К настоящему времени разработан целый ряд компьютерных программ, позволяющих эффективно решать задачу расчета сложных трубопроводных систем. Заложенные в эти программы алгоритмы отшлифованы за годы многолетней эксплуатации трубопроводов и позволяют применять вполне адекватные расчетные модели. Разработан современный графический интерфейс, позволяющий быстро и качественно готовить исходные данные и анализировать результаты для весьма сложных трубопроводов тепловых электрических станций.
Ниже рассмотрены некоторые характеристики трех широко применяющихся в энергетике программных комплексов для расчета трубопроводов.
Программный комплекс «РАМПА»
Комплекс «Рампа-90» является последней версией программной системы, разрабатывающейся в течение многих лет в НПО ЦКТИ. Он предназначен для расчетов прочности трубопроводов на совместное действие давления, весовой нагрузки и самокомпенсации температурных расширений, а также для выбора пружин промежуточных упругих опор.
Оценка напряженного состояния выполняется в соответствии с НТД для энергетических установок тепловых или атомных электростанций [19, 78, 79].
Кроме того, комплекс позволяет определять динамические характеристики трубопроводных систем — собственные частоты и формы колебаний, а также оценивать их сейсмопрочность.
В состав комплекса входят:
- расчетный модуль «РАМПА»;
- специализированный препроцессор «РАМЗЕС» для подготовки и программно-визуального контроля исходных данных с базой по физико-механическим характеристикам трубопроводных сталей;
- графический постпроцессор КУ для просмотра результатов расчета на мониторе — перемещений, напряжений, а также анимационной картины форм колебаний.
Элементы комплекса написаны на языках «FORTRAN 77», «С» и Assembler применительно к ПЭВМ IBM/PC в операционной системе MS-DOS. Работа с комплексом возможна как в MS-DOS, так в системах WINDOWS 3.1 и 95. Результаты расчетов представляются в виде текстовых файлов в табличной форме, а также в виде файлов типа *.dxf, *.scr для передачи в AUTOCAD.
Комплекс позволяет рассчитывать трубопроводные системы с числом узлов не более 50 и числом участков не более 200. На каждом участке может быть задано не более:
- 40 отрезков;
- 10 пружинных опор;
- 10 опор скольжения или направляющих опор;
- монтажная растяжка в одном сечении;
- 10 произвольно ориентированных в пространстве сосредоточенных сил и моментов;
- 3 сечений с заданными жесткостями (в частности, компенсаторы).
Предусматривается учет влияния наклона тяг пружинных подвесок, возникающего при температурных перемещениях трубопровода. Учет сил трения в опорах скольжения, возникающих при нагреве трубопровода, производится по методу полной нагрузки. В ходе расчета трубопровода может производиться выбор пружин для упругих опор и определяться их затяжка.
Пружины выбираются по отечественным нормалям ОСТ 108.764.01-80, МВН 049-63 или по зарубежным каталогам. Предусмотрена возможность учета манометрического эффекта, т.е. определение усилий, перемещений и напряжений в трубопроводе, возникающих при воздействии на него нагрузки только в виде внутреннего давления. Комплекс дает возможность учитывать неравномерность нагрева труб по высоте поперечного сечения, которая возникает либо при расслоении среды (двухфазная пароводяная среда) в процессе расхолаживания или прогрева трубопровода, либо при отключении отдельных элементов схемы.
Программный комплекс «СТАРТ»
Программа «СТАРТ» предназначена для расчета прочности и жесткости трубопроводов различного назначения при статическом и циклическом нагружении. По программе рассчитываются как самокомпенсирующиеся трубопроводы, в которых компенсация температурных расширений обеспечивается гибкостью самой трубопроводной трассы, так и трубопроводы со специальными компенсирующими устройствами, выполненными в виде волнистых, линзовых, сильфонных компенсаторов или Е-муфт (на участках бесканальной прокладки).
По программе рассчитываются следующие виды трубопроводов:
- надземные, подземные в канале или при бесканальной прокладке;
- плоские, пространственные, разветвленные, с замкнутыми контурами (практически любой сложности);
- с различными конструкциями концевых и промежуточных опор;
- с различными воздействиями (температурное расширение, сосредоточенные и распределенные нагрузки, смещение опор, растяжка, сжатие).
Программа учитывает следующие факторы:
- силы трения в опорах скольжения;
- силы трения, создающие защемления в грунте;
- отклонения тяг подвесок от вертикального положения;
- опоры с односторонними связями.
При необходимости по программе осуществляется:
- автоматический подбор пружин упругих опор и расчет их затяжки;
- оценка прочности и несущей способности трубопровода и соединительных деталей по различным нормам.
При расчете трубопроводов используются общие методы механики линейно-упругих стержневых систем.
В программе «СТАРТ» используется смешанный метод для консольной основной системы. Если стержневая система обладает рядом подвижных сочленений (линзовые, сильфонные компенсаторы, Е-муфты и т.п.), то на нее накладывается такое число дополнительных жестких закреплений, которые превращают места подвижных сочленений в жесткие узлы.
За неизвестные усилия принимаются реакции отброшенных связей в консольной основной системе, а за неизвестные перемещения — смещения по направлению отсутствующих в узлах связей, которые были предварительно «ожесточены». В результате формируется линейная система алгебраических уравнений, решение которой дает нам неизвестные усилия в отброшенных связях и перемещения по направлению дополнительно наложенных связей в местах подвижных сочленений.
Наличие нелинейностей, обусловленных работой односторонних связей, а также опор с трением, учитывается с помощью итерационной процедуры, в которой на каждом шаге решается линейная система уравнений. В случае односторонних связей итерации продолжаются до момента достижения критерия рабочей системы: все неработающие двусторонние связи «разомкнуты», а работающие — «замкнуты».
При наличии опор с трением критериями рабочей системы являются следующие утверждения:
- суммарная реакция фрикционных связей, моделирующих опору с трением равна силе трения покоя или движения;
- перемещение по направлению силы трения равно нулю (сила трения покоя) либо направлено в обратную сторону (сила трения движения).
Ограничения программы
Трубопровод рассматривается в качестве стержневой системы, состоящей из прямых и кривых стержней. К прямым стержням относятся трубы и трубопроводная арматура, к кривым — отводы и гнутые трубы. В программе учитывается повышенная гибкость отводов и гнутых труб за счет овализации их сечения при изгибе (эффект Кармана).
Оси кривых стержней очерчены по дуге окружности, центральный угол которой меньше 180°. Оси прямых стержней являются касательными к оси кривого стержня и лежат в плоскости его кривизны.
Усилия и перемещения вычисляются только в узлах, принадлежащих прямым стержням.
Расположение отвода или трубопроводной арматуры на конце трубопровода недопустимо. Трубопроводная арматура, крепления и компенсаторы могут располагаться только на прямых трубах.
В узле разветвления может сходиться не более трех прямых труб.
Концы трубопровода могут быть свободными (например, заглушенный конец) или закрепленными с помощью опор любого типа (не обязательно «мертвых»). Однако, по крайней мере, на одном конце трубопровода должна находиться «мертвая» опора.
Любая опора представляет собой комбинацию связей, накладываемых на закрепляемую точку трубопровода. Минимальное число связей — 1, максимальное — 6 (три угловых и три линейных).
Упругие связи рассматриваются всегда как двусторонние; наличие односторонних связей в компенсаторах недопустимо.
Многие из приведенных выше ограничений не имеют обязательного характера, и их можно обойти с помощью различных искусственных приемов.
Допустимое количество различных материалов для трубопровода — не более 50.
Допустимое количество концевых узлов в трубопроводе — не более 200. Количество разных сечений в трубопроводе — не более 100.
Число различных типов отводов (отличающихся конструкцией, сечением, радиусом гиба) — не более 70.
Программный комплекс «Visual NEVA-++»
Данный комплекс предназначен для проведения расчетов трубопроводов на качественно новом техническом уровне, автоматизированного выпуска чертежей опор и подвесок трубопроводов, а также для современного способа организации данных и инженерной документации.
В состав комплекса входят:
- интегрированная среда разработчика «Visual NEVA-1—1-» — оболочка, позволяющая в удобной и понятной форме проводить весь цикл работы с расчетной программой — от создания и редактирования исходных данных до просмотра результатов расчета в текстовом и графическом виде;
- расчетная программа «NEVA» — новая версия известной расчетной программы, которая позволяет реально учитывать линзовые компенсаторы в трубопроводах; существует понятие плоскости стяжек компенсаторов, которая может либо задаваться пользователем (для проверки существующих трубопроводов), либо выбираться автоматически. Имеется возможность учета жесткости оборудования, что позволяет разгрузить его от весовых нагрузок трубопроводов.
База данных по материалам с программой просмотра и редактирования — UPDATED.
База данных по стандартному оборудованию с программой просмотра — NEW.
Программа для определения толщин стенок элементов оборудования и трубопроводов САПР опорных конструкций — «Support CAD». Данная САПР позволяет автоматизировать процесс проектирования опорных конструкций на высоком уровне, что дает возможность проектировать подвеску или опору буквально «на лету» (время от начала ввода данных до получения готового чертежа может составлять менее 1 мин!). Кроме высокой скорости проектирования, данная САПР предусматривает ведение централизованной базы данных по элементам опорных конструкций, что упрощает централизованное хранение, распространение и ведение инженерной документации и является современным подходом к организации данных. Еще одним достоинством данной программы является высокая защищенность от введения ошибочных данных и от построения неправильных с инженерной точки зрения конструкций. Кроме этого, для ускорения ввода данных в программе реализована связь с выходными файлами программ «NEVA» и «РАМПА». В качестве дополнительных возможностей следует упомянуть об экспорте файла в AUTOCAD.
Данный комплекс позволяет более чем в 2 раза сократить время, необходимое для расчетов трубопроводов, и более чем в 3 раза сократить время проектирования опор и подвесок. Кроме того, появляется возможность учитывать новые факторы, что повышает качество расчетов и проектов трубопроводов. Мощная 32-разрядная многооконная оболочка, отвечающая всем требованиям к современному GUI, позволяет в кратчайшие сроки создавать, редактировать и проводить расчеты трубопроводов практически неограниченных размеров. Качественно новая 32-разрядная расчетная программа «NEVA» позволяет с высокой точностью и скоростью проводить расчеты.
