Современная промышленность требует от оборудования, работающего под избыточным давлением, соблюдения баланса между безопасностью и его технической и экономической эффективностью. В данном контексте прочностные расчёты играют важную роль, являясь основой для оптимизации конструкции без ущерба для безопасности. 

Так, анализ напряжённо-деформированного состояния конструкции позволяет определить предельные нагрузки, воспринимаемые изделием, выявить сечения, укрепление которых излишне либо напротив недостаточно, а также подобрать оптимальный материал и пр. При этом существует целое разнообразие методов расчёта прочности оборудования, каждый из которых подробно описан в соответствующем стандарте. Так, в отношении сосудов и аппаратов нормативным документом, регулирующим принципы и подходы к расчёту на прочность, является ГОСТ 34233-2017.

ГОСТ 34233-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность

Прочностной расчёт сосудов и аппаратов, применяемых в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности проводится в соответствии с широкой нормативной базой альбома ГОСТ 34233-2017, состоящего из 12 стандартов. Часть стандартов данного альбома являет собой нормативную методику расчёта конкретного объекта:

• ГОСТ 34233.2 – обечаек, днищ и крышек сосудов;
• ГОСТ 34233.3 – укреплений отверстий корпусов сосудов;
• ГОСТ 34233.4 – фланцев;
• ГОСТ 34233.5 – опор сосудов различных типов, а также корпусов сосудов от воздействия локальных нагрузок от опор;
• ГОСТ 34233.7 – теплообменных аппаратов;
• ГОСТ 34233.8 – аппаратов с рубашками;
• ГОСТ 34233.9 – аппаратов колонного типа;
• ГОСТ 34233.11 – корпусов сосудов, содержащих геометрические несоответствия – смещения кромок сварных соединений, угловатости и некруглости обечаек.

Другая часть стандартов альбома устанавливает требования на расчёт оборудования, работающего с сероводородными средами (ГОСТ 34233.10) или в условиях возможности возникновения малоцикловой усталости (ГОСТ 34233.6). Особняком стоит ГОСТ 34233.12, приводящий требования к форме представления расчётов прочности, выполненных на ЭВМ. 

Основные положения нормативного расчёта на прочность же изложены в ГОСТ 34233.1 [1]. Так, согласно тексту данного стандарта для подтверждения прочности конструкции могут быть использованы:

• расчёт по формулам, приведённым в соответствующем объекту исследования стандарте альбома ГОСТ 34233-2017;
• численное моделирование напряженно-деформированного состояния и предельных состояний конструкции;
• подтверждение прочности конструкции с помощью экспериментальных исследований и испытаний.

Сам ГОСТ 34233.1 [1] при этом подчёркивает идею, что приведённые выше методы оценки прочности могут использоваться как по отдельности, так и совместно для получения наиболее надёжных результатов.

Этап расчёта на прочность – «выбор основных размеров»

Так, в случае совместного применения методов, расчёт по формулам, как правило, проводится с целью лишь первоначальной оценки прочности конструкции и именуется как «выбор основных размеров». Ведь действительно, расчёты по формулам позволяют относительно быстро получить представление о проектных размерах изделия.

Кроме того, формульные расчёты также позволяют «вручную» оценить различные варианты исполнения конструкции (например, укрепление отверстий корпуса сосуда накладным кольцом, отбортовкой, вварным кольцом и пр. [2]) с точки зрения прочности.

Однако следует понимать, что расчётные формулы стандартов основаны на классических проектных решениях и упрощениях, которые не позволяют учесть все эксплуатационные и конструктивные особенности изделия. Так, например, при расположении штуцеров вне центральной части (0,4 наружного диаметра) выпуклого днища расчётные формулы ГОСТ 34233.3 не применимы [2].

Непосредственно сами пределы применения расчётных формул указываются в разделе «Общие положения» соответствующего изделию стандарта. Помимо этого, данный раздел, как правило, также содержит указание о возможности применения иных, альтернативных методов расчёта прочности, в том числе численных, например, метода конечных элементов (МКЭ), как проверенного и общепризнанного метода расчёта прочности.

Этап расчёта на прочность – «поверочный расчёт»

После расчёта по «выбору основных размеров», а в случае выхода за пределы применения расчётных формул – и вместо него, проводится так называемый «поверочный расчёт» с использованием численных методов. Данный расчёт позволяет компенсировать имеющиеся ограничения расчёта «по формулам», а вместе с тем получить и более полное представление о прочности изделия, что открывает возможность к оптимизации его конструкции.

При этом проверка выполнения условий прочности проводится в соответствии с ГОСТ 34233.1. Так, численная оценка элементов сосудов и аппаратов производится в критических сечениях по приведённым значениям напряжений, определяемых в соответствии с теорией максимальных касательных напряжений (за исключением оборудования из титана – в этом случае применяется энергетическая теория Мизеса), классифицированных по категориям.

В целом, наглядность результатов МКЭ выделяет данный метод оценки прочности на фоне двух других методов – расчёта по формулам и экспериментальных исследований.

Действительно, визуализация напряжённо-деформированного состояния позволяет оценить состояние изделий под нагрузкой (в том числе изделий уникальных, эксплуатируемых в нетиповых условиях) и на основе этого принять обоснованные конструкторские решения.

Заключение

Подводя итог, альбом ГОСТ 34233-2017 представляет собой обширную нормативную базу для прочностного расчёта сосудов и аппаратов. При этом особое внимание стандарта уделяется расчёту по формулам, служащих для определения исполнительных размеров элементов оборудования. Однако нужно отметить, что хотя подобный «формульный» подход к расчёту прочности прост и быстр, его применимость всерьёз ограничена конструктивными и эксплуатационными параметрами.

Вместе с тем, нормативом подтверждается возможность совместного использования расчёта по формулам и численного моделирования. Так, использование МКЭ для поверочного расчёта прочности конструкций компенсирует ограничения расчёта по формулам и обеспечивает более полное понимание поведения изделия под нагрузкой. Таким образом, такой интегрированный подход не только обеспечивает оценку работоспособности изделия, но и открывает возможности для оптимизации конструкции с целью повышения её прочности, эффективности и экономичности.

Список использованных источников

1. ГОСТ 34233.1–2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования.
2. ГОСТ 34233.3–2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер.