автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка метода оценки неоднородности напряженно-деформированного состояния реакторов установки замедленного коксования

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ НЕОДНОРОДНОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕАКТОРОВ УСТАНОВКИ ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль; машиностроение в нефтеперерабатывающей

промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

гттш

УФА - 2007

003177602

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кузеев Искандер Рустемович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Защита состоится «28» декабря 2007 года в 10-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212 289 5 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан «28» ноября 2007 года

Кузнецов Владимир Александрович кандидат технических наук Ягафаров Рустем Равилович

Ведущая организация ГУП «БашНИИнефтемаш»

Ученый секретарь совета

Лягов А В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Получение нефтяного кокса - это тяжелый термодеструктивный периодический процесс, происходящий в реакторе установки замедленного коксования в результате протекающих в нем сложных цепочек физико-химических превращений и связанный с образованием каналов высокотемпературных сырьевых струй в момент фазового перехода в коксующейся массе Образование и закупорка сырьевых каналов при периодическом ведении технологического процесса создает неравномерные (как во времени, так и по поверхности аппарата) температурные поля, носящие вероятностный характер

Действие изменяющихся температурных полей приводит к циклическим отклонениям оси аппарата от вертикального положения, достигающим размаха 30-40 см, которые происходят по хаотической траектории и осложняются появлением (как кратковременно, так и на большие промежутки времени) эффекта «пластического шарнира» в зоне приварки опорной обечайки, отличающейся от остальных узлов реактора большой скоростью накопления термоусталостных повреждений в процессе эксплуатации, следствием чего является низкий ресурс аппарата в целом

Несмотря на то, что по указанной теме выполнено много работ, в настоящее время нет эффективной методики, позволяющей как при проектировании, так и в процессе эксплуатации оценивать ресурс основных узлов ректора установки замедленного коксования

Поэтому следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной практики исследование, посвященное созданию методики и алгоритма расчета ресурса узлов оболочки реактора замедленного коксования, находящегося в переменном температурном поле

Цель работы

Разработка научно-методологических основ генерирования переменных неравномерных температурных полей для определения напряженно-деформированного состояния реактора установки замедленного коксования

Задачи исследования

1 Анализ распределения температурных полей на поверхности реактора методом контрольных карт Шухарта и разработка программы генерирования температур как случайного процесса

2 Моделирование процесса термодеформирования реактора методом конечных элементов с использованием программы генерирования температур

3 Оценка напряженно-деформированного состояния сварного шва в узле приварки опорной обечайки как зоны концентрации напряжений

4 Прогнозирование наработки реактора на отказ на основе расчета и оценки полей напряжений в оболочке реактора с учетом нестационарности температурного поля

5 Оценка возможностей полученной методики применительно к разработке конструктивного решения, позволяющего демпфировать термические деформации в области узла приварки опоры к корпусу аппарата

Научная новизна

1 Доказано, что применение контрольных карт Шухарта при генерировании неравномерных температурных полей как случайных величин позволяет рассчитать перемещения оси реактора, коррелирующие с реально измеренными значениями на действующих аппаратах

2 Методом конечных элементов получена и применена модель деформирования реактора, которая позволила оценить изменения напряжений в течение цикла коксования, выявить зоны преимущественного появления дефектов и рассчитать ресурс с точки зрения возникновения и раз-

вития трещин в области малоциклового нагружения

3 Установлена возможность оценки ресурса реактора с учетом неоднородности напряжено-деформированного состояния от действия температурных полей при проектировании новых конструктивных решений

Практическая ценность

Разработана методика расчета ресурса реактора установки замедленного коксования с учетом нестационарности температурного поля при реализации технологического процесса Данная методика внедрена в учебный процесс при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551831 «Надежность технологических систем и оборудования»

Предложено техническое устройство, демпфирующее отклонения реактора от вертикальной оси, что позволило уменьшить изгибные напряжения реактора, возникающие в зоне приварки опорной обечайки, и увеличить наработку на отказ

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены

- на 54, 55-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2003, 2004),

- XI Международной научно-технической конференции при XI специализированной выставке «Строительство Коммунальное хозяйство-2007» (Уфа, 2007)

Публикации

Результаты исследований опубликованы в 5 работах, в том числе 2 статьях, тезисах 3 докладов

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 83 на-

именования, приложений, изложена на 99 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков, 1 таблицу

