¿Qué es
PASS/Nozzle-FEM?
PASS/Equip Nozzle-FEM es un programa diseñado para calcular los esfuerzos y la
flexibilidad de las uniones de boquilla a envolvente o cuerpo utilizando el
método de elementos finitos (FEM). También calcula las cargas permitidas de la
boquilla y estima la resistencia de las uniones para una amplia gama de
configuraciones geométricas y condiciones de operación. El programa ayuda a los
ingenieros a proporcionar niveles más altos de seguridad del equipo al tiempo
que reduce los costos de mano de obra en la etapa de diseño. Está diseñado para
ser utilizado por diseñadores de equipos y tuberías e ingenieros mecánicos y
puede ayudarlos a verificar y satisfacer rápidamente los requisitos de cargas
en boquillas de recipientes a presión/equipos, así como en accesorios de
tubería no estándar👍. Se recomienda su uso en revisiones de diseño y seguridad
industrial del petróleo y gas, refinerías, petroquímica, química, energía y
otras instalaciones industriales.
También puede calcular los factores SIF y k para
las Tees que no están cubiertas por los códigos ASME B31, como las Tees
laterales y las Tees con D/T > 100.
A diferencia de otros programas FEM
ampliamente disponibles (por ejemplo, ANSYS, NASTRAN, etc.), PASS/Nozzle-FEM
no requiere capacitación especial y puede ser utilizado por cualquier ingeniero
mecánico. Crea automáticamente la malla FE y estima los resultados del cálculo👌.
El uso de cálculos FEM en oposición a los métodos semi-analíticos (es decir,
WRC 107 (537) / 297) amplía el rango de aplicación del programa y aumenta la
precisión de sus análisis.
PASS/Nozzle-FEM realiza análisis de esfuerzos para uniones de diferentes tipos de
boquillas (incluidos muñones) conectadas a envolventes cilíndricas, cónicas y
planas, así como para cabezas cónicas, elípticas, hemisféricas, torisféricas y
planas. Toma en cuenta las restricciones del límite del equipo o componente y
las cargas en la boquilla desde la tubería adyacente. Puede calcular en la
boquilla y la membrana de la envolvente, la flexibilidad y los esfuerzos
totales. También puede calcular las conexiones de la tubería para permitir un
análisis detallado de esfuerzos de tees no estándar y reforzadas. La nueva
característica del programa permite analizar soportes de faldones cilíndricos y
cónicos de recipientes verticales.
Además del análisis de esfuerzos y la
estabilidad, el programa también realiza cálculos de flexibilidad de la unión
de la boquilla a la envolvente, ya que esta flexibilidad puede influir
considerablemente en esfuerzos del recipiente y la tubería. Durante un análisis
de esfuerzos de los sistemas de tuberías, las uniones boquilla-envolvente a
menudo se simulan mediante soportes de anclaje que conducen a una
sobreestimación de esfuerzos y fuerzas. Para abordar esto y crear
automáticamente un soporte no estándar apropiado en el modelo de cálculo, el
programa permite a los ingenieros pasar las flexibilidades de unión de la
boquilla-carcasa calculadas por PASS/Nozzle-FEM al programa de análisis
de esfuerzo de tuberías PASS/START-PROF👍.
El programa estima el esfuerzo permisible
utilizando diferentes códigos para los esfuerzos permisibles, que incluyen:
Admite análisis de esfuerzos y estabilidad
de recipientes y el refuerzo requerido de aberturas bajo presión interna. El
programa también analiza las uniones de la boquilla y la envolvente que
funcionan en ambientes corrosivos de sulfuro de hidrógeno.
Eche
un vistazo a la grabación del seminario web PASS/Nozzle-FEM:
Mejoras importantes
en el programa principal
En los años 2018-2020, PSRE Co lanzó las
versiones 2.15, 2.16, 3.0 y 3.1 de Nozzle-FEM, que introdujeron varios cambios
importantes. La compañía reformuló por completo el núcleo del programa y la
interfaz de usuario, para mejorar la usabilidad, velocidad, extensibilidad del
programa, soporte para modelos jerárquicos a nivel lógico y mucho más.
