Підвищення довговічності кладки коксових печей на основі регламентації ремонтно-профілактичних робіт

Размещено на http://www. allbest. ru/

Національний технічний університет України

Київський політехнічний інститут

УДК 662.741.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.05.13 - Машини та апарати хімічних виробництв

Підвищення довговічності кладки коксових печей на основі регламентації ремонтно-профілактичних робіт

Трет'яков Павло Васильович

Київ - 2008

Дисертація є рукописом

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Парфенюк Олександр Сергійович, Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет”, м. Донецьк, професор кафедри машин та апаратів хімічних виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Юшко Віталій Ларіонович, Державний вищий навчальний заклад “Український державний хіміко-технологічний університет” Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри обладнання хімічних виробництв доктор технічних наук, професор Грес Леонід Петрович, Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри теплотехніки та екології металургійних печей

Захист відбудеться “ 10 ” листопада 2008 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 “ 08 ” жовтня 2008 року.

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

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Висока концентрація промислових підприємств у Донецько-Придніпровському регіоні та пов'язаний із цим стан навколишнього середовища обумовили важливість питань забезпечення належного технічного рівня, надійності та довговічності промислових агрегатів. Ситуація ускладнюється швидким старінням основних фондів промислових підприємств і низькими темпами їх відновлення, підвищуються витрати на ремонти. У результаті збільшуються частота та вага наслідків від аварій та екологічних збитків навколишньому середовищу.

Особливе місце на даний момент часу посідають основні теплові агрегати коксохімічної промисловості й, у першу чергу, батареї коксових печей, середній термін служби яких досягає 27 років. В Україні функціонує 15 коксохімічних виробництв, в експлуатації яких перебуває близько 60 коксових батарей із загальною кількістю коксових печей близько 3000 одиниць. Більше 40 % коксових батарей перевищили нормативний термін служби - 25 років, а для деяких термін досяг 60 років.

Крім коксових батарей, проблема старіння актуальна й для інших агрегатів коксохімічних виробництв: пекококсових батарей, установок сухого гасіння коксу, піч-котлів відділень уловлювання й очистки від сірки, для підприємств виробництва будівельних матеріалів, а саме печей для скловаріння.

Загальними особливостями конструкції й режимів роботи перерахованих теплових агрегатів є наявність вогнетривкої футерівки, що становить основну частину матеріалоємності агрегатів. Високі температури процесів, що протікають, періодичні та різкі коливання температур, контакт елементів конструкції з агресивними робочими середовищами, силові навантаження й інші негативні фактори призводять до руйнування вогнетривкої футерівки, що спричиняє ряд негативних наслідків: порушення гідравлічного й температурного режимів роботи агрегату; підвищення швидкості зношування вогнетривкої кладки; порушення режимів роботи інших елементів конструкції агрегату й обслуговувальних машин; зниження якості продукції; підвищення витрат на ремонти; розгерметизація кладки й викид в атмосферу шкідливих газоподібних речовин. Як наслідок відбувається руйнівна відмова агрегатів, завдання збитків навколишньому середовищу і зниження економічної ефективності виробництва.

Тому підвищення довговічності вогнетривкої кладки коксових печей й інших теплових агрегатів, є однією з найбільш актуальних проблем. Дослідження процесів руйнування вогнетривкої кладки важливе також з позиції обґрунтування ефективних методів забезпечення герметичності масиву кладки камерних печей при їх проектуванні й розробці регламентів експлуатації й обслуговування теплових агрегатів для переробки вуглецевих матеріалів і органічних відходів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Базою для підготовки дисертаційної роботи є НДР, виконана кафедрою МАХП ДонНТУ відповідно до держбюджетної тематики університету, затвердженої Міністерством освіти і науки України, і спрямована на вдосконалення методів розрахунку й моделювання устаткування для фізико-механічної підготовки органічної сировини для термолізно-енергетичної утилізації - Держтема № Н-9-02 “Розробка пристроїв й удосконалення методів розрахунку й моделювання устаткування для фізико-механічної підготовки низькосортного вугілля й органічних відходів для енергетичної й термолізної утилізації”.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - підвищення довговічності вогнетривкої кладки коксових печей на основі наукового обґрунтування регламентів проведення ремонтно-профілактичних робіт з урахуванням процесів її руйнування-відновлення.

Поставлена мета обумовила необхідність рішення наступних завдань:

- визначити фактори, що впливають на довговічність вогнетривкої кладки коксових печей і науково обґрунтувати критерії технічного стану;

- дослідити процеси накопичення пошкоджень у кладці простінків і закони розподілу параметрів дефектів і пошкодження простінка в процесі довготривалої експлуатації;

- розробити математичну модель процесу руйнування-відновлення кладки, що дозволяє прогнозувати стан кладки на міжремонтний період;

- оцінити ймовірності виникнення критичних і наскрізних дефектів, кількість викидів шкідливих речовин через наскрізні дефекти у вогнетривкій кладці камерних печей;

- обґрунтувати засоби і параметри процесів відновлення кладки коксових печей і збільшення ефективності ремонтів.

Об'єкт дослідження - процес руйнування-відновлення вогнетривкої кладки коксових печей.

Предмет дослідження - закономірності зміни технічного стану вогнетривкої кладки коксових печей в процесі довготривалої експлуатації.

Методи дослідження. Під час проведення досліджень використано методи математичної статистики та загальної теорії надійності при обробці й аналізу великої за обсягом статистичної інформації про стан кладки батарей коксових печей коксохімічних заводів з використанням сучасних засобів обробки даних, методи математичного моделювання росту дефектів і накопичення пошкоджень у кладці простінків, з використанням основних положень процесів Маркова.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше установлено закономірності процесу руйнування-відновлення кладки простінків коксових печей і зміни швидкості росту тріщин і відколів залежно від терміну служби кладки, що дозволило науково обґрунтувати критерії технічного стану кладки.

