Расчет и конструирование трубопроводных систем с использованием фрагментов информационного и программного обеспечения САПР

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Расчёт и конструирование трубопроводных систем с использованием фрагментов информационного и программного обеспечения САПР»

Тема курсового проекта: «Расчет и конструирование трубопроводных систем с использованием фрагментов информационного и программного обеспечения САПР».

Трубопроводы тепловых электрических станций служат связями между отдельными элементами тепловой схемы (котлом и турбиной, вспомогательным оборудованием и т. д.). В основном по этим трубопроводам транспортируются пар и вода, но для части из них рабочими средами являются масло, мазут, сжатый воздух, водород.

Трубопроводы на современных крупных тепловых электрических станциях являются сложными конструкциями и состоят из следующих основных элементов и устройств:

собственно труб (прямых и гнутых);

средств соединения труб между собой;

фасонных частей (тройников, колен, переходов и др.);

трубопроводной арматуры (запорной, регулирующей, автоматической и др.);

трубопроводных элементов КИП (измерительных сопл и диафрагм, штуцеров для присоединения манометров и др.);

защитных устройств (предохранительных клапанов, дренажей, воздушников);

опор и подвесок для крепления трубопроводов.

В зависимости от параметров (давления и температуры) транспортируемой среды станционные трубопроводы делятся на две основные группы — высокого и низкого давления.

Все станционные трубопроводы должны отвечать требованиям соответствующих правил и норм, а также положений, технических условий, противоаварийных циркуляров и других руководящих документов. В трубопроводах должны максимально использоваться стандартизированные детали и элементы по отраслевым стандартам и ГОСТ, допустимым для условий работы станционных трубопроводов.

На трубопровод в течение всего времени его эксплуатации действуют следующие постоянные нагрузки: нагрузки от давления транспортируемой среды, распределенные по длине трубопровода и вызывающие в его материале деформации растяжения; нагрузки от веса труб, транспортируемой среды и тепловой изоляции трубопровода, также распределенные по длине трубопровода; нагрузки от веса трубопроводной арматуры, опорных реакций, ответвлений и т. п., сосредоточенные в точках их приложения. Эти нагрузки вызывают в материале трубопровода деформации изгиба, а иногда (в зависимости от конфигурации трубопровода) и кручения.

Следовательно, компетентное проектирование трубопроводных систем должно обеспечить надежную работу трубопроводов, трубопроводных систем и в целом ТЭС.

Различают три взаимосвязанных вида расчета трубопроводов:

гидравлический расчет; цель — определение диаметра трубопроводов;

механический расчет; цель — определение толщины стенки, выбор способа компенсации термических расширений и типа компенсатора;

тепловой расчет; цель — определение толщины тепловой изоляции.

1. Исходная схема трубопроводной системы и её описание

трубопроводный сталь марка диаметр

Данная трубопроводная система представлена на рис. 1, является трубопроводом ТЭЦ. В паропроводе среда с параметрами = 40 ата и = 440С. Расход рабочей среды G = = 600 т/ч = 166,7 кг/с. Места крепления к другому оборудованию представлены в виде двух неподвижных опор (Н.О.). На паропроводе расположены две скользящие (С.О.) и две упругие (пружинные) опоры (У.О.). Длина тяги упругой опоры = 150 см. Упругие опоры выбрать по ОСТ. Арматура на трубопроводе представлена в виде задвижки весом = = 220 кгс.

Воздействие на трубопровод со стороны других трубопроводов представлено в виде сосредоточенной силы = 190 кгс, действующей под углом = 60.

Срок службы трубопровода = 200 тыс. часов.

Рис. 1. Исходная схема трубопроводной системы

2. Предварительный выбор диаметра труб трубопроводной системы и марки стали

Определим по данным параметрам = 40 ата, = 440С удельный объем среды в трубопроводе, равный v = 0,8 031 м³/кг.

Оптимальная скорость движения среды в трубопроводе равна щ = 40.70 м/с. Принимаем щ = 70 м/с.

Предварительный внутренний диаметр трубы, мм, определяется по формуле:

= 1000 = 1000 = 487,4 мм.

По найденному предварительному значению находим ближайшее значение условного прохода из стандартного ряда при рабочих параметрах среды до 41 ата и 545С: = 500 мм. Согласно этому условному проходу соответствует наружный диаметр = 530 мм.

Выполняем предварительный выбор марки стали. Рекомендуемая марка стали для заданных параметров — 15Х1М1Ф по ТУ 14−3-420−75.

3. Предварительный расчет толщины стенки трубы

Напряжение, возникающее в металле трубопроводов, определяются, в основном, внутренним давлением. Дополнительно учитываются нагрузки, собственной массы труб, массы содержащейся в трубах теплоносителя, массы изоляции.

