Программы для инженерных расчетов
трубопроводов и оборудования
в промышленности

Приглашаем на конференцию «Развитие цифровых экосистем в .

Узнайте лучшие практики российских компаний по внедрению технологий информационного моделирования и созданию цифровых экосистем.

Выпущена новая версия 3.7 программы Предклапан

Компания ООО «Трубопровод» выпустила новую версию 3.7 программы Предклапан.

Выпущена новая версия программ семейства СТАРТ Проф

Выпущена обновленная версия Старт-Проф Эконом, Старт-Проф, Старт-Проф Студент.
Обновлен импорт из PCF файлов, а также учтены изменения к СП 20.13330.2016. Исправлены допускаемые нагрузки для «штуцер .

Каждая программа оперативно выполняет инженерные расчеты и наглядно представляет результаты

Руководитель проекта

Ларина Татьяна Александровна

Руководитель направления «Технологическое проектирование»

Образование: Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (ПГУАС).
Специальность: «Теплогазоснабжение и вентиляция» (ТГВ).

Татьяна имеет 15-летний опыт работы в области проектирования промышленных объектов и развития САПР в данном сегменте.

Принимала участие в создании:

• уникальной базы элементов (в соответствии с российскими стандартами) для проектирования в AutoCAD Plant 3D
• методических материалов (руководства, курсы, тест-драйвы) для изучения AutoCAD Plant 3D российскими пользователями
• BIM-Стандарта для промышленных проектов

Имеет сертификат ATC (преподавателя авторизованного учебного центра Autodesk) и принимает активное участие в отраслевых мероприятиях, посвященных развитию технологии информационного моделирования на территории России.

В настоящий момент Татьяна — ведущий эксперт по технологии информационного моделирования в промышленности.

О компании

Компания CSD – ведущий дистрибьютор программного обеспечения в области САПР в России. В портфель компании входят разработки более 15 отечественных и зарубежных компаний-разработчиков программного обеспечения: Autodesk, Chaos Software, CSoft Development, «НТП Трубопровод», НТЦ «Гектор» и других.

Дилерская сеть CSD – это более 100 дилеров и реселлеров в России и странах СНГ.

Помимо дистрибуции программного обеспечения, компания CSD имеет компетенции в области обучения и внедрения САПР в проектных организациях.

ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ЗДАНИЯ ПОСЛЕ ПОЖАРА

Здание, построенное в г. Кемерово в 1955 году, является строительным объектом промышленного назначения (рис.1.1). Основными конструкциями здания является металлический каркас (стальные конструкции), кирпичные стены (неармированные каменные конструкции) и крыша (железобетонные ребристые плиты).

Рис.1.1. Общий вид здания

Здание имеет смешанную конструктивную схему и состоит из нескольких помещений. Все помещения кроме административно-бытового корпуса (далее АБК) – одноэтажные с многоэтажными этажерками, расположенными вокруг технологического оборудования и прикрепленными к основному каркасу здания. Помещения АБК – трехэтажные. План здания представлен на рис.1.2.

Рис.1.2. План здания на отметке 0.000

После инцидента, произошедшего в здании (возгорание продукта с последующим взрывом), было проведено его натурное обследования. В результате обследования были выявлены многочисленные дефекты кирпичной кладки и железобетонных плит в виде трещин и коробления металлического каркаса.

2. Критерии оценки

В соответствии с [1], п.5.1.1 строительные объекты должны удовлетворять требованиям первой и второй группы предельных состояний, для чего проводятся расчеты по несущей способности и по пригодности к эксплуатации, соответственно.

В качестве примера в данной работе приведены результаты расчетов только по несущей способности. Таким образом, в соответствии с [2], п.9.11 при расчете стен горизонтальные сечения должны быть проверены на сжатие, а наклонные сечения — на главные растягивающие напряжения при изгибе. В свою очередь, в соответствии с [3] элементы стальных конструкций, относящиеся к колоннам, должны быть проверены на центральное растяжение и сжатие, а относящиеся к балкам – на изгиб.

3. Создание модели

Техническая и проектная документация на здание отсутствует, поэтому при построении модели были использованы эскизы, выполненные по результатам натурного обследования.

В системе трехмерного твердотельного и поверхностного проектирования Autodesk Inventor была создана поверхностная модель стен здания. Затем данная модель была импортирована в универсальную программную систему конечно-элементного анализа ANSYS (далее ANSYS), где дополнительно была создана стержневая модель металлического каркаса и поверхностная модель крыши здания, что в совокупности представляет собой геометрическую модель здания (рис.3.1).

