Содержание
Введение
1. Литературный обзор
1.1 Конструкция и принцип действия трубчатых печей
.2 Износ печного оборудования
.3 Изменение механических и металлографических свойств металла печных труб в процессе эксплуатации
2. Теоретические основы проектирования и моделирования систем
.1 Оптимизация конструкции трубчатого змеевик
.2 Методы исследования трубчатого змеевика
.3 Этапы проектирования
2.4 Проектирование технических систем
2.5 Теоретические основы проектирования технических систем
.6 Требования к изготовлению конструкций
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
. Моделирование напряжено-деформированного состояния с учетом термосилового нагружения. Разработка модели и ее анализ
.1 Проектирование змеевика в программном обеспечении SolidWorks 3.2 Моделирование змеевика в программном обеспечении Ansys
4. Обобщение исследований
4.1 Анализ результатов
Заключение
Список использованных источников
Введение
К наиболее важному технологическому оборудованию на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности относится трубчатая печь. Трубчатая печь — это высокотемпературное технологическое оборудование с камерой, не имеющее контакта с окружающей средой. Ее назначением является нагрев углеводородного сырья, осуществления высокотемпературных термических и химических процессов.
Трубчатые печи позволяют проводить нагрев среды до более высоких температур, чем при нагреве паром. Для хорошей работы печи необходимо правильно ее спроектировать, а это требует значительных капитальных вложений. Но расходы быстро окупаются, так как стоимость тепла производимой печью дешевле, чем при других видах проведения высокотемпературных процессов. Это достигается за счет использования в качестве топлива продуктов отходов различных процессов.
Змеевики трубчатых змеевиков являются наиболее ответственными элементами, от которых зависит надежность и безопасность эксплуатации печей. Методы расчета основаны на обеспечении прочности только отдельных труб и таких элементов, как отводы и переходы, при этом не рассматривается геометрия трубного экрана, неравномерность температурного поля, неравномерность утонения стенки и изменение свойств металла и т.д., а также возможное термодеформирование труб, частичное разрушение кронштейнов и подвесок.
Прочностной анализ трубчатого змеевика как системы, имеющую сложную геометрическую конфигурацию с различными конструктивными элементами выполнялся при помощи метода конечных элементов. Это позволяет получить точную оценку напряженно-деформированного состояния змеевика с учетом рабочих термосиловых нагрузок и реализован в программном комплексе ANSYS.
Цель работы:
Разработать расчетную модель змеевика трубчатой печи, позволяющую оценить прочность любой конструкции змеевиков с учетом термосилового нагружения. Разработать критерии оптимизации конструкции змеевика с учетом пространственного его положения.
Задачи и исследования:
1. Провести литературный обзор.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
. Разработать трехмерные модели змеевиков, применяемых в современных трубчатых печах.
. Разработать начальные и граничные условия.
. Провести численное моделирование термосилового нагружения змеевиков, определить критерии оптимальности конструкций.
Научная новизна:
1 Эксперементальными исследованиями были определены необходимые параметры для расчета змеевика.
На основе конструктивных и численных моделирований представлена модель в напряженно-деформированном состоянии, и выделены опасные участки конструкции.
Практическая ценность
С помощью численного моделирования можно определить и обеспечить прочность конструкции
Апробация работы.
Основные материалы диссертации представлены:
на 68 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 1 статья в ведущем российском журнале, а также 1 тезис.
1. Литературный обзор
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Основная часть нефтегазохимического оборудования представляет собой конструкции оболочкого типа. К ним относятся и трубчатые печи. Условия эксплуатации такого оборудования характеризуется повышенной температурой, давлением и коррозионной активностью рабочей среды. В процессе эксплуатации в металле конструктивных элементов оборудования происходит постепенное накопление необратимых повреждений и по истечении определенного времени возможны преждевременные их разрушения.
В условиях интенсивного развития нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности одной из актуальных задач является повышение эффективности эксплуатации применяемого в отрасли топливо использующего оборудования, в особенности трубчатых печей, так как затраты связанные с ними составляют около четверти от стоимости всей технологической установки. Трубчатые печи являются основными аппаратами технологических установок нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) и основными потребителями топлива. На их долю приходится примерно 10 % газообразного и жидкого топлива от общего количества перерабатываемой нефти. Процесс сжигания топлива сопровождается высокой температурой. В связи с этим особую важность приобретает определение влияния температуры на элементы печи, что в свою очередь подразумевает повышение эффективности работы печи в целом.
.1 Конструкция и принцип действия трубчатых печей
Классификация печей
Классификация печей — это упорядоченное разделение их на классы, виды, типы и определение закономерных связей между ними. Она необходима для кодирования, хранения и поиска информации, которую она несет, дает возможность обобщения и распространения опыта, полученного теорией и практикой эксплуатации печей в промышленности, в виде комплексных типовых решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них технологических и химических процессов [1].
Основными по степени существенности основаниями для классификации печей в логической последовательности являются следующие признаки:
технологические;
теплотехнические;
конструктивные.
Классификация печей представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 — Классификация печей
Технологические признаки.
По технологическому признаку печи делятся на нагревательные и реакционно-нагревательные. В нагревательных печах основной целью является нагрев сырья до заданной температуры. Характерными особенностями являются высокая производительность и умеренные температуры нагрева (300…500°С) углеводородных сред. Наиболее распространены на установках АТ, АВТ, ГФУ. Для реакционно-нагревательных печей кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции. Данные печи используется многими нефтехимическими производствами в качестве реакторов для одновременно нагрева и перегрева сырья. Областью применения являются установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и другие. Это связано с тем, что рабочие условия на этих установках отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью[2].
Теплотехнические признаки.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
По теплотехническим признакам печи бывают:
на конвективные;
радиационные;
радиационно-конвективные.
Конвективные печи.
Конвективные печи относятся к одним из старейших типов печей. Они являются своеобразным переходным звеном от нефтеперегонных установок к печам радиационно-конвективного типа. В настоящее время эти печи практически не применяются, так как требуют значительных финансовых затрат. Их применяют только в тех случаях, когда требуется нагреть чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами. Она состоит из двух основных частей — камеры сгорания и трубчатого пространства, которые разделены друг от друга перегородкой, так чтобы трубы не подвергались прямому воздействию огня.
Для предотвращения прожога начальных рядов труб, на которые воздействуют нагретые до высоких температур дымовые газы из камеры сгорания, и поддержания коэффициента теплоотдачи в значениях, приемлемых по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительный избыток воздуха или 1,5…4-кратная рециркуляция охлажденных дымовых газов, отводимых из трубчатого пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания. Дымовые газы проходят через трубчатое пространство сверху вниз. По мере уменьшения температуры газов равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом обязательным условием является сохранение постоянной объемной скорости продуктов сгорания [3].
Радиационные печи.
Все трубы, через которые проходит нагреваемый продукт, помещены на стенах камеры сгорания. Из-за этого у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных. Все трубы подвергаются прямому воздействию сильно нагретой газообразной среды. Этим достигается:
а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;
б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам. В основном закрывать все стены и свод трубами не нужно, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб. Данные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью. Радиационные печи применяются только в тех случаях, когда требуется нагреть вещества до сравнительно малых температур (приблизительно до 300 °С), при их малом количестве, и когда необходимо затратить малое количество капитала [4].
Радиационно-конвективные печи.
В радиационно — конвективной печи имеются две отделенные друг от друга секции: радиационная и конвективная. Значительная часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60…80 % всего использованного тепла), остальное — в конвективной секции. Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900°С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350…500°С (соответственно температуре перегонки). Величина конвективной секции рассчитывается с таким расчетом, чтобы температура выходящих продуктов сгорания, была почти на 150°С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому нагрузка от тепла труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью теплообмена — поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п. В настоящее время преобладающее большинство эксплуатируемых на нефтеперерабатывающих заводах печей занимают радиационно-конвекционными[5].
Конструктивные признаки.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
по форме каркаса:
а) коробчатые ширококамерные, узкокамерные;
б) цилиндрические;
в) кольцевые;
г) секционные.
-по числу камер радиации:
а) однокамерные;
б) двухкамерные;
в) многокамерные.
— по расположению горелок:
а) боковое;
б) подовое.
— по топливной системе:
а) на жидком топливе;
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
б) на газообразном топливе;
в) на сжиженном и газообразном топливе.
— по способу сжигания топлива:
а) факельное;
б) беспламенное.
— по расположению дымовой трубы:
а) вне трубчатой печи;
б) над камерой конвекции.
— по направлению движения дымовых газов:
а) с восходящим потоком газов;
б) с нисходящим потоком газов;
в) с горизонтальным потоком газов [6].
Принцип работы трубчатой печи и функции змеевика
Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются рабочая камера (радиация, конвекция), трубчатый змеевик (рис. 1.2), огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Рисунок 1.2 — трубчатый змеевик
Однако, в данной работе рассматривается и рассчитывается змеевик как цельная конструкция, т.е. не разделяя змеевик на его элементы (трубы, отводы, переходы).
Печь работает следующим образом. Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации.
Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи [7].
Тепловое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи, является одним из основных технологических приемов, ведущих к получению заданных целевых продуктов.
Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания. Передача тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи. Тепло, переданное в этой секции конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, т. к. скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только местной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна.
Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей.
Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Поверхность футеровки радиационной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик, 60…80 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное — в конвективной секции [8].
Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи. Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900 °С. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов.
Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью — поперечными или продольными ребрами, шипами и т. п.
Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании [9].
Принцип действия печи следующий. Топливо сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или полу камеры радиации. Продукты сгорания (газы) топлива из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу.
Сырье, которое необходимо нагреть одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретое до нужной температуры, выходит из печи.
Термическое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи необходимо для получения заданных целевых продуктов.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Основной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания.
Передача тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи.
Тепло, передаваемое конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, так как скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только локальной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна [10].
Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей. Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Футеровка радиантной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик. Около 60…80 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное — в конвективной секции. Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи. Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900 °С. В камере конвекции, тепло к сырью передается в основном конвекцией.
Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании [11].
Принято считать, что металл трубчатых печей нефтехимических установок, под воздействием температурно-временных факторов, рабочих сред и напряжений претерпевает структурные и фазовые превращения, что, в конечном счете, приводит к деградации служебных свойств. В методике АО ОТ ВНИИнефтемаш в основу содержания работ по оценке технического состояния печи, при соблюдении требований по режиму работы и безопасной эксплуатации, положены представления о возможных отказах, имеющих следующие причины:
наличие в металле, сварных или вальцованных соединениях дефектов, возникших при изготовлении, монтаже, ремонте или эксплуатации, развитие которых может привести к разрушению основных нагруженных элементов печи;
изменения геометрических размеров и формы элементов (в результате высокотемпературной пластической деформации, коррозионного и эрозионного износа и т.д.) по отношению к первоначальным вызывающим превышение действующих в материале напряжений над расчетными;
изменение структуры и механических свойств металла и сварных соединений в процессе высокотемпературной длительной эксплуатации, которые могут привести к снижению конструктивной прочности основных элементов печи [12].
.2 Износ печного оборудования
Причины аварий
К одним из самых опасных видов производств относятся нефтеперерабатывающие, нефтехимические и химические заводы. Это связано не только с тем, что на них перерабатывается, производится, хранится большое количество опасных веществ, но и с близким расположением населенных пунктов. Также особую опасность представляет «плотная» застройка установок, что создает дополнительную угрозу возникновения техногенной опасности. Одним из главных критериев при оценке и обеспечении промышленной безопасности в нефтепереработке является проведение анализа безопасности эксплуатации производства. В связи с этим, для качественной оценки причин аварий необходимо проводить анализ статистических данных (таблица 1.1).
Таблица 1.1- Статистика аварий за 2008-2014 годы
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Анализ причин аварий.
Причины аварий в нефтеперерабатывающей промышленности делятся на две категории: организационные и технические. Техническими причинами возникновения и развития аварий являются неудовлетворительное состояние технических устройств, а также несовершенство технологий или конструктивные недостатки. K организационным причинам относятся: нарушение технологии переработки, неорганизованность плана работ, неэффективность производственного контроля, намеренное отключение средств противоаварийной защиты, не соблюдение требований промышленной безопасности, несанкционированные действия исполнителей работ. На организационные причины приходится более 70% аварий [13].
Как показывает статистика, значительная часть аварийных ситуаций также связана с износом оборудования и проведением ремонтных работ подрядными организациями, нарушения руководством предприятий требований законодательства в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах.
Причины возникновения аварий на НПЗ, связанные с оборудованием, расположенным на открытых площадках, представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 — Причины аварий на площадках
Пожаровзрывоопасность отдельных блоков наружных технологических установок определяется характером сырья, готовой продукции, параметрами технологического процесса и особенностями оборудования. Отдельные элементы схем, например, открытые трубчатые печи, являются источниками не только образования взрывоопасных смесей, но и их воспламенения [14]. Распределение количества аварий по видам оборудования представлено в таблице 1.3.
Таблица 1.3 — Распределение количества аварий по видам технологического оборудования
Трубы и двойники трубчатых печей технологических установок работают в очень жестких условиях, особенно при переработке сернистых, агрессивных нефтей и их продуктов. В процессе эксплуатации наблюдаются следующие основные виды износа:
износ труб по внутренней поверхности, т. е. увеличение внутреннего диаметра; утончение стенки трубы; при этом в местах развальцовки и в непосредственной близости к двойнику наблюдается наиболее интенсивный износ;
износ печных труб по наружной поверхности, образование окалины, а затем сетки криппа;
увеличение наружного диаметра труб (отдулины); прогары их;
износ отбуртовки труб;
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
деформация (прогиб) печных труб из-за обрыва подвесок;
для двойников наблюдается износ по внутренней поверхности.
Перечисленные виды износа являются наиболее частыми причинами замены труб в печах различных технологических установок и связаны с целостностью или прочностными свойствами трубы. Кроме того, замена трубы возможна вследствие выхода из строя трубы смежной по двойнику или износа двойника.
Важнейший и ответственный элемент печи — трубчатый змеевик, который изготавливается из бесшовных цельнонатянутых труб, соединенных между собой с помощью двойников или сварных калачей. Он работает в весьма жестких условиях: наружная сторона испытывает термическое и окисляющее действие топочных газов, износ его внутренней поверхности зависит от агрессивности перерабатываемого сырья. Наиболее важным является образование и отложение на стенках змеевика продуктов глубокого уплотнения — кокса и сажи. При высоких температурах эксплуатации в трубах печей происходит интенсивное науглероживание их внутренней поверхности за счет диффузии углерода из кокса. Науглероживание металла ведет к резкому снижению его пластичности и охрупчиванию, изменению прочностных свойств и медленному, постепенному изменению структуры. Это приводит к выходу труб из строя [15].
1.3 Изменение механических и металлографических свойств металла печных труб в процессе эксплуатации
В печах некоторых установок есть большие зоны, трубы которых работают более 10-11 лет и находятся в хорошем состоянии (при визуальном наблюдении). Еще в большей степени это относится к двойникам, срок службы которых для целого ряда установок доходит до десятков лет [16].
Однако в металле труб могут происходить медленные, постепенные изменения свойств, которые с течением времени могут привести к внезапному выходу труб из строя.
