7.7. Расчет сосудов для сбора и подготовки продукции скважин

Материалы, применяемые для изготовления оборудования газовой промышленности, должны обеспечивать надежную работу в течении расчетного срока службы с учетом заданных условий эксплуатации.

Основные углеродистые и низколегированные стали корпусной группы аппаратов применяются по ГОСТ 5520-79 «Прокат листовой из углеродистой и легированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия».

В зависимости от нормируемых механических свойств указанные стали применяются при неограниченном давлении и температуре от -70°С до +475°С.

Для элементов сосудов, аппаратов и блоков технологических газовой промышленности применяются углеродистые и низколегированные бесшовные трубы по ГОСТ 550-75 «Трубы стальные бесшовные для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Технические условия», ГОСТ 8731-74 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Технические условия», ТУ 14-ЗР-55-01. «Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов. Технические условия».

Для изготовления теплообменных аппаратов в зависимости от коррозионной активности среды или требований чистоты продукта применяются нержавеющие трубы по ГОСТ 9941-81 «Трубы бесшовные холоднотеплодеформированные из коррозионно-стойкой стали. Технические условия».

Фланцы, патрубки, штуцера сосудов, аппаратов и блоков технологических, изготавливаются из поковок по ГОСТ 8479-70 «Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия». Для элементов сосудов газовой промышленности по требованию Госгортехнадзора РФ установлена IV группа поковок с дополнительными испытаниями на ударную вязкость при отрицательных температурах.

Требования к материалам крепежных деталей, виды их испытаний, пределы применения, назначения и условия применения должны удовлетворять требованиям ОСТ 26-2043-91 «Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцевых соединений. Технические требования».

Программой РАО «Газпром» от 1992 года были предусмотрены и разработаны новые марки сталей: коррозионностойкая сталь марки 09ГСНБЦ и 09ХГН2АБ, как хладостойкая для условий Крайнего Севера.

Механические характеристики этих сталей на 15-20% выше традиционных марок сталей 20К, 16ГС, 09Г2С.

Новые стали повышенной категории прочности являются базой при замене оборудования, отработавшего на промыслах 20 и более лет.

Запасы прочности и допускаемые напряжения.

Так как кольцевое напряжение к значительно превышает радиальное г = Рв, то для расчета сосудов принимают первую теорию прочности, компенсируя погрешность расчетных формул коэффициентом запаса n = 1,2. Поэтому напряжение при испытании сосуда должно быть

где г - напряжение предела текучести материала сосуда. С другой стороны, давление испытания превышает рабочее допускаемое [] в 1,25 раза, то есть

 = 1,25[]. (7.2)

Откуда следует:

Для углеродистых сталей

т=0,58в, (7.4)

где в - предел прочности.

Произведя, преобразования получим

Для применяемых сталей рекомендуют брать меньше из получаемых по формулам []. 

Расчетные формулы для определения толщины стенки сосуда

Сосуды относят к тонкостенным при

- соответственно наружный и внутренний диаметры сосуда. Для такого сосуда толщина стенки

где S - расчетная толщина стенки; Рв - внутреннее давление в сосуде; С - поправка на коррозию.

C=c*t. (7.7)

где с - уменьшение толщины стенки от коррозии за год, t — срок службы сосуда до замены,  — коэффициент для учета прочности сварного шва (если его нет, то  = 1,0),  = (0,8+1,0) в зависимости от типа шва и способа сварки сосуда. Для толстостенных сосудов

причем рекомендуется брать большую из подсчитанных величин.

Определение толщины стенки днищ и крышек сосудов

Полушаровые днища обычно применяют в аппаратах большого диаметра (Dв > 4000мм). Днища составляют сваркой отдельных, заранее отштампованных частей - лепестков, имеющих одинаковую кривизну (рис. 7.23 б). Расчетная толщина стенки днища

Эллиптические днища. Меридиональная кривая днища выполняется по полуэллипсу (рис. 7.23 а). Толщина стенки днища при наличии сварного шва

S, = Ш +С. (7.10)

Для стандартных днищ R = Dв, Н= 0,25Dв и h = (50-100)мм.

Днище для сосуда с D„ < 1800 мм может быть выполнено цельным, и тогда в формуле (10)  = 1,0.