Рис.3.1. Геометрическая модель

Для получения континуальной модели поверхностным элементам геометрической модели были присвоены значения толщин, а стержневым элементам – соответствующие геометрические сечения, в соответствии с результатами натурного обследования. Всем элементам также были присвоены необходимые физико-механические и прочностные свойства.

Переход к расчетной модели был осуществлен разбиением ее на конечно-элементную сетку (рис.3.2) с последующим приложением граничных условий, нагрузок и воздействий (далее нагрузок).

Рис.3.2. Конечно-элементная сетка здания

Общая вычислительная размерность расчетной модели составила 163320 узлов и 188782 элементов.

4. Нагрузки и воздействия

На здание действуют следующие нагрузки, значения которых были определены в Mathcad:

1. Собственный вес (G),
2. Температура в летнем (L) и зимнем сезоне (Z),
3. Ветер при различных направлениях* и распределениях давления (WI, WII),
4. Снег с учетом (SI) и без учета (SII) снеговых мешков.

* В примере рассмотрено только одного направления ветра, однако при проведении расчетов необходимо учитывать и другие возможные направления.

В табл.4.1 приведена классификация действующих нагрузок в соответствии с [4], п.5.

Табл.4.1. Классификация нагрузок

В соответствии с [4], п.6.1 расчет здания должен быть проведен с учетом неблагоприятных расчетных сочетаний нагрузок из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок. В табл.4.2 приведены их возможные сочетания.

Табл.4.2. Сочетания нагрузок

Коэффициенты сочетания для этих нагрузок приведены в табл.4.3.

Табл.4.3. Коэффициенты сочетания

Согласно вышеприведенной таблице для проверки здания по первой группе предельных состояний необходимо провести 28 расчетов. Следовательно, для проверки здания по первой и второй группе предельных состояний необходимо провести 56 расчетов*.
* При проведении 56 расчетов будут учтены все возможные комбинации ветровых нагрузок, но только при одном направлении ветра.

Для минимизации количества расчетов были выполнены только 6 расчетов. Расчеты были выполнены с консервативным подходом, поэтому коэффициент сочетания у всех нагрузок равен единице (табл.4.4).

Табл.4.4. Коэффициенты сочетания (консервативный подход)

Области приложения некоторых вариантов нагрузок приведены в табл.4.5. Собственный вес был учтен автоматически при задании плотности материалов и ускорения свободного падения.

Табл.4.5. Области приложения некоторых вариантов нагрузок

Температура в зимний сезон, [°С]

Ветер при одном из вариантов
распределения давления, [Па]

Снег с учетом снеговых мешков, [Па]

5. Расчет здания

В данном разделе представлены результаты расчета только при сочетании нагрузок под номером 2.7, т.к. при данном сочетании нагрузок в конструкциях здания наблюдаются наибольшие напряжения.

Результаты расчета стальных конструкций представлены на рис.5.1.

Рис.5.1. Карта распределения эквивалентных напряжений в каркасе, [Па]

Т.к. колонны работают на сжатие, а балки на изгиб, они имеют различные допускаемые напряжения. Поэтому для более удобной оценки полученных результатов карты напряжений для них необходимо выводить по отдельности.

Результаты расчета каменных конструкций представлены на рис.5.2 и рис.5.3.

Рис.5.2. Карта распределения растягивающих напряжений в стенах, [Па]

Рис.5.3. Карта распределения сжимающих напряжений в стенах, [Па]

При анализе растягивающих напряжений в кирпичной кладке оценивается трещинообразование, а при анализе сжимающих напряжений – смятие.

6. Выводы

По результатам поверочного расчета были определены наиболее опасные зоны и проанализировано их напряженно-деформированное состояние.

По результатам анализа получено, что необходимое условие прочности полностью выполняется только в стальных конструкциях. В каменных конструкциях это условие выполняется только для сжимающих напряжений, а для растягивающих напряжений не выполняется. Вследствие этого, в стенах здания имеются зоны, склонные к растрескиванию и последующему разрушению.

В связи с этим рекомендуется проведение специальных мероприятий для снижения уровня напряжений в каменных конструкциях здания с целью обеспечения возможности его безопасной эксплуатации.

