Совершенствование методики проектирования запорной арматуры с использованием численных методов

Для надзора за надежной и безопасной эксплуатацией технологических трубопроводов в соответствии с требованиями ПБ-03−585−03 (Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов) проводятся ревизии, в том числе ревизии и ремонт установленной трубопроводной арматуры. Сводные данные по ремонтному фонду запорной трубопроводной арматуры на предприятиях нефтегазовой отрасли, представленные на 2-ом межотраслевом семинаре «Прочность и надежность нефтегазового оборудования» [43], приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Сводные данные по ремонтному фонду запорной трубопроводной арматуры.

Условный проход DN, мм Кол-во, шт Кол-во арматуры, требующей ремонта, шт/год Кол-во арматуры, ремонтируемой своими силами, шт/год Кол-во арматуры, ремонтируемой сторонними предприятиями, шт/год до 50 106 891 15 051 14 262 112.

50−150 743 743 33 436 18 176 6678.

200−400 31 403 5713 2967 1106.

500−600 2402 665 272 278.

800−1200 2026 393 192 103.

Более 95% эксплуатируемой запорной трубопроводной арматуры составляет арматура с условным проходом ЭЫ<150 мм, объем ремонтного фонда которой в среднем составляет около 6% [43]. Разница между количествами арматуры, требующей ремонта и ремонтируемой своими и сторонними силами, представляет собой неремонтопригодные изделия. Средняя доля неремонтопригодных изделий в ремонтном фонде арматуры данных условных проходов приближается к 20% [43]. При этом в диапазоне условных проходов от 50 до.

150 мм (более 83% эксплуатируемой арматуры) доля неремонтопригодных изделий составляет более 25% [43]. К основным дефектам, выявляемым при проведении ревизий запорной арматуры, относятся [34.39, 54]:

• отсутствие герметичности в затворе арматуры;

• протечки, связанные с наличием пор или трещин в материале корпусных деталей арматуры;

• отсутствие герметичности фланцевых и сальниковых уплотнений, связанное с применением несоответствующих условиям эксплуатации материалов.

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 быть экономические потери, повреждение оборудования, загрязнение окружающей среды и т. д. [54]. Потеря герметичности в затворе может являться следствием [34, 35, 54]:

• конструктивных недостатков арматуры, проявляющихся в нарушении взаимного расположения уплотнительных поверхностей затвора вследствие недостаточной жесткости корпусных деталей;

• качества изготовления уплотнительных поверхностей деталей затвора и их сборки;

• абразивного или коррозионного повреждения деталей затвора;

• других причин.

На этапе проектирования трубопроводной арматуры можно спрогнозировать вероятность нарушения герметичности затвора вследствие деформаций уплотнительных поверхностей его деталей. Однако, существующие аналитические методы расчета деталей трубопроводной арматуры на прочность и жесткость не позволяют определить деформации уплотнительных поверхностей затвора и проверить выполнение условия герметичности.

Метод конечных элементов, реализованный в различном программном обеспечении [4, 51, 56, 60, 62], уже достаточно продолжительное время используется для проведения расчетов напряженно-деформированного состояния и расчетного обоснования прочностной надежности оборудования и трубопроводов, используемых в атомной энергетике. В связи с потребностями развития и совершенствования оборудования объем использования данного программного обеспечения метода постоянно возрастает [51].

Вместе с тем, подобное программное обеспечение до недавнего времени практически не использовалось в нефтегазовой отрасли, несмотря на существующую потребность в точной оценке надежности вновь создаваемого оборудования и остаточного ресурса эксплуатируемого. Это связано в первую очередь с отсутствием методических разработок в данном направлении, регламентирующих границы и способы применения данного программного обеспечения, хотя в последнее время работы в данном направлении ведутся [25]. Под руководством д.т.н., профессора Тарасенко A.A. детально проработана методика исследования НДС вертикальных стальных резервуаров и других конструкций нефтегазотранспорт-ных систем [63, 64]. В работах [40,41], выполненных на кафедре «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» Самарского государственного технического университета, рассмотрены вопросы использования МКЭ при расчете резьбовых соединений обсадных колонн. Также метод конечных элементов применяется для определения НДС трубных систем подогревателей сетевой воды [48], расчетов змеевиков печей пиролиза [50] и обсадных колонн скважин [44].

В связи с этим актуальным является разработка методики расчета на прочность и жесткость деталей на основе использования современных численных методов, позволяющей оценить деформации уплотнительных поверхностей затвора запорной арматуры.

Цель выполнения настоящей работы: Разработать методику проектирования запорной арматуры с использованием численных методов, позволяющую выполнять оценку герметичности затвора с учетом нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать влияние изменения напряженно-деформированного состояния корпусных деталей трубопроводной арматуры на герметичность затвора.

2. Предложить и обосновать расчетные схемы для проведения анализа напряженно-деформированного состояния корпусных деталей методом конечных элементов, позволяющие учитывать при проектировании деформации уплотнительных поверхностей затвора запорной арматуры.

3. Оценить влияние совместного деформирования деталей клиновых задвижек с учетом нагрузок, возникающих в процессе ее сборки, на герметичность затвора.