С этой целью были исследованы механические и металлографические свойства образцов из 105 труб печей различных технологических установок; образцы были взяты из труб, удаленных либо из-за износа по внутренней поверхности, либо из-за появления отдулин, сетки криппа, прогаров.
Испытание металла труб на растяжение проводилось кратковременным способом. Механические испытания — при комнатной температуре.
На рисунках 1.3 — 1.9 представлены наиболее характерные изменения структур металла печных труб, а также структуры металла новой трубы из стали 15Х5М [5].
Рисунок 1.3 — Структура стали 15Х5М в новой трубе: феррит + точечный перлит, равномерно распределенный по всему полю. Балл зерна 8 х 500
Рисунок 1.4 — Структура стали 15Х5М в трубе правого подового экрана ПЛС установки термического крекинга, проработавшей 8 месяцев и удаленной, как сдвоенная
Рисунок 1.5 — Структура стали 15Х5М в трубе потолочного экрана ПТС установки термического крекинга, проработавшей 2 месяца и удаленной из-за появления отдулипы.
Ясно видна коагуляция структурных составляющих, выпадение карбидов в основном по границам зерен и ближе к границе зерен. Балл зерна 7 х 500
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Рисунок 1.6 — Сруктура стали 15Х5М в трубе подового экрана печи атмосферной части установки АВТ, проработавшей 3 года 9 месяцев и удаленной из-за появления сетки криппа
Рисунок 1.7 — Структура стали 15Х5М в трубе потолочного экрана печи атмосферной части установки АВТ, проработавшей 5 лет и удаленной из-за прогиба
Рисунок 1.8 — Структура стали 15Х5ВФ в трубе подового экрана печи II-2 установки селективной очистки масел (37/1), проработавшей 3 года 11 месяцев и удаленной из-за появления сквозных поперечных трещин
Рисунок 1.9 — Структура стали 15Х5М в трубе потолочного экрана печи П-2 установки 35/1, проработавшей 2 года 11 месяцев и удаленной из-за прогиба
Результаты испытаний механических и металлографических свойств металла труб позволяют сделать некоторые выводы.
У 26% всех исследованных труб наблюдается изменение металлографической структуры [17]:
коагуляция структурных составляющих;
выпадение карбидов по границам зерен, утолщение этих границ и некоторый рост зерна.
Во многих случаях наблюдается науглероживание металла труб с внутренней и обезуглероживание с наружной поверхности. В некоторых образцах отмечена деформация зерна, вытянутость его в направлении, перпендикулярном диаметру трубы. Наибольший процент труб с измененной структурой приходится на потолочные и подовые экраны ПТС (46,1%), так как именно в этих зонах металл труб подвергается воздействию наиболее высоких температур [18].
Однако изменение этих свойств во времени для разных установок неодинаково. Если для труб ПТС установок термического крекинга изменение структуры отмечается уже через 300-400 ч эксплуатации, то для труб других установок — через 8000 ч и более.
Таким образом, длительность эксплуатации имеет такое же влияние на изменение металлографических свойств, как и повышение температуры стенок трубы. При этом у 70% испытанных труб в печах всех рассмотренных установок структура металла не изменилась. Многие из этих труб проработали более 40000 — 60000 ч. Изменения металлографических свойств металла не оказывают заметного влияния на его механические свойства.
У 76% рассмотренных труб твердость либо осталась в пределах технических условий для нового металла, либо несколько понизилась. Наименьшая твердость 105 единиц, наибольшая — 514. 53% труб с повышенной твердостью имеет значительные нарушения микроструктуры (выпадение карбидов по границам зерен, утолщение границ зерен и т. д.). Из труб с пониженной и нормальной твердостью только 24% имеют нарушения в структуре.
Следует отметить, что наибольший процент труб (43,7%) с повышенной твердостью относится к потолочному экрану ПТС установки термического крекинга, т. е. к зоне с наиболее высокой температурой стенки трубы. Как правило, металл труб с повышенной твердостью имеет и повышенные значения временного сопротивления.
Таким образом, под воздействием высоких температур металл труб в печах как бы подвергается термической обработке: отжигу (или высокотемпературному отпуску) или улучшению. В первом случае твердость металла и его механические свойства несколько снижаются, во втором — повышаются [19].
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Надо подчеркнуть, что во всех рассмотренных случаях значения ударной вязкости, относительного удлинения и временного сопротивления были равны или несколько выше значений, предусмотренных техническими условиями для нового металла:
значение ударной вязкости было не ниже 14 Дж/м2;
относительное удлинение составляло 27 — 32%;
наименьшее значение временного сопротивления на разрыв лишь в одном случае оказалось ниже 40 кг/см2 и равнялось 36,2 кг/см2.
Таким образом, в процессе длительной нормальной эксплуатации труб из стали 15Х5М и Х5ВФ в печах всех рассмотренных технологических установок в металле не происходит значительных изменений металлографических и механических свойств, которые могут привести к его разрушению.
Целостность металла труб нарушается, как правило, вследствие значительного повышения температуры стенок труб из-за отложения кокса или солей на внутренних поверхностях труб или нарушения режима работы печи [20].
2. Теоретические основы проектирования и моделирования систем
.1 Оптимизация конструкции трубчатого змеевик
Для достижения высоких технико-экономических показателей работы трубчатых печей первостепенное значение имеет задача оптимизации конструкции трубчатого змеевика.
Оптимизация может проводиться по технико-экономическим показателям эксплуатации трубчатых печей в целом. В этом случае за критерии оптимизации могут приниматься такие как: минимум удельных затрат материалов при условии выполнения заданных характеристик и показателей надежности; обеспечение продолжительной и стабильной номинальной производительности установки; максимальный выход целевых продуктов при минимальном расходе топлива и энергетических ресурсов.
Одна из задач оптимизации конструкции змеевиков, которая состоит в вычислении оптимальной температурной траектории по длине змеевика при заданных технологических параметрах управления.
Большое количество аварий на трубчатых печах связано с разгерметизацией трубчатого змеевика и выбросом технологической среды в объем печи. В этой связи особое значение имеет оптимизация режимов с целью снижения вероятности отказов змеевика.
Другой аспект оптимизации лежит в области оптимального проектирования конструкции змеевика с целью снижения металлоемкости при обеспечении необходимых условий прочности и жесткости [21].
В работе обсуждается в наиболее общей форме задача реализации последовательности и содержания различных этапов процедур оптимизации змеевиков с использованием их математических аналогов, полученных путем компьютерного моделирования с использованием программных комплексов ANSYS. Определенны направления оптимизации змеевика и его критерии. Рассматривается алгоритмы оптимизации змеевика по заданной скорости выхода продукта из печи и обеспечения заданной прочности.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
2.2 Методы исследования трубчатого змеевика
Обычно при изготовлении змеевиков наилучший вариант эксперимента выполняется с помощью натурных испытаний, сравнивая характеристики различных образцов, что и требует значительного затрата времени и является не экономичным. Решение можно получить с применением численного моделирования на основе компьютерных технологий. Реализуемый при этом сценарный подход позволяет быстро и качественно оценить взаимосвязь множества свойств змеевика и выбрать его конструкцию таким образом, чтобы змеевик имел наименьшую стоимость, материалоемкость и наилучшие эксплуатационные свойства.
Этот подход основан на методах вычислительной гидродинамики для моделирования процессов тепломассопереноса при нагреве и частичном или полном испарении нефти в трубчатом змеевике, основанные на конечно-объёмных методах решения уравнений гидродинамики. Решение гидродинамической задачи реализовано в программном комплексе ANSYS российской.
Прочностной анализ трубчатого змеевика как системы, имеющую сложную геометрическую конфигурацию с различными конструктивными элементами выполнялся при помощи метода конечных элементов. Это позволяет получить точную оценку напряженно-деформированного состояния змеевика с учетом рабочих термосиловых нагрузок и реализован в программном комплексе ANSYS [22].
