авторы: А.С.Парфенюк, О.Е.Алексеева
Важным этапом конструирования коксовых батарей является расчет элементов кладки. При выборе геометрических размеров кладки, как правило, стремятся достичь того, чтобы действующие напряжения были меньше допускаемых, и теоретически обеспечить при заданных размерах камер достаточную прочность и срок службы.
Для обеспечения работоспособности печной камеры ее простенок должен обладать определенными качествами, обеспечивающими выполнение требуемых функций. Отказ простенка - это недопустимая потеря хотя бы одного из его качеств: прочности, герметичности или формы. Известны различные подходы к расчету простенка. Традиционный подход включает оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) кладки и оценку предельной поперечной нагрузки по несущей способности простенка [1]. Расчет ведется по трем критериям: деформационному, критерию устойчивости и критерию прочности.
Известно, что огнеупорная кладка простенка хорошо сопротивляется сжатию и плохо - растяжению, прежде всего из-за наличия швов, заполненных мертелем, малопрочным на растяжение. В расчетах это учитывается третьей теорией прочности. Предельные растягивающие напряжения кладки 50-80кПа соответствуют промышленной печи с высотой камеры 5,5 м, которую считают базовой [2]. При расчете кладка рассматривается как сплошная среда, причем в каждой ее точке растягивающее напряжение не может быть больше некоторой величины б. Прочность динаса на сжатие достигает значительной величины (до 20 МПа) и это определяет второе условие прочности кладки.
Для расчета простенка по третьей теории прочности, которая вполне справедливо является базовой для такого рода расчетов, критерий прочности для плоского напряженного состояния имеет вид [3]:
Применяются различные схемы и модели для расчета простенка. Наиболее распространены упругие модели сжато-изогнутых балок, предложенные В.Алерсом [4,5], отличающиеся тем, что согласно первой модели материал одинаково сопротивляется сжатию и растяжению, а по второй - не сопротивляется растяжению, т.е. допускается, что в тех местах кладки, где по расчету могли бы возникнуть "растянутые" зоны, появляются трещины отрыва.
По первой модели простенок можно рассматривать как вертикальную, жестко защемленную по краям балку, которая воспринимает поперечную равномерно распределенную нагрузку, собственный вес балки и вес перекрытия печей.
Практика показала, что рассчитанные по этой модели максимальные сжимающие напряжения по абсолютной величине будут на порядок меньше прочности динаса на сжатие. В таком случае в рамках данной схемы невозможно объяснить появление дефектов в процессе эксплуатации кладки.
По второй модели простенок представлен как балка переменной жесткости с криволинейной осью, которая соединяет центры тяжести сжатых зон поперечных сечений. Но на практике, кладка способна выдержать более высокие значения нагрузок, чем полученные в результате расчета по данной схеме. Это дает повод предположить, что простенок способен в течение некоторого промежутка времени сопротивляться растягивающим напряжениям. Допустить способность кладки в течение некоторого промежутка времени сопротивляться без образования трещин вертикальным растягивающим напряжениям, уровень которых соответствует smax*, позволяет модель обогревательного простенка печной камеры в виде ортотропной плиты, предложенная М.Г.Скляром, Ю.С.Васильевым, А.И.Вирозубом и другими [6]. Используя эту модель, возможно оценить как вертикальную, так и горизонтальную устойчивость кладки, определить величину необходимого анкерного усилия.
Очевидно, что устойчивость кладки обогревательных простенков зависит не только от величины растягивающих напряжений, но и от конкретной конструкции перевязок, свойств динаса, мертеля и т.д. Однако авторами [6] не предусмотрен учет всех этих факторов и поэтому нельзя определить, какую величину растягивающих напряжений может выдержать кладка при длительной эксплуатации и, следовательно, реально оценить ее ресурс.
Если появление трещин отрыва в кладке обусловлено наличием растягивающих напряжений, превышающих допустимый уровень, то "подрезы" кладки развиваются в тех зонах простенка, где сжимающие напряжения и средний уровень температур достаточны для появления ползучести. В условиях циклического нагружения анализ перераспределения напряжений в опасной зоне приводит к весьма сложным расчетам. В этой связи предложено использовать деформационный критерий прочности. Экспериментальные исследования по определению высокотемпературной ползучести динаса [7,8], а также анализ расчетов предельной деформации для коксовых батарей с различной высотой камер подтверждают предположение о достижении материалом кладки критической величины - 0,4 %.
