Расчетная часть-Расчет горизонтального трехфазного сепаратора CPF-V-2010-1-2-3-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет горизонтального трехфазного сепаратора CPF-V-2010-1-2-3-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

8. Расчеты
8.1 Расчет усилия в сварочном соединении
Расчет сварного шва выполнен согласно СНиП II-23-81 п.11.1.
Сборочный чертеж переливного лотка показан на 5 листе графической части дипломного проекта. Для сборки лотка необходимо произвести расчет сварного шва, с помощью которого производится крепление уголков к стенкам лотка.
Допускаемые напряжения для угловых сварных соединений машиностроительных конструкций, Па:



где – допускаемое напряжение основного металла, Па. Для стали 09Г2С = 300 МПа.
 Допускаемые напряжения для сварного шва по формуле (8.1), Па:



 Допускаемая нагрузка для сварного соединения рассчитывается по формуле, Н:


где l – длина сварного шва, м;
– катет сварного шва, м.
 


Допускаемая нагрузка для сварного соединения по формуле (8.2), Н



Нагрузка на разрыв сварного шва вычисляется:


где S – площадь полки, м2;
Рр – рабочее давление.

Площадь полки на которое действует давление газожидкостной смеси вычисляется по формуле (8.4):



где a – длина полки;
b – ширина полки.

 Найдем площадь полки по формуле (8.4), м2:



Нагрузка на разрыв сварного шва по формуле (8.3), Н:



Условие выполняется.

8.2 Расчет резьбового соединения
 Расчет резьбового соединения выполнен по методики Анурьев В.И. Справочник конструктора- машиностроителя в 3-х томах . М.: Машиностроение 2006- Т1 - 912 с., Т2 – 950 с, Т 3 -864 с.
Крепление полок к стенкам лотка производиться с помощью резьбового соединения. Данное резьбовое соединение показано на 5 листе графической части дипломного проекта.


Рисунок 8.1 – Резьбовое соединение
 
Таблица 8.1 – Параметры резьбы М12
Внутренний диаметр, мм Средний диаметр, мм Диаметр впадины, мм
10,106 10,863 9,853



Расчет производится по формуле (8.5):

         (8.5)

где, - растягивающая сила, Н;
  - внутренний диаметр резьбы М12, м;
 n- количество болтов;
  - допускаемое растяжение материала при растяжении/сжатии, МПа. Для стали 35 при постоянной нагрузке = 190 МПа.
Из расчета 8.1 растягивающая сила, действующая на полку:





  условие выполняется.
8.3 Расчет давление испытания сепаратора
Расчетным давлением сосудов служит пробное давление испытания рпр. Первые гидравлические испытания проводят на заводе-изготовителе на рпр.
При рабочем давлении сепаратора 0,5 МПа и более

р_пр=1,25·р_в·[σ]_20/[σ]_t , (8.6)

где, рпр - давление испытания сепаратора, МПа;
рв– рабочее давление сепаратора, Па;
[σ]_20 - допускаемое напряжение при 20° С, Па;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па.

р_пр=1,25·(0,6)·〖10〗^6·(350·〖10〗^6)/(300·〖10〗^6 )=0,88 МПа.

Пробное давление для аппаратов, работающих при отрицательных температурах, принимают таким же, как и для аппаратов с температурой 20°С.
При периодическом освидетельствовании сосудов испытания проводят при таком же давлении, но в рабочем состоянии. Напряжение в стенке при гидравлическом испытании не должно превышать 0,9σ_t, а при пневматическом - 0,8σ_t, где σ_t- предел текучести материала сосуда.
8.4 Прочностные расчеты
Расчет по методике Леонтьев С.А., Галиикее Р.М., Фоминых О.В. Расчет технологических установок системы сбора и подготовки. Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. 115 с.
Теории прочности, допускаемые напряжения и запасы прочности. При расчете сосудов на прочность применяют следующие теории прочности:
1. Первая теория прочности - наибольших нормальных напряжений, по которой за расчетное принимают наибольшее кольцевое напряжение, определяемое для тонкостенных сосудов по формуле
σ_к=(р_в·d_с)/(2·s) , (8.7)

где, σ_к - кольцевое напряжение, Па;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dс - средний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.
Примем допущения, что

σ_к=[σ]_t,      (8.8)

dc=dв+s,       (8.8)

где, σ_к - наибольшее кольцевое напряжение, Па;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па;
dс - средний диаметр сепаратора, м;
dв- внутренний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.

Тогда толщина стенки

s=(p_в·d_в)/(2·[σ]_t-p_в ), (8.9)

где, s - толщина стенки сепаратора, м;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - средний диаметр сепаратора, м;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па;

s=(0,6·〖10〗^6·4,3)/(2·300·〖10〗^6-0,6·〖10〗^6 )=0,01 м.

Определим средний диаметр сепаратора по формуле (8.8)

dc=4,3 +0,01 =4,31 м.


Найдя все величины, можно определить σ_к по формуле (8.7)

σ_к=(0,6·〖10〗^6·4,31)/(2·0,01)=258,3 МПа.

2. Вторая-теория наибольших касательных напряжений, по которой за эквивалентное берут разницу между наибольшим и наименьшим напряжениями, то есть

σэкв = σ1 – σ3 ,     (8.10)

Для тонкостенных сосудов имеем

σ_1=σ_к=(р_в·d_с)/(2·s) , (8.11)

σ_3=σ_r=p_в, (8.12)

где, σ_к - кольцевое напряжение, Па;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dс - средний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.

σ_экв=(р_в·(d_в+3·s))/(2·s), (8.13)

где, σ_экв - эквивалентное напряжение, МПа;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.
Расчетная формула толщины стенки при σ_экв=[σ]_t имеет вид

s=(р_в·d_в)/(2·[σ]_t-3·р_в ), (8.14)

где, s - толщина стенки сепаратора, м;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па.

s=(0,6·〖10〗^6·4,3)/(2·300·〖10〗^6-3·0,6·〖10〗^6 )=0,01 м.

Найдя все величины, можно определить σ_экв по формуле (8.13)

σ_экв=(0,6·〖10〗^6·(4,3+3·0,01))/(2·0,01)=258,9 МПа.

3. Третья — энергетическая теория прочности, по которой

σ_экв=√(0,5·[(σ_к-σ_м )^2+(σ_к-σ_r )^2+(σ_м-σ_r )^2 ] ) (8.15)

где, σ_экв - эквивалентное напряжение, МПа;
σ_к - наибольшее кольцевое напряжение, Па;
σ_м- меридиональное (продольное) напряжение, МПа.

Расчетная формула толщины стенки

s=(р_в·d_в)/(2,3·[σ]_t-р_в ) , (8.16)

где, s - толщина стенки сепаратора, м;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па.

s=(0,6·〖10〗^6·4,3)/(2,3·300·〖10〗^6-0,6·〖10〗^6 )=0,009 м.

σ_м=("р" _"в" "·" "d" _"в" )/"4·s" , (8.17)

где, σ_м - меридиональное (продольное) напряжение, МПа;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.

σ_м=(0,6·〖10〗^6·4,3)/(4·0,009)=161,25 МПа.


Подставив значение σ_ки σ_ми приравнявσ_r к нулю (в сосудах большого диаметра рв<<σ_r), получим

σ_экв=√(0,5·[(258,3-161,25)^2+(258,3)^2+(161,25)^2 ] )=226 МПа.

Анализ данных расчетов показывает, что наименьшая толщина стенки получается по третьей теории прочности.
Для расчета сосудов, работающих при внутреннем давлении, принимают формулы, полученные из первой теории прочности, и компенсируют погрешность расчетных формул введением запаса прочности nт=1,2. Поэтому напряжение при испытании сосуда должно составлять

σ≤σ_t/1,2 , (8.18)

где, σ - напряжение при испытании сосуда, МПа;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, МПа.

С другой стороны, давление испытания превышает рабочее, а следовательно, и напряжение при испытании превышает допускаемое рабочее [σ]_t в 1,25 раза, то есть

σ≤1,25·[σ]_(t ), (8.19)

σ≤1,25·300=375 МПа.

Для стали

σ_t≈0,58·σ_в, (8.20)

где, σ_в - предел прочности, МПа.

Следовательно
[σ]_t≤σ_в/n≈σ_в/2,6 , (8.21)

где, [σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, МПа;
σ_в - предел прочности, МПа;
n – коэффициент запаса.

[σ]_t=1087/2,6=418 МПа.

Условие прочности сосуда при испытании

[σ]_t≥σ, (8.22)

418≥375.
То есть, условие соблюдается.
8.5 Расчет гравитационного сепаратора по жидкости
Расчет производиться выполнен согласно Тронов В.П. Сепарация газа и сокращение потерь нефти. Казань: «ФЭН», 2002. – 408 с.
Произовдительность горизонтального сепаратора по нефти рассчитывается:

(8.23)

где, Qн – производительность сепаратора по нефти, м3/сут;
F – площадь зеркала жидкости, м2;
ωг – скорость всплывания пузырьков газа, м/с.

Тогда скорость всплывания пузырьков газа рассчитывается:

(8.24)

Согласно руководству по эксплуатации для сепаратора производительность по нефти до модернизации составляла 24035 м3/сут.
Площадь зеркала жидкости рассчитываем по формуле, м2:

(8.25)

где, Fэл – площадь зеркала жидкости в днище, м2;
Fп – площадь зеркала жидкости в обечайке до переливной перегородки.
Площадь зеркала в днище равна половине площади эллипса, м2:

(8.26)

где, a и b – длины полуосей, м.



Площадь зеркала жидкости в обечайке до переливной перегородки, м2:

(8.27)

где, с – длина от сварного шва обечайки и днища до переливной перегородки;
d – длина переливной перегородки.



Подставляем значения в формулу (8.25):



Рассчитываем скорость всплывания пузырьков газа (8.24):


После модернизации площадь зеркала жидкости в обечайке до переливной перегородки изменилась за счет переливного лотка.
Площадь зеркала жидкости после модернизации, м2:

(8.28)

где, Fво – площадь верхней образующей переливного лотка, м2;
Fпп – площадь переливных полок, 6,324 м2.

Площадь верхней образующей переливного лотка найдем, м2:
(8.29)
где, l – длина верхней образующей стенки лотка, м;
bл – ширина лотка, м.


Находим площадь зеркала жидкости после модернизации:


Теперь находим производительность сепаратора после модернизации по формуле (8.30), м3/сут:

(8.30)

Подставляем значения:

Производительность сепаратора увеличилась на 1,15%.