Для достижения поставленной задачи был разработан план и алгоритм процесса проектирования. На начальном этапе начали с проектирования конструкции трубчатого змеевика в программных обеспечениях: SolidWorks, Ansys. Ниже представлены этапы работы в данных программах.
Современный этап инженерной проектной деятельности характеризуется системным подходом к решению сложных научно-технических задач с использованием комплекса гуманитарных, естественнонаучных, математических и научно-технических дисциплин.
Целью и результатом разработки новых изделий является само изделие.
Изделие относится к сфере материальных объектов и служит для удовлетворения требований производства и потребностей человека. Сама разработка нового изделия — это особый этап, относящийся к сфере умственной деятельности [25].
Разработка новых изделий осуществляется инженерно-техническим персоналом путем проектирования и конструирования. Проектирование и конструирование являются процессами взаимосвязанными, дополняющими друг друга. Конструктивная форма объекта уточняется с применением методов проектирования — выполнением расчетов параметров, прочностных расчетов, оптимизации и др. В свою очередь, проектирование возможно только при предварительно принятых вариантах конструктивного исполнения. Часто эти два процесса не различают, так как они выполняются, как правило, специалистами одной профессии — инженерами-конструкторами. Однако проектирование и конструирование — процессы разные.
Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект разрабатываемого объекта [26].
Проектирование — это выбор некоторого способа действия, в частном случае — это создание системы как логической основы действия, способной решать при определенных условиях и ограничениях поставленную задачу [27].
Процесс проектирования укладывается в следующую схему, представленную в таблице 2.1.
Таблица 2.1 — Схема процесса проектирования
2.4 Проектирование технических систем
Общие понятия о проектировании технических систем.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Сформулируем некоторые основные понятия, которые будут использоваться в дальнейшем.
Технический объект — это объект, создаваемый человеком для удовлетворения своих потребностей.
Техническая система (ТС) — это совокупность технических объектов, реализующая законченных технологический процесс, например, производства конкретного изделия. Разновидность таких систем, в функционировании которых принимают непосредственное участие люди, называются биотехническими системами.
Функции ТС (или технического объекта). Они определяются потребностью, которую предназначена удовлетворять система, т.е. назначением (автомобиль перевозит грузы, робот манипулирует различными предметами и т.д.).
Структура ТС. Она определяет состав системы из функциональных частей, например, в виде агрегатов, блоков, узлов и т.п. Такая структура называется функциональной. Применяется еще понятие потоковая структура, которая описывает потоки преобразования вещества, энергии или информации [28].
На рисунке 2.1 приведена типовая структура всего процесса проектирования.
Рисунок 2.1 — Структура процесса проектирования
Показатели (критерии) качества ТС. Они бывают функциональные, технологические, экономические, антропологические. Функциональные критерии — это производительность, точность, надежность и т.п., технологические — трудоемкость, технологические возможности, используемые материалы и т.п., экономические — затраты материалов, энергии и т.д., антропологические — эргономичность, экологичность, безопасность и т.п.
Законы (закономерности) развития ТС. Они определяют устойчивые изменения во времени основных показателей качества ТС и других показателей, характеризующих ТС (конструктивных и т.п.).
При изучении законов развития ТС используют понятие цикличности развития техники (в виде сочетания последовательностей эволюционных и революционных этапов) и показателей техники. На их базе осуществляется прогнозирование развития техники методами моделирования, экстраполяции и экспертных оценок [29].
Проектирование технических систем — это процесс создания нового изделия в виде его проекта.
Проектирование технических систем входит в более общее понятие — инновационная деятельность, т.е. разработка и реализация инновационных проектов. Инновация — это нововведение в виде новых изделий, технологий и любых других новшеств в любых сферах человеческой деятельности от научно-технической до экономической и социальной. В последние годы сформировалось соответствующее новое научное направление — инноватика, предмет которого разработка общей теории и методов инновационной деятельности.
Укрупненно процесс проектирования изделия включает формулировку технического задания на разработку изделия, его идеи — физического принципа действия, разработку плана выполнения проекта и, наконец, его реализацию [30].
Проект изделия — это совокупность технических документов, по которым оно может изготавливаться и эксплуатироваться. Проект может быть выполнен традиционно на бумаге или на электронных носителях информации. Состав технической документации регламентирован стандартами. В нашей стране они объединены в единую систему конструкторской документации (ЕСКД), а состав программной документации (ее часто выделяют из технической документации) — в единую систему программной документации (ЕСПД). В техническую документацию входят схемная, конструкторская, монтажная, текстовая, технологическая и эксплуатационная документации.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Этапы проектирования созданного изделия:
разработка технического задания;
предварительное проектирование;
эскизное проектирование;
техническое проектирование;
производство;
эксплуатация [31].
Проектирование изделия включает следующие элементы:
анализ опыта эксплуатации и постановка научно-технической проблемы: изучение динамики изменения потребностей в новой технике; прогнозирование развития объектов, методов и средств производства.
патентное исследование: обеспечение патентоспособности и патентной чистоты объектов.
теоретическое и экспериментальное исследования: проведение исследований с целью апробации новых идей, прогнозов, технологий, материалов, обеспечения и поддержания качества изделия на современном уровне. трубчатый печь змеевик деформированный
— опытно-конструкторская работа (ОКР) — «… процесс разработки одного или нескольких исполнений изделия, сочетающий собственно конструкторские разработки с большим объемом расчетно-экспериментальных исследований, изготовлением объектов техники и их всесторонней экспериментальной проверкой… сопоставлением опытных данных с техническим заданием и документацией и внесением необходимых изменений в эту документацию» [32].
2.5 Теоретические основы проектирования технических систем
С позиций кибернетики и прежде всего теории управления проектирование можно рассматривать как процесс управления и соответствующую ему систему управления. Такой системный подход к проектированию технических систем предложено было даже назвать «инженерной кибернетикой». Для теоретического осмысления процесса проектирования и разработки на этой основе инженерных методов проектирования технических систем могут быть применены математический аппарат и методология этих наук: математическое моделирование, методы оптимизации решений, методы управления и исследования больших систем.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Модель такой системы может быть в простейшем случае детерминированной и даже одноконтурной и стационарной, а может быть сетевой, вероятностной, теоретико-игровой, информационной, эвристической.
Сетевые модели, в частности, широко используется для планирования процесса проектирования во времени. Основа сетевых моделей (сетевых графиков) — теория графов. Сетевые модели удобны для оптимизации процесса проектирования (путем сокращения критического, т.е. наиболее длинного пути и выравнивания длин всех параллельных путей). Основные принципы такой оптимизации: распараллеливание работ, распределение ресурсов между ними в пользу критических путей, организационные и технологические изменения работ с целью сокращения их длительности. В информационных моделях процесс проектирования трактуется как процесс переработки информации. В основе эвристических моделей лежат не формализуемые эвристические методы и приемы [33].
Наиболее важная задача при разработке модели системы проектирования — разбиение ее на части, образующие структурную схему системы проектирования. Здесь необходим системный подход к создаваемому изделию. Прежде всего анализируются все внешние связи изделия и формализуются в виде входных и выходных воздействий, как положено в теории автоматического управления. Затем выделяются функциональные части изделия с учетом их взаимодействия. В результате составляется структурная схема системы проектирования изделия, включающая все его части и все перечисленные выше этапы процесса проектирования.
Следующая задача — разработка алгоритма процесса проектирования, соответствующего структуре схемы проектирования. Как говорилось выше, этот алгоритм будет обязательно интерактивным. На каждом шаге итерации разработчик ищет возможно наиболее совершенное решение, постепенно уточняя и усложняя задачу. В начале он работает в рамках содержания ТЗ, а заканчивает наиболее полным представлением о модели создаваемого изделия в виде рабочего проекта.
