5 - 2004

Применение программы NozzlePro для расчета аппаратов и трубопроводов

Юрий Морозов

Российская нормативная документация

Методики, используемые в американских и английских стандартах, EN-стандартах и общепризнанных инженерных методах расчета

Выводы

Практическое выполнение расчета

Схема работы

Расчет соединения «штуцер-корпус»

Результаты расчета

Во время встреч с российскими коллегами мне часто задают вопросы: зачем нам американские (европейские) стандарты, чем плохи советские (российские) стандарты? В этой статье я попытаюсь на них ответить.

При проектировании и эксплуатации, в процессе ремонтно-восстановительных работ, при прогнозировании остаточного ресурса безопасной работы сложной комплексной научно-технической проблемой является оценка технического состояния оборудования, работающего под давлением. При решении этой проблемы необходимо оценить напряженно-деформационное состояние и выполнение критериев прочности конструкции, содержащихся в первоначальном проектном коде, а также учесть требования современных международных нормативов по проектированию оборудования под давлением.

Для нашего завода выполнение такой оценки (как для вновь проектируемого, так и для модернизируемого, ремонтируемого оборудования) и проведение ререйтинга существующего оборудования осложняется введением в действие в Литовской Республике вместо норм проектирования бывшего Советского Союза европейской Директивы по оборудованию под давлением (Pressure Equipment Directive) и Республиканских правил по эксплуатации сосудов под давлением. Эти документы предполагают выполнение проектирования и прочностных расчетов по гармонизированным и общепризнанным мировым стандартам (для сосудов, работающих под давлением, — это EN 13445, BPVC ASME, PD 5500, ANSI/NB-23, API 510, API 579).

Основные требования, объединяющие эти документы и отличающие их от бывшей советской (и нынешней российской) нормативной документации:

1. Четкое указание на то, что при проведении расчета аппарата на прочность необходимо максимально учесть все действующие на него нагрузки. В качестве обязательных для учета нагрузок указаны: давление, вес, нагрузки от присоединенных трубопроводов, ветровые нагрузки, локальные нагрузки в местах опирания аппарата на опорные конструкции. Обязательным для выполнения стал учет цикличности воздействия нагрузок.

2. Должно быть рассмотрено реальное напряженное состояние элементов аппарата.

Первое требование, пусть и в неявной форме, в общем-то не ново для советской и российской нормативной документации. Но, к сожалению, в большинстве случаев оно остается чисто декларативным. По крайней мере, имея тридцатилетний опыт работы с документацией заводов-изготовителей, могу сказать, что хорошие, технически обоснованные расчеты на вакуум и ветровую нагрузку попадаются довольно редко; обоснованный расчет соединения «корпус—штуцер» с определением напряжений в патрубке штуцера и допустимых нагрузок на такое соединение встречается только в проектах некоторых институтов. Основная причина этого — отсутствие необходимой нормативной базы и инженерных методик для выполнения таких расчетов, а также достаточно низкий уровень использования компьютерных программ при проведении расчетов. В российских стандартах отсутствует указание на возможность выполнения расчета с применением более точных методов, чем прописано в действущих стандартах (во всех современных западных стандартах допустимыми являются два метода — Design-by-formulae и Design-by-Analysis).

Второе из вышеназванных требований зачастую практически невыполнимо при работе с советскими и российскими стандартами. Причина этого в том, что в качестве критерия прочности рассматривается соответствие действующих основных мембранных (primary membrane) окружных напряжений от воздействия давления допускаемым напряжениям на растяжение. Такие виды напряжений, как основные мембранные продольные сжимающие и растягивающие напряжения, изгибные напряжения, вторичные напряжения (secondary stresses), в этих стандартах не учтены. Кроме того, последний вид напряжений хотя и относится к самоограничивающимся (self-limiting) и не может вызвать поломки конструкции, но способен привести к появлению усталостных трещин в случае циклической нагрузки. Он важен потому, что нагрузка любого аппарата, за очень редким исключением, может быть оценена как циклическая. Подобный подход применяется только в BPVC ASME VIII-1 при коэффициенте запаса напряжения по пределу прочности равном 3,5. Во всех остальных современных кодах по конструированию, в которых применяются коэффициенты запаса прочности, аналогичные российским (1,5-2,4), вместо термина «допускаемое напряжение» используется понятие «интенсивность напряжения», соответствующее такому хорошо известному в России термину, как «эквивалентное напряжение» (см. учебники «Сопротивление материалов» С.П.Тимошенко, Н.М.Беляева, Феодосьева, известные любому студенту технического вуза, но почему-то забытые разработчиками стандартов и инженерами).

По этим прозаическим причинам шесть лет назад на нашем заводе начался переход на американские и западноевропейские стандарты и компьютерные программы. В результате сегодня при расчете аппаратов мы применяем такие стандарты, как BPVC ASME VIII-1, VIII 2, PD 5500, ANSI/NB-23, API 510, API 579, начинаем осваивать сравнительно недавно опубликованный EN 13445. Расчеты выполняются с помощью следующих программных пакетов:

• PVElite (COADE);

• Compress (Codeware);

• PRG Software (FEPipe, в том числе NozzlePRO и AxiPRO);

• Caesar II (COADE) и AutoPipe (Rebis) для определения фактических нагрузок на штуцера аппаратов от воздействия присоединяемых трубопроводов.

Как правило, расчет основных элементов аппаратов (днища, цилиндрические и конические элементы корпуса) проводится по похожим методикам и не вызывает проблем. Наиболее трудоемкой частью расчета, характеризующейся большой вероятностью возникновения ошибок, обычно бывает расчет узлов значительного изменения геометрии, в частности расчет узлов соединения «корпус—штуцер».

Рассмотрим кратко существующую нормативную документацию.

Российская нормативная документация

ГОСТ 24755. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и укрепление отверстий.

Вариант применения общепринятого ранее расчета укрепления отверстий методом компенсации площадей позволяет оценить достаточность укрепления корпуса в месте расположения отверстия от воздействия давления, но не позволяет оценить величину локальных мембранных, изгибных и пиковых напряжений, влияние внешних нагрузок на величину и распределение напряжений, величину допускаемых нагрузок на штуцер.

РД 26-16-88. Сосуды и аппараты. Метод расчета напряжений в местах пересечения патрубков с обечайками и днищами. ЛенНИИхиммаш.

Очень интересная попытка разработки методики оценки величины напряжений как в корпусе, так и в патрубке штуцера под воздействием давления; оценка воздействия внешних нагрузок не предусмотрена. Мне удалось обнаружить только ксерокопию с вариантами правки, и мне не известна ни одна организация, использующая эту методику.

В начало В начало

Методики, используемые в американских и английских стандартах, EN-стандартах и общепризнанных инженерных методах расчета1 

• Все стандарты предусматривают один или два основных варианта методики по компенсации площадей и дополнительные обязательные требования или рекомендации по минимальной толщине патрубка штуцера (по требованиям BS 5500, например, толщина патрубка может быть принята ниже минимальной установленной стандартом при наличии соответствующего обоснования более точными методами расчета).

• В американской документации допускается применение альтернативных методик (см. Bildy, Les M. A Proposed Method for Finding Stress and Allowable Pressure in Cylinders with Radial Nozzles, PVP Vol. 399, ASME, New York, 2000. Рp. 77-82.); методики, применяемые в API RP 579 Fitness-for-Service)2 .

• Семейство документов WRC (Welding Research Council), позволяющих оценить величину локальных мембранных и изгибных напряжений, возникающих под воздействием давления и внешних нагрузок:

- WRC Bulletin 107. Local Stresses In Spherical And Cylindrical Shells Due To External Loadings.

Авторы: K.R. Wichman, A.G.Hopper и J.L.Mershon.

Впервые опубликован в 1965 году, пересматривался в 1968, 1970, 1972 и 1979 годах.