Расчет температурного удлинения трубопровода

Изменение длины труб в зависимости от температуры их нагрева (тепловое линейное расширение) – явление, которое в обязательном порядке следует учитывать при проектировании трубопроводов инженерных систем. Для полимерных труб это особенно актуально. Отсутствие компенсирующих элементов или их недостаточная способность «гасить» увеличение либо уменьшение длины трубопроводов на практике оборачивается искривленными трубами, оторванными кронштейнами, опасными механическими напряжениями в конструкционном материале. Воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором компенсации тепловых удлинений полипропиленовых труб.

Расчёт линейного теплового расширения труб выполняется для определения прироста длины участка трубопровода при нагреве, необходимости устройства компенсатора температурных удлинений и определения потребной компенсирующей способности.

Прирост длины участка трубопровода при температурном расширении определяется по формуле:

a – коэффициент линейного теплового расширения, °C -1 , его величина зависит от физических свойств материала.

t_max — максимальная температура теплоносителя в трубопроводе, °C.

t_с — температура окружающей среды в момент монтажа трубопровода, °C.

С. В. Комаров, ведущий специалист отдела промышленного оборудования, ros-pipe.ru

Любые перемещения, возникающие вследствие внешних воздействий на трубопровод (например, сейсмических и др.), должны быть учтены при его проектировании, также следует учитывать и температурное расширение трубопроводов.

Строительные изделия, такие как трубы, оборудование, строительные конструкции, изменяют свои размеры в результате изменения температур. В настоящей статье затронуты вопросы компенсации теплового расширения и сжатия трубопроводов.

Вследствие изменения температуры рабочей среды в трубах возникают температурные напряжения, которые могут передаваться на арматуру, насосное оборудование и т.д. в виде реактивных сил и моментов. Это создает потенциальную опасность разгерметизации стыков, разрушения арматуры или оборудования.

Три наиболее часто используемых способа компенсации перемещений трубопроводов:

Выбор способа компенсации зависит от вида системы трубопроводов, ее схемы, а также от особенностей ландшафта, наличия рядом других коммуникаций и прочих условий.

Перечисленные выше примеры представлены в качестве общих инженерных решений и не должны рассматриваться как единственно верные для конкретной системы трубопроводов. Мы будем рассматривать способ компенсации расширения прямолинейных участков трубопроводов при помощи осевых сильфонных компенсаторов.

Расширение трубопроводов

Первым шагом для решения вопроса компенсации температурных перемещений является вычисление точного изменения длины участков трубопроводной системы в соответствии с предъявляемыми условиями безопасности.

Определение (расчет) теплового расширения трубопровода производится по следующей формуле:

где а – коэффициент температурного расширения, мм/ (м·°С);
L – длина трубопровода (расстояние между неподвижными опорами), м;
∆t – разница значений между максимальным и минимальным значениями температур рабочей среды, °С.

Коэффициент температурного расширения берется из таблицы линейного расширения труб из различных материалов.

Как видно из таблицы, наиболее подвержены температурному расширению трубопроводы из полимерных материалов, в связи с этим способы компенсации полимерных труб несколько отличаются от способов компенсации стальных.

Значения коэффициента линейного расширения являются усредненными для каждого вида материала. Эти значения не должны применяться для расчетов трубопроводов из других материалов. Коэффициенты растяжения в разных источниках могут различаться на 5% и более, поскольку их вычисления проводятся при разных условиях и различными методами. Желательно применять для расчетов коэффициент линейного расширения, который представлен в технической документации производителя труб.

Рассмотрим реальный пример.

Возьмем прямолинейный участок трубопровода диаметром 219 мм из черной углеродистой стали длиной 100 м. Максимальная температура t_max = 140 °С, минимальная t_min = –20 °С.

Производим расчеты:
∆t = 140 – (–20) = 160 °С,
изменение длины трубопровода:
∆L = 0,0115 × 160 × 100 = 184 мм.

Полученный результат говорит о том, что трубопровод при заданных значениях меняет свою длину на 184 мм. Для обеспечения правильной работы трубопровода подходит осевой сильфонный компенсатор условным диаметром 200 мм и компенсирующей способностью 200 мм (например, КСО 200–16–200). При подборе данного типоразмера компенсатора имеется запас компенсирующей способности, а это положительно скажется на сроке работы трубопровода.