М.Ю. Посохов, В.П.Федотов и др. [9] считают разработки по теории ресурсной прочности упруго-хрупких тел, основанные на расчетах накопления и распределения в объеме необратимых деформаций, в том числе за пределами упругих свойств материала, адекватными физической природе, свойствам и условиям службы огнеупорной кладки коксовых печей. В соответствии с реальными условиями параллельно (для ряда вертикальных и горизонтальных сечений) решаются две двумерные задачи кратковременной и длительной прочности.
Однако необходимо отметить , что даже при соответствующей доработке известные методики расчета кирпичной кладки, суть которых изложена выше, по нашему мнению, не могут быть применены непосредственно для расчета крупноблочного простенка из огнеупорного бетона в связи со следующими существенными особенностями процесса его эксплуатации и разрушения [10-12]:
наличие в начальный период эксплуатации большого количества различных дефектов, что следует учитывать, принимая предельные прочностные характеристики;
возникновение магистральной трещины для крупноблочной кладки еще не означает наступление предельного состояния по критерию прочности;
специфический характер процесса "разрушения-упрочнения" блочной кладки, когда в ходе эксплуатации батареи происходит исчезновение мелких трещин, т.е. наблюдается "самозалечивание" бетона;
блоки обладают существенной прочностью на растяжение, значительно превышающей эту характеристику для обычной кладки, а разрушение крупноблочной кладки по швам без разрушения блока невозможно, что обусловлено конструкцией простенков;
значительные поверхностные дефекты со стороны камер коксования, которые возникают при суммарном воздействии градиента температур, неоднородности структуры бетона, механического износа, химических процессов на поверхности блоков.
С учетом изложенных выше особенностей для крупноблочной кладки сформулированы критерии ее предельного состояния, т.е. критерии отказа:
условие совместной работы блоков по швам;
условие прочности при суммарном действии продольных и поперечных сил и изгибающих моментов.
Наконец, главное: все описанные выше известные подходы и методики оценки НДС простенка предполагают оперирование детерминированными величинами, значения которых однозначно и достаточно точно определены. Такое предположение справедливо только в том случае, если процесс проектирования, изготовления и эксплуатации конструкции очень хорошо контролируется и полностью соблюдаются все регламентированные нормы. Но это, как правило, не соответствует действительности. Запас прочности, применяемый при такого рода расчетах, является или завышенным или заниженным. Только когда значение коэффициента запаса задано на основе большого опыта применения аналогичных конструкций, он бывает хорошо обоснованным. Кроме того, конструктивные параметры и нагрузки часто являются случайными величинами, имеющими большой разброс, что не учитывается в традиционных методах расчета.
Наиболее близкие к реальности результаты расчета, учитывающие перечисленные выше особенности эксплуатации и разрушения крупноблочного простенка, можно получить, применив вероятностный подход. Вероятностные прочностные расчеты позволяют оценить характеристики надежности объекта. При таком подходе нагрузка и прочность - случайные величины, характеризующиеся соответствующими функциями плотностей распределения и математическими ожиданиями. Безотказность кладки R - это вероятность P того, что прочности не будут меньше нагрузок с учетом их дисперсий.
Аналогичная методика расчета апробирована в [13] для оценки поведения рабочих масс в различных тепловых агрегатах.
Ясно, что основной трудностью в реализации такого подхода является необходимость проведения значительного объема статистических исследований для определения численных значений величин, входящих в уравнение (6). В то же время использование этого подхода дает возможность оценить вероятность предельного состояния любой конкретной зоны простенка и гарантировать с заданным уровнем надежности учет всех непредвиденных (случайных) ситуаций и влияний, приводящих к отказу простенка в ходе эксплуатации. Такая вероятностная оценка опасности разрушения соответствует зонному характеру разрушения кладки и реальному случайному распределению прочностей и нагрузок, свойственных реальному объекту, а ее реализация стала возможной благодаря современной вычислительной технике.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК