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.
Вебинар: Оценка прочности и устойчивости металлических конструкций зданий и сооружений по СП 16.13330.2017 с учетом назначения и условий работы
На этом вебинаре рассмотрим основные особенности расчетов прочности металлических конструкций по СП 16.13330.2017
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