Примечание - консультантом по данной работе являлся канд техн наук Кузеев М И

Основное содержание работы

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы Сформулированы цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая значимость, приведена краткая характеристика работы

В первой главе дан обзор отечественной и зарубежной литературы, в котором рассмотрен процесс замедленного коксования нефтяных остатков и его особенности, при этом объектом исследований выбран реактор коксования, сочетающий в работе периодический термосиловой вид на-гружения оболочки, носящий случайный характер от действия высокотем-перагурных затопленных струй сырьевого потока на входе в аппарат

При такой схеме нагружения под действием изменяющегося во времени температурного поля на поверхности оболочки реактора возникают колебательные движения аппарата в целом, приводящие к отказам оборудования, связанным с образованием, развитием и накоплением многочисленных дефектов, выявляемых при наружном и внутреннем осмотрах

Несмотря на то, что по указанной теме выполнено много работ, в процессе эксплуатации реакторов замедленного коксования возникают многочисленные дефекты, которые подробно описаны и изучены в работах Походенко Н Т , Брондза Б И , Кретинина М В , Кузеева И Р , Мухина В Н ,, Филимонова Е А и др Показано, что наиболее характерные повреждения - это дефекты типа трещин и локальные области потери устойчивости формы, имеющие место при различных конструкциях реакторов как отечественного, так и импортного производств

Во избежание подобных явлений при проектировании реакторов по

стандартным методикам расчета на статическую прочность необходимо дать оценку его усталостной долговечности с учетом существующих методик Однако основным недостатком подобного подхода к данной проблеме является неучет неравномерности температурных полей на поверхности аппарата, носящих случайный характер как в течение одного цикла коксования, так и в ряде последовательных циклов

На основании обзора литературных данных сформулированы цель и задачи исследования

Во второй главе описаны методики исследований На основе изученных литературных данных сформулирована основная задача расчета ресурса реактора установки замедленного коксования с использованием оценки неоднородности напряженно-деформированного состояния с применением метода конечных элементов и метода генерации температурных полей как случайных величин, заданы граничные условия и приняты необходимые допущения, с целью получения приемлемого результата

Расчет накопления усталостных повреждений реактора предлагается проводить по следующей методике сбор исходных данных, генерация температурных полей как случайных величин с заданным числом циклов коксования, оценка неоднородности напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов, расчет на прочность при малоцикловых нагрузках

В зависимости от стадии, на которой проводится расчет ресурса аппарата, добавляются специализированные этапы алгоритма Для стадии проектирования добавляется этап обработки и верификация результатов на масштабной модели, для стадии эксплуатации необходима оценка остаточного ресурса и тогда добавляется этап сравнения расчетного ресурса с момента начала эксплуатации с уже отработанным количеством циклов

Алгоритм действий по предлагаемой методике для стадии проектирования представлен на рисунке 1

Рисунок 1 - Алгоритм предлагаемой методики расчета ресурса реактора замедленного коксования на стадии проектирования Обзор литературных данных показал, что появление и рост числа эксплуатационных дефектов связаны с неравномерным распределением температурных полей на поверхности реактора, поэтому актуальна задача изучения данного явления

В работах Походенко Н Т , Кретинина М В , Казачанского А В , Ку-зеева И Р , Филимонова Е А , Денисова В Д проводились замеры реального распределения температурных полей реактора установки замедленного коксования, из которых видно, что изменение температуры носит периодический и случайный характер

На основе обработки данных графиков автором составлялись контрольные карты Шухарта для среднего значения температуры как пара-

метра и размаха ее отклонений

Известно, что контрольные карты Шухарта применяются в том случае, если наблюдается слабая зависимость получаемой точности от действительного закона распределения случайной величины, поэтому для увеличения совпадения при построении карт Шухарта для распределения температур применялись зависимости, предложенные Кузеевым И Р и Филимоновым Е А

Для вычисления значения средних параметров распределения температуры Хсе в сечении и размаха ее колебаний К использовались зависимости

хЧ1=^Х,'> = Х'+Х2+4Хз + Х* , (1)

Для расчета нижнего Хм, Я„а и верхнего Х„„,, пределов контроля исследуемых параметров Х1р и Л применялись следующие формулы = х1р - 0,72* , (3) Хвкп = Х1р + 0,727?, (4)

Л„„=0,43/г, (5) л„„ = 1,81Л (6)

Построение контрольной карты цикла коксования осуществлялось в два последовательных этапа На первом этапе определялось среднее значение температуры и размаха колебаний температуры, показанных на рисунке 2, в пределах одного уровня расположения термопар, объединяющих четыре датчика измерения температур, расположенных друг относительно друга под углом 90°

Далее контрольные карты, построенные по уровням расположения термопар, суммировались, и строилась общая контрольная карта одною цикла коксования, пример которой приведен на рисунке 3

Дополнительно к средней величине распределения температуры и размаха ее колебаний строятся верхние и нижние границы контроля, по-

зволяющие проводить анализ полученной выборки. Последние очень важны для генерирования, так как попадание случайной величины параметра в данный промежуток, указывает с вероятностью 95,46% на общую стационарность протекаемого процесса.

