Поверочный расчет трубопровода на прочность

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Кафедра машин и аппаратов производственных процессов

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Издательство

Пермского государственного технического университета

2010

Составитель: канд. техн. наук Г.С. Мырзин

УДК 621.643.2:539.4.001.24 ББК 39.71-022

П42

Рецензент:

канд. техн. наук Е.Р. Мошев (Пермский государственный технический университет)

Поверочный расчет трубопровода на прочность: метод. П42 указания к выполнению лаборат. работы / сост. Г.С. Мырзин. –

Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 18 с.

Содержат описание лабораторной работы по выполнению поверочного расчета трубопровода на статическую и циклическую прочность в программном средстве «Астра-Нова-2009» в рамках курса «Основы автоматизированного проектирования».

Предназначены для студентов химико-технологического факультета 3–5-го курсов специальности «Машины и аппараты производственных процессов».

УДК 621.643.2:539.4.001.24 ББК 39.71-022

© ГОУ ВПО «Пермский государственный

технический университет», 2010

2

3

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ПОВЕРОЧНОМУ РАСЧЕТУ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ

Цели работы: ознакомиться с основными принципами поверочного расчета трубопровода на прочность; освоить процесс составления расчетной схемы; научится учитывать и анализировать нагрузки, действующие на трубопровод.

Поверочный расчет на прочность является неотъемлемым этапом проектирования и реконструкции трубопровода. Целью поверочного расчета является оценка статической и циклической прочности, а также определение усилий, действующих на оборудование со стороны трубопровода при эксплуатации [1–3].

Трубопровод в поверочном расчете на прочность, как правило, рассматривается в виде упругой стержневой системы, внутренние силовые факторы (силы и моменты) в которой определяются методами строительной механики с учетом гибкости отводов и сварных врезок. При этом для отводов учитывается повышенная гибкость в результате их овализации при изгибе, а для врезок и тройников учитывается пониженная жесткость штуцеров (ответвлений) при изгибе и кручении.

Расчетная схема трубопровода должна достаточно полно аппроксимировать его реальную геометрию, нагрузки и напряженнодеформированное состояние. Для этого трубопровод разбивается на прямолинейные или очерченные по дуге окружности участки (стержни), границы между которыми являются расчетными сечениями. В число расчетных сечений следует включать:

–места присоединения к аппаратам, опорам, коллекторам и т.д.;

–точки излома или ветвления осевой линии трубопровода;

–точки изменения поперечного сечения или внешней нагрузки. Число сечений в расчетной схеме должно быть минимизирова-

но. Пример расчетной схемы трубопровода с указанием необходимых сечений приведен на рис. 1.

4

Рис. 1. Расчетная схема трубопровода: в сечениях 3, 6, 8 – скользящие опоры; в сечениях 1, 9, 11 – жесткие заделки (места крепления со штуцерами аппаратов); в сечениях 2, 4, 5, 10 – точки излома осевой линии (отводы); в сечении 7 – ветвление осевой линии (врезка)

Внешние статические нагрузки, действующие на трубопровод, в расчете рассматриваются как сосредоточенные или равномерно распределенные. Наряду с ними следует учитывать деформационные воздействия, вызванные температурными удлинениями, смещением опор или оборудования, а также предварительной монтажной растяжкой трубопровода.

Допустимый уровень напряжений от внешних статических нагрузок, весовой нагрузки и температурных удлинений в трубопроводе обеспечивает правильная расстановка опор и подвесок, которые также должны выбираться из условия их рациональной загруженности. Опоры и подвески в расчете моделируются линейно-упругими связями, действующими в требуемом направлении и обладающими заданной жесткостью (прил. 1). Для подвижных опор следует учитывать эффекты трения. Линзовые и сальниковые компенсаторы, арматура и оборудование в расчете моделируются стержневыми элементами с заданными характеристиками при растяжении-сжатии, изгибе, кручении и сдвиге.

После выполнения поверочного расчета производится сопоставление определенных усилий, деформаций и напряжений с их допустимыми значениями. В случае необходимости выполняется коррек-

5

тировка положения опор и подвесок или их параметров, а также толщины стенки и конфигурации трубопровода.

2.СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ

ИВЫПОЛНЕНИЕ ПОВЕРОЧНОГО РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ

ВПРОГРАММНОМ СРЕДСТВЕ «АСТРА-НОВА»

Выполнение поверочных расчетов трубопроводов на прочность вручную или с помощью математических пакетов требует больших трудозатрат и высокой квалификации исполнителя. Поэтому в настоящее время данные расчеты выполняются в специализированных программных средствах («Астра-Нова», «Старт», AutoPipe, Caesar

идр.). Краткое описание интерфейса пользователя программного средства «Астра-Нова» [4] приведено ниже.

Без электронного ключа защиты «Астра-Нова» работает в деморежиме, где функции поверочного расчета работают с ограничением на размерность решаемых задач (число отрезков или сечений трубопровода должно быть не более 99). Основное диалоговое окно «Аст- ра-Нова» представлено на рис. 2, элементами которого являются меню и панели кнопок, диалоги свойств элементов, рабочая область

ипанель отладочной информации.

Для создания новой расчетной схемы в программе следует выполнить следующие действия.

1. Выбрать в меню «Данные» – «Общие данные» (рис. 2). В появившемся диалоговом окне в списке выбрать соответствующие нормы расчета. Например, для технологических трубопроводов [1] следует выбрать «Астра-Нефтехим» и установить коэффициент перегрузки по температурным деформациям 1,2, а также указать «Высокотемпературный», если трубопровод состоит из углеродистой и легированной неаустенитной стали при рабочей температуре свыше 360 °С или из легированной аустенитной стали при рабочей температуре свыше 450 °C.

6

Меню и панель кнопок

Панель

настройки

вида

Расчетная

схема

трубопровода

Диалоги

свойств элементов Панель

отладочной

информации

Рис. 2. Основное диалоговое окно программного средства «Астра-Нова»

2.На панели под меню нажать кнопку «Добавить участок», выбрать диаметр и толщину стенки элементов участка, которые в дальнейшем будут использоваться по умолчанию.

3.Выбрать материал участка из нормативной базы данных. Установить рабочие давление и температуру, давление испытаний, температуру монтажа и другие общие параметры участка, необходимые для расчета.

4.Построить требуемую трассировку участка посредством добавления в него труб, отводов, переходов и других элементов. При этом отводы следует добавлять после того, как трассировка участка будет составлена из труб. Направление участка необходимо задавать

ввиде проекций на координатные оси в диалогах свойств элементов (см. рис. 2). Далее следует указать вес труб, транспортируемой среды

и тепловой изоляции (параметры тепловой изоляции приведены в прил. 2).

7

ши один из участков магистрали и добавить врезку с помощью панели кнопок.

6.Указать на всех участках трубопровода места крепления опор

иподвесок, а также места соединения со штуцерами аппаратов (мертвые опоры на концах участков). Для добавления опор и подвесок необходимо выбрать кликом мыши требуемый участок, выбрать на панели свойств элементов закладку «сечение» и указать требуемый тип опоры. Следует учитывать, что опорные конструкции должны воспринимать весовые нагрузки и не должны существенно препятствовать температурным удлинениям. Тип опорных конструкций

иконфигурация трубопровода выбираются таким образом, чтобы нагрузки распределялись равномерно и по возможности были наименьшими, а также обеспечивалась компенсация температурных удлинений. Конструкции наиболее часто используемых опор и подвесок приведены в прил. 1.

7.Указать в местах крепления трубопровода соответствующие температурные удлинения. Пример учета температурных удлинений, действующих на трубопровод со стороны аппарата колонного типа, приведен на рис. 4.

Для выполнения поверочного расчета на прочность следует выбрать в меню «Расчет» – «Статическая и циклическая прочность (СТАЦ)». В появившемся диалоговом окне следует указать требуемый вид расчета и нажать клавишу «Расчет». В случае если все необходимые исходные данные внесены в полном объеме и расчетная схема составлена правильно, то выведется сообщение «Расчет за-

8

вершен», в противном случае выведется предупреждение на панели отладочной информации (см. рис. 2).

Рис 4. Учет температурного удлинения аппарата колонного типа: в сечении 1 расчетной схемы – месте крепления трубопровода со штуцером аппарата следует задать перемещение Z , определяемое по соотношению:

Z = αк Hк (tк −tм ) +αо Hо (tо −tм ), где «к» – индекс корпуса; «о» – индекс опоры; α – коэффициент линейного расширения; Н – размер удлиняемой части; t – температура стенки; tм – температура монтажа системы трубо- провод-аппарат

Анализ результатов расчета следует начинать с проверки адекватности перемещений трубопровода от действующих на него нагрузок. Для этого следует выбрать в меню «Результаты» – «Визуализация перемещений». Деформируемая схема трубопровода отобразится зеленым цветом, а исходная останется серой (рис. 5). Обычно деформируемая схема частично прогибается вниз под действием весовых нагрузок и удлиняется вдоль своей оси под действием температурных расширений. Для наглядного отображения деформаций можно изменять масштаб перемещений в меню «Вид» – «Масштаб».

9

Рис. 5. Визуализация перемещений трубопровода

Отображение напряжений на расчетной схеме трубопровода осуществляется посредством меню «Результаты» – «Визуализация напряжений/усилий». При этом расчетная схема окрашивается различными цветами в соответствии с нагрузками и цветовой шкалой в правом верхнем углу экрана, которая может настраиваться пользователем (рис. 6). Анализ напряженного состояния удобно оценивать по шкале относительных напряжений (нажать кнопку «Относительные напряжения» на панели «Постпроцессор»), которые определяются как отношение расчетной к допускаемой величине. На участках трубопровода, имеющих относительные напряжения больше единицы, условие прочности не выполняется. Для уменьшения величины таких напряжений следует нажать кнопку «Препроцессор» на панели «Визуализация» (переключиться в режим редактирования) и произвести корректировку конфигурации трубопровода или типа и расположения опорных конструкций.

10