Конические днища (рис. 7.23 в) обеспечивают полное удаление вязкой или сыпучей среды из аппарата. Конические переходы используются при изменении диаметра сосуда. При выполнении днищ с отбортовкой радиусом толщину днища S можно уменьшить. В опасном сечении (переход от цилиндрической части к конусной)

где Рв — внутреннее давление в опасном сечении с учетом гидростатического давления жидкости в сосуде.

Плоские круглые крышки применяют для закрытия люков в сосудах. Толщина стенки крышки определяется по формуле

где к - коэффициент для учета формы крышки и способа ее закрепления; D - расчетный диаметр крышки. 

Проверочный расчет сосудов под давлением

Проверочный расчет сосудов ставит своей целью определить напряжения в сосуде и сравнить их с допускаемыми напряжениями. При действии напряжений во взаимно-перпендикулярных плоскостях эквивалентное напряжение обычно находят по 3-й теории прочности. Так как сосуд изготавливают равнопрочным, то проверяют напряжение в стенке цилиндрической части. На внутренней стенке толстостенного сосуда эквивалентное напряжение:

Поправку С используют после t лет эксплуатации.

При минусовых температурах внутри сосуда tв <tн (tн — температура снаружи сосуда) температурный перепад увеличивает кольцевое напряжение на внутренней стенки сосуда [29] на величину

В этом случае

Эквивалентное напряжение в тонкостенном сосуде

Расчет цилиндрических горизонтальных сосудов

В горизонтальном сосуде, кроме кольцевого напряжения кэ, действует осевое напряжение. Его величина

где _о^р- осевое напряжение от нагрузки на днище, 

и— напряжение изгиба от веса сосуда в рабочем состоянии.

Величина и зависит от расположения опор. Обычно такие сосуды располагают на двух или трех опорах, одна из которых закреплена (рис. 7.24).

Осевая нагрузка за счет температурного изменения длины при разнице Δt рабочей tp и монтажной tм температур

где Rn - реакция подвижных опор, n - число опор, f- коэффициент трения на опоре,f= 0,20 при опорах скольжения.

При положительной величине Δt усилие Fн отрицательно, при отрицательной - положительно. Напряжение от второго усилия в месте заделки

следует добавить к _о^р.

Вес сосуда с жидкостью и напряжения изгиба определяют следующим образом: 1) определяю 

где рст =7800кг/м3 плотность стальной стенки сосуда, а- длина

сосуда по габаритам (с учетом днищ);

2) определяют вес воды в сосуде при его гидроиспытании:

где рв - плотность воды, которой производят гидроиспытания;

3) определяют напряжения изгиба на опорах и максимальное - в середине - по моментам изгиба:

Наиболее выгодно расположение опор, при котором

Это будет при в = 0,207а.

Полученное осевое напряжение _о сравнивают с кольцевыми эквивалентными напряжениями на внутренней стенке толстостенного сосуда _экв и эквивалентными напряжениями в тонкостенном сосуде _экв без величины Рв, и берут за ₁, большее из них. За меньшее напряжение ₃ берут Рв (с минусом). В общем случае

Учет ослабления сосудов вырезами

Вырезы в сосудах выполняют для установки люков, лазов и присоединения трубопроводов. При вырезах меридиональное (в плоскости, проходящей через ось сосудов) сечение ослабляется, и поэтому вырезы укрепляют. Укрепление отверстий обязательно, если условный диаметр ввариваемого патрубка превышает 50 мм или величину

где S - толщина стенки аппарата, в котором выполнен вырез; Dp - расчетный диаметр.

За расчетный диаметр принимают:

- для отверстия в цилиндрической части - Dp= Dв;

- в сферическом днище — Dp = 2р;

- в эллиптическом днище - Dp = 2р (текущий радиус эллипса);

- в конической части сосуда Dр=D/cos (D - диаметр конической части, на котором расположено отверстие).

Укрепляющее кольцо ставят снаружи и снабжают сигнальным отверстием с резьбой М10, располагаемым в нижней части кольца. Отверстие служит для проверки герметичности сварного шва патрубка.

Условие укрепления шва

Расчетная площадь поперечного сечения металла стенки F0, удаленного вырезом, должна компенсироваться за счет площади сечения, избыточного над расчетным, металла стенки корпуса F (за счет превышения стандартной толщины против расчетной), площади сечения патрубка F\ и площади поперечного сечения металла, укрепляющего кольца F2, то есть

F₀ <F + Fl + F2. (7.27)

Протяженность зоны укрепляющего металла определяется величиной L.