Толщина стенки трубы определяется из условия:

S ?мм,

где:

К — коэффициент, учитывающий влияние прочих сил, кроме внутреннего давления; принимается в пределах 2…2,5; для расчета принято значение 2;

— избыточное давление в трубопроводе по сравнению с атмосферным; равно 1 = = 40 1 = 39 кгс/см²;

наружный диаметр; определен в разделе 2 и равен 530 мм;

[] - допустимое напряжение для стали; равно 15,4 кгс/мм².

Таким образом:

S = 13,4?мм,

По найденному ограничению S подбираем большее целое значение толщины стенки S = 20 мм. Убеждаемся, что эта величина не меньше значения, равного 5 мм. Внутренний диаметр трубы при такой толщине стенки составляет = 2S = 530 2 20 = 490 мм.

Итак, для проекта принята труба наружным диаметром = 530 мм с толщиной стенки S = 20 мм из стали 15Х1М1Ф по ТУ 14-3-420-75.

4. Формализация исходной схемы трубопроводной системы

Для расчета трубопровода по программе «АСТРА-Т» данную в задании схему следует формализовать и заполнить бланки исходных данных.

Для формализации схемы трубопровода вводим прямоугольную систему координат ОX₁X₂X₃, где ось Х₃ направлена вверх, а оси Х₁ и Х₂ — в горизонтальной плоскости. Эти оси характеризуют трассировку трубопровода, в частности, изменение его направления.

Затем нумеруем узлы и неподвижные опоры. Первыми нумеруются узлы, затем неподвижные опоры. Расстояния между узлами, между узлом и неподвижной опорой, между неподвижными опорами соответствуют участкам трубопроводной системы.

Исходную схему с неподвижными (Н.О.), упругой (У.О.), скользящими (С.О.) опорами, задвижкой и сосредоточенной силой (P_с) заменяем формализованной с обозначением системы координат ОX₁X₂X₃.

На ней указаны все геометрические размеры (кроме радиусов изгибов, которые повсюду равны наружному диаметру трубопровода — 53 см), а также номера неподвижных опор и сечений.

Рис. 2. Формализованная схема трубопроводной системы

5. Оценка компенсирующей способности трубопровода по приближенной методике

В некоторых случаях можно обойтись без сложного и подробного расчета компенсирующей способности трубопровода и выполнить ее по упрощенной методике, если трубопровод представляет собой неразветвленную систему между двумя неподвижными опорами. Оценка компенсирующей способности трубопровода по упрощенной методике производится по двум безразмерным параметрам:

Параметр Х — представляет собой отношение упругой длины трубопровода к расстоянию между неподвижными опорами, уменьшенное на 1:

X = - 1,

где:

L — развернутая длина трубопровода между неподвижными опорами, м; при этом кривизной отводов можно пренебречь, считая, что повороты трубопровода выполняются под углом; при этом (согласно заданной схеме) L = 6 + 3,3 + 3,4 + 4,2 + 3 = 19,9 м.

а — расстояние между неподвижными опорами по прямой, м; определяется по теореме Пифагора: а = = 8,34 м.

Таким образом:

X = — 1 = 1,386

Y — представляет собой функцию приведенной температурной деформации, отнесенной к упругой длине трубопровода:

Y = = ,

где:

п = приведенная температурная деформация стали; зависит от марки стали и рабочей температуры (здесь Е — модуль упругости при расчетной температуре; б — коэффициент линейного расширения; t — рабочая температура; [] - допускаемое напряжение). Величина п для стали 15Х1М1Ф при температуре 440С составляет п = 5,1;

— наружный диаметр трубопровода, м; определен ранее и равен = 0,53 м.

Таким образом:

Y = = 0,136

Далее точку с координатами (X; Y) = (1,386; 0,136) наносим на график. Видно, что она попадает в зону «А», т. е. зону самокомпенсации.

6. Подготовка исходных данных для расчета на прочность трубопроводной системы по прикладной программе «Астра»

Номер расчета: 1.

Число участков: 1.

Число узлов: 0.

Количество приближений при выборе упругих опор, S1: 2.

Коэффициент перегрузки, К_п: 1,4.

Задаваемое изменение нагрузки на упругую опору при переходе из рабочего состояния в холодное, %: 35.

Условная жесткость упругих опор (кгс/см), К_у: 1 000 000.

Коэффициент запаса по нагрузке упругих опор (1,0 — 1,3), К: 1,1.

Признак выбора отраслевой нормали подбора пружин IPR: 0.