В случае, если полученное значение ∆L будет превышать значение компенсирующей способности производимых типоразмеров компенсаторов, то следует уменьшить длину участка трубопровода между двумя неподвижными опорами пропорционально имеющейся компенсирующей способности, а затем подобрать необходимый сильфонный компенсатор, пользуясь вышепредставленным расчетом.

Установка сильфонных компенсаторов

Цель установки сильфонного компенсатора – это поглощение теплового расширения трубы. Обычно температура рабочей среды (жидкости) является основным источником изменения размеров трубопровода, однако в некоторых случаях температура окружающей среды может вызвать тепловое движение трубопровода, т.е. его удлинение или сжатие.

Рекомендации по установке

1. Устанавливая сильфонные компенсаторы, следует проверить соответствие их основных параметров указанным в проекте, таких как

• диаметр Д_у, мм;
• давление Р_у, МПа;
• компенсирующая способность, мм.

2. Диаметр и давление трубопровода должны соответствовать выбираемому компенсатору.

3. При установке сильфонных компенсаторов необходимо монтировать не более одного компенсатора на участке трубопровода между каждыми двумя последовательно стоящими неподвижными опорами.

4. Скользящие опоры должны быть охватывающими (хомуты, рамочные и др.). Они не должны создавать большую силу трения. Целесообразно применение фторопластовых прокладок и т.п. При движении труб не должно быть заклиниваний и перекосов.
Максимальный размер люфтов для Д_у ≤ 100 мм – 1 мм, а для Д_у ≥ 125 мм – 1,6 мм.

5. При проведении расчетов трубопроводов необходимо учитывать влияющие силы (силы трения, силы упругости сильфонов и др.).

6. При выборе места установки сильфонных компенсаторов нужно выбрать наиболее оптимальный вариант их расположения на трубопроводе.

7. При опрессовке труб давление не должно превышать 1,25 × Р_у.

8. Процесс опрессовки проводить только после полного монтажа трубопровода.

9. Напряжения скручивания, угловые усилия, поперечные перемещения должны быть полностью исключены на участке трубопровода, на котором установлен осевой сильфонный компенсатор.

Определение точек установки компенсаторов и направляющих опор для трубы

Для обеспечения правильной работы трубопровода в рабочем режиме следует разделить систему на отдельные участки с целью установки на них сильфонных компенсаторов. Основная задача компенсаторов – контроль расширения трубопровода между неподвижными опорами, перемещение должно происходить строго в осевом направлении для обеспечения жесткости конструкции.

Неподвижные же опоры предназначены для приема всех сил, действующих на трубопроводе.

Направляющие (скользящие) опоры для труб обеспечивают выравнивание движения сильфона компенсатора и предотвращают смещение относительно оси трубопровода. При отсутствии направляющих опор сильфонный компенсатор, обладающий высокой гибкостью в сочетании с внутренним давлением, может потерять устойчивость и деформироваться, что может привести к выходу из строя трубопровода.

Основная рекомендация состоит в установке осевого сильфонного компенсатора рядом с неподвижной опорой. Обычно осевой сильфонный компенсатор устанавливают на расстоянии не более 4Д_у от неподвижной опоры. Данное условие обусловлено обеспечением жесткости конструкции.

Соблюдая правила монтажа сильфонных компенсаторов, вы продлите до максимума срок службы трубопровода, что сэкономит средства на его неплановый ремонт.

Компенсатор в середине прямого участка трубопровода

Компенсатор в крайнем положении прямого участка трубопровода

Компенсатор на прямом участке Z-образного участка трубопровода

Компенсатор на Т-образном участке трубопровода

Расстояния между компенсатором и опорами трубопровода

Первая направляющая опора должна быть расположена на расстоянии не более 4 диаметров труб от сильфонного компенсатора. Расстояние между первой и второй направляющими 14 диаметров трубы.

L₁ = 4Д_у (максимум).
L₂ = 14Д_у (максимум).
L₃ см. график – максимальное расстояние между осями направляющих опор.

Максимальное рекомендуемое расстояние между скользящими опорами приведено на графике. На нем отображена зависимость расстояния между опорами и давления в системе от диаметра трубопровода.

Данные расстояния получены в результате расчетов трубопровода на прочность и устойчивость и являются стандартными.

Правильное расположение компенсаторов КСО, неподвижных и направляющих опор и влияние направляющих (скользящих) на состояние трубопровода при температурном расширении показаны на рисунке ниже.