El núcleo del programa consta de tres componentes
principales (Fig. 1), que pueden usarse independientemente uno del otro. El
modelo jerárquico de objetos está destinado a ser administrado por el usuario,
y presenta una estructura analizada como un árbol de objetos: por ejemplo, la
boquilla se representa como un objeto hijo del caparazón de soporte. En este
modelo, solo se especifican los datos geométricos que describen el objeto en sí
y los datos necesarios para colocar los objetos secundarios.
A partir del modelo de jerarquía de
objetos, se genera un modelo geométrico, que es un modelo topológico, por lo
que contiene información sobre curvas, superficies, sólidos y las relaciones
entre ellos. Este componente del programa utiliza un núcleo geométrico C3D con
licencia (https://c3dlabs.com/en/ ).
Actualmente, se utiliza un modelo topológico basado en shell en el kernel
Nozzle-FEM, que se construye a lo largo de la superficie media de los shells.
Luego se construye un modelo FE que consta
de los elementos finitos del caparazón basado en el modelo geométrico. Se
compila un sistema de ecuaciones algebraicas lineales que corresponden a las
condiciones de equilibrio del sólido para el modelo FE.
Métodos de cálculo
refinados
La versión 2.15 también refina los siguientes
métodos de cálculo básicos: resistencia, cargas permitidas en la boquilla,
rigidez y coeficientes de intensificación de esfuerzos.
Ahora se utilizan dos enfoques en los cálculos
de rigidez (flexibilidad): los cálculos de rigidez del sistema de "soporte
- boquilla de soporte" (rigidez total), y los cálculos de rigidez
excluyendo la viga (rigidez local en el lugar de la unión de la boquilla). Este
segundo enfoque se aplica para el trabajo simultáneo con programas que usan un
modelo de haz FE (como PASS/START-PROF) y algunos modelos de equipos (como la
carcasa del buque o el tee en PASS/START-PROF). En este caso, PASS/Nozzle-FEM
construye un modelo de viga equivalente en segundo plano, y la rigidez de la
unión de "caparazón" local se determina por la diferencia entre los
desplazamientos de la cáscara y los modelos de viga:
donde
es un valor calculado de los los
i
grados de libertad al final de la boquilla en el modelo de haz FE, y
es el mismo en el modelo de carcasa.
Para refinar los métodos de cálculo de esfuerzo
y esfuerzo, se introdujo un procedimiento de extrapolación de esfuerzo, que
resuelve dos problemas:
1. Permite que la malla FE se condense en
las zonas de concentración de esfuerzo mediante la introducción de zonas
especiales en las que se realiza un refinamiento y alineación adicionales de la
malla;
2. Aumenta la convergencia de resultados en
diferentes niveles de refinación de malla, reduciendo los errores de diseño (y
mitigando el hábito de los usuarios de no usar verificaciones de cálculo en
mallas muy finas).
El procedimiento de extrapolación de estrés
se implementa mediante el método Hot Spot Stress (HSS). HSS utiliza un
procedimiento de extrapolación de superficie lineal (LSE) para calcular el
esfuerzo en el dedo del pie de soldadura (Fig. 2). La selección de los puntos
t1 y t2 por LSE depende del grosor de la carcasa s. Este enfoque estabiliza el
proceso de determinación de esfuerzos alrededor de los concentradores y aumenta
la convergencia de los resultados a diferentes niveles de refinamiento de malla
en el modelo FE.
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Fig. 2. Hot spot stress (HSS) method
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Por
ejemplo, podemos comparar los resultados de los cálculos obtenidos con el
procedimiento de extrapolación y sin él usar el ejemplo de una conexión de
boquilla a una carcasa cilíndrica con una fuerza axial de 100 kN aplicada en la
boquilla. En este caso, utilizando enfoques anteriores, no podría determinar los
esfuerzos totales máximas incluso en el quinto nivel de refinamiento de malla
(Fig. 3b). Los esfuerzos totales (membrana + flexión) en la superficie exterior
en el primer nivel fueron de 64.1 MPa (Fig. 3a); teniendo en cuenta un
coeficiente de malla de Km = 1.30, los esfuerzos calculados serían iguales a
83.3 MPa. Al mismo tiempo, los esfuerzos en el quinto nivel de la malla fueron
83.9 MPa (Fig. 3b) y, teniendo en cuenta un factor de malla de Km = 1.05, el
esfuerzo sería 88.1 MPa. Esto demuestra que el valor máximo de los esfuerzos
totales en el primer nivel no alcanzó el valor del quinto nivel. La siguiente
figura muestra que los valores máximos no se obtienen ni siquiera en el quinto
nivel de la malla.
