Автореферат

• давление перерабатываемого материала и газов, образующихся в процессе переработки;

• нагрузки от воздействия обслуживающих машин;

• температурные перепады при загрузке – выгрузке материала;

• воздействие агрессивной среды при высоких температурах;

• при изменении направления тепловых потоков в отопительной системе.

         Кроме того, в узлах протекают термомеханическне процессы, представляющие собой взаимодействие элементов в переменном температурном поле при циклическом нагреве и охлаждении, в результате чего происходит изменение напряженно-деформированного состояния с постепенным разрушением материала. Это усложняет учет влияния перечисленных выше факторов на состояние элементов узла.

         В связи с этим, при разработке принципиально новых тепловых агрегатов различных отраслей промышленности для обеспечения повышенных требований по надежности и герметичности необходимо уже на стадии проектирования прогнозировать работоспособность стыковочных узлов.

         Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Произвести анализ существующего состояния проблемы обеспечения надежности.

2. Произвести оценку работоспособности наиболее ненадежного стыковочного узла коксовой печи – головочной зоны простенка – с помощью критериальных уравнений.

3. Разработать и исследовать математическую модель распределения механических напряжений и температур в элементах узла для получения численных критериев работоспособности.

4. На основе результатов оценки состояния стыковочных узлов по критериальным уравнениям разработать технические решения, повышающие их надежность.

          За объект исследования принята придверная зона простенков коксовой печи, так как согласно статистической информации по работе газоопасных узлов [1] она находится в наиболее неблагоприятных условиях. На сравнительно ограниченной в пространстве зоне сконцентрировано до 80 - 85% отказов элементов коксовой батареи.

          Поиск возможностей повышения надежности тепловых агрегатов в последнее время становится все более актуальным [2-5]. В тепловых агрегатов коксохимического, металлургического, огнеупорного производств присутствуют узлы стыковки огнеупорных и металлических элементов, обеспечивающие загрузку – выгрузку сырья и продукта, отвод – подвод газов, контроль, очистку, ремонт и т.д.

          Стыковочные узлы находятся в контакте с внутренними рабочими объемами и внешней средой и работают в условиях постоянных температурных перепадов, механических и химических воздействий. Типичные конструкции стыковочных узлов, условия их работы, механизм разрушения были рассмотрены на примере коксовой печи V=41,6 м³ . В коксовых печах имеется несколько таких конструкций:

• узел загрузочного люка, включающий такие элементы как участок кладки перекрытия камер коксования, раму и футерованную крышку люка;

• узел газоотводящего люка – футерованный стояк, примыкающий к кладке перекрытия камер коксования;

• узел элементов головочной зоны простенков коксовых печей – участок кладки первых двух-трех отопительных каналов, примыкающие к ней брони, рамы, двери, анкерные колонны;

• узел элементов газоподводящей арматуры – кладка подового канала регенератора и кладка дымовых каналов борова, газовоздушный клапан.

         Анализ различных конструкций стыковочных узлов тепловых агрегатов показал, что их можно свести к двум основным схемам ( рис.1.1 ):

          1) тип « крышка» – для разъемных соединений;

          2) тип « труба в кладке» – для неразъемных соединений.

         а – схема “труба в кладке”, б – схема “крышка”;

          1 – труба, 2 – кладка печи, 3 – окно рециркуляции, 4 – футеровка, 5 – загрузка, 6 – элементы амирования кладки, 7 – кладка перекрытия, 8 – крышка, 9 – вертикал, 10 – смотровая шахточка.

          Рисунок 1.1 – Конструктивные схемы стыковочных узлов тепловых агрегатов

          Общей для всех этих конструкций является проблема обеспечения надежности и герметичности.

          Прогибы элементов армирования кладки, корпусов дверей, крышек, люков приводят к разгерметизации узлов [6]. Несовершенство конструкции уплотнений стыковочных узлов приводит к возникновению значительных температурных перепадов в кладке и интенсивному загрязнению металлических элементов смолистыми продуктами коксования. Степень разрушения элементов стыковочных узлов бывает столь значительна, что приводит к нарушению герметичности агрегата, к затруднениям при выдачи продукта из печей, существенному ухудшению его качества, а иногда к авариям с большими экономическими потерями и выбросами в окружающую среду. Кроме того, даже незначительные нарушения работоспособности стыковочных узлов создают техногенную нагрузку вследствие газопылевых и тепловых выбросов. Таким образом, повышение надежности элементов стыковочных узлов позволит обеспечить долговечность всего агрегата, улучшить экологическую обстановку на предприятии.

          Из всех вышеперечисленных стыковочных узлов в наиболее неблагоприятных условиях находится придверная зона простенков (рис.1.2). Основные виды дефектов рассматриваемой зоны вы можете увидеть на фотографиях [6].

          Рисунок 1.2 – Головочная зона простенков коксовых печей.