Следующая задача процесса проектирования — разработка укрупненного плана решения задачи в виде последовательности действий (этапов) от ТЗ до готового проекта, т.е. разработка стратегии проектирования. Для каждого такого действия должна быть выбрана методика. В результате стратегия проектирования представляется в виде совокупности последовательно применяемых методик.
Существует пять основных типов стратегий: линейная, циклическая, разветвленная, адаптивная и случайная. Линейная стратегия состоит из цепочки последовательных действий (этапов), каждое из которых зависит только от результата предыдущего действия и не зависит от последующих. Это наиболее простая стратегия, соответствующая одноконтурной структуре системы проектирования без обратных связей.
Циклическая стратегия реализует итеративный процесс синтеза, когда после получения результатов очередного действия осуществляется возврат к одному из предыдущих действий и его уточненное повторение. В структуре системы проектирования этому соответствуют местные обратные связи. Это более сложная стратегия по сравнению с линейной. Наличие замкнутых контуров может создать для проектировщика «порочный круг», выход из которого потребует изменения самой структуры системы [34].
Разветвленная стратегия включает параллельные и конкурирующие действия (этапы), т.е. операции «и» и «или», по результатам которых производится изменение стратегии, т.е. структуры.
Адаптивная стратегия предполагает определение сначала только первого действия, а выбор последующего осуществляется в зависимости от результата первого действия и т.д. Структура системы проектирования при такой стратегии является самоорганизующейся. Это наиболее совершенная, но и сложная стратегия. Ее недостаток — в непредсказуемости сроков и соответственно стоимости проекта.
Случайная стратегия основана на случайном поиске решения и не имеет плана действий.
Реальные стратегии проектирования и соответствующие им системы проектирования обычно представляют собой комбинацию перечисленных выше типовых стратегий и структур системы.
На всех этапах проектирования частей изделия и изделия в целом разработчик обычно в разной последовательности выполняет следующие типовые процедуры: синтез, анализ, принятие решения, создание моделей. При этом на каждом последующем этапе эти процедуры уточняются и углубляются [35].
Процедура синтеза — это формирование принципов действия и технических решений задачи.
Анализ — это в данном случае прежде всего проведение и оценка результатов математических и экспериментальных исследований.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Принятие решения — типовая процедура при проектировании нового изделия, заключающаяся в выборе наилучшего, неизбежно компромиссного решения из некоторого множества вариантов (альтернатив). Наилучшее решение — это решение оптимальное по определенным критериям качества в рамках заданных в ТЗ ограничений на характеристики изделия. Как правило, критериев и ограничений несколько. Именно поэтому принятие решения — задача всегда компромиссная.
Если варианты решения можно описать математически, появляется возможность формализовать задачу принятия решения на базе теории оптимизации и применения ЭВМ. Для этого используют известные методы оптимизации (поисковые, аналитические, численные, комбинаторные, теоретико-игровые, стохастические, эвристические).
На практике часто возникает проблема оптимизации качественных характеристик. В этом случае, чтобы применить количественные методы оптимизации, необходимо предварительно решить задачу оценки этих характеристик. Для этого составляется множество допустимых оценок, а затем в его рамках определяется оценка каждого рассматриваемого объекта. Делается это с помощью опроса специалистов (экспертиза, анкетирование и т.п.) и специальной обработки результатов их оценок (например, методами математической статистики с использованием дисперсии оценок как меры согласованности мнений экспертов и т.п.). Разновидностью определения множества допустимых оценок является задача ранжирования. Здесь множество объектов упорядочивается в систему путем расстановки их по убыванию или возрастанию некоторого количественно не измеряемого признака. Ранг объекта — это его место в этой последовательности.
Моделирование технических систем — это основное средство как анализа, так и синтеза проектируемых систем. Существуют три основных типа моделей: эвристические, физические и математические [36].
Эвристические модели формируются в воображении проектантов в виде совокупности некоторых образов и аналогий, выражающих проектные идеи общего образа будущей технической системы. Эвристические модели — это основа новых технических решений и постановки задач проектирования.
Физическая модель может иметь ту же или другую физическую природу по сравнению с проектируемым изделием. В первом случае моделирование основано на теории подобия и заключается в изменении масштаба изделия. Например, при проектировании дамбы, защищающей Санкт-Петербург от наводнений, была создана ее физическая модель. При проектировании электро-энергосистем используются их физические модели, построенные из электрических машин, трансформаторов и других компонентов небольшой мощности. Также примером физической модели является синька (копия) чертежа завода, его уменьшенная фактическая модель, уменьшенный в определенном масштабе чертеж проектировщика. Такая физическая модель упрощает визуальное восприятие и помогает установить, сможет ли конкретное оборудование физически разместиться в пределах отведенного для него места, а также разрешить сопряженные проблемы, например, размещение дверей, ускоряющее движение людей и материалов.
Физическое моделирование особенно важно при рассмотрении процессов, которые недоступны для наблюдения или невоспроизводимы из-за масштабности, энергетики, продолжительности и т.п.
Математическое моделирование основано на математическом описании рассматриваемого изделия, пригодном для его решения на современных ЭВМ, что и является его математической моделью. Каждый объект моделирования может иметь множество математических моделей, описывающих определенные свойства этого объекта. Например, электрический двигатель может иметь математические модели как объекта управления в составе привода, модель его механических свойств (механические напряжения, деформации, прочность и т.п.), тепловую модель (температурные поля, условия охлаждения и пр.), массогабаритную модель (для исследования компоновки объекта, куда входит этот двигатель) и т. д. [37].
Существуют три основных типа математических моделей, ориентированные на моделируемые объекты различной сложности:
аналитические;
имитационные;
семиотические.
Аналитические модели применимы для достаточно простых объектов, например, для упомянутого выше электрического двигателя. Они основаны на математическом описании реальных физических процессов, происходящих в объекте. Адекватность модели объекту устанавливается сопоставлением ее с результатами экспериментального исследования объекта [38].
Имитационные модели применяются для более сложных объектов, для которых отсутствует аналитическое их описание или оно слишком сложно для использования в ЭВМ. Имитационная модель адекватно описывает зависимость выходных переменных от входных, включая возмущения. При этом объект рассматривается как «черный ящик» с неизвестным принципом действия и структурой.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Вариантом имитационной модели является ассоциативная модель, которая имитирует принцип действия мозга при формировании моделей объектов внешней среды путем обучения. Модель автоматически синтезируется в ассоциативном запоминающем устройстве в результате накопления в нем снимаемых с моделируемого реального объекта множества дискретных значений выходных реакций на конкретные входные воздействия. Такая ассоциативная модель позволяет выполнять интерполяцию и распознавать ситуацию на входе по неполному набору составляющих входного воздействия [39].
Семиотические модели применяются для наиболее сложных объектов, когда возможно только лингвистическое их описание. Типичный пример таких объектов — системы, включающие людей. Для таких моделей необходимы специальные языки близкие к естественному, но допускающие их использование в ЭВМ.
Семиотические модели создаются на основе экспертных оценок, по которым составляется таблица соответствий выходных реакций системы и возможных ситуаций (состояние системы, входные воздействия). По существу, здесь тот же подход к моделируемому объекту как к «черному ящику», что и при имитационном моделировании, однако вместо математического используется лингвистическое описание. Семиотическое моделирование основано на методах искусственного интеллекта и воспроизводит процессы в мозгу человека по формированию моделей объектов внешней среды при ее изучении и выработке поведенческих реакций на внешние ситуации. Поэтому семиотические модели можно даже выделить из математических моделей в отдельный тип моделей [40].