В документе представлены результаты программы исследований методов определения величины напряжений в пересечениях «корпус—штуцер», возникающих под воздействием внешних нагрузок для сферических и цилиндрических оболочек. Позволяет оценивать величину напряжений с помощью параметрических кривых в корпусах (не рассматривает напряжения в патрубках штуцеров); применим только для довольно узкого диапазона параметров «корпуса—штуцера», часто не соответствующего используемым в российском аппаратостроении конструкциям. Точность расчета сравнительно невысокая;

- WRC Bulletin 297. Local Stresses In Cylindrical Shells Due To External Loadings On Nozzles.

Авторы — J.L.Mershon, K.Mokhtarian, G.V.Ranjan и E.C.Rodabaugh.

Впервые опубликован в 1984 году, пересматривался в 1987 году.

Документ является дальнейшим развитием WRC Bulletin 107 и определяет методы оценки напряжений, возникающих под воздействием внешних нагрузок в корпусе и патрубке штуцера, для радиальных штуцеров в цилиндрических корпусах. Повышена точность определения напряжений для увеличенного диапазона соотношений диаметров и толщин корпусов и штуцеров, а также точность расчетов по сравнению с WRC 107. К сожалению, для него характерны те же недостатки, что и для WRC 107;

- WRC Bulletin 368. Stresses In Intersecting Cylinders Subjected To Pressure.

Авторы — K.Mokhtarian и J.S.Endicott.

Впервые опубликован в 1991 году.

Документ содержит методику, позволяющую просто, хотя и приблизительно, оценить максимальные суммарные общие и локальные напряжения в пересечениях «цилиндр—цилиндр» (радиальные штуцера в цилиндрических корпусах), возникающие под воздействием давления3.  

В начало В начало

Выводы

1. Расчеты с использованием российской документации позволяют оценить степень укрепления отверстий в корпусе аппарата без учета влияния локального повышения напряжений в корпусе и без учета воздействия внешних нагрузок на штуцера от присоединенных трубопроводов. Необходимо учесть, что, ориентируясь на величину коэффициентов запаса прочности в российских нормах, величина напряжений и степень консерватизма, характеризующие такие расчеты на графиках (рис. 1, 2, 3), будут находиться где-то в промежутке между результатами A r/A a (VIII-2) и PL/(1.5S a) (метод Билди). Основываясь на результах сравнения площадей без рассмотрения величин действующих напряжений, очень часто можно попасть в достаточно проблемную ситуацию.

2. Использование методик кода ASME более консервативно по сравнению с российскими методиками в связи с неявным учетом дополнительных нагрузок и часто проблематично для конструкций, изготовленных по советским и российским нормам.

3. Применение метода конечных элементов в сочетании с методикой оценки величин напряжений по требованиям разделов III и VIII-2 ASME позволяет точно оценить действующие в пересечении напряжения и избежать множества накладок и излишнего консерватизма, возможных при использовании формул кода ASME. Расчетная схема соединения «штуцер—корпус» приведена на рис. 4.

При рассмотрении такой комбинации напряжений возникает проблема: как определить допускаемые критерии для каждой категории напряжений. Российская нормативная документация по аппаратостроению (кроме норм для атомной промышленности) ответа на данный вопрос не дает. Приемлемым вариантом является применяемая в американской документации классификация напряжений (рис. 5); она же допускается в качестве одного из возможных вариантов в европейской документации.

В начало В начало

Практическое выполнение расчета

Выполнение расчета величины действующих напряжений по этой схеме практически невозможно не только традиционным ручным методом, но и с помощью таких програмных средств, как MathCAD, из-за огромного объема и большой сложности вычислений. Комитет ASME не требует, но и не запрещает применять компьютерные программы для проектирования оборудования под давлением, оставляя этот вопрос на усмотрение автора проекта.

Разработчики программного обеспечения считают целесообразным использование метода конечных элементов в следующих случаях:

1. При рассмотрении штуцеров нагруженных воздействием трубопроводов, когда отношение d/D превышает 0,5.

2. Для оценки штуцеров с соотношением t/T при воздействии на них внешних нагрузок.

3. Для оценки штуцеров с усилением укрепкольцами при воздействии на них внешних нагрузок.

