Дипломная (вкр): Обеспечение прочности змеевиков трубчатых печей как цельной конструкции

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].

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.

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.

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.

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.

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.