Таблица «Общие данные»

Начало участка, NAU: 1.

Конец участка, КOU: 2.

Число отрезков, Z0: 16.

Расчетное внутреннее давление Р: 40 кгс/см^2.

Модуль упругости для рабочего состояния ЕR: 1 815 000 кгс/см².

Модуль упругости для холодного состояния ЕX: 2 140 000 кгс/см².

Допускаемое напряжение для рабочего состояния GR: 1540 кгс/см².

Допускаемое напряжение для холодного состояния GX: 1920 кгс/см².

Допускаемая амплитуда напряжений для прямолинейных труб GAP: 3300 кгс/см².

Допускаемая амплитуда напряжений для криволинейных труб GAK: 6000 кгс/см².

Равномерно распределенная нагрузка Q1: 0.

Равномерно распределенная нагрузка Q2: 0.

Равномерно распределенная нагрузка Q3. Представляет собой нагрузку, обусловленную весом трубопровода, проекция которой на ось Х₃ является отрицательной величиной и измеряется в кгс/см.

Нагрузка Q3 определяется как сумма следующих слагаемых:

Q3 = (q_тр + q_ср + q_изол).

В этой формуле:

q_тр — вес 1 см металла трубы, кгс/см; определяется по формуле:

q_тр = · S (S) · _c,

где _с = 7,85· 10³ кгс/см³ — удельный вес стали.

Таким образом:

q_тр = 3,14 · 2 · (53 2) · 7,85 · 10³ = 2,51 кгс/см

q_изол = 0,76 кгс/см — вес тепловой изоляции в расчете на 1 cм длины.

Таким образом:

Q3 = (2,51 +0,76) = 3,27 кгс/см

Расчетная разность температур Т представляет собой разность между рабочей температурой и температурой наружного воздуха (монтажной), которая принимается равной 20°С:

T = 20 = 440 20 = 420C.

Коэффициент линейного расширения BETA: 0,132 мм/мм°С.

Номинальный наружный диаметр трубы DH: 53 см.

Номинальная толщина стенки трубы S, см: 2 cм.

Допуск на утонение стенки трубы, С1: 0,2 см.

Коэффициент прочности поперечного сварного стыкаFIU: 0,9.

Коэффициент прочности продольного сварного стыка FI: 1.

Коэффициент усреднения компенсационных напряжений XI: 0,67.

Коэффициент релаксации компенсационных напряжений DЕLM: 0,65.

Показатель ползучести металла M: 5,5.

Начальная эллиптичность сечения криволинейной трубы А: 3%.

Смещения концов трубопровода от присоединенного оборудования: отсутствуют.

Тройники: отсутствуют.

Таблица «Координаты»

Таблица задаёт «геометрию» трубопровода

Таблица «Опоры скольжения»

Опоры скольжения расположены в двух сечениях с номерами 3 и 9.

Для обеих опор условные коэффициенты жесткости К_ус по осям Х1 и Х2 равны 0, т.к. С.О. не препятствует перемещению трубопровода в горизонтальной плоскости. По оси Х3 вводится значение К_ус = 1 000 000 кгс/см, т.к. опора препятствует перемещению вниз. Коэффициент трения принимается равным 0,3.

Таблица «Упругие опоры»

Упругая опора расположена в одном сечении номер 6 и 13.

Количество тяг упругой опоры — 2.

Длина тяги упругой опоры — 250 см.

Столбцы «Жесткость цепи упругой опоры» и «Рабочая нагрузка упругой опоры» не заполняются.

Таблица «Отличающиеся значения»

Таблица описывает арматуру трубопровода: задвижки, вентили, обратные клапаны, а также изменение диаметра или толщины стенки. В данном расчете отличающиеся значения имеют место только в отрезке номер 2.

Наружный диаметр отрезка принимается равным диаметру основной трубы, т. е. 53 см.

Толщина стенки задвижки принимается вдвое больше толщины стенки основной трубы, т. е. 4 см.

Допуск на утонение принимается равным 10% от толщины стенки, т. е. 0,4 см.

Равномерно распределенная нагрузка определяется по формуле:

Q3 = (q_задв + q_ср + q_изол)

В этой формуле:

q_изол = 0,76 кгс/см — вес тепловой изоляции в расчете на 1 cм длины.

q_задв вес задвижки на 1 см длины; определяется по формуле:

q_задв = Р_задв / l_задв = 220/55 = 4 кгс/см, где:

l_задв = 55 см — длина задвижки;

Р_задв = 220 кгс — вес задвижки.

Таким образом:

Q3 = (4 +0,76) = 4,76 кгс/см

Таблица «Сосредоточенные силы»

Имеет место воздействие на трубопровод со стороны других трубопроводов и строительных конструкций в виде сосредоточенной силы Р_с.

В таблицу заносим номер сечения и значения сосредоточенной силы в проекциях на оси координат.

Номер сечения, в котором действует сосредоточенная сила: 10.

Согласно заданию на проектирование, сосредоточенная сила Р_с = 190 кгс действует в плоскости Х₃ОХ₂ под углом 60 к вертикали.

Значения силы в проекциях на оси координат:

на ось Х₁: 0,

на ось Х₂: Р_с · sin 60 = 190 · 0,866 = 164,5 кгс, на ось Х₃: Р_с · cos 60 = 190 · 0,866 = 164,5 кгс.

7. Результаты расчёта на прочность трубопроводной системы и их анализ

Исходные данные и результаты расчета трубопровода по программе «АСТРА» приведены в Приложении.

Результаты расчета содержат следующую информацию по каждому этапу:

— напряжения в трубопроводах (по каждому сечению);

— перемещение каждого сечения по осям координат;

— выбранные упругие опоры;

— усилия на неподвижные опоры;

— усилия на скользящие опоры.

Анализ результатов расчета трубопроводной системы выполняем по следующим условиям.

1) Условия прочности. Результаты показывают, что трубопровод выдерживает расчет на прочность для всех этапов расчета. Об этом свидетельствует сравнение расчетных напряжений с допускаемыми, из которых видно, что во всех сечениях возникающие напряжения меньше допустимых. Кроме того, программа также выполняет такое сравнение, и после сводной таблицы результатов расчета выдает сообщение: «Напряжения удовлетворяют условиям прочности».

2) Условия жесткости. Для каждого этапа расчета выбираем сечение, для которого суммарное перемещение максимально, и выполняем расчет этого перемещения по теореме Пифагора. В результате получаем:

Этап 1. Сечения с наибольшим перемещением — номер 7 и 8. Вектор суммарного перемещения составляет = 0,014 см.

Этап 2. Сечения с наибольшим перемещением — номер 7 и 8, а также 11 и 12. Вектор суммарного перемещения составляет = 0,014 см. Для сечений 11 и 12 вектор суммарного перемещения также 0,014 см.

Этап 3. Вектор суммарного перемещения всех сечений равен 0.

Этап 4. Сечения с наибольшим перемещением — номер 7 и 8, а также 10, 11 и 12. Вектор суммарного перемещения составляет = 0,014 см. Для сечений 10, 11 и 12 вектор суммарного перемещения также 0,014 см.

Этап 5. Сечение с наибольшим перемещением — номер 12. Вектор суммарного перемещения составляет = 0,067 см.

Как видно, вектор перемещения любого сечения на каждом этапе расчета не превышает 5 см. Следовательно, трубопровод удовлетворяет условиям жесткости.

3) Усилия на неподвижные опоры. Трубопровод ограничен неподвижными опорами в начале и конце участка. В сводной таблице результатов расчета указаны нагрузки на неподвижные опоры в проекциях на оси координат для рабочего и холодного состояния. В результате получаем:

Рабочее состояние:

Начало участка. Суммарное усилие составляет = 820 кгс.

Конец участка. Суммарное усилие составляет = 580 кгс.

Холодное состояние:

Начало участка. Суммарное усилие составляет = 782 кгс.

Конец участка. Суммарное усилие составляет = 512 кгс.

Как видно, суммарная нагрузка на каждую неподвижные опоры в рабочем и холодном состоянии не превышает 10 000 кгс. Следовательно, трубопровод удовлетворяет условиям нагрузок на неподвижные опоры.

Таким образом, трубопровод удовлетворяет условиям прочности, жесткости и допустимым нагрузкам на неподвижные опоры.

8. Гидравлический и тепловой расчёт трубопроводной системы

Гидравлический расчёт

Целью гидродинамических расчетов станционных трубопроводов чаще всего является определение потерь давления в них по заданным конфигурации и диаметру трубопровода, расходу среды и её параметрам или определение давления в начале или конце определенного участка трубопровода, а также пропускной способности трубопровода.

Падение давления в трубопроводе:

?кгс/см²,

где:

— скорость движения среды в стационарном трубопроводе; составляет = 70 м/с.

g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²;

л — коэффициент сопротивления трения, л = 0,1 605;

d_р — расчётный внутренний диаметр, d_р = 0,47 625 м;

v — удельный объём пара; определен в разделе 2 и составляет v = 0,8 031 м³/кг;

L — развёрнутая длина трассы трубопровода, включающая длину прямых участков и развёрнутую длину отводов, колен и других элементов; определяется по геометрическим характеристикам трубопровода и составляет L = 18,83 м;

— сумма коэффициентов местного сопротивления рассчитываемого трубопровода; местными сопротивлениями являются отводы (4 шт.) и задвижка (1 шт.); поэтому:

где:

— коэффициент местного сопротивления отвода, = 0,25;

— коэффициент местного сопротивления задвижки, = 0,2.

Таким образом:

= 4 0,25 + 0,2 = 1,2

— геометрическая разность высот на входе и выходе из трубопровода; приняв, что поток среды движется от сечения номер 0 к сечению номер 15, получаем = -0,42 м.

Отсюда падение давления в трубопроводе:

= 0,57 кгс/см²

Тепловой расчёт трубопроводной системы

Цель теплового расчета — подбор тепловой изоляции и определение температуры на ее поверхности.

Температура на поверхности изолированных трубопроводов при температуре окружающего воздуха в помещении +20^оС не должна превышать +45^оС.

Норма поверхностной плотности теплового потока для трубопровода диаметром 530 мм с температурой среды 440С равна 335,2 Вт/м. Для вновь проектируемых трубопроводов к этой величине следует вводить поправочный коэффициент 0,8. Таким образом, расчетная норма плотности теплового потока при проектировании теплоизоляции составляет = 335,2 0,8 = 268,16 Вт/м.

Сопротивление теплопередачи на 1 м длины теплоизоляционной конструкции составляет:

= = = 1,566?мС / Вт,

где:

= 440С — температура среды в трубопроводе;

20С — температура окружающего воздуха.

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции равен = 6 Вт/(м²С).

По рабочей температуре среды 440С выбираем маты минераловатные прошивные марки 125 по ГОСТ 21 880–86. Для этого материала коэффициент теплопроводности определяется по формуле:

= 0,049 + 0,0002?Вт/(мС),

где средняя температура теплоизоляционного слоя, определяемая по формуле = = = = 240С. Поэтому:

= 0,049 + 0,0002 240 = 0,097?Вт/(мС),

Отношение В наружного диаметра изоляционного слоя к наружному диаметру трубопровода определяется по формуле:

ln B = 2 = 2 3,14 0,097 = 0,9

Отсюда В = 2,46 и диаметр теплоизолированного трубопровода составляет:

= В = 2,46 0,53 = 1,3 м.

Толщина теплоизоляционного слоя = 0,5 () = 0,5 (1,30,53) = 0,385 м.

Температуру на поверхности теплоизоляционного слоя можно оценить по величине теплового потока на 1 метр длины теплоизоляции: = 268,16 Вт/м. Площадь 1 метра покровного слоя теплоизолированной поверхности составляет 1 = 3,14 1,3 1 = 4,082 м². Поэтому тепловой поток с единицы поверхности покровного слоя составляет:

= / 4,082 = 268,16 / 4,082 = 65,7 Вт/м².

Следовательно, температурный напор (разность между температурой покровного слоя и окружающим воздухом) составляет: t = / = 65,7 / 6 = 10,95С.

Поэтому температура на поверхности покровного слоя равна 20 + 10,95 = 30,95С, что меньше предельно допустимого значения 45С. Таким образом, выбранная теплоизоляция удовлетворяет требованиям руководящих документов.

Заключение

При выполнении курсового проекта были определены внутренний и наружный диаметры, а также диаметр условного прохода, и предварительно выбрана марка стали. Был произведен расчет толщины стенки и уточнение марки стали и размеров трубы по сортаменту труб при заданных параметрах среды. Также были произведены оценка компенсирующей способности трубопровода по упрощенной методике и расчет на прочность и самокомпенсацию трубопроводной системы с применением прикладной компьютерной программы «АСТРА».

В результате работы систематизированы знания по расчету и проектированию трубопроводных систем с применением прикладной программы «АСТРА», закреплены знания и приобретены навыки проектирования технологических коммуникаций на тепловых электростанциях и в тепловых сетях.

1. И. Ф. Акулич, Н. В. Муковозчик, В. К. Балабанович, В. А. Чиж. Методическое пособие к курсовому проектированию по дисциплине «Основы конструирования и системы автоматизированного проектирования». — Мн.: БГПА, 1992.

2. Никитина И. К. Справочник по трубопроводам тепловых электростанций. — М.: Энергоиздат, 1983.

3. Ривкин С. Л., Александров А. А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. — М.: Энергия, 1980.

4. СНиП 2.04.14−88. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. М.: Государственный строительный комитет СССР, 1988.

5. Изменение № 1 Минархстроя РБ 1996 г. к СНиП 2.04.14−88.