Підвищення надійності стикувальних вузлів коксових батарей

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 662.741.3

Спеціальність 05.05.13 - Машини та апарати хімічних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ СТИКУВАЛЬНИХ ВУЗЛІВ КОКСОВИХ БАТАРЕЙ

Алексєєва Ольга Євгенівна

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, на кафедрі Машини та апарати хімічних виробництв .

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Парфенюк Олександр Сергійович, Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, професор кафедри ''Машини та апарати хімічних виробництв''

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Назаренко Іван Іванович, Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Київ, завідувач кафедри машин та обладнання технологічних процесів

доктор технічних наук, професор Юшко Віталій Ларіонович, Український державний хіміко-технологічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри обладнання хімічних виробництв

Захист відбудеться "10"грудня 2007 року о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України "КПІ" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 21, аудиторія 209.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України "КПІ" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано "30"жовтня 2007 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05. к.т.н., професор Круглицька В.Я.

Анотації

Алексєєва О.Е. Підвищення надійності стикувальних вузлів коксових батарей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.13 - "Машини та апараті хімічних виробництв". - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2007.

Дисертація присвячена розробці методу оцінки рівня технічного стану стикувальних вузлів коксових батарей і прогнозу їх довговічності на стадії проектування нових конструкцій та експлуатації існуючих.

Для оцінки надійності стикувальних вузлів запропоновано критерії порушення функціонування і герметичності. Методами теорії подібності і аналізу розмірностей в комплексних критеріях об'єднані параметри технічного стану вузлів, а також функції, що відображають ступінь впливу експлуатаційних і конструктивних чинників на процес розгерметизації і втрати стикувальними вузлами функціональних властивостей. Коефіцієнти рівнянь регресії критеріальних функцій визначено шляхом експериментальних досліджень зміни міцнісних характеристик матеріалу елементів і герметичності з'єднань під впливом експлуатаційних і конструктивних чинників. Розроблено математичну модель напружено-деформованого і температурного стану стикувальних вузлів, за допомогою якої визначено граничні значення критеріальних функцій для кожного елемента і з'єднання стикувальних вузлів, при яких гарантовано безвідмовну роботу елементів. Визначено періоди безвідмовної роботи елементів стикувальних вузлів, обгрунтовано необхідність відновлення, розроблено рекомендації щодо проведення ремонтно-відновлювальних робіт.

Розроблено технічні рішення з підвищення надійності придверної зони коксових печей (патенти № 52037, № 54132 Україна).

Ключові слова: надійність, герметичність, батарея коксових печей, чинники руйнування, стикувальні вузли, пристрій ущільнення, умови експлуатації.

Алексеева О.Е. Повышение надежности стыковочных узлов коксовых батарей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 - Машины и аппараты химических производств. - Национальный технический университет Украины "Київський політехнічний інститут", Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке метода оценки уровня технического состояния стыковочных узлов коксовых батарей и прогноза их долговечности на стадии проектирования новых конструкций и эксплуатации существующих.

Проанализированы условия эксплуатации стыковочных узлов коксовых печей, определены элементы, работающие в наиболее неблагоприятных условиях, разработаны обобщенные схемы стыковочных узлов. Методом дерева отказов определены значимые факторы разрушения элементов стыковочных узлов, назначены параметры, позволяющие учесть влияние совокупности эксплуатационных и конструктивних факторов на техническое состояние узлов. Проанализированы существующие методы расчета долговечности и герметичности элементов стыковочных узлов коксовых печей. Обоснована необходимость разработки комплексных критериев, учитывающих влияние основных эксплуатационных и конструктивных факторов на техническое состояние узлов.

Для оценки надежности стыковочных узлов предложены критерии нарушения функционирования и герметичности. Методами теории подобия и анализа размерностей в комплексных критериях объединены параметры технического состояния узлов, а также функции, отражающие степень влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на процесс разгерметизации и потери функциональных свойств стыковочными узлами.

Определены коэффициенты уравнений регрессии критериальных функций путем экспериментальных исследований изменения прочностных характеристик материала элементов и герметичности соединений под воздействием температурных, механических, эксплуатационных и конструктивных факторов.

Разработана математическая модель напряженно-деформированного и температурного состояния стыковочных узлов и получены распределения температурного и механического факторов на поверхности их элементов. В основу модели положены основные уравнения теории упругости и законы теплообмена. Реализация осуществлена методом конечных элементов и конечно-разностной аппроксимацией с помощью существующих программ типа COSMOS.

Расчет проводился с учетом изменения тепловых и механических нагрузок в течение цикла. Установлено, что критические значения механического фактора для таких элементов как люки, двери, футеровка возникают при неточной установки крышки в проем печи, для элементов армирования - при срыве крышки по окончании процесса коксования, для кладки простенков - при превышении усилия выдачи коксового пирога.

Установлено, что при увеличении на 50 мм расстояния от фасада простенка до первого отопительного канала величина температурного перепада изменяется на 30- 500С, при этом стрела прогиба корпуса двери уменьшится до 4 раз (с 12 до 3 мм).

Численные значения механических напряжений, максимальных температур и температурных перепадов, возникающих на поверхности элементов, послужили входными данными для определения степени влияния факторов разрушения на техническое состояние элементов стыковочных узлов в процессе эксплуатации батареи по критериальным функциям K*, KQ. Определены предельные значения критериальных функций для каждого элемента и соединения стыковочных узлов, при которых гарантирована безотказная работа элементов (для элементов из шамота K*0,025, для элементов из динаса K*0,053, для чугунных и стальных элементов K*0,06.), а также соблюдение санитарных нормативов по выбросам (для узла типа "крышка" KQ ? 1,4, для узла типа "труба" KQ ? 1,3).

Проведена оценка уровня технического состояния стыковочных узлов коксовой батареи с печами объемом 41,6 м 3 по критериям нарушения функционирования и герметичности. Установлено, что при отклонении от нормального режима эксплуатации и отсутствии восстановлений стыковочных узлов уже на первом году работы ( 500 циклов печевыдач) в узле появляются низконадежные участки, а при достижении 2000 циклов печевыдач произойдет потеря функциональных свойств элементов стыковочных узлов.

Путем варьирования значений механического, температурного и конструктивного факторов при оценке стыковочных узлов по критерию нарушения функционирования установлен режим эксплуатации, при котором значения K* изменится в 1,2 - 1,8 раза, KQ в 1,5-2 раза, а продолжительность периода безотказной работы всех элементов, за исключением кладки первого отопительного канала и поверхности футеровки (50-70 мм), возрастет до 5000 циклов печевыдач.

Определены закономерности изменения критериев нарушения функционирования и герметичности в зависимости от продолжительности эксплуатации коксовой батареи. На основе установленных закономерностей изменения критериев нарушения функционирования и герметичности в зависимости от продолжительности эксплуатации коксовой батареи определены периоды безотказной работы элементов стыковочных узлов, обоснована необходимость восстановления и обслуживания, разработаны рекомендации по проведению ремонтно-восстановительных работ дверей, футеровки, уплотнительной рамки, кладки простенка.

По результатам исследования модели потери функциональных свойств стыковочными узлами установлены диапазоны каждого из факторов, в которых будет обеспечена надежная работа элементов стыковочных узлов в течение проектного срока службы.

Обоснована эффективность использования в узлах технических решений: упругих гибких пластин в качестве устройств уплотнения дверей и люков коксовых печей, шамотной теплоизоляции динасовой кладки стыковочных узлов толщиной 50-100 мм, крупноблочной шамотной футеровки металлических элементов. Установлено, что одновременное использование перечисленных решений в конструкции узла приведет к увеличению продолжительности периода безотказной работы с 2000 циклов до 4000 циклов печевыдач для футеровки и зоны заплечиков и свыше 5000 циклов для металлических элементов узла и серединной части кладки простенка; продолжительность герметичной работы соединений возрастет с 400 до 5000 циклов печевыдач.

Разработаны технические решения по повышению надежности придверной зоны коксовых печей (патенты № 52037, № 54132 Украина).

Ключевые слова: надежность, герметичность, батарея коксовых печей, факторы разрушения, стыковочные узлы, устройство уплотнения, условия эксплуатации.

O.E. Alekseeva. The reliability increase of coke batteries joining assemblies. - the Manuscript.

Thesis for candidate's degree (Ph.D) on specialty 05.05.13 - Machines and apparatuses of chemical production. - National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute ", Kiev, 2007.

The thesis is devoted to development of a method of an estimation of a level of technical state of coke batteries joining assemblies and their longevity forecast for design stages of new constructions.

Reliability analysis of соke batteries joining assemblies by a method of a tree of failures is carried out. Significant factors of destruction of joining assemblies elements and also the parameters assigned, allowing to take into account effect of totality of factors on engineering condition are defined. Methods of similarity theory and dimensional analysis in complex criteria it is integrated parameters of technical state of units, and also the functions reflecting a degree of effect operational and structural factors on process of a depressurization and loss of functional properties of joining assemblies. Criteria functions are calculated on regression equations. Factors of the equations are defined by experimental researches of strength properties of elements material and tightness of connections under effect factors of destruction.

Тo estimate a degree of effect of destruction factors on longevity and tightness of unit the mathematical model of stress-strained state and temperature condition of joining assemblies is developed. Limiting values of criteria functions for each element and connection of joining assemblies at which it is secured a fault-free operation of elements, and also observance of sanitary specifications on emissions are defined. Regularities of criteria change depending on operating duration of coke battery are established. The periods of a fault-free operation of joining assemblies elements are defined. Research of model has allowed to define of destruction factors ranges at which the fault-free operation of joining assemblies elements during design service life of the battery will be provided. Efficiency of application of designed constructions for joining assemblies reliability increase is substantiated.

Keywords: reliability, tightness, coke oven battery, factors of destruction, joining assemblies, sealing section, operating conditions.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На промислових підприємствах України знаходять широке застосування теплові агрегати для термічної переробки різних матеріалів, найпоширенішим з них є батареї коксових печей. У зв'язку із газопиловими та тепловими викидами такі агрегати становлять небезпеку для навколишнього середовища й обслуговувального персоналу, особливо через старіння та руйнування елементів стикувальних вузлів, а саме завантажувальних і розвантажувальних пристроїв, дверей, люків, газовідводних пристроїв, клапанів опалювальної системи та ін. Елементи цих вузлів за функціональним призначенням й особливостями умов експлуатації є найбільш навантаженими та відповідальними зонами теплових агрегатів.

Вплив внутрішнього та зовнішнього середовища, термічних і механічних навантажень на стикувальні вузли сприяє їх швидкому зношуванню та втраті працездатності. У коксовій батареї кількість стикувальних вузлів обчислюється тисячами, а довжина контакту ущільнювальних пристроїв тільки для дверей коксових печей становить близько двох тисяч метрів. Руйнування елементів вузлів призводить до порушення герметичності під час експлуатації батареї, значного погіршення якості коксу, а іноді до аварій з економічними та екологічними збитками.

У зв'язку із цим особливу актуальність має наукове обґрунтування шляхів підвищення надійності стикувальних вузлів. Незважаючи на велику кількість розробок у цій області, проблема забезпечення належного рівня надійності стикувальних вузлів коксових батарей повністю не вирішена. Для обґрунтування вибору технічно доцільних конструктивних рішень, контролю викидів і регламентації відновлювальних робіт стикувальних вузлів необхідно розробити метод оцінки і прогнозу технічного стану вузлів під час експлуатації. батарея стикувальний коксовий

Зв'язок теми дисертації з науковими програмами, планами, темами.

Базою для підготовки дисертаційної роботи були НДР, виконані кафедрою МАХВ ДонНТУ відповідно до держбюджетної тематики університету, затвердженої Міністерством освіти і науки України, і спрямовані на розробку нових високонадійних термолізних агрегатів - держтеми №Г 11-97 "Пошук та розробка шляхів та засобів переробки вуглецевих промислових та побутових відходів", №Г 19-2000 "Розробка наукових основ для техніки та технології утилізації багатокомпонентних промпобутвідходів" та № Н-9-02 "Розробка пристроїв та удосконалення методів розрахунку і моделювання устаткування для фізико-механічної підготовки низькосортного вугілля та органічних відходів для енергетичної і термолізної утилізації".

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення надійності стикувальних вузлів батарей коксових печей.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

дослідити процес порушення функціонування стикувальних вузлів батарей коксових печей для визначення факторів і параметрів, що характеризують надійність роботи вузлів;

розробити критерії рівня технічного стану стикувальних вузлів;

визначити чисельні значення функцій, що входять у критерії, шляхом математичного моделювання напружено-деформованого та температурного стану елементів коксової батареї;

· дослідити вплив кожного з факторів руйнування на рівень технічного стану вузлів з метою визначення діапазонів, при яких буде забезпечено надійність і герметичність коксових печей;

· обґрунтувати запропоновані напрями підвищення надійності стикувальних вузлів і дати рекомендації зі способів їх конструктивного вдосконалення, профілактичних ремонтів, розробити технічні рішення, спрямовані на забезпечення довговічності коксової батареї.

Об'єкт дослідження: стикувальні вузли батареї коксових печей.

Предмет дослідження: процес зміни функціональних властивостей стикувальних вузлів залежно від експлуатаційних і конструктивних факторів.

Методи дослідження. Під час проведення досліджень використано методи математичної статистики, планованого експерименту, теорії подібності й розмірностей, експериментальні дослідження надійності конструктивних елементів, чисельні методи вирішення початково-крайових завдань для диференційного рівняння теплопровідності та метод кінцевих елементів по основних рівняннях теорії пружності.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше запропоновано комплексні показники технічного стану стикувальних вузлів на основі критеріїв порушення функціонування та герметичності, що дозволяють одержувати кількісну оцінку надійності та зіставляти рівень технічного стану різних конструкцій при різних умовах і тривалості експлуатації.

2. Експериментально встановлено залежності комплексних показників технічного стану стикувальних вузлів коксової печі від температури, тривалості експлуатації, інтенсивності притиснення в з'єднанні й інших факторів. Залежності дозволяють визначити ступінь впливу експлуатаційних і конструктивних факторів на процес розгерметизації та порушення функціонування стикувальних вузлів під час експлуатації. Установлено граничні значення критеріальних функцій для кожного елемента і з'єднання, при яких гарантовано дотримання санітарних нормативів по викидах, а також безвідмовна робота елементів.

3. Розроблено математичну модель втрати функціональних властивостей стикувальними вузлами, яка враховує напружено-деформований й температурний стан елементів під час експлуатації батареї, що дозволяє прогнозувати довговічність цих елементів залежно від механічних, температурних, конструктивних й експлуатаційних факторів.

4. Встановлено закономірності зміни критеріїв порушення функціонування і герметичності залежно від тривалості експлуатації коксової батареї, що дозволило визначити періоди безвідмовної роботи елементів стикувальних вузлів. Показано, що при відхиленні від нормального режиму експлуатації й відсутності відновлень стикувальних вузлів викид шкідливих речовин перевищить припустимий рівень після 400 циклів пічовидач, а втрата функціональних властивостей елементів стикувального вузла типу "кришка" відбудеться при досягненні 2000 циклів.

5. Обґрунтовано напрямки конструктивних змін дверей, ущільнювальних пристроїв, кладки простінків, а також необхідність відновлення та обслуговування стикувальних вузлів. Доведено, що конструктивні зміни цих елементів дозволять збільшити тривалість періоду безвідмовної і герметичної роботи вузлів до 5000 циклів пічовидач.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методику оцінки рівня технічного стану стикувальних вузлів коксової батареї, використання якої дозволило зіставляти надійність стикувальних вузлів різних конструкцій, а також прогнозувати довговічність вузлів та окремих елементів на етапі проектування. Розроблено нові технічні рішення (патент № 52037, патент № 52037) і рекомендації, графіки ремонтно-профілактичних робіт для дверей, люків, кришок, кладки простінків коксових печей, використання яких при спорудженні, реконструкції печей дозволяє підвищити надійність і герметичність коксової батареї. Розроблені конструкції, а також графіки ремонтно-профілактичних робіт впроваджені на Авдіївському коксохімічному заводі, а також використовуються ВАТ "Коксохімпроект" під час проектування та реконструкції коксових батарей на коксохімічних заводах України.

Особистий внесок здобувача. Автором проведено аналіз умов експлуатації й статистичних досліджень надійності стикувальних вузлів коксової батареї. Розроблено комплексні показники технічного стану стикувальних вузлів. Розроблено та досліджено математичну модель напружено-деформованого і температурного стану елементів стикувальних вузлів. Розроблено рекомендації та технічні рішення, спрямовані на підвищення надійності і герметичності коксових батарей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були повідомлені (із включенням у програму і публікацією тез доповідей) на наукових конференціях: V-X Всеукраїнські конференції "Охорона навколишнього середовища й раціональне використання природних ресурсів" (м. Донецьк, Україна, 18 - 20 квітня, 16-18 квітня, 14-16 квітня, 13-15 квітня, 11-13 квітня, 17-19 квітня 2000 - 2006р.), V, VI, VIII, X міжнародні науково-технічні конференції "Прогресивні технології машинобудування й сучасність" (м. Севастополь, Україна, відповідно 8-11 вересня 1998р., 13-18 вересня 1999р., 10-16 вересня 2001 р., 8-14 вересня 2003р.), III Міжнародна науково-практична конференція "Екологічні проблеми індустріальних мегаполісів" (м. Донецьк, Україна, 22-24 травня 2006 р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 21 науковій праці, у тому числі 8 статей у виданнях, рекомендованих ВАК України, 2 патенти, 11 доповідей і тез наукових конференцій і семінарів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури (185 найменувань), 6 додатків, містить у цілому 180 сторінок машинописного тексту, 32 таблиці, 27 рисунків.

Зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність, наукове й практичне значення роботи, сформульовані мета, завдання і наукова новизна.

У першому розділі проведено аналіз умов експлуатації стикувальних вузлів батарей коксових печей. Стикувальні вузли - це зони контакту вогнетривких і металевих елементів, що забезпечують підвід і відвід газових середовищ, подачу або розвантаження робочих мас, або ущільнювальні пристрої для дверей і люків печей коксових батарей. Встановлено, що в найбільш жорстких умовах працює придверна зона коксових печей (кладка перших двох опалювальних каналів, броні, рами, двері, анкераж), а також вузол газовідводного люка (кладка перекриття камер, футерований стояк). Розроблено узагальнені схеми стикувальних вузлів коксових печей, що відбивають основні конструктивні та експлуатаційні особливості.

Проведено аналіз різних технічних рішень, рекомендацій і заходів щодо підвищення надійності елементів стикувальних вузлів. Ряд досліджень і розробок, спрямованих на забезпечення надійності коксових батарей, виконали Власов Г.О., Гадяцький В.Г., Котляр Б.Д., Веретельник С.П., Парфенюк О.С., Лобов А.А., Посохов М.Ю., Федчунов А.Л. й ін. Однак дослідження проводилися, в основному, без урахування взаємозв'язку технічного стану елементів стикувальних вузлів і взаємовпливу експлуатаційних факторів. Для вирішення проблеми забезпечення надійності необхідно дослідити механізм взаємовпливу елементів стикувальних вузлів, розглядаючи елементи вузла як систему, у якій технічний стан і відмови елементів взаємозалежні й взаємообумовлені.

У другому розділі проведено обґрунтування методу дослідження надійності стикувальних вузлів, наведено методику збору, кодування й обробки інформації з відмов елементів. Описано методику проведення експерименту з визначення межі міцності вогнетривких матеріалів, що працюють у кладці стикувальних вузлів. Проаналізовано існуючі методи розрахунку довговічності й герметичності елементів стикувальних вузлів. Обґрунтовано необхідність розробки комплексних критеріїв, що враховують вплив основних експлуатаційних і конструктивних факторів на технічний стан вузлів.

У третьому розділі з метою визначення значущих факторів руйнування стикувальних вузлів коксових батарей проведено аналіз їх надійності методом дерева відмов.

Проведена оцінка внеску відмов різних елементів вузла (А - відмови, пов'язані з технічним станом кладки, К - відмови, пов'язані з впливом коксових машин, М - відмови металевих елементів стикувальних вузлів) в настанні події "зупинка експлуатації коксової печі" проводилася за величиною коефіцієнтів значущості Fi кожної події, які порівнювалися із середнім по системі коефіцієнтом Fср

У результаті аналізу встановлено, що значущими факторами, що впливають на довговічність і герметичність агрегату, є:

- температурні: максимальна температура tmax і температурний перепад tmax - tmin;

- механічні: діючі напруги s м; інтенсивність притиснення qпр;

- експлуатаційні: перепад тиску між внутрішнім і зовнішнім середовищем p; динамічна в'язкість газу , швидкість поверхневого руйнування елементів стикувальних вузлів vs,, тривалість експлуатації коксової печі T;

- конструктивні: характерний розмір L елемента, що сприймає навантаження в процесі експлуатації батареї, площа зазору, що виникає в з'єднанні елементів B.

Як параметри стану стикувальних вузлів прийнято:

- межа міцності на розтягування s--* (для вогнетривких елементів);

- межа текучості sт (для металевих елементів);

- питомий витік середовища Q через одиницю периметра за одиницю часу за інших рівних умов (µ, p, В).

Для оцінки технічного стану стикувальних вузлів запропоновано критерії порушення функціонування і герметичності, розроблені на основі теорії подібності та розмірностей:

,

.Поверхня вузла розбита розрахунковою сіткою з n розрахункових точок у кожному елементі стикувального вузла. Величина критерію визначається для кожної розрахункової точки.

Умови довговічності стикувальних вузлів, отримані на основі залежностей

(1) - (2) і мають вигляд:

,

де K*, KQ - функції, що враховують вплив факторів руйнування на міцність і герметичність вузла.

Умова (3) дозволяє оцінити міцність кожного елемента вузла, визначити низьконадійні зони елементів. Умова (4) дозволяє оцінити герметичність з'єднань елементів по двох найнебезпечніших компонентах летких продуктів коксування - бенз(а)пірену та бензолу (I, II клас небезпеки) - з урахуванням впливу факторів руйнування.

З урахуванням процесу розгерметизації з'єднань і старіння елементів під час експлуатації батареї довговічність стикувального вузла забезпечена, якщо:

механічні напруги в елементах не перевищать межу міцності:

;

Розрахунковий витік шкідливих речовин не перевищить нормативний витік:.

Критеріальні функції

та

обчислені по регресійних рівняннях. Коефіцієнти рівнянь регресії визначено шляхом експериментальних досліджень зміни міцнісних характеристик матеріалу елементів і герметичності з'єднань під впливом експлуатаційних і конструктивних факторів. У результаті обробки даних експерименту встановлено, що функція K* адекватно описується рівнянням першого порядку, а функція KQ - рівнянням другого порядку.

Для оцінки ступеня впливу факторів руйнування на міцність і герметичність вузла розроблено математичну модель напружено-деформованого і температурного стану стикувальних вузлів. В основу моделі покладено основні рівняння теорії пружності та закони теплообміну. Реалізація здійснена методом кінцевих елементів і кінцево-різницевою апроксимацією за допомогою існуючих програм типу COSMOS.

У четвертому розділі за допомогою розробленої моделі отримано розподіли температурних tmax, tmax - tmin і механічного s--м факторів на поверхні елементів стикувальних вузлів шляхом реалізації моделі їх напружено-деформованого та температурного стану. Розрахунок проводили з урахуванням зміни теплових і механічних навантажень протягом циклу. Критичні значення механічного фактора виникають для таких елементів як люки, двері, футерівка, якщо кришка неточно встановлена в проріз печі, для елементів армування - при зриві кришки по закінченні процесу коксування, для кладки простінків - при перевищенні зусилля видачі коксового пирога.

Встановлено, що для зменшення температурних перепадів в елементах стикувальних вузлів найбільш ефективно змінювати розміри простінка. При збільшенні на 50 мм відстані від фасаду до першого опалювального каналу величина температурного перепаду змінюється на 30-50 °С, при цьому стріла прогину корпусу двері зменшиться до 4 разів (з 12 до 3 мм).

Чисельні значення механічного і температурного фактора були вхідними даними для визначення ступеня впливу факторів руйнування на технічний стан елементів стикувальних вузлів під час експлуатації по функціях K*, KQ.

Визначено граничні значення критеріальних функцій для кожного елемента і з'єднання стикувальних вузлів, при яких гарантована безвідмовна робота елементів (для елементів із шамоту K* 0,025, для елементів із динасу K* 0,053, для чавунних і сталевих елементів K* 0,06), а також дотримання санітарних нормативів по викидах (для вузла типу "кришка" KQ ? 1,4, для вузла типу "труба" KQ ? 1,3).

Проведено оцінку рівня технічного стану стикувальних вузлів коксової батареї з печами об'ємом 41,6 м 3 за критеріями порушення функціонування і герметичності. Встановлено, що при відхиленні від нормального режиму експлуатації і відсутності відновлень стикувальних вузлів вже на першому році роботи ( 500 циклів пічовидач) у вузлі з'являються низьконадійні ділянки, а при досягненні 2000 циклів пічовидач відбудеться втрата функціональних властивостей всіх елементів.

Шляхом варіювання механічного, температурного та конструктивного факторів при оцінці стикувальних вузлів за критерієм порушення функціонування встановлено такий режим експлуатації, при якому значення K* зміниться в 1,2 - 1,8 рази, KQ в 1,5-2 рази, а тривалість періоду безвідмовної роботи всіх елементів, за винятком кладки першого опалювального каналу та поверхні футерівки (50-70 мм), зросте до 5000 циклів пічовидач.

За критерієм герметичності проведено оцінку викидів через з'єднання стикувальних вузлів. По концентраціях з бензолу та бенз(а)пірену в робочих зонах батареї визначений валовий викид небезпечних компонентів через з'єднання:

.

Порівнянням отриманих значень із гранично припустимими викидами цих речовин визначено інтервали часу в процесі експлуатації агрегату, що відповідають втраті герметичності стикувальних вузлів.

; .

При експлуатації стикувальних вузлів коксової батареї з відхиленням від нормального режиму порушення санітарних нормативів по викидах відбудеться після 400 циклів пічовидач. Для того щоб збільшити тривалість періоду герметичної роботи стикувальних вузлів типу "кришка", необхідно в процесі роботи батареї забезпечувати інтенсивність притиснення двері на рівні q = 0,05 ч 0,07 МПа.

Перевірка адекватності результатів розрахунку проведена за критерієм Фішера і є задовільною.

У п'ятому розділі досліджена модель втрати функціональних властивостей стикувальних вузлів. За результатами дослідження встановлено діапазони кожного з факторів, у яких буде забезпечена надійна робота елементів стикувальних вузлів протягом проектного терміну служби (табл. 1, 2). Значення кожного фактора, що входить до критеріїв порушення функціонування і герметичності, послідовно варіювали, домагаючись виконання умов довговічності стикувальних вузлів.

Таблиця 1 Діапазони варіювання факторів, що впливають на критерій порушення функціонування

Тип вузла	Матеріал елементів	Діапазони варіювання
		?м, МПа	tmax, °С	t, °С	Т,ч(рік)	vs, мм/рік	L,мм
"кришка"	ДК-1	0-0,04	500-1050	50-200	0-13103 (1,5)	0-0,2	0,15-0,3
	ШК-41	0-0,24	400-700	150-400	0-10,5103(1,2)	0-0,3	-
	СЧ 18-36	-	-	-	0-36,5103(5)	0-0,08	-
	Ст 3	0-0,72	-	-	0-8,7103(1)	0-0,01	0,08-0,2
"труба в кладці"	ШК-41	-	400-700	150-400	0-22103(2,5)	0-0,2	-
	СЧ 18-36	-	-	-	0-48103(5,5)	0-0,08	-
	Ст 3	0-1,8	60-100	30-50	0-36,5103(5)	0-0,01	0,08-0,2

Таблиця 2 Діапазони варіювання факторів, що впливають на критерій герметичності

діапазони варіювання	Фактори	Тип вузла
		"кришка"	"труба в кладці"
	tmax, °С	-	200-300
	t, °С	-	50-100
	vs, мм/рік	0-0,01	0-0,2
	B, мм	0,1-0,15	0,1-0,15
	Т, ч(рік)	0-4,3103 (0,5)	0-8,7103 (1)
	qпр, МПа	0,02-0,05	-
	p, Па	20-50	-
	, Па·c	1,510-5 -610-5	510-6 -610-5

На основі встановлених закономірностей зміни критеріїв порушення функціонування та герметичності від тривалості експлуатації коксової батареї розроблено рекомендації із проведення ремонтно-відновлювальних робіт елементів стикувальних вузлів - дверей, футерівки, ущільнювальної рамки, кладки простінка.

На підставі аналізу результатів розрахунків за розробленою математичною моделлю встановлено, що для підвищення надійності стикувальних вузлів необхідно:

1. Регулярно, не рідше 1 раз в 8-10 місяців, робити регулювання натискного поясного і кріпильного рядів ущільнювальної рамки двері коксової печі, тим самим забезпечуючи сталість зусилля притиснення рамки, що збільшить період безвідмовної роботи ущільнювальної рамки до 1500 циклів пічовидач, що в 3 рази перевищує терміни, встановлені правилами технічної експлуатації коксохімічних підприємств.

2. Використати для футерівки двері замість дрібноштучної цегли великорозмірні шамотні блоки, при цьому період безвідмовної роботи футерівки збільшиться в 2,5 рази, а наробіток на відмову досягне 1500 циклів пічовидач.

3. Проводити профілактичні гарячі ремонти кладки заплечиків простінків коксових печей кожні 250 циклів пічовидач, після 1700 циклів експлуатації батареї частоту ремонтів необхідно збільшити до 1 раза через кожні 160 циклів.

Розроблено технічні рішення, що дозволяють підвищити надійність і герметичність стикувальних вузлів які захищено патентами України № 52037, № 54132.

У запропонованих пристроях має місце переміщення ущільнювального елемента щодо корпусу дверей, що забезпечує самоцентрування дверей, очищення елементів стикувальних вузлів від продуктів коксування, герметичність придверної зони.

Обґрунтовано ефективність використання у вузлах технічних рішень: пружних гнучких пластин як пристроїв ущільнення дверей і люків коксових печей, шамотної теплоізоляції динасової кладки стикувальних вузлів товщиною 50-100 мм, великоблочної шамотної футерівки металевих елементів. Установлено, що одночасне використання перерахованих рішень у конструкції вузла призведе до збільшення тривалості періоду безвідмовної роботи з 2000 циклів до 4000 циклів пічовидач для футерівки та зони заплечиків і понад 5000 циклів для металевих елементів вузла і серединної частини кладки простінка; тривалість герметичної роботи з'єднань із 400 до 5000 циклів пічовидач.

Висновки

1. У дисертаційній роботі вирішено наукове завдання, що полягає в розробці методу оцінки рівня технічного стану стикувальних вузлів коксових батарей і прогнозу їхньої довговічності на стадії проектування нових конструкцій.

2. Розроблено критерії і методику оцінки надійності стикувальних вузлів коксової батареї на різних стадіях експлуатації за допомогою цих критеріїв. Методами теорії подібності та аналізу розмірностей у комплексних критеріях об'єднано параметри технічного стану вузів, а також функції, що відображають ступінь впливу експлуатаційних і конструктивних факторів на процес розгерметизації і порушення функціонування стикувальних вузлів.

3. Експериментально визначено залежності зміни параметрів технічного стану вузлів від температури, тривалості експлуатації коксової печі, зусилля притиснення елементів у з'єднанні й інших експлуатаційних факторів. Визначено граничні значення критеріальних функцій для кожного елемента і з'єднання, при яких гарантоване дотримання санітарних нормативів по викидах (для вузла типу "кришка" KQ ? 1,4, для вузла типу "труба" KQ ? 1,3), а також безвідмовна робота елементів (для елементів із шамоту K*0,025, для елементів із динасу K*0,053, для чавунних і сталевих елементів K*0,06).

4. Розроблено математичну модель втрати функціональних властивостей стикувальними вузлами, на її основі складено програму розрахунку на ЕОМ значень максимальної температури, температурного перепаду, механічних напружень. Встановлено критичні значення температурного та механічного фактора для кожного елемента в процесі експлуатації коксових батарей. Дослідження моделі дозволило визначити діапазони факторів руйнування, при яких буде забезпечено безвідмовну роботу елементів стикувальних вузлів протягом проектного терміну використання батареї: температурний перепад на поверхні металевих елементів 50-80 °С, швидкість поверхневого руйнування елементів кладки 0 - 0,2 мм/рік, площа поверхні стику 0,1 - 0,15 мм, інтенсивність притиснення дверей 0,02 - 0,05 МПа, перепад тиску між середовищами 20 - 50 Па, динамічна в'язкість 1,510-5 - 610-5 Пас.

5. На основі закономірностей зміни критеріїв порушення функціонування і герметичності залежно від тривалості експлуатації коксової батареї визначено періоди безвідмовної роботи елементів стикувальних вузлів, розраховано періодичність необхідних відновлень й обслуговування, розроблено рекомендації із проведення ремонтно-відновлювальних робіт дверей, футерівки, ущільнювальної рамки, кладки простінка.

6. З використанням критеріїв порушення функціонування та герметичності обґрунтовано ефективність застосування розроблених технічних рішень для підвищення надійності стикувальних вузлів. Установлено, що використання в пристроях ущільнення дверей і люків коксових печей пружних пластин (патенти № 52037, № 54132 України), застосування шамотної теплоізоляції динасової кладки товщиною 50-100 мм, футерівка металевих елементів великорозмірними вогнетривкими блоками збільшує тривалість герметичної роботи з'єднань із 400 до 5000 циклів пічовидач, а також тривалість періоду безвідмовної роботи елементів: з 2000 до 4000 циклів для футерівки і зони заплечиків і понад 5000 циклів пічовидач для металевих елементів вузла та серединної частини кладки простінка.

Основний зміст дисертації опублікований у публікаціях

1. Парфенюк А.С., Алексеева О.Е., Захаров П.А. и др. Анализ надежности элементов головочной зоны коксовой печи // Кокс и химия. - 1998.- № 6. - С. 16-19.

Внесок здобувача: проведення аналізу надійності елементів придверної зони коксової печі методом дерева відмов, опис результатів аналізу.

2. Парфенюк А.С., Костина Е.Д., Алексеева О.Е. Расчет безотказности крупноблочной бетонной кладки коксовых батарей // Кокс и химия. - 2001. - № 5. - С. 21-25.

Внесок здобувача: аналіз існуючих методик розрахунку елементів стикувальних вузлів.

3. Захаров П.А., Ткаченко В.Н., Алексеева О.Е и др. Анализ температурных условий работы уплотнительных устройств дверей коксовых печей // Кокс и химия. - 1999. - № 6. - С. 21-25.

Внесок здобувача: опис математичної моделі температурного стану придверної зони простінків коксових печей, її дослідження.

4. Власов Г.А., Топоров А.А., Алексеева О.Е., Захаров П.А., Бритов Н.А., Ткаченко В.Н., Карпов В.С. Анализ температурных условий работы уплотнительных устройств дверей коксовых печей (Сообщение 2) // Кокс и химия. - 2002. - № 9. - С.43-45.

Внесок здобувача: опис математичної моделі температурного стану придверної зони простінків коксових печей, аналіз результатів.

5. Парфенюк А.С., Костина Е.Д., Алексеева О.Е. и др. Обобщение опыта сооружения и результатов эксплуатации крупноблочной кладки коксовых батарей из огнеупорного бетона // Огнеупоры и техническая керамика. - 2000.- № 2.- С. 46-50.

Внесок здобувача: опис результатів експериментальної роботи з дослідження міцнісних властивостей вогнетривких матеріалів залежно від терміну служби.

6. Третьяков П.В., Алексеева О.Е., Парфенюк А.С. Оценка экологической безопасности тепловых агрегатов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. Випуск 77 - Донецьк: ТОВ "Лебідь", 2004, С. 103 - 106.

Внесок здобувача: визначення чисельних значень критеріальних функцій для різних елементів стикувальних вузлів коксових печей.

7. Алексеева О.Е. Оценка работоспособности тепловых агрегатов при проектировании // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2003. - Вып.7. - С. 178-183.

Внесок здобувача: визначення чисельних значень критеріїв порушення функціонування й герметичності стикувальних вузлів.

8. Комбаров А.П., Парфенюк А.С., Алексеева О.Е. и др. Результаты эксплуатации первых крупноблочных коксовых батарей // Кокс и химия. - 1998. - №11-12. - С.13-17.

Внесок здобувача: визначення параметрів руйнування великоблочної кладки стикувальних вузлів.

9. Пат. 52037 України, МПК 6 С 10В 25/16. Пристрій ущільнення дверей коксових печей: Пат. 52037 України, МПК 6 С 10В 25/16 О.С. Парфенюк, С.П. Веретельник, Г.О. Власов, О.Е. Алексєєва (Україна) - №2002010473; Заявл. 18.01.02; Опубл. 16.12.2002. - 2 с.

Внесок здобувача: запропоновано застосування пружних елементів.

10. Пат. 54132 Україны, МПК 6 С 10В 25/16. Пристрій ущільнення дверей коксових печей: Пат. 54132 України, МПК 6 С 10В 25/16 О.С. Парфенюк, С.П. Веретельник, Г.О. Власов, О.Е. Алексєєва (Україна) - № 2002054175; Заявл. 22.05.02; Опубл. 17.02.2003. - 3 с.

Внесок здобувача: запропоновано застосування клиноподібних елементів.

11. Третьяков П.В., Парфенюк А.С., Топоров А.А., Алексеева О.Е., Баранов Д.А Обеспечение техногенной безопасности тепловых агрегатов // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. трудов международной научно-технической конференции в г. Севастополе в 3-х томах (9-15 сентября 2002 г.). - Донецк: ДонГТУ, 2002. - Т.3 - С.73-75.

Внесок здобувача: визначення значущих факторів руйнування елементів стикувальних вузлів.

12. Власов Г.А., Парфенюк А.С., Алексеева О.Е. и др. Гарантия надежности и долговечности тепловых агрегатов для переработки углеродистых материалов.// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сб. научных трудов: Специальный выпуск - Материалы V международной научно-техн.конф. "Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века". в г. Севастополе в 3 -х томах (8-11 сентября 1998 г.). - Донецк: :ДонГТУ. Вып.6, 1998. - Т.1. - С. 154-156.

Внесок здобувача: визначення основних експлуатаційних і конструктивних факторів, а також параметрів технічного стану стикувальних вузлів.

13. Веретельник С.П., Костина Е.Д. Алексеева О.Е., Котенко Н.С., Комбаров А.П., Лукашенко А.Д., Кравчук П.А. Новое направление в сооружении коксовых батарей // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: Химия и химическая технология. Выпуск 13, Донецк: ДонГТУ, 2000. - С 134 -138.

14. Парфенюк А.С., Топоров А.А., Алексеева О.Е. и др. Система безопасности и экологичности основных производств промышленных предприятий // Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века: Международный сб. научных трудов в г. Севастополе (13-18 сентября 1999 г.) в 3 -х томах. Т.3.- Донецк: ДонГТУ, 1999. - С. 227-229.

Внесок здобувача: проведення аналізу умов експлуатації теплових агрегатів, обґрунтування критеріального підходу до оцінки надійності промислових виробництв.

15. Алексеева О.Е., Топоров А.А. Оценка надежности газоопасных узлов тепловых агрегатов // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: Химия и химическая технология. Выпуск 13/ Гл. ред. Башков Е.А.: Донецк: ДонГТУ, 2000. - С. 22-26.

Внесок здобувача: аналіз проблеми підвищення надійності виробничих процесів у коксохімічному виробництві.

16. Чубенко А.В., Алексеева О.Е., Топоров А.А. Оценка техногенного риска технологического комплекса // Машиностроение и техносфера XXI века: Международный сб. научных трудов научно-технической конференции в г. Севастополе (7-12 сентября 2003 г.) в 3 -х томах. - Том 3. - Донецк: ДонНТУ, 2003.- С.22-26.

Внесок здобувача: аналіз проблеми підвищення безпеки виробничих процесів у коксохімічному виробництві.

17. Алексеева О.Е., Власов Г.А., Парфенюк А.С., Топоров А.А. Оценка работоспособности стыковочных узлов тепловых агрегатов // Математические методы в технике и технологиях. Материалы XV Международной научной конференции. (15 -17 мая 2002 г.). - Тамбов: ТГТУ, 2002. - С.93-96.

Внесок здобувача: розробка методики виводу критеріїв порушення функціонування та герметичності стикувальних вузлів.

18. Алексеева О.Е., Лагунова И.В., Криводуд Т.В. Основные методы улучшения экологической обстановки в коксовых цехах // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Материалы ІV Международной научной конференции аспирантов и студентов (11-13 апреля 2005 г.). - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - С.151-152.

Внесок здобувача: оцінка герметичності різних типів з'єднань стикувальних вузлів.

19. Федоренко О.В., Алексеева О.Е., Третьяков П.В. О необходимости повышения техногенной безопасности тепловых агрегатов в контексте решения экологических проблем // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Материалы ІV Международной научной конференции аспирантов и студентов (11-13 апреля 2005 г.). - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - С.149-150.

Внесок здобувача: розробка методів і засобів ремонту вогнетривкої кладки, що підвищують її довговічність.

20. Алексеева О.Е., Третьяков П.В. Экологическая безопасность коксовых батарей: проблемы и решения // Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Материалы III Международной научно-практической конференции в 2-х томах. (23-27 мая 2006 г.). - Донецк: ДонНТУ, 2006. - Т.1.- С. 255 - 257.

Внесок здобувача: критеріальна оцінка різних технічних рішень, що забезпечують надійність роботи коксової батареї.

21. Алексеева О.Е., Третьяков П.В. Экологическая безопасность коксовых батарей: проблемы и решения // "Экологические проблемы индустриальных мегаполисов". Материалы III международной научно-практической конференции - выставки в г. Донецке 23-27 мая 2006 г. Донецк, 2006. С. 255 - 257.

Внесок здобувача: оцінка технічних рішень щодо забезпечення надійності роботи коксових батарей.

Размещено на Allbest.ru