А.В. Белобородов, ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика»

Нефтегазовое оборудование комплекту­ется стальной запорной трубопроводной арматурой для широкого спектра пара­метров рабочей среды (давления и темпе­ратуры) и диаметров трубопроводов. На данный момент количество наименований такой арматуры превышает миллион еди­ниц. Отсутствие герметичности в затворе арматуры является причиной более 80% отказов трубопроводной арматуры, кото­рые приводят к нарушению нормального режима функционирования оборудования или к аварийным ситуациям, последстви­ями которых могут стать экономические потери, повреждение оборудования, за­грязнение окружающей среды и пр.

Потеря герметичности в затворе может возник­нуть вследствие конструктивных недостатков арматуры, таких как нарушение взаимного рас­положения уплотнительных поверхностей затво­ра, обусловленное недостаточной жесткостью корпусных деталей. На этапе проектирования арматуры можно сделать прогноз вероятности нарушения герметичности затвора вследствие деформаций уплотнительных поверхностей его деталей, однако существующие аналитические методы расчета трубопроводной арматуры на прочность и жесткость не позволяют выполнить расчеты с требуемой точностью.

На кафедре «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» Тюменского государственного нефтегазового университета (ТНГУ) с помощью ANSYS было проведено ис­следование влияния нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации арматуры на ее напря­женно-деформированное состояние (НДС). В ре­зультате была разработана методика расчета на прочность и жесткость деталей арматуры, поз­воляющая оценить деформации уплотнительных поверхностей затвора запорной арматуры [1].

В качестве объекта моделирования ис­пользовалась арматура ОАО «Икар» Курганско­го завода трубопроводной арматуры.

Исходя из опыта эксплуатации и резуль­татов предварительных и приемочных испыта­ний образцов был предложен и обоснован ряд расчетных схем для проведения анализа НДС корпусных деталей клиновых задвижек методом конечных элементов. В результате выполненных исследований установлено, что для получения результатов, согласующихся с данными натур­ных экспериментов, необходимо учитывать виды нагрузок, показанные на рис. 1.

Рис. 1

Поскольку на практике большая часть запор­ной арматуры применяется без электропривода и редукторов, а зачастую отсутствуют и данные об отступлениях от номинальной формы трубопро­вода, то для оценки вероятности нарушения гер­метичности арматуры на этапе проектирования эти типы нагрузок можно не учитывать.

Рис. 2

Итак, использовалась твердотельная мо­дель трубопроводной арматуры, полученная не­посредственно от конструкторов, в которую были внесены небольшие изменения для построения более качественной конечно-элементной сетки тетраэдров (SOLID87, SOLID92) при свободном разбиении (Free Mesh).

В конечном счете были определены следу­ющие этапы анализа НДС деталей трубопровод­ной арматуры [1]:

  1. Доработка в CAD-системе 3D-моделей деталей, выполненных конструкторами, для по­лучения более качественной сетки конечных эле­ментов (например, удаление мелких объектов, не оказывающих влияния на прочность и жесткость).
  2. Импорт геометрической модели из CAD- системы в ANSYS.
  3. Построение в препроцессоре ANSYSгео­метрических моделей трубопроводов, прокладок и крепежа, то есть деталей с простой геометрией.
  4. Задание свойств материалов и типов используемых конечных элементов.
    Для выполнения теплового анализа необхо­димо задать тепловые свойства материалов и вы­брать следующие типы элементов: SOLID87 (объ­емный (3D) тепловой элемент, имеющий 10 узлов) или SOLID90 — версия 3D 8-узлового элемента SOLID70, но более высокого порядка.
    В случае если помимо этого необходимо вы­полнить расчет статического НДС конструкции, то указанные типы элементов следует заменить соответствующими «структурными» элемента­ми, такими как SOLID92 и SOLID95, при этом следует указать механические свойства матери­алов. Затем переходим сразу к пункту 10.

