Блог

Расчет на прочность и герметичность арматуры для нефтегазовой промышленности

Нефтегазовая отрасль имеет большой простор для применения численного моделирования. Так для нефтяного и газового оборудования, нефтяных платформ, резервуаров для хранения топлива, насосов, гидроэнергетических устройств проводятся расчеты статической и динамической прочности и гидрогазодинамические расчеты. В данной статье рассмотрим наиболее распространенные задачи данного отраслевого сектора – расчеты на прочность и герметичность.

Самыми слабыми узлами нефте-газопроводов являются разъемные и неразъемные соединения, а также арматура. Моделирование и расчеты позволяют уже на этапе проектирования провести виртуальные гидро- и пневмоиспытания, проверить основные узлы на исправную работу в аварийных условиях работы (при повышенных давлении и температуре) и даже проследить последствия от дефектов, выявленных при неразрушающем контроле и дефектоскопии.

Соединение трубопроводов осуществляется с помощью фланцевых соединений. В ходе исследования прочности и герметичности, а также усталостной прочности соединения могут решаться следующие задачи:

1. Определение усилия, необходимого для смятия прокладки.

2. Определение усилия в болтах/шпильках при затяжке.

3. Определение прочности болтовых соединений/шпилек/прокладок.

4. Определение критического изгибающего момента.

5. Определение критического осевого усилия.

6. Расчет на малоцикловую усталость соединения/элементов соединения.

В качестве примера типового расчета рассмотрим следующую задачу: имеется фланцевое соединение, которое состоит из клапанного блока бокового отвода, фланца с прокладкой и выкидной линии (сечение представлено на рисунке 1).

Рисунок 1 – Геометрия расчетной модели

На фланцевое соединение действуют следующие нагрузки:

  • усилие затяжки шпилек, при котором происходит установка прокладки;
  • внутреннее давление 69 МПа;
  • внешнее давление 5 МПа (обусловлено залеганием соединения на глубине 500 м);
  • изгибающий момент от выкидной линии.

На первом этапе найдем максимальный изгибающий момент, при котором конструкция будет удовлетворять критерию прочности. В качестве критерия прочности выступает критическое значение эквивалентных пластических деформаций (2%). 

Задача решалась в упругопластической постановке с учетом трения прокладки о прилегающие элементы соединения (коэффициент трения 0,1), а также учтено трение между фланцем и клапанным блоком (коэффициент трения 0,15). Учет затянутого состояния шпилек промоделирован путем приложения усилия затяжки перед приложением всех нагрузок.

На рисунке 2 приведена зависимость изгибающего момента от эквивалентных пластических деформаций, исходя из которого делаем вывод, что максимальный изгибающий момент составляет 280 кНм.

Рисунок 2 – Зависимость изгибающего момента от эквивалентных пластических деформаций

На рисунке 3 представлено распределение пластических деформаций в сечении фланца при изгибающем моменте 280 кНм.

Рисунок 3 – Поле пластических деформаций при изгибающем моменте 280 кНм (увеличенный масштаб перемещений)

Герметичность соединения напрямую зависит от контактного давления прокладки на элементы конструкции (фланец и клапанный блок). Допускаемое значение контактного давления составляет 138 МПа. К выкидной линии, как и в случае расчета на прочность, приложен изгибающий момент, в зависимости от которого в ходе решения упругопластической задачи изменяется степень прилегания прокладки к частям соединения. 

Для проверки герметичности необходимо узнать зависимость контактного давления от приложенного изгибающего момента, она представлена на рисунке 4. Первый участок графика отображает шаги, на которых происходит затяжка шпилек, воздействие внешнего и внутреннего давлений. Далее начинает действовать изгибающий момент и происходит нелинейное по всей прокладке изменение давления. В ходе решения задачи необходимо найти тот момент времени, когда уменьшается величина контактного давления и достигает критического значения 138 МПа. Соответственно, из графика находим изгибающий момент, соответствующий началу потери герметичности.

Рисунок 4 – Зависимость контактного давления от изгибающего момента для оценки герметичности

На рисунке 5 представлено поле контактного давления между прокладкой и фланцем в момент потери герметичности. На укрупненном изображении можно увидеть зону потери герметичности.

Рисунок 5 – Поле контактного давления между прокладкой и фланцем в момент потери герметичности

Исходя из полученных значений критических изгибающих моментов по расчетам на прочность и герметичность, выбираем минимальное значение. Таким образом, критический изгибающий момент будет составлять 248 кНм.

В данной статье был рассмотрен один из типовых примеров использования численного моделирования в нефтегазовой отрасли. Также в расчетах могут быть учтены следующие факторы: поправки на коррозию, циклическое нагружение, усталостный рост трещин, детальный анализ сварного соединения. Кроме того, по результатам решения задачи могут быть подобраны оптимальные материалы элементов конструкции.

Связанные новости
19 апреля 2022 года состоялось заседание секции №6 «Прочность и надежность строительных конструкций зданий и сооружений» Экспертного совета по аттестации программ для ЭВМ при Научно-техническом центре по ядерной и радиационной безопасности (ФБУ «НТЦ ЯРБ») Ростехнадзора.
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
Связанные публикации в блоге
Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.