2. Вперше обґрунтовано та кількісно визначено значення параметрів критичного стану кладки залежно від ступеня її ушкодження. Установлено критичні параметри дефектів кладки: критична довжина тріщини, ширина розкриття кромок, глибина тріщини; критична площа й глибина відколів.

3. Розроблено на основі теоретичних й експериментальних досліджень математичну модель руйнування-відновлення кладки з використанням ланцюгів Маркова, що враховує циклічні впливи руйнівних факторів у процесі експлуатації, дозволяє прогнозувати стан кладки на міжремонтний період і рекомендувати періоди ремонтів для попередження появи дефектів із критичними розмірами.

4. Вперше дано наукове обґрунтування регламенту оглядів і ремонтно-профілактичних робіт із продовження терміну служби кладки коксових печей при циклічному впливі руйнівних факторів на основі моделювання процесу руйнування-відновлення кладки.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методику регламентації ремонтів кладки обігрівальних простінків коксових печей на основі аналізу результатів використання математичної моделі для визначення періодів відновлень кладки й техніко-економічного аналізу для визначення виду ремонту. Методику апробовано в умовах Авдіївського коксохімічного заводу при плануванні ремонтів і прийнято до впровадження для розробки модуля планування ремонтів кладки обігрівальних простінків коксових печей у межах інформаційної системи технічного обслуговування й ремонтів.

Особистий внесок здобувача. Виконано узагальнення й аналіз наявних методів і засобів підвищення довговічності та надійності вогнетривкої кладки камерних печей. Виявлено закономірності процесів руйнування кладки простінків коксових печей, кількісне співвідношення видів дефектів і щільності розподілу на різних ділянках кладки. Визначено закони розподілу параметрів тріщин і відколів. Розроблено математичну модель руйнування-відновлення вогнетривкої кладки. Обґрунтовано періодичності та зміст відновлювальних робіт на основі використання математичної моделі.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати роботи доповідалися (із включенням у програму й публікацією тез доповідей) на таких наукових конференціях і симпозіумах: IХ - XI Міжнародних науково-технічних конференціях «Машинобудування й техносфера на рубежі XXI століття» (м. Севастополь, Україна, відповідно 9-14 вересня 2002 р., 8-14 вересня 2003 р., 14-16 вересня 2004 р., 12-17 вересня 2005 р.); I, II Міжнародна науково-практична конференція «Екологічні проблеми індустріальних мегаполісів» (відповідно м. Донецьк, Україна, 1-4 червня 2004 р., м. Москва, Росія, 24-27 травня 2005 р.); VII Міжнародний симпозіум молодих учених, аспірантів і студентів «Техніка екологічно чистих виробництв в XXI столітті: Проблеми й перспективи» (м. Москва, Росія, 12-13 жовтня 2004 р.); I Міжнародна наукова конференція аспірантів і студентів «Охорона навколишнього середовища й раціональне використання природних ресурсів» (м. Донецьк, Україна, відповідно 16-18 квітня 2002 р.); Науково-технічна конференція «Процес і технології використання відходів хімічного виробництва» (м. Донецьк, 24-27 травня 2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 18 наукових працях, у тому числі 5 наукових статтях у виданнях, рекомендованих ВАК України, 13 доповідях і тезах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із введення, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури (154 найменування), 4 додатків, містить 164 сторінки машинописного тексту, 11 таблиць, 45 малюнків.

Основний зміст роботи

У введенні обґрунтована актуальність роботи, визначені ціль і завдання досліджень, викладені наукова новизна, наукове й практичне значення отриманих у дисертації результатів.

У першому розділі проаналізовано стан пічного фонду коксохімічних виробництв країн СНД, повітряного басейну Донецько-Придніпровського регіону й визначені основні техногенні об'єкти, що здійснюють викиди шкідливих речовин в атмосферу. Термін служби багатьох коксових батарей перевищує проектні нормативи, що становлять для більшості коксових батарей 25 років. Кількість коксових батарей з терміном служби вище 25 років становить 43 % та 37 % від загальної кількості батарей відповідно для України та Росії. Виявлено, що більше 30 % викидів шкідливих речовин генерується об'єктами металургійної промисловості, при цьому близько 50 % викидів відбуваються на коксохімічних виробництвах. Основним об'єктом газопилових викидів, що містять різні канцерогени, на коксохімічному виробництві є коксові батареї. Найнебезпечнішими є безперервні емісії через опалювальну систему й систему відводу продуктів згоряння опалювального газу. При експлуатації в процесі старіння вогнетривкої кладки утворюються дефекти в обігрівальних простінках, на базі яких виникають наскрізні отвори, через які відбувається безперервне виділення прямого коксового газу в атмосферне повітря. Розрахунки показали, що при розмірах наскрізного отвору 50Ч50 мм за один період коксування питомий викид газу становить близько 4,6 кг/т коксу.

В результаті був поставлений ряд завдань, спрямованих на дослідження процесів руйнування вогнетривкої кладки простінків коксових печей, підданої впливу циклічних руйнівних факторів, прогнозування її технічного стану з метою запобігання появи критичних і наскрізних дефектів. Отриманий при цьому досвід необхідний також для використання ефективних методів підвищення довговічності й безвідмовності масиву кладки камерних печей, їхньої герметичності під час проектування та розробки регламентів експлуатації й обслуговування теплових агрегатів для переробки відходів методом термолізно-енергетичної рекуперації відходів.

У другому розділі визначені основні фактори, що впливають на надійність і безпеку камерних печей - ступінь зруйнованості й газопроникність кладки простінків, що впливають на обсяги викидів прямого коксового газу в атмосферу. Установлено, що рівень надійності й безпеки камерних печей визначає рівень пошкодження вогнетривкої кладки простінків, більшою мірою кількість і площу наскрізних дефектів, а також сумарну довжину матеріальних швів, у меншому ступені - газопроникність вогнетривкого матеріалу масиву кладки (менш 5 % від загальної кількості витоків через опалювальну систему).