  5. Рис. 3

    Задание граничных условий теплового анализа с указанием условий конвективного теплообмена с рабочей и окружающей среда­ми (рис. 2):SFA,AREA, LKEY,CONV,VALUE, VALUE

  6. Выполнение теплового анализа для полу­чения поля распределения температур (рис. 3).
  7. Конвертация типов элементов для выпол­нения структурного анализа с учетом поля распре­деления температур с использованием команды ETCHG,Cnvс опцией TTS (ThermaltoStructural).
  8. Удаление нагрузок и параметров шагов нагружения с помощью командыLSCLEAR,Lab.
  9. Чтение файла результатов теплового анализа и использование данных о температу­ре в качестве узловых нагрузок:LDREAD,Lab, LSTEP, SBSTEP, TIME, KIMG, Fname, Ext, —.
  10. Создание контактных пар типа «поверх­ность — поверхность» с использованием элемен­тов CONTA174 — TARGEКонтакт происхо­дит при внедрении контактного узла CONTA174 в элемент ответной поверхности (TARGE170).
  11. Приложение граничных условий про­чностного анализа в соответствии с рис. 4.
  12. Для создания усилий затяжки шпилеч­ных соединений используется следующий набор команд:
  13. Выполнение прочностного анализа для определения НДС деталей арматуры (рис. 5 и 6).
  14. Оценка выполнения условия герметич­ности:

где [q] — допускаемое давление на уплотнитель- ной поверхности, МПа; q — действующее давление на уплотнительной поверхности, МПа; b — ширина уплотнения, мм; с, m, k — коэффициенты, завися­щие от материала уплотнительных поверхностей.

В ходе анализа НДС деталей трубопроводной арматуры для оценки погрешностей, связанных с построением конечно-элементной модели [2], ис­пользовался количественный способ, основанный на рекомендациях, приведенных в статьях [3, 4, 5].

Способ состоит в сопоставлении усреднен­ных узловых результатов и значений в точках интегрирования конечных элементов. Поскольку результаты расчета для элемента определяются в точках интегрирования и затем экстраполиру­ются на его узлы, каждый элемент, содержащий данный узел, порождает свой собственный ре­зультат для рассматриваемого узла. И эти зна­чения, как правило, различаются между собой.

При использовании усредненных узловых результатов для некоторого узла вычисляется значение результатов, полученных для каждого элемента, содержащего данный узел. При исполь­зовании значений в точках интегрирования конеч­ных элементов усреднение в узлах не производит­ся, вследствие чего образуется разрыв искомой величины при переходе от элемента к элементу.

Величина разрыва невелика, если конеч­но-элементная сетка мелкая, однако в случае крупной сетки она может стать достаточно боль­шой [2, 3, 4].

Если относительная погрешность между результатами в точках интегрирования элемен­тов (NSOL) и результатами, усредненными по узлам (NSOL),

составляет более 10%, то можно говорить о недо­статочном качестве конечно-элементной сетки.

Картина результатов, полученная в ANSYS с помощью модуля FullGraphics, сопровождается оценками вероятной нижней (SMNB) и верхней (SMXB) границ этих результатов, обусловленных погрешностями сетки [2, 5].

Опыт использования ANSYS показывает, что, если относительные погрешности, касаю­щиеся рассчитанных минимальных (SMN) и мак­симальных (SMX) величин:

величина, которая представляет собой среднее не превышают 10%, то качество построения ко­нечно-элементной модели обеспечит в дальней­шем результаты высокой точности.

Рекомендации по доработке конструкций трубопроводной арматуры, составленные на ос­нове результатов моделирования в программном комплексе ANSYS, были учтены в ОАО «Икар».

В целом созданная методика оценки надеж­ности трубопроводной арматуры (с учетом реаль­ных условий эксплуатации), основанная на исполь­зовании программного комплекса ANSYS, позво­ляет избежать конструктивных ошибок на этапе проектирования арматуры и гарантировать герме­тичность при различных внешних воздействиях.