а б

Рисунок 2 - Контрольная карта Шухарта реального распределения средних температур (а) и ее размаха (б) для термопар 5..8 в течение цикла коксования

Таким образом, проводится построение и анализ карт Шухарта для нескольких циклов коксования, определяется общая тенденция распределения средних температур и на основе метода наименьших квадратов выдвигается гипотеза общего поведения для распределений, носящая в данном случае форму трапеции, как показано для примера на рисунках 4 и 5 для двух циклов коксования.

На основании выдвинутой гипотезы общего поведения для распределений температур и принятых допущений, случайным образом генерируется усредненная кривая, показанная на рисунке 6. Она располагается между верхней и нижней границами пределов контроля и позволяет далее по цепочке получить значения вероятностных температурных кривых в пределах одного уровня расположения термопар (рисунок 7).

Как отмечалось выше, такое относительное расположение сгенерированной усредненной температурной кривой подразумевает общую стационарность процесса, принятую в качестве допущения исходя из

¿ >

i

а 5

а - распределение средней температуры; б - распределение среднего размаха температуры Рисунок 3 - Суммарная контрольная карта Шухарта для одного цикла коксования

СЛП

400

1Xfcp

300 —*— 1Хнкп

—■— 1Хвкп

200 2Хср

—ú— 2Хнкп

1ПП —о— 2Хвкп

0 ¥_

0,00 0,20 Относи 0,40 0,60 0, сльное время цикла Т/Тц 30 1,00

Рисунок 4 - Распределение средней температуры методом контрольных карт Шухарта для двух циклов коксования

320

У] _

т

280 Шк ш.

Ш 1Rcp —*— 1Rm<n

240

■

200 —■— 1 rbkn

1ЛН 2Rcp

160 □ в ■ A\a¿J НИ

я ив -Л— 2RHKn _o_2Rbkh

120 ■ я ш я

80

IQ[ ■ж ■■L

40 i. Н№ Рея -«-pd-q

i | • шш ищдщи ¡мшш £

о ал 0.00 W 0,20 0,40 0,60 Относительное время цикла' 0,80 Г/Тц 1,00

Рисунок 5 - Распределение размаха колебаний средней температуры методом контрольных карт Шухарта для двух циклов коксования

а.

а б

Рисунок 6 - Контрольная карга Шухарта для сгенерированного распределения (а) средних температур и размаха (б) ее колебаний для термопар 5..8 в течении цикла коксования

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Относительное время цикла Т/Тц

— Х1

—Х2

-*■-хз

—•— Х4

Рисунок 7 - Кинетика изменения температур по термопарам 5...8, сгенерированная при помощи контрольных карт Шухарта

а Г>

Рисунок 8 - Зоны концентрации напряжений на поверхности коксовой камеры (а) с опорным элементом конического типа и с цилиндрическим опорным элементом (б)

а Г>

(а) - вид с верху; (б) - вид в профиль Рисунок 9 - Отклонение от вертикальной оси верхней точки реактора при самоустановившимся температурном поле

а б

Рисунок 10 - Отклонение от вертикальной оси верхней точки реактора в случае расположения максимумов температур по одной линии и минимумов через 180° для аппарата с коническим опорным элементом (а) и для аппарата с цилиндрической опорой (б)

Рисунок 11 - Значение эквивалентных напряжений в шве приварки опорной обечайки в случае расположения максимумов температур по одной линии и минимумов через 180° для аппарата с конической опорой (а) для аппарата с цилиндрическим опорным элементом (б)

ли

ЛЛ

а б

Рисунок 12 - Напряжения в опорной обечайке но образующей (а) и по периме тру сварного шва (б)

ЛМ

ЛИ

а б

Рисунок 13 - Напряжения в опорной обечайке по образующей (а) и но периметру сварного шва (б) в случае расположения максимальных значений по одной образующей