Проаналізовано умови роботи кладки й руйнівних впливів на кладку камерних печей у процесі експлуатації. Визначено види дефектів і причини їхньої появи. Проведений аналіз дозволив виявити аспекти, які необхідно враховувати при вивченні процесів старіння кладки, порушення герметичності обігрівальних простінків і моделювання процесів, що протікають:

- динаміку появи й розвитку дефектів визначає вплив на кладку комплексу руйнівних факторів: термомеханічних, статичних, динамічних навантажень, інших випадкових впливів;

- першопричиною руйнування кладки є температурні напруження, що виникають при перепаді температур, що призводить до появи поверхневих вертикальних тріщин і наступного їхнього розвитку;

- подальше руйнування кладки, деформація простінків викликані порушенням міцносних властивостей та стійкості кладки, наявністю в кладці «магістральних» тріщин;

- одним з перспективних напрямків забезпечення високої газової щільності кладки є розробка стратегії проведення ремонтних робіт для запобігання появи наскрізних дефектів з урахуванням динаміки її руйнування.

У третьому розділі на основі статистичного аналізу інформації з періодичних оглядів стану кладки коксових батарей різної продуктивності й систем обігріву дано кількісні оцінки процесів руйнування, виявлено характеристики й послідовність виникнення дефектів, закономірності розвитку тріщин, відколів, раковин і наскрізних дефектів.

Для визначення потрібного обсягу даних, необхідних для одержання достовірних оцінок зруйнованості вогнетривких простінків камер коксування, було проведене планування спостережень і визначена мінімальна тривалість спостережень, яка склала 4000 циклів видач. Для заданої точності оцінювання параметрів розвитку дефектів був визначений необхідний обсяг вибірки, що склав не менш 210 випадків на рівні значущості 0,1.

Аналіз інтенсивності виникнення й розвитку дефектів у різні періоди експлуатації батареї показав, що першопричиною руйнувань і появи інших видів дефектів є тріщини. Кількість тріщин, що припадають на один простінок після 1000 циклів видач, не перевищує двох. До 2500-3000 циклів видач кількість тріщин не зростає більше трьох, що пояснюється об'єднанням наявних і знову утворених тріщин, збільшенням їхньої довжини. Зі збільшенням строку експлуатації відбувається збільшення довжини, розкриття кромок і відповідно збільшення глибини тріщин аж до утворення наскрізних дефектів. Як показав статистичний аналіз, до 2500 - 3000 циклів видач утворенню наскрізних тріщин довжиною від 300 до 1400 мм піддано до 16 % обігрівальних простінків, причому в 95 % випадків з коксової сторони.

При службі вогнетривів у кладці простінків більше 1000 - 1500 циклів видач у зоні заплечиків відбувається утворення сколів, розміри яких становлять до 20 мм у висоту, 30 мм у довжину й глибиною до 10 мм. При такому строку експлуатації даному виду руйнувань піддається близько 24 % камер коксування як з машинної, так і з коксової сторони батареї, причому на один простінок припадає до 4 відколів. До 2500 циклів видач розміри відколів збільшуються до 30Ч40Ч20 мм. Кількість печей, підданих руйнуванням, підвищується до 31 % з машинної і 80 % з коксової сторони. Динаміка розвитку площі й глибини відколів у процесі експлуатації. Із графіків видно, що після 2500 - 2700 циклів видач, при відсутності необхідних обсягів гарячих ремонтів, відбувається різке збільшення їхньої площі й глибини. Утворенню наскрізних дефектів сприяють відколи з розмірами 70Ч90Ч60 мм при строку експлуатації більше 4500 циклів видач у зоні першого опалювального каналу, як правило, на рівні ходу штанги, що виштовхує, і під люком для відводу газових продуктів коксування.

Утворення раковин відбувається після 2500 циклів видач у результаті зростання площі й глибини відколів і наступного їхнього об'єднання. Зона найбільш імовірної появи раковин - зона заплечиків на рівні 5 ч 15 ряду, що відповідає рівню ходу штанги для виштовхування коксу. Розміри раковин у даній зоні досягають від 100 до 400 мм по висоті, від 50 до 1000 мм по довжині глибиною від 10 до 60 мм. Даному виду дефектів піддається до 90 % простінків камер коксування з машинної сторони й близько 40 % з кокосової, що пов'язане з механічним характером ушкодження кладки на рівні ходу штанги для виштовхування коксу. Після 3500 циклів видач відбувається утворення нових раковин, головним чином у зоні максимальних температур і збільшення лінійних розмірів наявних раковин. Зонами появи раковин на даному періоді є район перших двох опалювальних каналів на висоті 28-30 рядів, а також під люком відводу газових продуктів коксування у районі 49-54 рядів. Розміри раковин досягають від 300 до 600 мм глибиною до 60 мм. Руйнуванням такого типу піддається до 94 % простінків з машинної й до 28 % з коксової сторони. Як показав статистичний аналіз при площі раковини 2500 см² і глибині більше 60 мм імовірність утворення наскрізного дефекту зростає до 0,62. Утворення дефектів такого роду спостерігається вже на стадії 4500 циклів видач.

Аналіз даних дозволив обґрунтувати критичні значення розмірів дефектів, при досягненні яких необхідно їхнє усунення, які для тріщин склали: довжина - 1,8 м, розкриття кромок -

10-15 мм, глибина - 40 мм; для відколів: кількість на поверхні кладки площею 0,2 м² - 6 відколів;

площа - 30 см²; глибина - 30 мм.

Наскрізні дефекти класифіковані на дефекти, що виникли на базі наявних тріщин (у тому числі зруйнованих матеріальних швах), відколів, раковин, а також у результаті випадкових механічних ушкоджень.

Наскрізні дефекти, що виникли на базі тріщин, мають такі розміри: висота - від 300 до 3000 мм, розкриття кромок - від 30 до 50 мм. Утворені на базі відколів, наскрізні дефекти мають розміри від 15Ч15 мм до 50Ч50 мм. Провали, утворені в районі раковин, мають площу від 0,2 м². Причини появи наскрізних дефектів на базі раковин пов'язані з відсутністю гарячих ремонтів або їхніх недостатніх обсягів у сукупності з збуренням печей і несправним устаткуванням коксових машин.

