Источник: "Экологические проблемы мегаполисов" — Донецк, ДонНТУ — 2008.
В статье рассмотренны особенности эксплуатации металлических конструкций применительно к химической промышленности, а также необходимость применения вычислительной техники для контроля их безопасности
Металлические конструкции широко применяются во всех областях промышленности. Для большинства инженерных сооружений они являются основными несущими элементами статических и динамических систем компоновки оборудования во всех отраслях промышленности. В химической промышленности они наиболее актуальны, так как не только обеспечивают сопротивляемость внешним воздействиям, но и являются основой для обеспечения технологических процессов. Примерами металлоконструкций на химических предприятиях являются опоры трубопроводов, фермы транспортеров, конвейеров, опоры межоперационных коммуникаций, корпуса и несущие конструкции аппаратов и т.д.
Преимуществами металлоконструкций перед железобетонными и другими стационарными фундаментальными конструкциями являются:
меньший вес, чем у железобетонных конструкций;
простота и серийность изготовления;
легкость монтажа и демонтажа;
удобство и быстрота возведения;
возможность монтажа крупными блоками;
транспортабельность;
прочность и долговечность;
надежность в эксплуатации.
Основные нагрузки на материал конструкции формируются от веса основного и вспомогательного оборудования, ветровых и сейсмических нагрузок, нагрузок от технологических процессов и т. д.
Главной проблемой, с которой сталкиваются при обеспечении прочности и жесткости в процессе эксплуатации металлоконструкций на предприятиях химической промышленности, являются процессы коррозии. Ежегодно около четверти всего произведенного в мире металла теряется в результате протекания коррозионных процессов. Затраты на ремонт и замену аппаратуры и коммуникаций химических производств во много раз превышают стоимость материала, из которого они изготовлены. Поэтому актуальным является выбор оптимального способа борьбы с коррозией на конкретном химическом предприятии.
По типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разрушения, коррозия может быть следущих видов:
Газовая коррозия;
Коррозия в неэлектролитах;
Атмосферная коррозия;
Коррозия в электролитах;
Подземная коррозия;
Биокоррозия;
Коррозия блуждающим током.
Отрицательными результатами коррозии являются:
—нарушение работоспособности (нарушение герметичности, выброс рабочей среды в атмосферу, попадание окружающей среды в аппарат и влияние на ход протекания процесса), что может привести к загрязнению окружающей среды и создать взрывоопасную ситуацию.
—уменьшение площади сечения в несущих конструкциях, а значит увеличение действующих напряжений.
При выборе способа борьбы с коррозией учитываются не только особенности самого металла, но и условия его эксплуатации. Особую сложность вызывает выбор способа защиты для многокомпонентных сред с параметрами (температура, концентрация, давление), изменяющимися в ходе процесса. Антикоррозионную защиту металлоконструкций можно разделить по характеру их воздействия на металл и на среду.
Все металлические конструкции при проектировании обязательно рассчитываются на прочность для исходного состояния. При проектировочном расчете металлоконструкций учет коррозии осуществляется благодаря введению коэффициентов запаса (прибавка на коррозию). Причем прочностной расчет ведется для исходного состояния конструкции. Однако этот подход подразумевает равномерную коррозию по всей толщине несущей конструкции. На практике же некоторые элементы корродируют активнее остальных, иногда до полного разрушения. В этом случае меняется расчетная схема данной конструкции и рассчитанная конструкция меняет свои параметры, тем самым вызывая аварийные ситуации.
Для контроля текущего состояния в соответствии со стандартами проводятся систематические обследования металлических конструкций. По результатам этих обследований можно выявлять тенденции и скорости коррозии для различных элементов. Зная эти тенденции можно прогнозировать изменения площадей сечения несущих металлоконструкций и определять те их элементы, что выйдут из строя. Это определяется через заданный промежуток времени и изменения расчетной схемы.
Такой подход к решению проблемы неравномерной коррозии предполагает большой объем однотипных вычислений, в процессе которых изменяются лишь несколько параметров и коэффициентов. Поэтому рационально для расчетов использовать ЭВМ. ЭВМ дают известные преимущества, когда они используются как быстродействующие электрические счетные машины с целью ускорения существующих методов расчета конструкций. Чтобы использовать действительные возможности вычислительных машин, необходимо переложить задачу на язык машины. На основе известных алгоритмов расчета металлоконструкций сформированы несколько методов расчета, удобных для применения их на ЭВМ.
Одним из наиболее универсальных методов является метод конечных элементов. Как инструмент для расчета метод конечных элементов широко применяется для расчета напряженно-деформированных состояний твердых сред и используется во многих программах. Он позволяет рассчитывать металлоконструкцию, используя стержневые и балочные элементы. Кроме того, этот метод благодаря своей универсальности позволяет легко изменять расчетную схему металлоконструкции.
Одной из программ, использующих метод конечных элементов для расчета металлических конструкций, является программа Cosmos DesignStar V. 4,5. DesignStar использует язык скриптов, благодаря чему легко взаимодействует с другими программами, что также упрощает процесс расчета. Преимущества программы Cosmos DesignStar можно показать на примере расчета простейшей стержневой системы:
TITLE, S41: REACTIONS OF A FRAME STRUCTURE
VIEW,0.000000,0.000000,1.000000,
PLANE,Z,0.000000,1,
C* Создаем точки
PT,1,0.0,0.0,0.0,
PT,2,0.0,3.0,0.0,
PT,3,4.0,3.0,0.0,
C* Создаем отрезки
CRLINE,1,2,3,
CRLINE,2,1,3,
C* Масштабирование
SCALE,0.0,
C* Задаем тип элемента
EGROUP,1,BEAM2D,
C* Задаем свойства элемента
BMSECDEF,1,1,1,1,7,10,15,0,0,0,0,0,
C* Задаем свойства материала
MPROP,1,EX,3000000.0,
C* Делаем активной свойство материала №1
ACTSET,MP,1
C* Разбиваем линии на КЭ
M_CR,1,2,1,2,1,1
C* Объединение узлов
NMERGE,1,4,1,0.0001,0,1,
C* Перенумеровываем узлы после объединения
NCOMPRESS,1,4,1,
C* Ограничения перемещений узлов
DND,1,AL,0.0,1,1,
DND,3,AL,0.0,3,1,
C* Расставляем нагрузки на узлы
FND,2,FY,-100.0,2,1,
C* Нумеруем узлы
ACTNUM,ND,1
NPLOT
C* Нумеруем элементы
ACTNUM,EL,1
EPLOT
C* Расчитываем реакции
REACTION,1
C* ...
A_STRESS,1
C* Запустить расчет
R_STATIC
Предложенная методика расчета позволяет прогнозировать напряженно-деформированные состояния рассчитываемой конструкции на заданное время, а также позволяет проводить своевременные и целенаправленные мероприятия по защите металлоконструкции от коррозии.