Располагать вырезы на продольных швах не рекомендуется. Величины, входящие в выражение, определяют по следующим формулам:

В формулах приняты следующие обозначения: S, S1 и Sp, S1p - действительная и расчетная толщина стен стенки корпуса сосуда и патрубка; S2 и L — толщина сечения и ширина укрепляющего кольца.

При отсутствии укрепляющего кольца для определения значения F подставляют значение L = .

Рекомендуемые размеры укрепляющего кольца и необходимые расчетные формулы приведены в [29].

В случае выполнения выреза в сосуде без его укрепления расчетное давление в сосуде должно быть снижено.

Учет ветровых и сейсмических нагрузок на сосуды и аппараты

Расчетная ветровая нагрузка на аппарат или его участок диаметром D и высотой Н.

Pк=qDH. (7.30)

где - коэффициент динамичности, q - расчетная ветровая нагрузка. q определяется следующим образом:

1. По районам ветровой нагрузки определяют [29] скоростной нормативный напор q0. Если такой район не указан, то q0 определяют по формуле:

где v - максимальная скорость ветра на расчетной высоте за последние 5 лет по данным метеослужбы, р - плотность воздуха. 

2. Определяют нормативную ветровую нагрузку:

где с - аэродинамический коэффициент. Для цилиндрической аппаратуры с=1,4. С учетом коэффициента перегрузки 1,1

При высоте сооружения Н>10 м, для участков выше 10 м q надо умножить на коэффициент 0, определяемый по рис. 7.25 [13].

1) Динамический коэффициент

где m - коэффициент пульсации скоростного напора ветра, определяемый по графику [13] в зависимости от высоты (m=0,35 при Н =20м); ζ - коэффициент динамичности, зависящий от периода собственных колебаний аппарата Т. При Т<0,25с ζ=1,0; при Т>0,25с ζ определяют по графику [13]. Там же приведены формулы для определения Т.

Находим ветровые нагрузки, действующие на участки аппарата, по формуле:

Где q1 - нормативная ветровая нагрузка i-го участка;

Di, Hi Мi - диаметр, высота и масса i-го участка;

i - динамический коэффициент для этого участка.

Находим ветровой момент, действующий на аппарат относительно опорной поверхности фундаментального кольца аппарата (рис. 7.25):

Сейсмические нагрузки S считают горизонтальными, приложенными в центре каждого участка (усилие Si на расстоянии хi от фундамента по рис. 7.25.) Для i-го участка

где Qi — сила тяжести, сосредоточенная в центре /-го участка; i- динамический коэффициент; кс - коэффициент сейсмичности, равный 0,027; 0,05 и 0,1 при сейсмичности соответственно 7, 8 и 9 баллов.

Максимальный момент от сейсмической нагрузки, действующий на фундамент аппарата при учете только первой формы колебаний.

Расчетный изгибающий момент с учетом высших форм колебаний

Сейсмические нагрузки рассчитывают при максимальном рабочем весе сосуда. В расчет принимают больший из моментов, подсчитанных по формулам

где Мэ — момент от эксцентрично приложенных нагрузок. При действии сейсмических нагрузок ветровые нагрузки не учитываются.

Анализ методики расчета и графиков [13] показывает, что ветровые и сейсмические воздействия для аппаратов высотой до 10 м вызывают перегрузку аппаратов не более чем на 10%.

В расчет аппаратов после подсчета рабочей нагрузки Qp и моментов входит:

а) выбор размеров площади опорной поверхности фундаментального кольца 1 (рис. 7.25) и проверка фундамента на напряжения сжатия, возникающие на опорной поверхности;

б) расчет аппарата на устойчивость против опрокидывания (выбор числа фундаментальных болтов);

в) проверка устойчивости цилиндрической формы стенки опорной части аппарата (по стрелке В рис. 7.25).

Максимальное напряжение на опорной поверхности F фундаментального кольца (рис. 7.25) при максимальном весе Qmax (во время гидроиспытаний аппарат заполняется жидкостью) и при рабочем весе Qp аппарата и соответствующих изгибающих моментах от действия ветровых и эксцентричных весовых сил таково:

где М2 = 0,6Ма +Мэ, так как гидроиспытания не проводятся во время сильного ветра; W - момент сопротивления изгибу опорной площади фундаментального кольца. F — расчетная площадь.