          Хотя удельные выбросы в атмосферу через головочную зону коксовой печи составляют только 2-3% от всех выбросов коксохимического производства, но они являются наиболее токсичными из-за содержания полициклических ароматических соединений (коэффициент агрессивности фенола 310 усл.ед.). Кроме того, известно, что для всех ремонтируемых простенков коксовых батарей более 70% дефектов кладки сконцентрировано в зоне первых трех отопительных каналов с машинной и коксовой стороны [1]. К этой наиболее уязвимой зоне кладки примыкают брони, рамы, анкерные колонны и двери. На сравнительно ограниченной в пространстве зоне сконцентрировано до 80 - 85% отказов элементов коксовой батареи.

         Для обеспечения требуемого уровня надежности головочной зонты простенков коксовых печей необходимо обосновать и обеспечить оптимальное сочетание эксплуатационных характеристик всех её элементов с учетом их взаимосвязи внутри системы. Для полной оценки надежности стыковочных узлов необходима система критериев работоспособности конструкции, учитывающая влияние конструктивных и температурно – механических факторов. Для получения численных значений критериев работоспособности необходимо разработать и исследовать математическую модель температурного и напряженно–деформированного состояния узла.

         Оценку работоспособности стыковочных узлов на любом этапе эксплуатации агрегата проводим по критериальному уравнению [7]. В качестве параметра принят показатель прочности элементов узла, для огнеупорных элементов – это предел прочности на растяжения, для металлических элементов – предел выносливости:

         Критерий для оценки прочности элементов:

         Данное уравнение представляет собой критерий разрушения, который позволяет оценить состояние каждого элемента системы в любой его точке на соответствие пределу прочности или выносливости. Критерий разрушения будет выполняться, если механические напряжения, действующие в элементах не превысят предел прочности, ослабленый комплексной функцией К₁, т.е. показатель прочности для работоспособных элементов должен быть меньше 1.

         В качестве влияющих факторов использовали следующие:

• температурный, представленный максимальной температурой tmax и температурным перепадом t_max- t_min;

• механический – действующие напряжения б^м;

• технологический – время работы коксовой печи Т, скорость поверхностного разрушения v_s;

• конструктивный: характерный размер l.

          В общем виде критерий разрушения представляет собой регрессионное уравнение:

         Оценка состояния стыковочных узлов по критериальному уравнению позволит выявить неработоспособные участки и моменты времени их отказа.

          3.2 Описание математической модели для определения температурного состояния стыковочного узла

         Для определения температурного состояния узла использована двумерная математическая модель.

          В результате исследования математической модели необходимо получить данные для расчета по критерию работоспособности, а именно значения в каждой точке узла в любой момент времени на протяжение всего периода коксования.

          Допущения и ограничения:

          - двухмерность модели исследуемого распределения температур в плоском сечении узла по двум пространственным координатам X₁, Х₂;

          - узел симметричен, поэтому рассматриваем ситуацию только в части узла;

          - упрощение металлоконструкции узла;

          - наличие газового зазора (в этом зазоре учтен теплообмен между остальными элементами узла, излучением и конвекцией).

         Исследование проведено в два этапа. На первом этапе тепловые процессы в элементах узла моделируются в плоском сечении камеры, захватывающем несколько отопительных каналов. На втором этапе учтена теплопередача от кладки к металлу через футеровку, и потери тепла в окружающее пространство через наружную поверхность двери. Для реализации этих уравнений выполнена их конечно-разностная аппроксимация и использован метод переменных направлений.

          3.3 Разработка математической модели напряженно – деформированного состояния узла.

         Для определения действующих механических напряжений разработана математическая модель напряженно – деформированного состояния узла. Первым этапом было создание объемной схемы модели. Для этого использовалась программа «КОМПАС 3D V6 PLUS» (рис.3.1).

          Рисунок 3.1– 3D модель двери коксовой печи

         В качестве основных операций для построения применялись: выдавливание площадей, вырезание и приклеивание.

         Определение расчетных напряжений производилось при помощи программы «Cosmos» методом конечных элементов.

          Исходные данные для расчета действующих напряжений в элементах стыковочных узлов приведены в таблице 3.1.

         Таблица 3.1 - Исходные данные для расчета действующих напряжений

         Напряжения определены для типичного случая распределения нагрузок в элементах придверной зоны в процессе коксования. На корпус двери действует усилие запирания ригельного винта Р, на футеровку двери – распределенная нагрузка от давления перерабатываемого материала q.

         4.1 Исследование математической модели температурного состояния узла

          В результате исследования результатов математической модели температурного состояния элементов узла головочной части простенков получены необходимые исходные данные для нахождения t_max - t_min в каждой точке узла.

          Анализ показывает, что наибольший температурный перепад имеет место в конце периода коксования, когда температура внутренней поверхности двери достигает максимума.

          Было установлено, что изменение толщины корпуса двери и кирпичедержателя не приводит к улучшению температурной ситуации. Наибольшее влияние на температурный перепад из всех элементов придверной зоны оказывают размеры простенка и футеровки двери. При изменении длины головки простенка на 200 мм температурный перепад в зоне стыковки двери и кладки простенка уменьшается на 30 % (рис.4.1).

