Проектирование
Для изготовления и проектирования аппаратов может используется ЕСКД, в которой работают машиностроительные заводы. Проектные институты выпускают строительную документацию по СПДС.
Сейчас нормы, касающиеся безопасности, обязательны к исполнению, а оформление является рекомендуемым для возможности разработки глубоко проработанной документации.
Покажем различие в оформлении документации на нестандартный нефтяной аппарат (аппарат колонного или емкостного типа, теплообменный аппарат и др.) по СПДС и по ЕСКД:
Как видно из таблицы, в случае ЕСКД и СПДС технические действия по разработке конструкции полностью совпадают, но входят в разные стадии по двум системам документации. В случае оформления по СПДС, эскиз прикладывается к папке документов. Общим результатом является необходимость разработки РКД по ЕСКД, с которой работают машиностроительные заводы. Оформление технического проекта на аппараты (колонны, емкости, сепараторы и др.) выполняются по ЕСКД с включением отдельных норм из СПДС, например, изменения обозначаются Rev. (ревизией) так как технические проекты выполняются в проектных институтах профиля промышленного строительства.
__
Выполнение документации на современном уровне осуществляется сквозным проектированием с построения 3D-модели и оформления на основе графических изображений с модели чертежей.
Проектирование осуществляется в одном программном пакете, являющимся стандартом по-умолчанию. Необходимо, чтобы этот пакет имелся в проектной строительной организации (разработавшей индивидуальное оборудование под свой проект) и на машиностроительном заводе, на котором будет изготавливаться блок.
Стандартом по умолчанию для проектирования является пакет CATIA так как является наиболее «сильным» пакетом, имеет широкую известность и его знает достаточное количество специалистов.
В случае применения в проектной организации и на машиностроительном заводе разных 3D-программ, данные передаются в форме чертежа и в виде формата, пригодного для обмена, т.е. в котором сохраняют в проектной организации и который могут прочесть на заводе.
В дальнейшем на заводе в соответствии с принятыми производственными процессами производится сквозное проектирование, то есть выполнение деталировочных чертежей по 3D-модели.
По чертежам строится дерево объекта в пакете PLM, в котором разрабатывают технологические процессы на изготовление инженеры технологических подразделений заводы (технологи, сварщики, металлурги и др.).
Прочностной расчет
Для аппарата должен быть выполнен междисциплинарный прочностной расчет, учитывающий температурные нагрузки на стенку сосуда. Виды нагрузок приведены в работе [38].
Расчет аппаратов может быть выполнен по нормативной методике в специализированной программе или в компьютерном пакете методом конечных элементов.
В работе Ефанова К.В. [1] показано о преимуществе выполнения расчетов методом конечных элементов по сравнению с нормативной методикой. В списке литературы этой монографии приведены ссылки на пример расчета сложных тяжелых аппаратов численными методами. Проблемы теоретического основания нормативной методики кратко рассмотрены Ефановым К.В. в работе [2]. Расчет динамических узлов на примере механических мешалок приведен в работе [3].
Программа для расчета методом конечных элементов должна иметь сертификат на право применения и должна являться стандартом по умолчанию для выполнения прочностных расчетов.
Такой программой является ANSYS.
Расчет по нормам, возможно, является устаревшим для нового времени.
Инженер, выполняющий прочностной расчет, должен иметь высокую квалификацию в области теорий упругости, оболочек, вычислительной математики и др. областей. Подход, при котором инженеры низкой квалификации выполняют прочностные расчеты, потом делают чертежи обеспечивается применением автоматизированного расчета по нормативной методике и не подходит для сложного статического оборудования или принятия нестандартных решений.
Монтажно-компоновочное проектирование
Трассировка технологических трубопроводов
Трассировка трубопровода выполняется после размещения технологического оборудования, с учетом норм на технологические трубопроводы, например, наличие уклонов, дренажа, воздушников, компенсаторов деформаций и др. элементов.
Трубопровод является металлоконструкцией, в которой деформации и удлинения происходят по оси труб. Основная проблема трассировки состоит в распределении, восприятии и компенсации усилий, вывязываемых температурными деформациями труб.
Трассу трубопровода делят на температурные блоки, внутри которых принимают конструктивные решения для компенсации деформаций. Компенсацию выполняют за счет самокомпенсации при определенной конфигурации трассы и за счет установки компенсаторов деформаций.
Длины прямых участков трубопровода назначаются по усилиям на опоры для участков с самокомпенсацией и по компенсирующей способности компенсаторов для участков с установленными компенсаторами.