4. Для оценки штуцеров под воздействием циклических нагрузок от давления и присоединенных трубопроводов (учитывая, что до сих пор трубопроводы практически не рассчитывались, очень часто штуцера оказываются неадекватно укрепленными, несмотря на значительный запас при расчете по методу площадей).

5. В случае когда величина соотношения D/T превышает 100 и для расчета трубопровода необходимо определить неконсервативные значения коэффициента интенсификации напряжений (провести оценку характеристик гибкости соединения «корпус—штуцер»).

6. В случае когда величина соотношения D/T превышает 100 и необходимо провести динамический анализ с применением программ расчета трубопроводов.

7. При расчете опорных лап аппарата в случаях воздействия больших нагрузок.

8. При расположении штуцеров, лап, кронштейнов, усиленных укрепляющими кольцами и накладками, за пределами условно сферической части эллиптического (торосферического) днища. Все другие методы приводят к значительной ошибке.

9. Для оценки тангенциальных штуцеров, усиленных укрепкольцами, под воздействием давления и внешних нагрузок.

10. В случае воздействия больших по величине моментов в основном трубопроводе (коллекторе) по сравнению с величиной момента от присоединенного трубопровода.

11. При сравнении вариантов интегрального и неинтегрального усиления штуцеров в днищах.

12. Для выполнения расчетов, при которых коэффициенты линейного удлинения или температуры штуцера и корпуса различны.

13. При рассмотрении соединения «штуцер—корпус» с учетом гибкости такого соединения.

14. При необходимости учета воздействия радиусных переходов в геометрии сварных швов.

Эти расчеты могут выполняться с помощью достаточно большого количества программ, предполагающих различную квалификацию лиц, производящих расчет. На мой взгляд, оптимальным выбором для инженера среднего уровня, знающего только основы метода конечных элементов, является программа NozzlePro. Эта программа базируется на наборе шаблонов моделей рассчитываемой конструкции, что позволяет грамотно и без ошибок в минимальные сроки построить модель и выполнить расчет.

Приведенный выше перечень соединений «штуцер—корпус» не исчерпывает всех случаев возможного использования программы NozzlePro, поскольку в программе существуют также функции оценки присоединенных элементов конструкций, оценки аппаратов на седловых опорах. Пример комплексного применения этих функций показан на рис. 6.

Полагаю, что все вышеперечисленное является достаточным аргументом для обоснования оптимальности использования программы FEPipe и ее модуля NozzlePro.

В чем дополнительное преимущество программы FEPipe и ее модуля NozzlePro?

Программа может быть интегрирована в такие популярные программы по расчету аппаратов, как Compress и PVElite. Это дает пользователю возможность применять для расчета модели «штуцер—корпус», построенные в этих программах, и не строить специальную модель для выполнения конечно-элементного анализа. Учитывая то обстоятельство, что в программах типа Compress и PVElite может быть смоделировано практически любое соединение «штуцер—корпус», с ними может работать даже пользователь, имеющий минимальные знания по теории метода конечных элементов, и при этом он избежит грубых ошибок. Основное требование — знание классификации напряжений и критериев оценки.

В начало В начало

Схема работы

1. В главном меню в разделе Action выберите пункт Perform FEA Calculations (рис. 7).

2. В появившемся диалоговом окне выберите штуцер, подлежащий расчету. Перед нажатием кнопки ОК необходимо выбрать пункт меню Options для проверки и подтверждения основных условий расчета (рис. 8).

3. Обычно вполне достаточно условий, устанавливаемых по умолчанию; с приобретением опыта пользователь может эти условия корректировать (рис. 9).

4. После подтверждения условий расчета программа возвращается в окно выбора штуцера для расчета и после подтверждения выбора штуцера включает в работу расчетный модуль FEPipe (рис. 10).

5. Результаты расчета могут быть рассмотрены в результатах расчета основной программы (рис. 11).

В начало В начало

Расчет соединения «штуцер—корпус»

В NozzlePro достаточно просто выполняется расчет соединения «штуцер—корпус»:

1. В основном окне программы задаются следующие данные (рис. 12):

• тип корпуса (возможные варианты: сферическое днище, эллиптическое днище, торосферическое днище, цилиндрический корпус, конический корпус или днище, а также плоское днище);

• тип штуцера (возможные варианты: обычная прямая врезка, патрубок с укрепляющим кольцом, поковка с интегральным усилением);

• геометрические характеристики штуцера и корпуса;

• единицы измерения.

2. В окне Loads задаются действующие на штуцер усилия и моменты для трех вариантов нагружения, величина давления и температура штуцера и корпуса (рис. 13).

3. Пункт меню Orientation вызывает появление окна, позволяющего совместно с комбинацией полей «Геометрические характеристики» задать ориентацию штуцера (рис. 14).

4. Пункт меню Material позволяет ввести характеристики материалов корпуса и штуцера (значения допускаемых напряжений при 20°С и при рабочей температуре, типы усталостных кривых, модули упругости, коэффициенты Пуассона, коэффициенты линейных расширений). Необходимо отметить, что программа не привязана по прочностным свойствам ни к одному национальному стандарту; оценка соответствия производится по введенным здесь значениям по методикам разделов VIII-2 и III ASME (рис. 15).

5. Условия расчета будут заданы, отобразится основное окно, и после нажатия кнопки Run FE в работу включится расчетный модуль FEPipe, который предназначен для подготовленного пользователя и позволяет выполнять подготовку расчетной модели с применением широкого набора шаблонов и производить корректировку модели по условиям пользователя. В этой программе могут быть смоделированы и рассчитаны части аппарата (корпус или днище с несколькими штуцерами), целый аппарат или группа аппаратов с соединяющими их трубопроводами.

В начало В начало

Результаты расчета

При любом варианте проведения расчета модуль FEPipe подготавливает и выдает результаты расчета в текстовой и графической форме.

К наиболее информативным разделам текстового отчета относятся:

• информация о наличии или отсутствии перенапряженных областей рассчитываемой модели:

ASME Overstressed Areas

***NO OVERSTRESSED NODES IN THIS MODEL***

• информация о максимальной величине основных мембранных напряжений в различных частях модели и ее сравнение с величиной допускаемых напряжений;

• информация о максимальной величине вторичных напряжений в различных частях модели и ее сравнение с величиной допускаемых напряжений;

• анализ напряжений, которые могут вызвать появление усталостных трещин, и расчет допустимого числа циклов для различных частей модели;

• один из наиболее информативных разделов отчета — величины одновременно действующих максимально допустимых нагрузок, создающих в модели напряжения, равные 50-70 и 80-105% от величины допускаемых напряжений. Допустимые величины нагрузок определяются как при задании величин действующих нагрузок, так и без их указания.

Графический отчет представляет собой графическое отображение распределения различных категорий напряжений на внутренней и наружной поверхностях модели. Эффективная программа-просмотрщик позволяет во всех деталях рассмотреть модель и определить величину напряжения в любой ее точке. Пример одного из отчетов приведен на рис. 16.

На мой взгляд, применение программы FEPipe (NozzlePro) в сочетании с обычным методом расчета позволяет инженеру быстро и правильно оценить соответствие выбранной конструкции всем критериям прочности. В этом нас убеждает двухлетний опыт использования данного программного пакета. К такому же выводу можно прийти после недельного курса обучения работе с программами PVElite и NozzlePro в институте «Омскнефтехимпроект».

Юрий Морозов

Инженер, член ASME. Мажейкский нефтеперерабатывающий завод, Литва. Механическая группа ПКО.

1Интересный анализ этих методик содержится в документе Rodabaugh E.C. A review of area replacement rules for pipe connections in pressure vessels and piping /Weld. Res Counc. Bull. /335, Aug. 1988.

2Графические результаты сравнения результатов расчета по стандартным, альтернативным методикам и методу конечных элементов для штуцеров различных диаметров приведены в работе Билди, опубликованной на сервере разработчика программы Compress (Codeware) (см. рис. 1-3); к сожалению, данные сравнения с результатами расчета по российским нормам мне не известны.

3По схеме расчета этот документ очень похож на упоминавшийся ранее российский нормативный документ РД 26-16-88.

В начало В начало

«САПР и графика» 5'2004