Расчет шарового крана Dn15 в APM WinMachine

Шаровый кранШаровый кран

Компанией НТЦ «АПМ» были проведены расчеты прочности и сейсмостойкости шарового крана Dn15 Pn160 с учетом требований ГОСТ 30546.1.

Подготовка расчетной модели проводилась с использованием APM FEM – системы прочностного конечно-элементного анализа для КОМПАС-3D. Расчет производился с помощью модуля APMStructure3D входящего в состав расчетного комплекса CAD/CAE системы автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций APM WinMachine.

Анализ конструкции выполнялся по заказу ООО НПО «Армгазинвест».

 

Проведение расчета

Задание температурыКонечно-элементные модели конструкции шарового крана созданы на основе 3D моделей, выполненных в КОМПАС 3D и переданных заказчиком в соответствии с техническим заданием.

Давление со стороны рабочей среды моделируется равномерно-распределенной нагрузкой значением 16 МПа, приложенной к соответствующим поверхностям.

Расчетная нагрузка со стороны трубопровода действует как растягивающая распределенная сила, приложенная к торцу первого патрубка, тогда как торец второго патрубка в данном направлении закреплен.

Для учета термоупругих деформаций вводится прогрев конструкции крана до +80 0C, а также охлаждение элементов шарового крана до -60 0C, что соответствует крайним температурным режимам рабочей среды.

Учет собственного веса производится расчетным модулем автоматически, исходя из геометрии элементов крана и плотности материала, путем введения множителя собственного веса, равного единице.

В соответствии с ГОСТ 30546.1-98 значение расчетного максимального ускорения в горизонтальном направлении составит 5 м\с2, соответственно, значение вертикального ускорения составит 3,5 м\с2.

Задание линейного ускоренияЗадание линейного ускорения производится в двух направлениях, вдоль и перпендикулярно оси патрубков.

Для всесторонней оценки напряженно-деформированного состояния были рассмотрены следующие расчетные случаи:

  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, а также прогрев до +800C;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, а также охлаждение до - 600C;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды +800C, сейсмическое воздействие вдоль оси патрубка;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды +800C, сейсмическое воздействие перпендикулярно оси патрубка;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды -600C, сейсмическое воздействие вдоль оси патрубка;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды -600C, сейсмическое воздействие перпендикулярно оси патрубка.

 

Результаты расчета

Анализ напряженно-деформированного состояния силовых элементов конструкции шарового крана проводился в геометрически и физически линейной постановке с помощью метода конечных элементов в модуле APM Structure3D.

Ярко выраженные концентраторы на торцах ниппеля характеризуются наличием опор, которые существенно увеличили жесткость зон закрепления, чего не наблюдается в реальной конструкции. Однако наличие опор – необходимое условие для решения задачи определения напряженно-деформированного состояния шарового крана.

Для определения действующих напряжений исключаем из рассмотрения зоны с краевыми эффектами, используя принцип Сан-Венана: для задачи твердотельного моделирования игнорируем не менее четырех слоев конечных элементов вдоль оси ниппелей, начиная с крайнего опорного торца.

Цветовые карты результатов анализа напряженно-деформированного состояния для шарового крана Dn15 Pn160 приводятся с исключением от показа зон, согласно принципу Сан-Венана.

 

Карта эквивалентных напряжений по Мизесу Карта эквивалентных напряжений по Мизесу. Отключены показ корпуса, рукоятки и накидных гаекПервая собственная форма шарового кранаКарта эквивалентных напряжений по Мизесу. Сейсмическое воздействие вдоль оси патрубка

ИтогиИтоги выполненного проекта

Анализируя представленные результаты по всем рассчитанным вариантам загружений модели, можно сделать следующие выводы:

  • Максимальные эквивалентные напряжения, оцененные по гипотезе прочности Губера-Мизеса (4 теория прочности), возникают в ниппелях при температуре рабочей среды -600C.
  • Сопоставляя максимальные действующие напряжения с допускаемым пределом текучести для стали 09Г2С, можно считать, что условие прочности конструкции выполнено.
  • Сейсмическое воздействие не вносит существенного вклада в общую картину напряженно-деформированного состояния крана, так как уровень напряжений от действия сейсмической нагрузки как вдоль оси патрубков, так и перпендикулярно оси патрубков не превышает 1 МПа.
  • Максимальные эквивалентные напряжения, оцененные по гипотезе прочности Губера-Мизеса (4 теория прочности), возникают в ниппелях при температуре рабочей среды -600C, при сейсмическом воздействии вдоль оси патрубков.
  • Сопоставляя максимальные действующие напряжения с допускаемым пределом текучести для стали 09Г2С в 325 МПа, можно считать, что условие прочности конструкции выполнено.

Проведенная работа показала применимость программных комплексов APM для решения сложных задач прочностного анализа различных конструкций нефтегазовой отрасли.  

Продукты