Для самокомпенсации используют участки поворотов трассы трубопровода. На участки поворота устанавливают концевые опоры как правило. В зоне врезок (пересечения) труб в основную трубу, для врезаемого участка устанавливают отдельную опору, воспринимающую нагрузку по его трассе для исключения передачи этой нагрузки на трассу основного трубопровода.
При балочной прокладке, когда трубы объединяются в пучок, длина пролета может быть определена несущей способностью пролета трубы с максимальным диаметром. Основным условием для балочной прокладки труб является их свободное совместное температурное удлинение. Могут быть применены специальные пролетные балки фасонного профиля или применены этажерки или другие пролетные сооружения.
Нагрузки от трубопровода на штуцера аппаратов не должны превышать допустимых нагрузок, указанных в таблице штуцеров на сборочной чертеже (или чертеже общего вида) аппарата.
Внешние нагрузки воспринимаются трубопроводом за счет правильного расположения опор и выбора их конструкции.
Для максимального восприятия температурных деформаций, металлоконструкция трубопровода блока должна иметь минимальную жесткость. Для этого в трассу вводятся гибкие или подвижные элементы, снижающие жесткость за счет изгиба или поворота.
Для полностью гибких конструкций трасс трубопроводов в установке компенсаторов необходимость отсутствует. В случаях, когда гибкие конструкции не реализуемы, устанавливают компенсаторы, воспринимающие деформации в направлении оси трубы, а также шарнирные компенсаторы.
Элементами для самокомпенсации деформаций являются П, Z, Г-образные повороты трассы трубопровода. Эти компенсаторы занимают место в ограниченном пространстве блока, поэтому применяют их для труб с не большими диаметрами.
Существуют линзовые, сильфонные (волновые) компенсаторы для трубопроводов.
Трассировку выполняют с учетом ограничений по пространству внутри блока с использованием следующих технических решений с учетом данных работы [7]:
– трубопроводы прокладывают по возможности для удобства доступа и обслуживания оборудования, средств КИПиА, трубопроводной арматуры;
– трубопроводы с наиболее агрессивными средами прокладывают максимально низко, выше прокладывают трубопроводы с неопасными средами;
– расстояние между осями труб и от стенок аппарата и от металлоконструкции рамы выбирается по нормам с учетом наличия теплоизоляции на трубе и с учетом размещения и обслуживания фланцевых соединений;
– высоту от уровня настила блока принимают по нормам, при этом трубы на одном ярусе выполняют на опорах, обеспечивающих одинаковую высотную отметку трубопроводов;
– количество верхних и нижних точек минимизируется так как требуется установка воздушников и дренажных устройств.
Расчет технологических трубопроводов
После трассировки выполняется гидравлический и прочностной расчеты трубопроводов.
Расчет трубопроводов на прочность выполняется по данным автоматизированным способом по существующим нормам, по данным работы [8]. Теория расчета трубопроводов приведена в работе [16]. Максимально точные результаты можно получить расчетом металлоконструкции трубопровода методом конечных элементов с учетом всех механических и температурных нагрузок и колебаний.
Гидравлический расчет приведен в работе [6]. При проектировании гидравлический расчет выполняется в специализированной компьютерной программе автоматизированным способом.
По специальной программе выполняется подбор насоса для трубопроводной системы.
Стандартом по умолчанию для гидравлических расчетов являются программы Гидросистема, для прочностного расчета программа Старт. Конечно, расчет в Старте уступает расчету методом конечных элементов в ANSYS.
Стандартом по умолчанию для подбора насосов является программа Spaix Pumps или аналогичная.
Рабочие характеристики насосов получают экспериментальным путем или рассчитываются методами вычислительной гидродинамики в программном пакете, как показано в работе Алямовского [24].
Инженер-проектировщик трубопроводной сети подбирает насос по дифференциальному напору.
Инженер-расчетчик проточной части насоса проектирует проточную часть выбранного насоса и выполняет её гидродинамический расчет для получения максимального КПД. Результатом расчета проточной части является определение геометрии и конструкции корпуса насоса и рабочего колеса насоса. При высоких значениях напора применяют многоступенчатые насосы, в который число ступеней определяется делением дифференциального напора на напор одного рабочего колеса. Для перекачивания сред с высокой температурой, применяют насосы предназначенные для горячих сред.
В настоящее время известны решения по применению высоконапорных погружных насосов в горизонтальном положении, например, указанное в работе [25]. В этом случае погружной насос работает в окружении агрегатов установки, отличающихся от погружных агрегатов (электродвигателя, гидрозащиты и др.). Конструкция погружного насоса подробно описана в работах [26], [27]. В такой установке может быть использован и полупогружной насос при конструктивной реализации по типу погружного.