4. Установить степень влияния на возникновение деформаций уплотнительных поверхностей, приводящих к потере герметичности затвора клиновых задвижек, нагрузок, возникающих в процессе их эксплуатации на технологических трубопроводах.

5. Разработать рекомендации по оптимизации конструкций клиновых задвижек на основании расчетов, выполненных по предложенной методике расчета на прочность и жесткость с учетом требований по герметичности затвора.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Установлена корреляционная зависимость между величиной деформаций корпусных деталей запорной трубопроводной арматуры и выполнением условия герметичности затвора;

• Предложены методы оценки прочности и жесткости конструкций деталей запорной трубопроводной арматуры, позволяющие при проектировании учитывать взаимное деформирование деталей и различные виды нагрузок, возникающие в процессе эксплуатации;

• Разработаны расчетные схемы для оценки прочности и жесткости корпусных деталей клиновых задвижек, позволяющие определить деформации деталей уплотнительных поверхностей затвора и оценить вероятность нарушения герметичности затвора.

Практическая ценность диссертации:

1. Внедрение предложенной методики в процесс проектирования запорной трубопроводной арматуры позволило более точно оценить прочность и жесткость создаваемой конструкции, определить деформации деталей затвора и уменьшить число отказов арматуры по причине нарушения герметичности затвора. 2. Предложенные рекомендации по оптимизации использованы при разработке новых клиновых задвижек КЗ 13 010−100, КЗ 13 010−300, обладающих максимальной прочностью и жесткостью при минимальных массогабаритных показателях.

Разработанные в диссертации методики и полученные результаты легли в основу процесса проектирования клиновых задвижек КЗ 13 010−100, КЗ 13 010−300, КЗ 13 010−400 и поворотного затвора К399 002−200 Курганского завода трубопроводной арматуры «ИКАР», а так же при подготовке курсовых и дипломных проектов студентами специальности «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» .

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Ее основные положения и результаты докладывались на III научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии» (г.Новоуральск, 2002 г.), научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Мурав-ленко «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (г.Тюмень, 2002 г.), национальной конференции с международным участием «Инженерная механика 2003» (Чехия, г. Свратка, 2003 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе» (г. Тюмень, 2003 г.), всероссийской учебно-практической конференции «Применение программного комплекса ANSYS в решении инженерных задач» (г.Уфа, 2004 г.), совещании руководителей и главных специалистов Научно-промышленной ассоциации арматуростроителей «Роль стандартизации, сертификации и метрологии в повышении качества производства и ремонта трубопроводной арматуры» (г.Курган, 2004 г.), XI международной научно-технической конференции «trans & MOTAUTO'04» (Болгария, г. Пловдив, 2004 г.), II российской межвузовской научно-технической конференции «Компьютерный инженерный анализ» (г. Екатеринбург, 2005 г.).

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка использованных источников, содержащего 65 наименований, и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Выполненное исследование НДС корпусных деталей трубопроводной арматуры показало наличие зависимости между деформациями корпусных деталей и герметичностью затвора. Установлено, что для клиновой задвижки ТЛ13 001−500 ТУ26−07−1615−93 деформации корпусных деталей при нагруже-нии рабочим давлением приводят к неравномерному деформированию уп-лотнительных поверхностей деталей затвора (максимальное смещение по оси Ш"0,1 мм, степень неравномерности деформирования 50%, максимальное отклонение плоскостности 0,018 мм), что приводит к потере герметичности затвора и отказу арматуры.

2. Предложенные и обоснованные на основе опыта эксплуатации и результатов предварительных и приемочных испытаний образцов расчетные схемы для проведения анализа НДС корпусных деталей клиновых задвижек методом конечных элементов позволяют локализовать места концентрации напряжений и определить деформации уплотнительных поверхностей затвора, что дает возможность выполнить оценку герметичности затвора.

3. Выполненная оценка взаимного влияния НДС деталей арматуры показала, что при рассмотрении совместного деформирования корпуса и крышки клиновой задвижки КЗ 13 010−100 относительное увеличение максимального значения суммарных перемещений составляет около 200%, а отклонение уплотни-тельной поверхности седла от ее номинального положения увеличивается в 1,5 раза. Это говорит о необходимости использования предложенных конечноэле-ментных моделей и расчетных схем для учета рассмотренных нагрузок в процессе проектирование запорной арматуры.

4. Установлено, что при проведении расчета на прочность и жесткость с учетом нагрузок, возникающих при монтаже запорной арматуры на трубопроводе, происходит изменение распределения деформаций в деталях и относительное увеличение максимальных суммарных перемещений на 5%. Исследование НДС деталей при моделировании процесса гидравлических испытаний позволило установить рост деформаций на 24%. Учет температурного расширения материала деталей приводит к увеличению максимальных значений суммарных перемещений более чем в два раза.

5. На основании проведенных расчетов на прочность и жесткость с использованием предложенной методики оценки НДС деталей определены характерные точки на корпусных деталях, для которых определена целевая функция. Минимизация целевой функции при ограничениях, накладываемых на прочность и жесткость конструкции, обеспечивающей герметичность затвора, позволяет получить оптимальную конструкцию клиновой задвижки. Разработанные методики были использованы ОАО «Икар» при разработке клиновых задвижек К313 010−100, К313 010−100, К313 010−400 ТУ4111−40−218 147−93.