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| Fig.
3. Esfuerzos totales (de membrana y flexión) en los niveles primero (a) y
quinto (b) de la malla |
En
cambio, cuando se utiliza el procedimiento de extrapolación de esfuerzo para
este mismo ejemplo (Fig. 4), los niveles primero y quinto de la malla producen
resultados similares que exceden los resultados de los cálculos realizados sin
aplicar extrapolación de esfuerzos.
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| Fig.
4. Esfuerzos totales (membrana y flexión) en los niveles de malla primero (a) y
quinto (b) utilizando el procedimiento de extrapolación de esfuerzo |
La versión 2.16 de PASS/Nozzle-FEM,
lanzada en diciembre de 2018, ofrece un nuevo enfoque para los cálculos
"en unión" que ocasionalmente causa malentendidos entre los usuarios
sobre cómo se calculan los esfuerzos en la zona soldada. La opción "en
unión" se usa generalmente cuando la tubería termina en el área de unión
dentro de la carcasa (punto "i" en la Fig. 5). El modelo de cálculo
de la tubería generalmente termina en la superficie exterior de la carcasa, y
las cargas de cálculo en la boquilla se obtienen en este punto.
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Fig. 5. Modelo de cálculo "en
unión"
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En versiones anteriores a 2.16, se tomó la
longitud de cálculo de boquilla más mínima posible para construir el modelo FE.
Después de la versión 2.16, la longitud de la boquilla está determinada por la
condición de flexibilidad suficiente:
Esto permite a los ingenieros considerar
una ovalización de la sección en el área de unión que corresponde a la conexión
"flexible" entre la tubería y la cubierta, y se ha obtenido de
numerosas pruebas de campo. En las versiones hasta 2.16, al seleccionar
"en la unión", la longitud mínima tomada condujo en primer lugar a
una unión más rígida de la tubería en la carcasa y, en segundo lugar, a una
determinación incorrecta de los esfuerzos en el área de la unión ya que podrían
producirse efectos de borde en el Cargue el punto de aplicación en la boquilla
(Fig. 6).
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| Fig.
6. Distribución de esfuerzos equivalentes totales en la superficie exterior: |
a) L = 30мм - efecto de borde bien definido de la aplicación de
carga;
a) L = 50 mm - longitud corta de la boquilla, cae dentro del área
del efecto de borde de la aplicación de carga;
c) A la longitud de la boquilla obtenida por la fórmula (2).
La figura 7 representa la curva de cambio
en la fuerza axial admisible Fy dependiendo de la longitud de la boquilla L1,
lo que muestra que, en el área de unión, a una distancia inferior a 100 mm,
aparecen efectos de borde desde el punto de aplicación de la carga. Los
resultados del cálculo se dan para una boquilla inclinada con un diámetro
interno de 203 mm y un espesor de 6 mm que se une a una carcasa cilíndrica con
un diámetro interno de 2000 mm y un espesor de 12 mm (Fig. 7).
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| Fig.
7. Una curva de cambio en la fuerza axial admisible Fy dependiendo de la
longitud de la boquilla L1 para una boquilla inclinada en la carcasa cilíndrica |
Nuevos tipos de
uniones de boquilla
La reelaboración del núcleo y el uso del
núcleo geométrico C3D actualizado para el modelado sólido ha permitido la
inclusión de varios tipos nuevos de uniones con inserciones toroidales de
rebordeado y soldado (Fig. 8). Por lo tanto, los usuarios ahora pueden modelar
boquillas estampadas y soldadas con sello usando el programa PASS/Nozzle-FEM.
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| Fig. 8 Boquilla con iserción toroidal rebordeado y soldado |
Nuevos elementos de
rodamiento
A diferencia de PASS/Equip, PASS/Nozzle-FEM no ofreció una transición cónica con el desplazamiento del segundo
extremo (transición excéntrica) durante mucho tiempo debido a las dificultades
asociadas con la complejidad de su implementación dentro del núcleo antiguo del
programa (Fig. 9)
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Fig. 9. Esfuerzos totales (membrana y
flexión) en una carcasa cónica con desplazamiento del segundo extremo.