где D2 и D1 - соответственно наружный и внутренний диаметры опорного фундаментного кольца (рис. 7.25). 

Во всех случаях подсчитанное значение max или 'mах должно быть

Меньше -δ/nδ, где δ - предел прочности бетона при осевом сжатии, nδ = 2,5 - коэффициент запаса прочности.

Минимальное напряжение на опорной поверхности фундаментального кольца при соответствующем моменте

Если min отрицательно или равно нулю, то определяют коэффициент устойчивости аппарата:

где M_Q— момент от собственного веса аппарата;

R1 - плечо силы Qp, R1=0,42D_H.

При у > 1,5 фундаментальные болты не работают и их устанавливают лишь для фиксации аппарата (лучше кратное число). Положительное значение min означает растягивающую фундаментальные болты нагрузку. В этом случае приближенная нагрузка на один болт

Напряжение в болте при внутреннем диаметре резьбы d1

должно быть меньше или равно допускаемому [] (с =3,0 мм - прибавка на атмосферную коррозию).

Для устойчивости цилиндрической формы аппарата (по стрелке В рис. 7.25) должно быть выполнено условие

где Q_ДОП и М_ДОП - допускаемые значения осевой сжимающей силы и изгибающего момента, подсчитываемые по характеристикам металла[13]. 

Q и М- фактически действующие, осевая нагрузка и момент изгиба в опасном сечении.

Особенности расчета и проверки теплообменных аппаратов

Применяемые теплообменные аппараты по конструктивному исполнению подразделяются на 3 типа:

1) кожухотрубчатые аппараты жесткого типа, в которых трубы жестко заделаны в решетки и таким образом связаны с корпусом;

2) аппараты с плавающей головкой и с u-образными трубами, в которых одна из решеток может свободно перемещаться вместе с трубами относительно корпуса;

3) теплообменники типа «труба в трубе», аналогичные конструкции 1-го типа.

Подбор теплообменников приведен в [14]. Ниже даются особенности механического расчета теплообменных аппаратов.

В аппаратах жесткого типа (1-й и 3-й тип) при разнице темпера¬тур и коэффициентов линейного расширения внутренних трубок 2 и корпуса 3 (рис. 7.26) возникает температурное усилие

Температурные напряжения в трубах и корпусе соответственно таковы:

При наличии компенсатора 4 и длине теплообменника 1 температурное усилие :

где Е - модуль продольной упругости материала компенсатора; m - параметр компенсатора [13].

Если температура, при которой изготовлен теплообменник, равна tp, то вместо tp и tк подставляют (tm— tn) и (tк- tn).

В теплообменнике с компенсатором легко подсчитать усилия при рабочих давлениях (указанных на рис. 7.16.):

Суммарное усилие

Здесь D_K — диаметр линзы компенсатора, dн и dв - наружный и внутренний диаметры трубы, n — число труб.

В теплообменнике без компенсатора вместо D_K следует подставить внутренний диаметр корпуса теплообменника D. Суммарное усилие на одну трубу:

где q - усилие на одну трубу от общего усилия Q; q_T - температурное усилие; 

В суммарном усилии на одну трупу qr принимают со знаком плюс, если корпус нагрет больше, чем трубы, и со знаком минус, если трубы нагреты больше, чем корпус. Это следует учитывать при распределении технологических потоков в теплообменнике.

Удельная нагрузка от давления на единицу длины окружности развальцовки трубы (МН/м)

Для обеспечения прочности развальцовки удельная нагрузка от давления а0 не должна превышать [₀] = 0,04МН/м при развальцовке труб в отверстиях без канавок и [₀ ] = 0,07 МН/м в отверстиях с канавками.

Удельная нагрузка на развальцовку от действия суммарного усилия с учетом давления и температуры (МН/м)

Допускаемая удельная нагрузка на развальцовку [_c] берется в 2 раза выше [₀].

В случае приварки труб к трубной решетке размер катета сварного шва:

где = 0,8 - коэффициент прочности сварного шва; С - прибавка на коррозию (С =1,0 мм для труб из углеродистых сталей и С= 0 для труб из высоколегированных хромоникелевых сталей).

Если принять допускаемое напряжение на срез сварного шва

При этом к > S + 0,5 мм (5- толщина стенки трубы).