Increasing of reliability of units of thermal aggregates.

Повышение надежности стыковочных узлов тепловых агрегатов.

автор: Федоренко О. В.; научный руководитель: доц. Топоров А.А.

Сборник докладов IV Международной научной конференции аспирантов и студентов "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" – Донецк:ДонНТУ, 2005.

          Поиск возможностей повышения надежности тепловых агрегатов в последнее время становится все более актуальным [1-3]. 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) 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 – 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. 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 [4,5]. 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.2).

          Рисунок 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 [6]. В качестве параметра принят показатель прочности элементов узла, для огнеупорных элементов – это предел прочности на растяжения, для металлических элементов – предел выносливости:

         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.

         Для определения температурного состояния узла, использована двумерная математическая модель.

          В результате исследования результатов математической модели температурного состояния элементов узла головочной части простенков получены необходимые исходные данные для нахождения tmax-tmin 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 %

         Результаты расчета по критериальному уравнению представлены полями распределения показателя прочности различных участков придверной зоны печи ( рис.3)

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

          Рисунок 3 – 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.

         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.