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Muchos usuarios también solicitaron la
adición de cubiertas rectangulares planas al programa, con el cual es posible
modelar uniones en cubiertas de intercambiadores de calor refrigerados por aire
(ACHE), paredes de recipientes cúbicos, etc. Estos elementos ahora se han
agregado a la lista de modelos de cálculo (Fig. 10).
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| Fig.
10. Esfuerzos totales (membrana y flexión) en un recipiente rectangular con
boquilla |
Cargas
Para simular cargas reales más
correctamente, se ha agregado una opción para establecer la presión
hidrostática requerida para los cálculos de recipientes y tanques verticales,
aunque esta carga se puede configurar para otros tipos de proyectiles (Fig.
11). La presión hidrostática ahora cambia linealmente a lo largo del eje vertical,
donde el valor máximo se determina al nivel del punto más bajo del modelo. Para
recipientes verticales (tanques), esto corresponde al nivel de la cabeza.
La deformación térmica fue otra adición
popular y fundamental a la versión 2.16 del programa. Esto permitió considerar
la expansión (deformación) de los materiales en los elementos de la estructura
bajo los efectos de la temperatura, así como cualquier esfuerzo adicional que
surja de las deformaciones de temperatura restringidas (diferentes coeficientes
de expansión lineal, temperaturas, etc.).
La figura 12a muestra la distribución de esfuerzos
equivalentes en una cabeza elíptica con una presión interna de 0,5 MPa. El
valor máximo de estrés fue de 86.6 MPa. Como ejemplo, los materiales en la
carcasa y la boquilla se ajustaron a diferentes coeficientes de expansión
térmica lineal, con diferentes temperaturas en la cabeza (200 ° С) y en la
boquilla (220 ° С). Esto generará una restricción de deformación de temperatura
y los esfuerzos de unión aumentarán drásticamente (Fig. 12b) en el área de la
boquilla, hasta un valor de esfuerzo máximo de 118.5 MPa.
Fig. 12. Esfuerzos totales (membrana y
flexión) en la cabeza elíptica bajo la influencia de:
a) presión interna; b) presión interna y
temperatura
La capacidad de considerar los efectos de
la temperatura también ha permitido un mejor cumplimiento de los requisitos
reglamentarios. Por ejemplo, con ASME BPVC.VIII.2, la expansión térmica de los
materiales debe considerarse al verificar los esfuerzos equivalentes de la
categoría "Membrana secundaria más membrana". En GOST 34233.1-2017,
mientras se verifica con la fórmula (12), es necesario considerar los esfuerzos
adicionales que surgen del efecto de la temperatura:
o al calcular temperaturas con la fórmula
(13), en la cual los esfuerzos permisibles se definen por los límites de
resistencia o fluencia a largo plazo:
Actualizaciones de código
En el desarrollo y refinamiento de la nueva
versión del kernel, también se modificó un módulo para la verificación de
resistencia de acuerdo con varios documentos reglamentarios, que proporciona un
procesamiento bastante flexible y rápido de versiones actualizadas de
diferentes códigos. Como resultado, el programa ahora cumple con
• ASME BPVC.VIII.1, 2 2017,
• EN 13445 3: 2014 (E) Número 4 (2017 07),
• GOST 342233.1, 6, 10-2017.
En el camino
Con respecto al futuro, el equipo de PASS
visualiza PASS/Equip Nozzle-FEM como un generador interactivo de recipientes a
presión, por un lado, y como una posible solución integrada para integrarse
"sin problemas" con los programas PASS/EQUIP y PASS/START-PROF para
calcular uniones y tees directamente en su entorno.
Otra posibilidad es que dos soluciones de
software estarán disponibles simultáneamente: un programa separado con opciones
avanzadas para crear modelos complejos, y un equivalente a la versión actual
con la opción de integrarlo en el otro software. Ambos serán más funcionales e
interactivos de lo que son ahora.
Alex Matveev
Alex Matveev es uno de los autores de los
códigos de análisis de esfuerzo de tuberías GOST 32388-2013 Process Piping y
GOST 55596-2013 District Heating Networks. También es uno de los
desarrolladores del software PASS/START-PROF, desarrollado desde 1965 y
utilizado en el 95% de las empresas de diseño de procesos, energía, calefacción
urbana, transporte de gas y petróleo en Rusia y países de la CEI; es estándar
de la industria en esa región.
