Обеспечение надёжности и безопасности трубопроводных систем – это сложный и многогранный процесс, который включает в себя множество этапов, одним из ключевых среди которых является расчёт на прочность.

Для выполнения расчёта на прочность трубопроводов необходимо использовать соответствующие нормативные документы, которые определяют требования к трубопроводам в зависимости от их назначения. Например, для расчёта магистральных газо-нефтепроводов используется СП 36.13330.2012 [1], для промысловых трубопроводов – ГОСТ Р 55990-2014 [2], трубопроводы пара и горячей воды (паропроводы) же должны соответствовать РД 10-249-98 "Нормы расчёта на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды" [3].

Для оценки прочности паропровода в соответствии с рассматриваемым РД 10-249-98 проводится полный расчёт трубопровода, состоящий из ряда этапов. В свою очередь, каждый из этапов выполняется на совместное действие определённого сочетания нагружающих факторов (рисунок 1).

Рисунок 1 – Этапы полного расчёта трубопровода [3]

Как следует из таблицы, каждый из этапов имеет своё назначение – будь то оценка статической прочности для расчёта на действие весовой нагрузки, или же определение температурного расширения – для расчёта на действие температурного расширения, соответственно. 

Кроме того, на каждом этапе расчёта фигурирует своё расчётное состояние трубопровода – рабочее или холодное. Состояния эти логично взаимосвязаны – холодное состояние определяет сочетание нагрузок и воздействий на трубопровод после снятия температуры и давления продукта, рабочее, напротив, после заполнения трубопровода продуктом и его разогрева.

Ход исследования

Рассмотрим основные аспекты расчёта на действие весовой нагрузки на примере участка паропровода, выполненного из стали 09Г2 с рабочими параметрами перекачиваемого пара – 300°С и 3 МПа (рисунок 2).

Рисунок 2 – Исследуемый участок паропровода

Так, в соответствии с РД 10-249-98, расчётная модель паропровода на данном этапе нагружается лишь рабочим давлением и весовой нагрузкой, т.е. температурное расширение здесь не учитывается. 

Опорно-подвесная система при этом моделируется различно в зависимости от типа исполнения опоры. В соответствии с п. 5.2.3.10 РД 10-249-98 в местах установки опор скольжения и направляющих опор вводятся соответствующие граничные условия, исключающие недопустимые опорой перемещения (рисунок 3). 

Рисунок 3 – Односторонняя направляющая опора

Упругие опоры моделируются введением сил реакций, соответствующих рабочему состоянию паропровода, что требует наличия информации о ходе пружин при переходе трубопровода из монтажного состояния. 

Непосредственная оценка статической прочности паропроводов по данному этапу проводится сравнением величины допускаемых напряжений с возникающими в конструкции эффективными напряжениями, вычисляемых различно для труб прямолинейных (формула 1) и криволинейных (отводы) (формула 2):

(1)

где

– эффективное напряжение, МПа;

– приведённое напряжение в стенке трубы от действия внутреннего давления, МПа;

– продольное напряжение от изгибающего момента и осевой силы, МПа;

– напряжение кручения, МПа.

(2)

где

– коэффициент перегрузки;

– расчётные коэффициенты;

– изгибающие моменты в сечении, Н∙мм;

– момент сопротивления, мм3.

Современные программные пакеты численного моделирования, которые не специализируются на расчётах трубопроводных систем, не содержат напрямую требуемые для оценки результирующие функции. Тем не менее, использование балочной постановки в сочетании с пользовательскими результатами (например, в программном комплексе Ansys), делает подобную оценку возможной.

Рисунок 4 – Распределение эффективного напряжения  при расчёте на действие весовой нагрузки для прямолинейных труб

Рисунок 5 – Распределение эффективного напряжения  при расчёте на действие весовой нагрузки для криволинейных труб (отводов)

Заключение

Таким образом, в контексте расчётов по конкретным нормам и стандартам, не всегда есть необходимость в использовании специализированного ПО. Предпочтение может отдаваться и универсальным пакетам численного моделирования. 

Однако, следует учитывать, что в универсальных пакетах не все необходимые функции могут быть доступны напрямую. Поэтому под каждую конкретную задачу необходимо выполнение настройки и адаптации используемого пакета.

Вместе с тем, правильно настроенный универсальный пакет может предоставить функционал не хуже уровня специализированного ПО. Помимо этого, подобные пакеты могут быть использованы в совершенно различных сферах деятельности, что является их дополнительным преимуществом. Тем самым, использование универсальных пакетов для различного рода расчётов может быть действительно выгодным и эффективным решением.

Список использованных источников 

1. СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85.

2. ГОСТ Р 55990-2014 Месторождения нефтяные и газонефтяные. Промысловые трубопроводы. Нормы проектирования.

3. РД 10-249-98 Нормы расчёта на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды.

4. Расчётные состояния трубопровода [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://edu.truboprovod.ru/kbase/doc/start/WebHelp_ru/raschsost.htm