1 августа этого года НТП «Трубопровод» завершил разработку новой программы «ШТУЦЕР».

Программа работает в среде Windows 9x/2000/XP и предназначена для проведения поверочных расчетов при проектировании и реконструкции сосудов и аппаратов для нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, газовой, нефтяной и других отраслей промышленности.

Зачем нужен «ШТУЦЕР»?

Всем проектировщикам, занимающимся расчетом трубопроводных систем на прочность, знакомо понятие «мертвая опора». В данном случае под «мертвой опорой» понимается опора, накладывающая ограничения на все степени свободы. Как правило, такой опорой заменяется место соединения трубопровода и сосуда (аппарата): это существенно упрощает расчет, но зачастую приводит к получению чрезмерно завышенных усилий и нагружений как в самом трубопроводе, так и в узле соединения 1.

Учет жесткости места соединения трубопровода и аппарата при определении сил и моментов от внешних усилий и внутренних нагружений во многом определяет точность результатов расчета на прочность как трубопровода, так и самих сосудов (аппаратов) в месте врезки. Появляется возможность обоснованно назначать действующие на штуцер допускаемые нагрузки и не использовать «условные» мертвые опоры. Точность вычислений значительно повышается, проектировщик может выбрать более надежные и экономичные конструкции трубопровода и его опор, а также места соединения с аппаратом.

«ШТУЦЕР» стал логическим продолжением ранее выпущенного модуля «СТАРТ-ШТУЦЕР" 2 и первой специализированной отечественной программой 3 для расчета усилий, напряжений и жесткости в узле соединения штуцера с сосудом (аппаратом). «СТАРТ-ШТУЦЕР» считает только жесткостные характеристики узла врезки, чем обусловлено его применение в расчетах трубопроводных систем, а с появлением программы «ШТУЦЕР» стало возможным определять как жесткость, так и прочность элементов узла соединения штуцера с сосудом или аппаратом.

К сожалению, методике и способу получения значений жесткости, а также расчету прочности узлов врезки до последнего времени не уделялось должного внимания: в России пока нет нормативных документов, регламентирующих определение допускаемых внешних нагрузок на штуцеры при одновременном воздействии внутреннего давления. Программа написана на базе методики комплексного расчета жесткости и напряженного состояния узлов врезки штуцеров с учетом предельно допустимого уровня напряжений. Для определения прочности и жесткости места соединения используются зависимости безразмерных относительных параметров перемещений и напряжений от геометрических характеристик элементов врезки — в соответствии с методиками, изложенными в WRC107−79, WRC297−874, BS5500−76 4. Дополнительно дана оценка прочности укрепления отверстия под действием внутреннего давления по ГОСТ 24755–89. Допускаемый уровень напряжений определяется согласно «Нормам расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» (ПНАЭ Г-7−002−86, Госатомэнергонадзор СССР, 1989), ГОСТ 14249–89 и РД 26−02−62−98.

Можно справедливо возразить: для решения подобных задач в последнее время широко используется метод конечных элементов. Это так, но применение упомянутого метода требует специальных расчетных программ (например, ANSYS) и высокой квалификации пользователя, а также значительных временных затрат. Кроме того, при использовании метода конечных элементов довольно сложно оценить результаты напряженно-деформированного состояния зоны врезки. Полученные напряжения, как правило, резко уменьшаются по мере удаления от зоны врезки, что предъявляет дополнительные требования к качеству конечно-элементной разбивки модели.

На сегодня нет четкого разграничения областей между так называемыми «пиковыми» напряжениями, полученными непосредственно в зонах концентрации, и местными локальными напряжениями. «Пиковые» напряжения располагаются в очень малой зоне концентраторов напряжений, быстро затухают и на оценку прочности для статических расчетов конструкций из пластичных материалов практически не влияют. В то же время для локальных мембранных и изгибных напряжений существует нормативная база по оценке их предельных величин, которая и использована в программе.