2800

%

I §

£ 2000

1200

а

7/7/У//7/)

'ШШ1

ш§

1ШШ

1 номер зоны расчета 2 3

-—по методу, предложенному аОтором —•— по разрушающему методу реальные значения

Рисунок 14 - Сравнение расчетных и истинных значений количества циклов до образования трещины

условия обеспечения приемлемой точности в процессе генерации распределения температурных полей

Для оценки результатов генерирования температурных полей применялись контрольные карты Шухарта, полученные для реального распределения, а также результаты генерирования температурных полей в пределах одного уровня, показавшие значительную сходимость результатов генерации с фактическими значениями

В третьей главе представлены результаты моделирования напряженно-деформированного состояния корпуса реактора установки замедленного коксования методом конечных элементов, реализованным на базе программного комплекса «ANSYS»

При получении контрольных точек геометрии применялся двухмерный чертеж профиля реактора, отрисованный в системе автоматизированного проектирования «КОМПАС» и использованный как тело вращения в препроцессоре программного конечно-элементного комплекса Для решения задачи сложного термосилового нагружения выбран восьми-узловой четырехугольный конечный элемент SOLID-5 с размером каждой из сторон не более 0,15м, позволяющий получить регулярную сетку конечных элементов объемом в 12000-13000 элементов, обеспечивающую общую погрешность расчета не более 5% и подтвержденную итерационным перебором, границу которого при указанной погрешности составляет сетка объемом 5000-8000 элементов

На следующем этапе задавались характеристики используемого материала, соответствующие стандартным показателям для стали 12Х18Н10Т и сохраненные в библиотеку материалов для последующего применения, прикладывалось внутреннее избыточное давление строго по внутренней поверхности, составляющее для данной модели 0,8МПа, выставлялись закрепления модели по нижнему опорному кольцу, накладывалось неравномерное температурное поле, полученное измерениями температуры термо-

парами, установленными на реальном реакторе коксования в процессе эксплуатации

Для тестирования полученной модели реактора проводился расчет напряженно-деформированного состояния только от внутреннего давления, только от действия неравномерного температурного поля, с учетом гравитационной составляющей и без нее Вопреки предположениям проектировщиков о том, что максимальные нагрузки возникают от действия внутреннего избыточного давления, было установлено, что большая составляющая части нагрузки в зоне шва приварки опорной обечайки возникает от действия неравномерного температурного поля, подтверждая опубликованные данные отечественных и зарубежных исследователей

По результатам проведенного анализа полученных при моделировании напряженно-деформированного состояния данных выявляются три четкие зоны концентрации напряжений, показанные на рисунке 8 в цветной вставке, объясняющие возникновение дефектов различной конфигурации и направленности в указанных местах

- место приварки опорной обечайки к корпусу реактора,

- место приварки опорных колец к опоре,

- место приварки фланца к нижней горловине для выгрузки кокса и место приварки горловины к конической обечайке

Сравнение полученных результатов при моделировании с реальной картиной мест возникновения и развития эксплуатационных дефектов, приводимой в литературе, подтверждает адекватность конечно-элементной модели и позволяет использовать ее для дальнейших исследований

Точность моделирования напряженно-деформированного состояния реактора с применением метода конечных элементов также проверялась сравнением расчетных отклонений оси реактора с реальными значениями, измеренными на действующем аппарате в течение цикла коксования, приводимыми в литературе, которые в пределах одной «полуволны» в пико-

вых значениях, около 10-15% времени цикла, составляли 150-160 мм, а большую часть времени цикла коксования, около 85-90%, до 100-120 мм

При расчете напряженно-деформированного состояния модели реактора с коническим опорным элементом и сгенерированным неравномерным температурным полем значение величины отклонения от вертикальной оси составило около 121 мм (приведенно на рисунке 9 в цветной вставке)

Опыт эксплуатации реакторов коксования показывает, что в редких случаях наблюдаются необратимые отклонения коксовых камер от вертикальной оси, порождающие вопрос о характере распределения температурных полей по поверхности аппарата, наносящие в итоге максимальный вред корпусу и другим несущим элементам

