Расчет шарового крана Dn15 в APM WinMachine
Шаровый 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
Конечно-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 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.
Итоги 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.