Самокомпенсация трубопроводов

Наряду с использованием современных компенсаторов целесообразно применять эффект естественной компенсации или так называемой самокомпенсации. Этот эффект применим для любых способов прокладки теплосетей и широко используется на практике.

Эффект самокомпенсации или естественной компенсации термических расширений за счет упругости самого трубопровода применяется на участках, где трасса меняет свое направление (поворачивает).

Преимущество использования самокомпенсации:

• простота устройства;
• снижение затрат на специальные компенсаторы;
• надежность;
• отсутствие надзора и ремонта;
• отсутствие нагруженности опор.

Для осуществления эффекта естественной компенсации не требуется большого количества труб и специализированных опорных металлоконструкций. Снижение затрат на дополнительные металлоконструкции также может обеспечить установка сильфонных компенсаторов.

Грамотный проект трассировки трубопровода должен учитывать экономическую составляющую, т.е. должен быть выбран такой вариант, при котором система будет максимально надежной и простой в обслуживании при минимальных затратах на материал и работу.

Такой проект должен в первую очередь в максимальной степени использовать все естественные повороты и изгибы трубопроводов для компенсации температурных изменений труб. Рекомендуется применять сильфонные компенсаторы только после использования эффекта самокомпенсации или естественной компенсации.

Компенсаторы используют лишь в тех случаях, когда нет возможности применить эффект самокомпенсации, то есть при наличии длинных прямолинейных участков и также сложившихся условий расположения объектов и проходящих рядом коммуникаций.

Расположение опоры относительно компенсатора

Зависимость расстояния между опорами и давления в системе от диаметра трубопровода

Правильное расположение компенсаторов КСО, неподвижных и направляющих опор и влияние направляющих (скользящих) на состояние трубопровода при температурном расширении

Недостатки использования самокомпенсации

• Преимущественное поперечное перемещение нагружаемых частей трубопровода, из-за которого необходимо увеличение размеров непроходных каналов, а также затрудняющее применение при прокладке трубопроводов засыпной изоляции и бесканальной прокладки.
• Габариты трубопровода с применением самокомпенсации и размеров плеч трубопровода при самокомпенсации определяют специальными расчетами на компенсацию. Произведенные расчеты длины плеча затем используют для вычисления эффекта бокового или углового смещения трубопровода. Его величина обязательно должна быть несколько меньше, чем размер канала (с запасом не менее 50 мм) между наружной частью трубы и внутренней стенкой строительной конструкции. Наибольшее смещение при естественной компенсации – это смещение в месте поворота трубопровода.
• В случае бесканальной прокладки трубопроводов в местах изменения направления трубопровода предусматривают так называемые непроходные каналы, размеры которых рассчитывают по формулам.
• Расчет применения самокомпенсации трубопровода применим как для привычных всем Z-образных, П-образных и Г-образных компенсаторов, так и для других видов конструкций трубопровода.

П-образный или сильфонный компенсатор?

Не раз проектировщики сталкивались с вопросом «Какой компенсатор поставить – П-образный или сильфонный?»

Отвечая на этот вопрос, мы пришли к выводу, что в большинстве случаев следует устанавливать сильфонные компенсаторы.

Применение П-образных компенсаторов, расположенных вертикально и горизонтально, при прокладке трубопроводов различного назначения бывает неэффективным. Увеличение их количества не решает проблему безопасности, поскольку при движении поверхности земли (грунта) нет возможности определить, в какой точке и в какую сторону будут действовать силы на трубопровод. В большинстве случаев можно только предположить, в какую сторону будет двигаться грунт, и расположить два компенсатора горизонтально и вертикально.

Если идеализировать ситуацию, то необходимо чтобы П-образные компенсаторы устанавливали в одной точке через каждые 15–30° (от 0 до 180° – см. рис.) для осуществления «полной» компенсации. Проблема решается путем применения в данной ситуации всего одного сильфонного компенсатора.

Выше была рассмотрена ситуация с надземной прокладкой трубопровода. Для подземной прокладки существуют специальные сильфонные компенсаторы для газо- и нефтепроводов, их установка в определенных точках дает возможность обходиться без дорогих подземных железобетонных каналов. Таким образом, применение сильфонных компенсаторов экономит деньги и время без ущерба качества работы трубопроводов.

Источник https://truboprovod.csd.ru/

Источник https://premierdevelopment.ru/prochnostnoy-raschet-zdaniya-posle-pozhara.html

Источник https://psydesign.net/raschet-temperaturnogo-udlinenija-truboprovoda/