Для оцінки викидів через наскрізні дефекти з урахуванням періодичності перемикання потоків газу й повітря в опалювальних каналах і того, що основна маса викидів відбувається протягом перших трьох годин, були підраховані можливі витоки газу через отвір площею 0,1·10^-3 м² з використанням формули:

де Q - кількість газу, що витікає через наскрізний дефект кладки, кг; S - площа наскрізного дефекту, м²; ф - час витоку газу, с; k - показник політропи коксового газу, k = 1,3774; с₁ - щільність газу в коксовій камері: кг/м³, с₁ ? 0,45 кг/м³; Р₂ - тиск коксового газу в камері, Па, Р₂ = 100068 Па; Р₁ - тиск поза камерою, Па; Р₁ = 99948 Па. При максимальному рівні концентрації наскрізних дефектів, що відповідає 2500 циклам видач (S_уд = 1,24·10^-3 м²/м² з коксової сторони й 0,12·10^-3 м²/м² з машинної) і об'ємі коксових печей 30-32 м³, викид газу через наскрізні дефекти в сумі склали близько 8 кг/т коксу, що відповідає практичним даним вимірів шкідливих викидів.

У четвертому розділі для ідентифікації математичних моделей, найбільш доцільних для вирішення поставленого завдання, був зроблений аналіз літератури, присвяченої детермінованим моделям, побудованим на основних законах механіки руйнування, імовірнісним моделям, математичним моделям прогнозування довговічності й надійності складних систем, що дозволив визначити, що найбільш доцільні й відповідні сутності процесу, описаного вище, є Марковські процеси з дискретними часом і станами об'єкта. Для побудови моделі накопичення ушкоджень у кладці простінка використовували ідею кінцевих ланцюгів Маркова.

Збільшення розмірів дефектів або їхні кількості і якості на простінку розглядаємо як зміну стану об'єкта. Як приклад використаємо зміну довжини тріщини. Перший стан, у якому вона перебуває, відповідно до результатів статистичного аналізу зіставимо з довжиною тріщини 100 мм. Наступний стан, що займає тріщина - довжина 300 мм і т.д. до критичного стану або стану відмови, якщо розглянутий об'єкт - простінок. Описаний процес можна проілюструвати графом переходів. Із графа видно, що за n циклів видач об'єкт може залишитися в поточному стані, або перейти в стан з більш високим номером, що відповідає суті процесів руйнування кладки. Даний граф переходів асоціюється з матрицею перехідних ймовірностей:

, (1)

де p_jk - імовірність того, що об'єкт залишається в стані j за один крок, 0<p_j<1; q_jk - імовірність переходу ушкодження за один крок зі стану j в один з наступних станів {j+1,…, Z}, причому .

Розподіл імовірності досягнення об'єктом певного стану до моменту часу ф має вигляд:

, (2)

де p₀ - розподіл імовірності знаходження об'єкта в певному стані в початковий момент часу .

Використовуючи перетворення через твірні та характеристичні функції, і взявши похідні першого й другого ступеня отриманої характеристичної функції, визначаємо середнє й дисперсію часу досягнення об'єкта певного стану. Характеристична функція часу досягнення критичного стану або відмови має вигляд:

(3)

Відповідно середнє й дисперсію часу досягнення об'єкта певного стану має вигляд:

, .(4)

Для одержання остаточних результатів використаємо матрицю перехідних ймовірностей з одиничними стрибками (тобто за n циклів видач об'єкт може залишитися в поточному стані або перейти в стан більший суміжний). У цьому випадку середнє й дисперсія приймають наступний вид:

і , де .

Стан кладки простінків контролюється в процесі експлуатації періодичними оглядами й підтримується на необхідному рівні за допомогою гарячих ремонтів. Проведення ремонтів призводить до обриву процесу, описаного вище, та переходу об'єкта в первісний стан або в стан з номером j, залежно від обсягу ремонтних робіт і виду ремонту. Крім того, навіть умова знаходження об'єкта в критичному стані не гарантує усунення такого дефекту. Тому наведені моменти також були враховані в моделі руйнування-відновлення кладки уведенням

m_j - імовірності того, що дефект виявлений й усунутий у стані j, а також - імовірності знаходження об'єкта в стані j після i-го огляду й ремонту. Таким чином, частка дефектів, що підлягають ремонту й фактично відремонтованих:

і .

Начальний розподіл ймовірностей після проведення огляду й відновлень у момент часу ф_i:

, (5)

і процес руйнування відновляється з : .

Періоди оглядів ф₁, ф ₂, ф ₃, … і ремонту повинні бути обрані так, щоб значення інтегральної функції розподілу часу досягнення критичних розмірів , не перевершували нормованого значення.

За допомогою описаної вище імовірнісної моделі відтворено процес росту тріщин на основі практичних даних періодичних оглядів кладки. За результатами статистичного аналізу визначено математичне очікування кількості циклів видач, що відповідає певним довжинам тріщини (табл. 1). За ключові довжини тріщин були прийняті наступні значення, м: 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8 (критична довжина тріщини). Матриця перехідних ймовірностей має такий вигляд:

. (6)

Згідно з формулою (3), характеристична функція часу досягнення тріщиною довжини 1,8 м:

. (7)

Для оцінки параметрів моделі r_jj й j використали метод моментів. Значення математичного очікування й дисперсії часу досягнення тріщиною певної довжини, отримані при статистичному аналізі, зведені в таблицю 1.

У результаті була визначена матриця перехідних ймовірностей й отримана інтегральна функція розподілу часу досягнення дефектом критичного розміру

.

