета течений жидкости и газа в специализированном оборудовании, например центробежных насосах, сепараторах; для определения гидравлических характеристик запорной и регулирующей арматуры и т.д.

Сейчас существует огромное количество специализированных приложений для различных этапов создания виртуального прототипа. ANSYS предлагает комплексное решение под названием Workbench, в состав которого, в зависимости от потребностей пользователя, могут входить приложения для создания геометрических моделей (DesignModeler, SpaceClaim), для проведения прочностных и тепловых расчетов, расчетов течения жидкости и газа (Mechanical, CFX, Fluent), топологической и параметрической оптимизации конструкции (Design Exploration, Shape Optimization). Главным достоинством этого решения является взаимосвязанность модулей, что упрощает процесс моделирования и обеспечивает высокий уровень автоматизации.

В данной статье мы рассмотрим возможности программного обеспечения ANSYS, Inc. на примере расчетов для ОАО «Сибнефтепровод», проведенных специалистами ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам­Урал», в рамках которых осуществлялась проверка надежности производимого компанией оборудования. Необходимость расчета обусловлена тем, что большая его часть была спроектирована более десяти лет назад, когда в арсенале инженеров не было доступных средств конечно­элементного моделирования и многие решения принимались исходя из опыта, а не по результатам моделирования.

Геометрические модели всех изделий были созданы в приложении DesignModeler по оригинальным чертежам. На рис. 1 изображены модели пластинчатых муфт, которые применяются для передачи крутящего момента от электродвигателя к нефтяному насосу и компенсации осевой, радиальной и угловой несоосностей их валов. В ANSYS Mechanical для модели была создана конечно­элементная сетка и приложена кинематическая нагрузка, имитирующая различные варианты несоосности. В результате расчета для каждого варианта было получено напряженно­деформированное состояние (рис. 2), по которому определялись коэффициенты запаса статической прочности для болтов, фланцев и прочих элементов конструкции.

Рис. 1. Геометрические модели пластинчатых муфт, созданные в DesignModeler

Рис. 2. Эквивалентные напряжения в пластинчатой муфте от действия сборочных и эксплуатационных нагрузок

Помимо прочностных расчетов пластинчатых муфт был проведен ряд сопряженных расчетов рабочих колес центробежных насосов. Поскольку рабочие колеса обладают свойством циклической симметрии, в качестве расчетной модели использовался сектор с одной лопаткой. Для определения полей давления на поверхности от перекачиваемой жидкости в программном пакете CFX был произведен гидравлический расчет проточной части (рис. 3). Далее поля давления были переданы в Mechanical для расчета напряженно­деформированного состояния колеса (рис. 4). Помимо этого для проверки отсутствия резонансных частот в рабочем диапазоне частот колеса был выполнен модальный анализ. Поиск частот производился для преднапряженной вращением конструкции, так как с ростом скорости вращения собственные частоты конструкции тоже изменяются.

Рис. 3. Линии скорости потока перекачиваемой жидкости в рабочем колесе насоса, полученные в CFX

Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений в рабочем колесе от действия давления перекачиваемой жидкости и угловой скорости вращения

Среди расчетов, которые обеспечили предприятию реальную экономию денежных средств, можно выделить расчет колодца КТ, который используется для размещения оборудования КИП на трубопроводе, проходящем под землей (рис. 5). Дело в том, что в оригинальной конструкции колодца применялась схема центровки и герметизации относительно трубопровода при помощи деревянных клиньев из лиственницы и уплотнительной набивки. Данный метод монтажа был очень долгим и требовал больших трудозатрат, связанных с использованием специальных приспособлений и подгонкой деревянных клиньев друг к другу при помощи рубанка. В связи с этим было принято решение об изменении схемы центровки и герметизации на применяемую в выпускаемых ранее колодцах КВГ для подземного укрытия патрубка вантуза. Данная схема предполагает осуществлять центровку колодца относительно трубопровода при помощи опорных башмаков, вылет которых регулируется винтами (рис. 6). Целью расчета было изучение поведения обеих конструкций при одинаковых схемах нагружений, среди которых была нагрузка собственным весом, давлением грунта и кинематической нагрузкой, имитирующей движение трубопровода относительно грунта вследствие температурных перемещений при замерзании и оттаивании.

Рис. 5. Конструкция колодца КТ в разборе

Рис. 6. Модель колодца КТ со схемой центровки при помощи прокладок и болтов

Также при расчете колодца применялась так называемая техника подмоделирования. Суть ее состоит в том, что с целью экономии расчетных ресурсов сначала для получения картины перемещений конструкции используется модель с довольно грубой конечно­элементной сеткой, а затем интересующие участки «вырезаются» из модели и рассчитываются на более подробной сетке. Граничными условиями этих участков являются перемещения из грубой модели. Такой подход применим, так как значения перемещений меньше зависят от качества и подробности сетки по сравнению с напряжениями. Кроме того, в геометрию подмодели можно вносить детали, которые не учитывались в полной модели, например сварные швы, фаски, отверстия и т.п. (рис. 7).

Проведенные расчеты показали работоспособность предложенного варианта исполнения системы центровки и герметизации колодца КТ, а также были подтверждены в процессе испытаний на стенде, имитирующем подвижки трубопровода.

Рис. 7. Применение подмоделирования для зоны с максимальными эквивалентными напряжениями

Изменение конструкции колодца позволило значительно сократить его стоимость за счет унификации узлов с существующими разработками, а также исключения из состава изделия дополнительных монтажных приспособлений и деревянных клиньев. Кроме того, значительно упростился процесс монтажа колодца на трубопровод, что в совокупности с годовым планом производства дало предприятию существенную экономию.

Подводя итог, можно заключить, что программное обеспечение ANSYS, благодаря богатым расчетным возможностям и современной оболочке Workbench, перестает быть недоступным для производственных, неисследовательских предприятий и находит применение при решении прикладных задач, а также дает ощутимый экономический эффект.  

САПР и графика 7`2012