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

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.

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;

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.

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

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.