Для изучения этого вопроса в течение более чем сорока расчетов напряженно-деформированного состояния с различными видами упорядочения температурных полей, включающих, например, расположение максимумов температур по одной линии, по спирали, в шахматном порядке, аналогичное расположение для минимальных температур, установлено, что при расположении максимумов температур на одной линии по высоте аппарата, а минимумов со смещением на 180° создается наиболее опасная ситуация, значение величины отклонений при моделировании которой составило 135,2 и 161,2 мм для конической и цилиндрической опорной обечайки соответственно (смотри рисунок 10 в цветной вставке)

Одновременно при упорядочении температурных полей рассматривались значения суммарных эквивалентных напряжений в шве приварки опорной обечайки как зоне, наиболее подверженной возникновению трещин различных направлений и конфигураций Установлено, что любая попытка упорядочить расположение температурных максимумов и минимумов приводит к появлению и росту зон, в которых эквивалентные напряжения превышают предел текучести при рабочей температуре (смотри ри-

сунок 11 в цветной вставке) создавая эффект пластического шарнира (описанного в литературных источниках) который перемещаясь наносит повреждения реактору

Как и в случае с отклонениями реактора от вертикальной оси, с точки зрения напряженно-деформированного состояния в зоне приварки опорной обечайки реактор с опорным элементом конического типа является наиболее предпочтительным в эксплуатации

Для стадии коксообразования моделирование позволило получить графическую зависимость распределения эквивалентных напряжений в зоне приварки опорной обечайки, в сечениях по образующей и по периметру сварного шва

Полученные значения рассчитанных напряжений представлены на рисунке 12 (цветная вставка) Видно, что по образующей конической оболочки наблюдается характерный скачок напряжений на порядок их величины, а по периметру сварного шва расположено их около десяти, причем в следующий момент времени количество, величина и расположение пиков может существенно поменяться, что наблюдается как при реальном распределении температурных полей, так и при сгенерированном температурном поле, полученном с использованием контрольных карт Шухарта

В случае расположения максимумов температур по одной линии для схемы расположения контрольных сечений, аналогичной показанной на рисунке 12, при построении графической зависимости эквивалентных напряжений наблюдаются скачки напряжений в опорной обечайке, превышающие предел текучести материала при температуре процесса (рисунок 13 в цветной вставке), полученной как при реальном, так и при сгенерированном распределении

Проведенные эксперименты по предложенному методу с применением генерации температурных полей как случайной величины и оценкой напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов

на модельном реакторе подтвердили опубликованные в литературе данные по изучению поведения действующих аппаратов в пределах заданной погрешности и могут быть использованы для прогнозирования ресурса реактора

Таким образом, численный анализ напряженно-деформированного состояния подтверждает сформулированные механизмы возникновения дефектов типа трещин в зоне сопряжения опорной обечайки с корпусом реактора Модельные эксперименты показывают, что на стадии проектирования можно учесть реальное распределение напряжений и деформаций в оболочке реактора установки замедленного коксования

Четвертая глава посвящена расчету количества циклов коксования при проектировочном расчете, а также применению предложенной методики для разработки конструктивных решений, позволяющих уменьшить изгибные напряжения в узле приварки опорной обечайки к корпусу аппарата

Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках с использованием программы генерации температурных полей и расчетом напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов проводился в соответствии с ГОСТ 25859-83 Для вычисления значения амплитудных напряжений использовалась зависимость

<*а=-^-— (')

Значение эффективного коэффициента концентрации напряжения К„ определяют по формуле

*„= —, (8)

9

где ср = 0,9 - коэффициент прочности сварного шва по ГОСТ 14249-89,

4 = 1,5 - коэффициент, учитывающий тип сварного соединения,

р = 1,1 для необработанных поверхностей и швов Значение напряжений для рассматриваемых зон бралось из

результатов расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов с применением программы генерации случайного распределения температур Исходя из результатов расчета реактора с применением программного комплекса «АЫБУБ» установлено, что в течение цикла коксования наблюдаются как единичные всплески, так и монотонные колебания напряжений Используя линейный закон суммирования повреждений, с учетом количества циклов разного вида, условно можно записать

^ + (9)

где К|,Кг - количество циклов каждого вида, [141],[N2] - допускаемое количество циклов каждого вида, п0 - расчетное число циклов коксования до разрушения Применяя программу генерации температурных полей, например, для зоны узла приварки опорной обечайки, получаем К|=2, К2=30, о-,,», 1=269*106Па, ст......[=499* 103Па, Сг,„А(2=209*106Па, СТи„„2=499*103Па, откуда по расчетной кривой усталости для аустенитных сталей получены значения допускаемого числа циклов При этом расчетное число циклов коксования до образования трещины составило 1873

Аналогичные расчеты проводились для узлов приварки к конической части реактора нижней горловины и для узла приварки конической и цилиндрической частей

Сравнение расчетных значений по методу, предложенному автором, с расчетными значениями по разрушающему методу, предложенному Ку-зеевым И Р и Филимоновым Е А , а также с данными по разрушению реальных аппаратов показало удовлетворительную сходимость результатов (рисунок 14 в цветной вставке)

Далее рассматривалась возможность применения предложенной методики для разработки конструктивных решений, позволяющих уменьшить изгибные напряжения в узле приварки опорной обечайки к корпусу аппарата.