          Рисунок 4.1– Распределение перепадов температур в стыковочных узлах.

          4.2 Исследование математической модели напряженно – деформированного состояния узла

          В результате исследования математической модели напряженно – деформированного состояния элемента узла получено распределение действующих механических напряжений. Полученные значения напряжений использовались для определения критерия прочности по регрессивным уравнениям (см. подраздел 3.1)

          4.3 Оценка работоспособности узла по критериальному уравнению

         В данном разделе произведен анализ работоспособности головочной зоны простенка коксовой печи по критериальному уравнению (см. подраздел 3.1)

          Исходные данные для расчета представлены в таблице 4.1.

         Таблица 4.1 – Исходные данные для расчета по критериальному уравнению

         Результаты расчета по критериальному уравнению представлены полями распределения показателя прочности различных участков придверной зоны печи ( рис.4.2)

         а – через 1 год; б – через 10 лет.

          Рисунок 4.2 – Выявление неработоспособных участков стыковочного узла.

         Из поверхностной диаграммы видно, что через 10 лет прочность металла и футеровки еще сохраняется, а прочность материала кладки печи снижается настолько, что небольшие механические напряжения, действующие в этой зоне, приводят к разрушению.

         В данной работе проведен анализ работоспособности работающего в наиболее неблагоприятных условиях стыковочного узла коксовой печи – придверной зоны простенков.

         Головочную часть коксовой печи следует рассматривать как основную составляющую в системе элементов коксовой батареи, которая определяет надежность и экологичность всей системы.

         Это выражается в следующем:

1. Для всех ремонтируемых простенков коксовых батарей более 70% дефектов кладки сконцентрировано в зоне первых трех отопительных каналов с машинной и коксовой. На сравнительно ограниченной в пространстве зоне сконцентрировано до 80 - 85% отказов элементов коксовой батареи.

2. Головочная зона простенков коксовых печей испытывает целый спектр циклически действующих механических нагрузок – действие выталкивающей штанги, двересъемного устройства, механизма чистки дверей и рам; давление перерабатываемой массы и коксового газа.

3. Перечисленные температурные и механические воздействия обостряют влияние на элементы перерабатываемой среды – агрессивного коксового газа, образивной шихты; ухудшает положение попадающая из неисправных стояков аммиачной воды.

4. Элементы головочной зоны коксовых печей, работая в области высоких температур, постоянно испытывают глубокие температурные перепады. Ситуация еще более усугубляется при газовании и горении элементов.

         Для полной оценки надежности узла использована система критериев работоспособности конструкции, учитывающая влияние конструктивных, температурно-механических и технологических факторов. Для получения численных критериев работоспособности была разработатана и исследована математическая модель температурного и напряженно-деформированного состояния узла. Установлено, что после 10 лет эксплуатации прочность металла и футеровки еще сохраняется, а прочность кладки снижается настолько, что небольшие механические напряжения приводят к ее разрушению. При исследовании математической модели температурного состояния узла установлено, что изменение толщины корпуса двери и кирпичедержателя не приводит к улучшению температурной ситуации. Наибольшее влияние на температурный перепад из всех элементов придверной зоны оказывают размеры простенка и футеровки двери. При изменении длины головки простенка на 200 мм температурный перепад в зоне стыковки двери и кладки простенка уменьшается на 30 %.

         Таким образом, применение критериев работоспособности позволит исследовать влияние каждого из конструктивных и температурно-механических факторов на работоспособность узлов и на этапе проектирования новых конструкций прогнозировать долговечность всего теплового агрегата.

1. Парфенюк А.С. О повышении эксплутационной надежности конструктивных элементов головочной зоны простенков коксовых печей // Кокс и химия. 1998. №7. с. 21-25.

2. Продление срока службы коксовых батарей. По материалам 4-го Европейского конгресса по коксохимическому и доменному производствам // Кокс и химия. 2001. №4. с. 21-25.

3. Ухмылова Г.С. Программа продления срока службы кокосовых батарей // Кокс и химия. 1997. №4. с. 15-19.

4. Филатов Ю.В., Сурин Р.Н. Безаварийная эксплуатация конструкций зданий и сооружений предприятия на основе внедрения новых материалов и технологий // Кокс и химия. 2003. №11. с. 27-30.

5. Технические и экологические аспекты создания и совершенствования коксовых машин и оборудования в современных условиях // Кокс и химия. 1999. №2. с.18-21.

6. http://masters.donntu.ru/2002/feht/tretyakov/diss/magwork.htm Повышение уровня техногенной безопасности тепловых агрегатов для переработки твердых углеродистых отходов.

7. Алексеева О.Е., Власов Г.А., Парфенюк А.С., Топоров А.А. Критериальная оценка работоспособности стыковочных узлов тепловых агрегатов // Математические методы в технике и технологиях. Сборник трудов XV Международ. науч.конференции. Т.4. Тамбов: ТГТУ, 2002. С.93-96.