О качестве конструкторской документации свидетельствует правильная простановка в чертежах размеров и допускаемых отклонений. Размеры и допускаемые отклонения определяют точность сборочного процесса, взаимозаменяемость деталей, использование рациональной технологии изготовления деталей [41].
2.6 Требования к изготовлению конструкций
Трубы. Общие положения
Толщина стенки трубы змеевика должна быть рассчитана по согласованной методике.
Расчеты толщины стенки трубы змеевика должны вестись с учетом прибавок на эрозию и коррозию для различных материалов змеевика. В качестве минимальных прибавок на коррозию должны использоваться следующие значения:
— для углеродистой и низколегированных сталей З мм;
— для хромо молибденовых сталей 2 мм;
— для аустенитной стали 1 мм.
Все трубы должны быть цельнотянутыми, бесшовными. В радиантных и конвективных змеевиках при длине прямого участка труб до 6 м не допускается сварной шов. при длине труб до 12 м допускается наличие одного сварного шва. до 18 м — двух, до 26 м- трех, а свыше 26 м — четырех сварных швов. Сварной шов не должен находиться в местах опоры труб на решетки и подвески с учетом температурного удлинения труб. Трубы поставляются по средней величине толщины стенки с такими допусками, чтобы обеспечивалась требуемая минимальная толщина стенки.
Участки труб, находящиеся внутри ретурбендной камеры, должны выходить минимум на 150 мм в холодном состоянии за внешнюю поверхность торцевых решеток, из которых участок трубы длиной 100 мм не должен иметь оребрения.
Выбор трубы (внешний диаметр в мм) должен производиться из следующего размерного ряда: 45, 57, 76, 89, 102, 108, 114, 127, 152, 159, 168, 219, 273, 325, 377 и 426. Другие размеры труб должны использоваться только в случае, если это обусловлено специальными технологическими требованиями.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Еслитрубышоковогоэкранаработаютводинаковыхусловияхсрадиантными.т. е. подвергаются прямому излучению факела, тогда они должны быть изготовлены из того же материала, что и радиантные трубы. Отводы и двойники (ретурбенды). Общие положения
Расчетные напряжения для отводов не должны превышать допустимые значения для аналогичных материалов труб и снижаются по коэффициентам качества для отливок, если они применяются.
Отводы и двойники должны изготавливаться из материала, эквивалентного материалу труб.
Отводы и двойники в зависимости от условий обслуживания и эксплуатации должны быть отводами, привариваемыми к трубам, или двойниками (ретурбендами). привариваемыми к трубам или присоединяемыми к трубам развальцовкой.
Указываемая толщина стенки отвода (двойника) должна включать прибавку на коррозию. Эта прибавка на коррозию не должна быть меньше прибавки, принятой для труб.
Двойники (ретурбенды)
Двойники (далее — ретурбенды) должны располагаться в ретурбендных камерах и подбираться по тому же расчетному давлению, что и трубы, и по расчетной температуре, равной максимальной рабочей температуре среды в данном месте, плюс минимум 30 С.
Трубы и ретурбенды должны размещаться таким образом, чтобы было достаточно пространства для проведения таких операций, как развальцовка труб, сварка и снятие напряжений.
Если предусмотрена механическая очистка труб от кокса и других загрязнений, то должны использоваться ретурбенды с двумя заглушенными отверстиями. Ретурбенды с одним заглушенным отверстием. 180чрадусные могут устанавливаться только для осмотра труб и осуществления дренажа.
Если указывается. что ретурбенды должны использоваться с горизонтальными трубами длиной 18.3 м или длиннее, тогда ретурбенды с двумя отверстиями должны использоваться для обоих концов узла змеевика. Для более коротких змеевиков с одной стороны устанавливаются ретурбенды. а с противоположной — отводы.
В нагревателях с вертикальным расположением труб применяются: вверху — ретурбенды с двумя заглушенными отверстиями; внизу — У-образные фитинги с одним заглушенным отверстием.
Ретурбенды и соответствующие пробки должны маркироваться несмываемыми цифрами размером 12 мм и устанавливаться в соответствии с чертежа ми на фитинги.
Если требуется измерение и контроль температуры, в пробках ретурбендов должны быть предусмотрены канаты для термопар из нержавеющей стали типа 18-10.
Пробки и нажимные винты, применяемые в ретурбендах. должны иметь согласованные размеры во избежание повреждений.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Отводы.
Отводы должны использоваться при следующих условиях:
а) процессы, в которых не ожидается образование кокса или загрязнения на трубах;
б) когда утечка является опасной;
в) когда для удаления кокса используется его паровоздушный выжиг;
г) когда механическая очистка является указанным методом очистки.
Отводы, расположенные внутри топки, должны выбираться по таким же расчетным давлению и температуре, как и трубы. Отводы, расположенные в ретурбендных камерах, должны выбираться для того же расчетного давления, что и трубы, и по максимальной температуре среды в данном месте плюс минимум 30 С. Толщина отводов должна быть не менее толщины трубы.
В независимости от месторасположения отводов в проекте нагревателя должны быть предусмотрены удобные подходы и пространство для перемещения и замены труб и отводов.
Для змеевиков нагревателей должны использоваться крутоизогнутые протяжные отводы или по согласованию с покупателем штампосварные отводы.
Изготовление змеевика.
Разрешаются следующие виды сварки при условии, что предоставляется достаточное подтверждение того, что данная сварка обеспечивает необходимое качество, соответствующее всем применяемым стандартам:
— электродуговая сварка электродом с покрытием;
— ручная и автоматическая сварка вольфрамовым электродом в защитном газе;
газовая сварка для труб из углеродистой стали диаметром 50 мм и менее;
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
— дуговая сверкав среде защитного газа;
Е- дуговая сварка специальным электродом в среде защитного газа.
Несъемные (остающиеся) подкладные кольца не допускаются. Как исключение допускается применение остающихся подкладных колец при сварке замыкающих стыков змеевиков.
Внутренняя аргоновая или гелиевая продувка должна использоваться для газовой сварки вольфрамовой дугой для сплавов состава 2.25 хром — 1 молибден и выше, кроме сварки аустенитных нержавеющих сталей, где используется азот, если иного не указано покупателем. Углеродистые стали и сплавы ниже состава 2,25 хром — 1 молибден могут свариваться без продувки сваренных слоев (проходов).
Каждый сварной шов (проход) должен быть равномерным по ширине и размеру на протяжении всей длины шва. Каждый сварной шов должен быть ровным и без окалин, включений. трещин, пористости. непровара и кольцевых канавок, за исключением разрешенных указанными стандартами. В дополнение суммарный сварочный слой должен быть с отсутствием волнистой поверхности, иметь правильное направление и единую форму «чешуек».
Стыковые сварные швы должны быть слегка выпуклыми и однородными по высоте, как указано в применяемых стандартах. Ограничения на усиление сварного шва должны при меняться одинаково как для наружной, таки внутренней поверхности шва.
Исправление сварных швов должно проводиться в соответствии с методикой исправления, одобренной покупателем. Исправления не должны приводить к повреждению прилегающего основного материала.
Температура предварительного нагрева, температура металла между проходами и температура термообработки после сварки должна проводиться в соответствии с положения ми применяемых стандартов [42].
3. Моделирование напряжено-деформированного состояния с учетом термосилового нагружения. Разработка модели и ее анализ
.1 Проектирование змеевика в программном обеспечении SolidWorks
Современные темпы развития нефтеперерабатывающей и нефтехимической отрасли первостепенной задачей ставят увеличение эффективности эксплуатации используемого в данной области оборудования, в частности трубчатых печей. Трубчатые печи представляют собой основные технические аппараты технологических установок заводов нефтепереработки. Вследствие этого, особое значение получают задачи по увеличению устойчивой работы печей, притерпевающих в ходе эксплуатации существенные нагрузки и деформации, вызванные влиянием высоких температур.