Применение программы «ШТУЦЕР» позволяет решать следующие задачи:

  • определение мембранных, изгибных и общих напряжений от действия внешних нагрузок и внутреннего давления в местах врезки штуцера как в цилиндрических обечайках и выпуклых днищах, так и в самом патрубке штуцера;
  • определение допускаемых мембранных и общих напряжений;
  • расчет укрепления отверстия от внутреннего давления;
  • выдача заключения о работоспособности узла врезки;
  • определение жесткости (податливости) узла врезки;
  • вывод протокола расчета (формы протокола могут корректироваться пользователем).

Сложно ли пользоваться программой?

Программа создавалась для требовательного и ценящего свое время специалиста, поэтому ее интерфейс предельно нагляден, компактен и лаконичен.

Вся навигация осуществляется при помощи закладок.

На первом экране, появляющемся при создании проекта, специалист присваивает проекту шифр и вводит данные (начиная от типа узла врезки), выбирает вид расчета и тип штуцера, в зависимости от которого программа показывает расчетную схему.

Экран Тип узла врезки Экран Тип узла врезки
Экран Виды расчетов Экран Виды расчетов
Экран выбора типа штуцера Экран выбора типа штуцера
Экран расчетной схемы штуцера Экран расчетной схемы штуцера

Далее необходимо задать свойства обечайки и сварных швов, описать габариты штуцера и накладное кольцо (если оно есть).

Экран описания обечайки Экран описания обечайки
Экран описания сварных швов Экран описания сварных швов
Экран описания штуцера Экран описания штуцера
Экран описания накладного кольца Экран описания накладного кольца

Завершив описание штуцера, можно перейти на закладку Нагрузки и расчет.

После задания условий нагружения, нагрузок и видов расчетов следует нажать кнопку Расчет штуцера (F3) . Если геометрия и расположение элементов врезки не выходят за рамки условий применения, программа выдаст значения результатов расчета прочности и жесткости (податливости) врезки штуцера, расчет укрепления отверстия, а также заключение о работоспособности узла соединения.

Отчет выдается в удобном виде, с детализированными подробностями, готовым для включения в пояснительную записку по проекту. На экране Нагрузка и расчет будут представлены краткие результаты расчета. Если необходим полный отчет с промежуточными результатами вычислений, следует перейти на вкладку Отчет.

Экран Нагрузки и расчет Экран Нагрузки и расчет
Экран Отчет Экран Отчет

Поскольку большинство трубопроводов заканчивается емкостью или аппаратом, диапазон применения программы «ШТУЦЕР» сопоставим с диапазоном программной системы «СТАРТ». Программа привлекательна тем, что работает «на стыке» расчетов и позволяет скоординировать работу отделов, проектирующих трубопроводные системы и конструирующих или выбирающих емкости (аппараты). Кроме того, она не допустит ситуации, при которой проектировщик передает проект трубопровода дальше по маршруту, коллеги смотрят расчеты и говорят:

— Нагрузки на емкость недопустимы!
…а трубы уже положены.
  1. Установка мертвой опоры в районе врезки зачастую крайне затруднительна, нецелесообразна, а иногда и невозможна. 
  2. «ШТУЦЕР» адресован проектировщикам, занимающимся расчетами емкостей, а модуль «СТАРТ-ШТУЦЕР» задуман и выполнен как приложение к известной программной системе «СТАРТ». Таким образом, целевая аудитория программ «СТАРТ» и СТАРТ-ШТУЦЕР» — проектировщики, выполняющие прочностные расчеты трубопроводов. 
  3. Зарубежные аналоги (Compress, Vessel, PV Elite и др.) не определяют жесткость мест соединений, имеют высокую цену и ориентируются на американские и европейские стандарты. 
  4. Бюллетени № 107 и 297 «Местные напряжения в сферических и цилиндрических корпусах, вызываемые внешними нагрузками» американского Совета по исследованиям в области сварки.