Таблиця 1. Параметри моделі для процесу росту довжини тріщини

l, м	Машинна сторона	Коксова сторона
	E{Wj,k}	? {Wj,k}	№ стану j	Параметр rjj	E{Wj,k}	? {Wj,k}	№ стану j	Параметр rjj
0,1	250	0	1	…	470	0,65	250	0	1	…	338	0,685
0,3	775	504	471	…	608	1,751	569	390	339	…	456	1,415
0,5	1154	1167	609	…	730	2,388	855	794	457	…	489	2,131
0,7	1569	2157	731	…	775	8,776	959	1016	490	…	599	6,257
1	2008	6013	776	…	807	7,016	1757	6014	600	…	625	8,559
1,2	2265	7817	808	…	818	12,448	2009	7311	626	…	647	4,407
1,4	2418	9722	819	…	823	28,53	2125	8666	648	…	665	5,093
1,6	2580	14427	824	…	835	14,554	2233	9217	666	…	669	40,02
1,8	2742	16512	836	…			2377	14971	670	…

Були визначені довірчі інтервали інтегральної функції розподілу й перевірена адекватність моделі з використанням критерію Фішера.

Таким чином, визначена матриця перехідних ймовірностей, що при наявності розподілу p₀ дає можливість: обчислення ймовірностей реалізації певної траєкторії переходів між станами; прогнозування стану об'єкта в певний момент часу; відтворення інтегральної функції розподілу кількості циклів після досягнення об'єктом певного стану.

У п'ятому розділі відображена практична сторона використання імовірнісної моделі під час розробки стратегії проведення ремонтних робіт. Планування ремонтів робили для двох варіантів.

У першому випадку керувалися технічним регламентом експлуатації коксових батарей, по якому здійснюють огляди кладки з періодом у шість місяців, у другому випадку нормували величину інтегральної функції розподілу часу досягнення критичною тріщиною довжини 1,8 м на рівні 0,005 для забезпечення надійності й безпеки камерних печей.

Установлено, що відновлення тріщини методами гарячих ремонтів ефективно робити при довжині 1,4 метри, що відповідає стану дефекту j = 648 - стану, отриманому під час оцінки параметрів моделі. Інтегральну функцію розподілу F_f часу досягнення довжини тріщини l = 1,8 метра (j = 670) для кладки знаходимо з вираження (2).

Імовірність того, що дефект вимагає усунення:

. (8)

Відповідно до того, що огляди стану кладки здійснюються з періодом у шість місяців, моменти оглядів прийняті для розрахунків ф₁ = 2000; ф₂ = 2250; ф₃ = 2500; ф ₄ = 2750 і т.д.

Імовірність виявлення дефекту при (тобто при довжині тріщини більше 400 мм) . коксова піч кладка довговічність

Відповідно до збільшення довжини тріщини до максимальних розмірів збільшується частка дефектів, не відновлених до первісного стану.

З аналізу статистичних даних щодо відновлення кладки встановили, що розподіл величини .

Частка тріщин, що підлягає усуненню в момент часу ф₁ = 2000:

. (9)

Таким чином, у момент часу ф₁ усуненню підлягає в середньому 7 % тріщин від їхньої загальної кількості.

Процес росту тріщин відновляється в момент ф₁, після проведення відновлювальних робіт, з розподілом ушкоджень відповідному вираженню (5).

Тоді:

.

Таким чином, функція F_f відновлюється після кожної перевірки й визначає ймовірність досягнення тріщиною критичного стану. Імовірність необхідності відновлення дефектів знаходимо з формули (8), величину p_x - з формули (9) і подібних рівнянь, які застосовуються після кожного ремонту.

Якщо ж керуватися ідеєю забезпечення надійності камерних печей, то ремонти кладки необхідно проводити після досягнення дефектом або простінком певного стану або після досягнення F_f регламентованого значення на рівні . У результаті одержимо вид пилкоподібних кривих, але вже зі змінними інтервалами часу. Як видно, виконання умови F_f(ф_k) < 0,005 після огляду відповідного ф₁ дає відсутність ремонтів, а інтервали часу між оглядами ф₂ - ф₃ й ф₃ - ф₄ склали відповідно 219 й 233 циклів видач.

Таблиця 2. Параметри процесів росту тріщин та їхнього відновлення

Номер огляду,	Час огляду,	Інтегральна функція розподілу часу досягнення тріщиною довжини 1,8м,	Частка тріщин, що потребує відновлення,		pr(фk)
k	фk	Ff(фk)	pr(k)
Випадок 1: при виконанні регламентів з періодичності оглядів і проведення ремонтів
1	2000	0,005	0,213	1,426	0,074
2	2250	0,013	0,703		0,46
3	2500	0,010	0,51		0,307
4	2750	-	0,363		0,17
Випадок 2: при нормуванні Ff(фk) < 0,005
1	2201	0,005	0,904	1,381	0,797
2	2420	0,005	0,307		0,175
3	2653	0,005	0,17		0,137

Якщо порівнювати співвідношення сум p_r⁽¹⁾ + p_r⁽²⁾ + p_r⁽³⁾ для обох випадків, то можна сказати, що отримані результати мають незначну різницю, що є результатом зниження часу між ремонтами й оглядами. Але в другому випадку ймовірність досягнення тріщиною критичної довжини, як міра безпеки, забезпечена на рівні 0,005 порівняно з першим випадком - 0,13. Таким чином, прорахувавши ряд можливих варіантів проведення відбудовних робіт, з різними параметрами визначаємо найбільш доцільні залежно від сформованих зовнішніх умов.

У результаті техніко-економічного аналізу було визначено межі зруйнованості простінків, при яких застосування гарячих ремонтів недоцільно порівняно з повною або частковою перекладкою обігрівного простінка.

Висновки

Дисертаційна робота є закінченою науково-дослідною роботою, у якій вирішено важливе наукове й прикладне завдання продовження терміну служби кладки коксових печей під час циклічного впливу руйнівних факторів за рахунок регламентації оглядів і ремонтно-профілактичних робіт. У роботі отримано наступні основні результати:

1. На основі великої за обсягом виробничої інформації про періодичні обстеження стану кладки обігріваючих простінків коксових печей встановлено закономірності руйнування-відновлення кладки, співвідношення різних видів дефектів і щільності їхнього розподілу в різних зонах кладки на протязі довготривалої експлуатації.

2. Визначено кількісні значення критичного стану кладки залежно від ступеня її ушкодження, а саме критичні параметри різних дефектів кладки: критична довжина тріщини - 1,8 м, ширина розкриття кромок - 15 мм, глибина тріщини - 40 мм; критична площа поверхневого ушкодження - 30 см² і глибина відколів - 30 мм.

3. Визначено параметри ушкоджень, при яких найбільш імовірна поява наскрізних дефектів, а саме наскрізні тріщини утворюються при розкритті кромок 25-30 мм і довжині 2,5-3 м. До наступного огляду стану кладки утворюється наскрізний дефект на місці наявного відколу при досягненні площі перетину 0,0025 м² глибиною 60 мм, ймовірність утворення провалу в районі раковини площею 0,25 м² і глибиною більше 60 мм зростає до 0,62. При площі перетину наскрізного отвору 0,0025 м² за один період коксування питомий викид газу в атмосферу становить близько 4,6 кг/т коксу.

4. Розроблено математичну модель руйнування-відновлення кладки з використанням ланцюгів Маркова, яка враховує циклічні впливи руйнівних факторів у процесі експлуатації. Це дозволяє прогнозувати стан кладки на міжремонтний період і рекомендувати міжремонтний період для запобігання появи дефектів із критичними розмірами.

5. На основі техніко-економічного аналізу визначено межі зруйнованості простінків, при яких застосування гарячих ремонтів недоцільно, обґрунтовано застосування різних відновлювальних робіт: перекладки перших чотирьох опалювальних каналів при обсязі дефектів вище 3,1 м³ (для мокрого торкретування); вище 0,32 м³ (для напівсухого торкретування); вище 0,92 м³ (для керамічного наплавлення). Показано, що найбільш ефективним методом ремонту є повна перекладка простінка при обсязі дефектів по всій довжині простінка більше 1,25 м³ (для напівсухого торкретування) і 3,62 м³ (для керамічного наплавлення).

6. Розроблено методику регламентації оглядів і ремонтно-профілактичних робіт по відновленню кладки простінків коксових печей з використанням математичної моделі для визначення періодів відновлень кладки та техніко-економічного аналізу для визначення виду ремонту.

7. Використання методики для планування ремонтів вогнетривкої кладки простінків 23 коксових печей на Авдіївському КХЗ дозволило протягом року експлуатації: знизити кількість дефектів, які потребують усунення, з 50 до 20 %; знизити витрати на виконання гарячих ремонтів на 18,7 тис. грн.; продовжити ресурс кладки печей у середньому на 230 циклів видач. За результатами проведених досліджень і застосування запропонованої методики для регламентації ремонтно-профілактичних робіт був оцінений очікуваний економічний ефект, що склав для двох коксових батарей АКХЗ близько 120 тис. грн. у рік.

Основний зміст роботи відображений у публікаціях

1. Парфенюк А.С. Продление ресурса агрегатов путем предотвращения развития трещин в элементах конструкций / А.С. Парфенюк, П.В. Третьяков, Е.Д. Костина // Захист металургійних машин від поломок: Зб.наук.пр. - Маріуполь, 2003. - Вип. 7. - С. 110-113. Особистий внесок здобувача: пошук математичних моделей опису процесів руйнування та росту дефектів будівельних конструкцій.

2. Парфенюк А.С. О разрушении кладки коксовых батарей из крупных огнеупорных бетонных блоков и традиционных динасовых огнеупоров / А.С. Парфенюк, П.В. Третьяков, Е.Д. Костина // Кокс и химия. - 2004. - № 8. - С. 14-19. Особистий внесок здобувача: аналіз даних періодичних оглядів вогнетривкої кладки простінків коксових печей, визначення послідовності виникнення дефектів та кількісних характеристик цього процесу, аналіз впливу конструктивних відмінностей традиційної та крупноблочної кладки на характер руйнування кладки, опис результатів аналізу.

3. Третьяков П.В. Оценка экологической безопасности тепловых агрегатов / П.В. Третьяков, О.Е. Алексеева, А.С. Парфенюк // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Хімія і хімічна технологія. - Донецьк, 2004. - Випуск 77. - С. 103-106. Особистий внесок здобувача: визначення питомих характеристик появи та розвитку дефектів в процесі експлуатації коксових печей.

4. Парфенюк А.С. Об экологической эффективности камерных печей для переработки углеродистых масс и отходов / А.С. Парфенюк, П.В. Третьяков // Проблеми екології - Донецьк, 2004. - № 1-2. - С. 87-90. Особистий внесок здобувача: аналіз можливості забезпечення екологічної безпеки процесів термопереробки відходів з використанням камерних печей з точки зору процесів порушення герметичності кладки та наявних методів її відновлення.

5. Третьяков П.В. Моделирование процесса разрушения кладки простенков коксовых батарей / П.В. Третьяков // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. - Донецьк, 2005. - Випуск 95. - С. 130-136. Особистий внесок здобувача: розглянуті особистості руйнування кладки простінків коксових печей. Запропонована імовірнісна модель процесу розвитку дефектів в процесі експлуатації коксових печей.

6. Третьяков П.В. Обеспечение техногенной безопасности тепловых агрегатов / П.В. Третьяков, А.С. Парфенюк, А.А. Топоров, О.Е. Алексеева, Д.А. Баранов // Сб. трудов IХ международной научно-технической конференции “Машиностроение и техносфера XXI века” в 3-х томах. - Донецк, 2002. - Т.3. - С. 73- 75. Внесок здобувача: огляд методів і засобів забезпечення техногенної безпеки теплових агрегатів і виділення найбільш прогресивних напрямків, постанова завдання подальших досліджень.

7. Третьяков П.В. О повышении техногенной безопасности тепловых агрегатов / П.В. Третьяков, А.С. Парфенюк // І Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів". Збірка доповідей. - Донецьк, 2002. - Т.1. - С. 151-152. Внесок здобувача: запропоновано імовірнісний підхід під час розрахунку безвідмовності конструкції простінків коксових батарей.

8. Третьяков П.В. Закономерности разрушения коксовых батарей - основа планирования стратегии их восстановления / П.В. Третьяков, А.С. Парфенюк // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник научных трудов международной научно-технической конференции в г.Севастополе 8-14 сентября 2003 г. - Донецк, 2003. - Т.3. - С. 213-216. Внесок здобувача: визначення закономірностей розвитку дефектів у кладці простінків на основі статистичного аналізу по даним періодичних оглядів стану кладки камер коксування.

9. Третьяков П.В. Системное повышение надежности и экологичности коксовых батарей / П.В. Третьяков, А.С. Парфенюк // ІІ Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. Збірка доповідей. - Донецьк, 2003. - Т.1. - С. 156-157. Внесок здобувача: пошук факторів, що визначають рівень екологічної безпеки та надійності камерних печей коксових і пекококсових батарей.

10. Алексеева О.Е. Повышение экологической безопасности тепловых агрегатов / О.Е. Алексеева, П.В. Третьяков // Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Материалы международной научно-практической конференции. В 2-х томах. - Донецк, 2004. - Т.1. - С. 193-197. Внесок здобувача: визначення закономірностей руйнування кладки головочной зони простінків коксових батарей.

11. Парфенюк А.С. Техническое состояние кладки коксовых батарей - важный фактор экологичности коксохимического предприятия / А.С. Парфенюк, П.В. Третьяков, Г.А. Власов, С.И. Кауфман // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции в г. Севастополе 13-18 сентября 2004 г. - Донецк, 2004. - Т. 3 - С. 24-27. Внесок здобувача: визначення впливу технічного стану простінків на кількість викидів прямого коксового газу в атмосферу.

12. Третьяков П.В. Закономерности накопления повреждений кладки коксовых печей / П.В. Третьяков // ІІІ Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. Збірка доповідей. - Донецьк, 2004. - Т. 1. - С. 124-125. Внесок здобувача: дослідження закономірностей розвитку дефектів у кладці камерних печей.

13. Парфенюк А.С. О снижении газообразных выбросов через кладку простенка при эксплуатации коксовых батарей/ А.С. Парфенюк, П.В. Третьяков // Техника экологически чистых производств: в XXI веке: Проблемы и перспективы. Материалы VII Международного Симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов. - М., 2004. - С. 91-92. Внесок здобувача: постановка завдання моделювання процесів руйнування кладки й появи в ній наскрізних дефектів.

14. Парфенюк А.С. Оценка и прогнозирование влияния состояния кладки коксовых печей на воздушный бассейн / А.С. Парфенюк, П.В. Третьяков, Г.А. Власов, Н.С. Киршенко // Экологические проблемы индустриальных мегаполисов. Труды II международной конференции. - М., 2005. - С. 79-80. Внесок здобувача: визначення закономірностей розвитку тріщин, відколів й раковин у кладці простінків коксових батарей.

15. Белов П.С. К вопросу обслуживания и ремонтов элементов конструкций коксовых батарей / П.С. Белов, П.В. Третьяков // ІV Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів". Збірка доповідей. - Донецьк, 2005. - Т.1. - С. 151,152. Внесок здобувача: розробка технічних засобів обслуговування елементів конструкції коксових і пекококсових батарей, термолізних агрегатів.

16. Третьяков П.В. К вопросу моделирования процессов разрушения футеровки тепловых агрегатов / П.В. Третьяков, А.С. Парфенюк, Е.Д. Костина // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник научных трудов XII международной научно-технической конференции в г. Севастополе 12-17 сентября 2005 г. - Донецк, 2005. - Т. 3. - С. 283-286. Внесок здобувача: розробка методу корегування планів-графіків гарячих ремонтів коксових батарей з метою запобігання появи критичних і наскрізних дефектів.

17. Третьяков П.В. Обеспечение экологической безопасности и надежности термолизных печей для переработки углеродсодержащих спекающихся масс / П.В. Третьяков, А.С. Парфенюк // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник научных трудов XIII международной научно-технической конференции в г. Севастополе 11-16 сентября 2006 г. В 5-ти томах. - Донецк, 2006. - Т.5. - С. 298-302. Внесок здобувача: обґрунтування заходів забезпечення надійності та екологічної безпеки камерних печей для переробки вуглецевих матеріалів та відходів на стадії експлуатації.

18. Третьяков П.В. Предотвращение и компенсация образования трещин в огнеупорной кладке - главный фактор продления ресурса тепловых агрегатов / П.В. Третьяков, А.С. Парфенюк, Е.Д. Костина, О.Е. Алексеева // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник научных трудов XIV международной научно-технической конференции в г. Севастополе 17-22 сентября 2007 г. В 5-ти томах. - Донецк, 2007. - Т. 4. - С. 64-68. Внесок здобувача: Використання математичного моделювання процесу руйнування - відновлення вогнетривкої кладки обігрівальних простінків коксових печей для корегування графіків її ремонту.

Анотації

Трет'яков П.В. Підвищення довговічності кладки коксових печей на основі регламентації ремонтно-профілактичних робіт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.13 - Машини та апарати хімічних виробництв. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2008.

Дисертація присвячена питанням підвищення довговічності вогнетривкої кладки коксових печей з урахуванням процесів старіння й руйнування основних конструктивних елементів.

Виконано огляд стану проблеми збереження пічного фонду коксохімічних виробництв країн СНД, впливу техногенних об'єктів Донецько-Придніпровського регіону на стан атмосфери. Узагальнено особливості служби вогнетривкої кладки й впливу руйнівних факторів. На основі статистичного аналізу інформації з періодичних оглядів стану кладки коксових батарей Авдіївського, Донецького, Криворізького коксохімічних заводів визначено характеристики й послідовність виникнення дефектів, закономірності розвитку тріщин, сколів, раковин і наскрізних дефектів, дано кількісні оцінки процесів руйнування. Визначено параметри ушкоджень, при яких найбільше ймовірні появи наскрізних дефектів.

Визначено критичні значення розмірів дефектів, при яких необхідно їхнє термінове усунення. Розроблено імовірнісну модель руйнування-відновлення кладки простінків на основі імовірнісних моделей накопичення ушкоджень із використанням ідеї кінцевих ланцюгів Маркова, що дозволяє прогнозувати стан кладки на міжремонтний період й оцінювати ймовірність появи наскрізних дефектів у кладці простінків з врахуванням циклічної дії руйнівних факторів.

Проведений техніко-економічний аналіз дозволив визначити межі зруйнованості простінків, при яких застосування якого-небудь із видів гарячих ремонтів недоцільно.

Ключові слова: тепловий агрегат, піч, довговічність, надійність, простінок, вогнетривка футеровка, руйнування, дефект, газоподібні викиди, ремонт.

Третьяков П.В. Повышение долговечности кладки коксовых печей на основе регламентации ремонтно-профилактических работ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 - Машины и аппараты химических производств. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2008.

Диссертация посвящена повышению долговечности огнеупорной кладки коксовых печей с учетом процессов разрушения и предупреждения образования в ней сквозных дефектов.

Выполнен обзор состояния проблемы сохранности печного фонда коксохимических производств стран СНГ, влияния техногенных объектов Донецко-Приднепровского региона на состояние атмосферы, который показал, что более 30 % выбросов вредных веществ приходится на металлургическую промышленность, при этом около 50 % выбросов совершаются на коксохимических производствах, на которых основным объектом газопылевых выбросов, содержащих различные канцерогены, являются коксовые батареи. Наиболее опасными являются непрерывные эмиссии прямого коксового газа в атмосферный воздух через сквозные дефекты в кладке камерных печей, отопительную систему и систему отвода продуктов сгорания отопительного газа.

Обобщены особенности службы огнеупорной кладки и оказываемые на нее воздействия, и установлено, что: динамику появления и развития дефектов определяет воздействие на кладку комплекса разрушающих нагрузок (термомеханических, статических, динамических и других случайных воздействий); первопричиной разрушения кладки являются температурные напряжения, которые приводят к появлению поверхностных трещин и их развитию; дальнейшее разрушение кладки, деформации простенков вызваны уже в большей степени нарушением прочностных свойств и устойчивости кладки, наличием в кладке «магистральных» трещин.

На основе статистического анализа информации по периодическим осмотрам состояния кладки коксовых батарей различной производительности Авдеевского, Донецкого, Криворожского коксохимических заводов определены характеристики и последовательность возникновения дефектов, закономерности развития трещин, сколов, раковин и сквозных дефектов, даны количественные оценки протекающих процессов разрушения. Определены параметры повреждений, при которых наиболее вероятно появления сквозных дефектов. Определены критические значения размеров дефектов, при которых необходимо их срочное устранение. Для трещин они составили: длина - 1,8 м, раскрытие кромок - 10-15 мм, глубина - 40 мм; для сколов: площадь - 30 см²; глубина - 30 мм.

Разработана вероятностная модель разрушения-восстановления кладки простенков на основе вероятностных моделей накопления повреждений с использованием идеи конечных цепей Маркова, которая позволяет прогнозировать состояние кладки на межремонтный период и оценивать вероятность появления сквозных дефектов в кладке простенков с учетом случайных разрушающих факторов. На примере моделирования процессов разрушения-восстановления кладки по двум критериям организации горячих ремонтов камерных печей отображена одна из практических возможностей использования модели при планировании ремонтов кладки.

Проведенный технико-экономический анализ позволил определить пределы разрушенности простенков, при которых применение какого-либо из видов горячих ремонтов нецелесообразно. Таким образом, предпочтительно применение перекладки первых четырех отопительных каналов по сравнению с: мокрым торкретированием при объеме дефектов выше 3,1 м³; полусухим торкретированием при объеме дефектов выше 0,32 м³; методом керамической наплавки при объеме дефектов выше 0,92 м³. Наиболее эффективным методом ремонта следует считать полную перекладку простенка, в случае если объем дефектов по всей длине простенка превысит значение: для полусухого торкретирования - 1,25 м³, для керамической наплавки - 3,62 м³.Наиболее эффективным методом ремонта следует считать полную перекладку простенка, в случае если объем дефектов по всей длине простенка превысит значение: для полусухого торкретирования - 1,25 м³, для керамической наплавки - 3,62 м³.

Ключевые слова: тепловой агрегат, печь, долговечность, надежность, простенок, огнеупорная футеровка, разрушение, дефект, газообразные выбросы, ремонт.

Tretyakov P.V. Increase of the longevity of the coke ovens on the basis of the regulation of the repair-preventive works. The manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.05.13. - Machines and apparatus of the chemical productions. - National technical university of the Donetsk, Donetsk, 2008.

The dissertation is dedicated to definition and a substantiation of the methods of increase of the reliability and safety of the thermal aggregates in view of age-hardening processes and shattering of the basic constructive elements.

Factors which influence a level of environmental safety of chamber furnaces of thermal aggregate are specific. Processes of shattering, accumulation of the damage in the laying of the piers and its recoveries are studied. The mathematical model of the shattering of the laying on the base of existing stochastic model of accumulation of damages is developed.

Their use for aggregates which have a refractory lining which is subject to the cyclical loadings is extended. The mathematical model of the shattering of the laying with the given reliability allows to predict the condition of the laying on between-repairs phase.

The model allows to estimate probability of the emersion of the through defects in the laying of pears in view of the random destroyed factors. Probabilities of the occurrence of the emissions of the harmful substances and their amount through open defects in the blast-furnace brickwork of the chamber furnaces are specific. Parameters of the recovery processes of the laying which ensure efficiency of the repair, reliability and the safety of the chamber furnaces on the base of the calculations on the model are proved.

Key words: thermal unit, coke oven, longevity, reliability, pier, firebrick lining, destruction, defect, gaseous discharge, maintenance.

Размещено на Allbest.ru