Появилась необходимость разработки математической модели для оценки параметров процессов протекающих в камере радиации трубчатой нагревательной печи. Модель реализована посредством программного комплекса SolidWorks.
В принципе работы математической модели лежит общая система нестационарных нелинейных уравнений механики цельной среды. Причем реализованы изолированно, в виде отдельных процедур, решения уравнений Навье-Стокса и Эйлера. Численная интеграция настоящей системы математических уравнений применяет аксиомическую двухшаговую дифференциальную схему первого порядка, относящуюся к методам сквозного счета, так как допускает решение по всей счетной области по общему алгоритму, без начального выделения отличий. К преимуществам метода можно отнести его универсальность, полагающая расчет до- и сверхзвуковых течений по общему алгоритму, вероятность модификации применительно к расчету многокомпонентных и многофазных систем, относительная простота программирования. Совокупно с главной системой уравнений интегрируются уравнения теплопроводности и диффузии. Есть возможность учета химических реакций и многокомпонентности в системе газов, а также теплообмен с твердыми стенками.
Для достижения высоких технико-экономических показателей работы трубчатых печей первостепенное значение имеет задача оптимизации конструкции трубчатого змеевика.
Оптимизация может проводиться по технико-экономическим показателям эксплуатации трубчатых печей в целом. В этом случае за критерии оптимизации могут приниматься такие как: минимум удельных затрат материалов при условии выполнения заданных характеристик и показателей надежности; обеспечение продолжительной и стабильной номинальной производительности установки; максимальный выход целевых продуктов при минимальном расходе топлива и энергетических ресурсов.
Одна из задач оптимизации конструкции змеевиков, которая состоит в вычислении оптимальной температурной траектории по длине змеевика при заданных технологических параметрах управления.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Большое количество аварий на трубчатых печах связано с разгерметизацией трубчатого змеевика и выбросом технологической среды в объем печи. В этой связи особое значение имеет оптимизация режимов с целью снижения вероятности отказов змеевика.
Другой аспект оптимизации лежит в области оптимального проектирования конструкции змеевика с целью снижения металлоемкости при обеспечении необходимых условий прочности и жесткости.
В работе обсуждается в наиболее общей форме задача реализации последовательности и содержания различных этапов процедур оптимизации змеевиков с использованием их математических аналогов, полученных путем компьютерного моделирования с использованием программных комплексов ANSYS. Определенны направления оптимизации змеевика и его критерии. Рассматривается алгоритмы оптимизации змеевика по заданной скорости выхода продукта из печи и обеспечения заданной прочности.
Обычно при изготовлении змеевиков наилучший вариант эксперимента выполняется с помощью натурных испытаний, сравнивая характеристики различных образцов, что и требует значительного затрата времени и является не экономичным. Решение можно получить с применением численного моделирования на основе компьютерных технологий. Реализуемый при этом сценарный подход позволяет быстро и качественно оценить взаимосвязь множества свойств змеевика и выбрать его конструкцию таким образом, чтобы змеевик имел наименьшую стоимость, материалоемкость и наилучшие эксплуатационные свойства.
Этот подход основан на методах вычислительной гидродинамики для моделирования процессов тепломассопереноса при нагреве и частичном или полном испарении нефти в трубчатом змеевике, основанные на конечно-объёмных методах решения уравнений гидродинамики. Прочностной анализ трубчатого змеевика как системы, имеющую сложную геометрическую конфигурацию с различными конструктивными элементами выполнялся при помощи метода конечных элементов. Это позволяет получить точную оценку напряженно-деформированного состояния змеевика с учетом рабочих термосиловых нагрузок и реализован в программном комплексе ANSYS [43]. Предметом проектирвания являлся змеевик в материальном исполнении 15Х5М. Геометрические данные: длина трубок составляет L = 6000 мм; внутренний диаметр трубок и отводов d = 108 мм, толщина стенки s = 6 мм. С помощью 3D моделирования и операции выдавливания были произведены отдельные элементы змеевика (рис. 3.1 и 3.2). С помощью операции сопряжения соединяем полученные элементы змеевика и повторяем процесс несколько раз. В результате получаем готовую 3D модель (рис. 3.3).
Рисунок 3.1 — Элемент трубчатого змеевика (труба) Длина трубы составляет L = 6000 мм. Внутренний диаметр d = 108 мм, толщина стенки s = 6 мм.
Рисунок 3.2 — Элемент трубчатого змеевика (отвод) 3.2 Моделирование змеевика в программном обеспечении Ansys
Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Прогресс в разработке численных методов и компьютерного моделирования позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники. Метод конечных элементов (МКЭ) является мощным, надежным и современным средством исследования поведения конструкций в условиях разнообразных воздействий. Программа ANSYS, использующая МКЭ, широко известна и пользуется популярностью среди инженеров, занимающихся решением вопросов прочности. Средства МКЭ ANSYS позволяют проводить расчеты статического и динамического напряженно-деформированного состояния конструкций, в том числе геометрически и физически нелинейных задач механики деформируемого твердого тела. Это позволяет решить широкий круг инженерных задач. Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа в ANSYS, являются узловые перемещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных перемещений в узлах сетки, определяются другие важные параметры: перемещение конструкции, напряжения, деформация, реакции и др.
В контактных задачах рассматривается контактное взаимодействие тел. Такие задачи имеют большое практическое значение. Они возникают, когда требуется исследовать процесс деформирования составных конструкций, при ударных взаимодействиях тел, при качении колеса по рельсу, по дороге. Контактное взаимодействие анализируется в прочностных расчётах упругих, вязкоупругих и пластичных тел при статическом или динамическом контакте. Контактное взаимодействие имеет место в шарнирных, фланцевых соединениях, при различных технологических операциях обработки — штамповки, резании, бурении нефтяных и газовых скважин, в шарико — и ролико — подшипниках, опорных частях мостовых пролетных строений, зубчатых колесах, фундаментах под сооружениями и др. Особенностью контактных задач является наличие на части поверхности упругого тела того или иного контакта с другим телом, абсолютно жестким или упругим. Граничные условия на поверхности контакта тел становятся специфическими. Поверхностные силы представляют собой результат взаимодействия рассматриваемого тела с примыкающими к нему телами. Если взаимодействуют твердые тела, то точки соприкосновения — точки контакта в области контакта перемещаются одинаково, или при наличии соприкасания, проскальзывают одна относительно другой. Все это осложняет граничные условия для каждого из контактных тел, так как неизвестны ни напряжения по поверхности контакта, ни перемещения точек этой поверхности [44].
Контактные задачи классифицируются:
по признаку размерности:
плоские;
пространственные (осесимметричные);
по признаку физических свойств контактирующих тел:
контакт абсолютно жесткого и деформируемого (упругого) тела;
контакт двух деформируемых тел;
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
по признаку размеров контактной площадки:
площадка контакта сохраняет свои размеры и форму в процессе
роста силы (контакт плоского штампа и основания);
площадка контакта увеличивается с ростом силы (контакт шаров);
площадка контакта увеличивается с ростом силы до некоторого предела, после которого сохраняет свои размеры и форму (контакт штампа со сферической контактной поверхностью и основания); по условиям взаимодействия контактирующих тел на площадке контакта:
отсутствие сил трения на всей поверхности контакта;
наличие полного сцепления тел на поверхности контакта;
наличие тангенциальных сил взаимодействия на части площадки контакта (сцепление контактных тел), величина которых меньше произведения нормального давления на коэффициент трения; а на остальной части площадки контакта — (проскальзывание) наличие тангенциальных сил трения, равных произведению нормального давления на коэффициент трения. Граница между участками контактной поверхности изменяется с ростом сил [44].
Модель была импортирована в программу Ansys. В данной программе конструкцию нагрузили внешними силами и давлением, с учетом движения жидкости. Далее представлены иллюстрации полученных результатов.
В данной программе конструкцию нагрузили внешними силами и давлением, с учетом движения жидкости. Рабочее давление 0,2 МПа, опоры установлены на начальных и конечных участках труб (расстояние между опорами 5200 мм), нефтепродукты фракции С4-С5, температура на входе 400 °С, на выходе 500 °С. Материал конструкции сталь 15Х5М. Время проведения испытания 8640 ч. — один календарный год. Далее представлены иллюстрации полученных результатов.
Физико — механические свойства стали:
удельный вес: 7750 кг/м3 — термообработка: Отжиг 840 — 860oC, Охлаждение печь.
— твердость материала: HB 10 -1 = 170 МПа
температура ковки, °С: начала 1200, конца 800. Сечения до 800 мм подвергаются отжигу с перекристаллизацией и одному переохлаждению.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
обрабатываемость резанием: в горячетканом состоянии при HB 170 и σв=390 МПа, Кυ тв. спл = 2,7 и Кυ б.ст=2,0
свариваемость материала: трудносвариваемая. Способ сварки: РДС.
необходимы подогрев и последующая термообработка..- склонность к отпускной хрупкости: не склонна
подробные физико-механические свойства стали приведены в приложенииA.
На рисунке видно, что эквивалентное напряжение сосредоточено в области опор (подвесов).
Исходя из данной иллюстрации, можно сказать, что наибольшая суммарная деформация преобладает на начальном и конечном участках змеевика.
Тепловая деформация плавно распределена по всему участку змеевика в интервале от 400 ˚С до 500 ˚С.
4. Обобщение исследований
4.1 Анализ результатов
В результате моделирования и анализа модели змеевика были выявлены наиболее опасные участки конструкции, под влиянием термосиловых усилий. Таковыми опасными зонами являются области опор и зоны сварных швов (соединения труб и отводов). Суммарная же деформация в наибольшом значении приходит на начальный и конечный участок модели, а именно первая и последняя труба змеевика. А также деформация присутствует на всех отводах. Температурное поле змеевика увеличивается по всей длине конструкции. Вследствие этого и происходит разная деформация змеевика, тем самым конструкция теряет свою симметричность и рушится от перекашивания в сторону наибольшей деформации. Опираясь на данные результаты можно представить варианты обеспечения прочности змеевика трубчатой печи, как цельной конструкции.
Закрепление цельной конструкции выполнены таким образом, чтобы максимально компенсировать перемещения его элементов вследствие нагрева (термического расширения). Так, змеевик установлен на «катковых» опорах (ограничиваются перемещения элементов в вертикальном направлении) и может перемешаться в горизонтальной плоскости под действием усилий, вызванных термическим расширением его элементов в условиях эксплуатации. Вместе с тем конструкция опор не предусматривает возможности угловых перемещений змеевика относительно его продольной оси, что при разогреве приводит к появлению в узле соединения «труба-отвод-труба» изгибающего момента.
Детальный анализ поведения рассматриваемой конструкции при неравномерном нагреве по длине змеевика показал наличие дополнительного существенного фактора нагружения узла, связного с термическим расширением его элементов. Этот фактор оказывает доминирующее влияние на НДС змеевика[45].
Результаты численного моделирования в программе Ansys представлены в сводной таблице результатов 4.1
Таблицы 4.1 — Сводная таблица результатов
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Заключение
1 На основе литературной обработки был рассмотрен змеевик трубчатой печи, его назначение, а также основные причины износа и разрушения конструкции.
Произведен расчет численного моделирования трубного экрана змеевика.
Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния трубного экрана змеевика.
Список использованных источников
1 Берлин М.А. Износ основных элементов трубчатых печей/ М.А. Берлин. — М.: Высш.шк., 2000.-101 с.
Дьяков В.Г. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза/ В.Г. Дьяков. — М.: Наука, 2001.- 203 с.
Ентус Н.Р. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности/ Н.Р. Ентус. — М.: Высш.шк., 2002.- 203 с.
Бакшалов В.Е. Трубчатые печи/ Составители В.Е. Бакшалов, В.Ф. Дребенцов, Т.Г. Калинина, Н.И. Сметанкина, Е.И. Ширман. ‒ М.: Каталог, 2005.‒ 34 с.
Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб. для вузов.- М.: Высш.шк., 2004.-519 с.
Арзамасов Б.Н. Макарова В.И., Мухин Г.Г, Материаловедение.- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.- 646 с.
Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для вузов.- М.: Высш.шк., 2005.- 862 с.
Коптяева Г.Б. Тимохова О.М., Основы материаловедения: учебное пособие.- Изд-во УГНТУ, 2013.- 182 с.
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
Новиков И.И. Золоторевский В.С., Металловедение, том 1: учебное пособие. — М.: МИСиС, 2009.- 496 с.
Тушинский, Л.И. Токарев А.В., Плохов А.О., Синдеев В.Н. Методы исследования материалов. — М.: Мир, 2004.- 380 с.
Ахметов С. А., Сериков Т. П., Кузеев И. Р., Баязитов М. И. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Санкт-Петербург: Недра, 2006. — 868 с.
Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Москва: Недра, 2000. — 677 с.
Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности: Ленинград: Химия, 1974. — 344 с.
Баклашов В.Е. Трубчатые печи, каталог: Москва: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1985. — 36 с.
Токарев Д.В. Оценка вероятности возникновения аварий на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических предприятиях: Нефтегазовое дело, 2005.
6 Белов, П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере. Учеб.пособие для студентов вузов / П.Г. Белов М.: Академия, 2003.
7 Исламов, М.Ш. Проектирование и эксплуатация промышленных печей / М.Ш. Исламов — Л.: Химия, 1986.-280 с.
18 ГОСТ 2.101-68 ЕСКД. Единая система конструкторской документации. Виды изделий.
19 Юревич, Е.И. Проектирование технических систем / Е.И. Юревич — СПб.: ГТУ, 2001. — 5-7, 11 13-16 с.
0 Гольдшмидт, М.Г. Методология конструирования / М.Г. Гольдшмидт: Учеб. Пособие — Томск: ТПУ, 2007. — 7-8 с.
1 Лоцманенко, В.В. Проектирование и конструирование / В.В. Лоцманенко, Б.Е. Кочегаров: Учеб. Пособие — Владивосток: ДВГТУ, 2004. — 7-16, 27-29 с
2 Ширялкин А.Ф. Стандартизация и техническое регулирование в аспекте качества продукции: учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2006. стр. 51-52
Нужна помощь в написании диплома?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.
3 Радкевич Я.М. Схиртладзе А.Г. Лактионов Б.И. Метрология, стандартизация и сертификация, высш. шк., 2-е издание, 2006 г., стр. 225
4 Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года /В сб.: Авиационные материалы и техноло-гии: Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к журналу «Авиационные материа-лы и технологии»). М: ВИАМ. 2012. С. 7-17.
5 Шалькевич А.Б., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Маркова Е.С. Высокопроч-ные конструкционные и коррозионностойкие стали для самолетов нового поколения /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 142-150.
26 Электронный версия руководства к ANSYS — Core, 001252, Fifth Edition, Published November 1999, Inc. is a UL registered ISO 9001: 1994 Company.
Ахметшин Э.Ф. Трубный экран змеевика печи/ Э.Ф. Ахметшин, М.И. Баязитов // Основной раздел: современная наука и ее развитие — 2017 — М.: Изд-во Аллея науки , 2017. — С. 269-280.