При проведении расчетов на малоцикловую усталость известно, что незначительное уменьшение амплитудных напряжений дает относительно большой прирост количества циклов нагружения. При неизменном количестве циклов коксования автором предлагается демпфировать изгибные напряжения конструктивным методом, с помощью устройства пружинного типа, пример которого показан на рисунке 15.

Рисунок 15 - Пример устройства для демпфирования изгибных на-

численные эксперименты позволили получить зависимость максимальных эквивалентных напряжений для существующей конструкции аппарата от отклонений оси реактора от вертикального положения при заданной максимальной неравномерности температурного поля 90°С, которая показана на рисунке 16.

Из графика видно, что появляются локальные всплески напряжений, зачастую достигающие максимальных значений в рамках оболочки в целом, что можно объяснить общей нестабильностью конструкции. Поэтому в процессе эксплуатации фактическое значение напряженно-деформированного состояния шва приварки опорной обечайки в рамках указанной неравномерности будет располагаться между двумя ограничивающими кривыми.

а

б

пряжений с разных ракурсов (а,б)

вертикальной оси в шве приварки опорной обечайки

Заменяя предложенные устройства в местах их расположения сосредоточенными силами ЮОкН и направленными в противоположную отклонению от вертикальной оси сторону, получаем, что отклонения реактора демпфируются в 1,2 раза. Расчет максимальных напряжений аналитическим методом показал их снижение по сравнению со стационарным процессом в 1,124 раза.

По результатам расчета на малоцикловую усталость реактора по ГОСТ 25859-83 с использованием расчетной кривой усталости для аусте-нитных сталей определено, что снижение максимальных амплитудных из-гибных напряжений в зоне опорной обечайки увеличивает межремонтный пробег реактора более чем в 1,3 раза.

Общие выводы

I Разработана методика и программа генерирования температурного поля реактора как случайной величины с применением контрольных карт Шухарта. Определен статистический разброс значения температур в пределах одного цикла коксования, а также в ряду последовательных процедур коксования. Статистическая обработка результатов генерирования

температурных полей показала хорошее совпадение с результатами, полученными Е А Филимоновым и И Р Кузеевым для реального распределения температур

2 Разработана конечно-элементная модель деформирования реактора установки замедленного коксования, позволившая рассчитывать реальный ресурс узла приварки опорной обечайки к корпусу аппарата, в котором наиболее часто в реальных условиях возникают дефекты типа трещин различной направленности и конфигураций

3 Модель деформирования реактора позволила выявить особенности напряженно-деформированного состояния в узле приварки к корпусу опорных элементов различного типа Как и в случае с отклонениями реактора от вертикальной оси, так и с точки зрения напряженно-деформированного состояния в зоне приварки опорной обечайки, реактор с опорным элементом конического типа является наиболее предпочтительным в эксплуатации

4 Предложена система пружинных ограничителей изгибным колебаниям аппарата Расчетами показано, что применение демпфирующих пружин позволяет снизить напряжения в узле приварки опорной обечайки в 1,124 раза, что позволяет увеличить ресурс узла в 1,3 раза

5 Модель, методика и программа используются при чтении курса лекций по дисциплине «Диагностика технического состояния объектов и разрушения материалов» при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551831 «Надежность технологических систем и оборудования»

Основное содержание диссертации изложено в следующих научных трудах:

1 Кузнецов А А Температурное деформирование реактора установки замедленного коксования при движении затопленной струи/ А А Кузнецов, Р Б Тукаева// Материалы 54-й научно-технической конференция студен-

тов, аспирантов и молодых ученых - Уфа Изд-во УГНТУ, 2003 - С 316

2 Шамиданов М JI Реакторный блок установки замедленного коксования/ М JI Шамиданов, А А Кузнецов // Материалы 55-й научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых - Уфа Изд-во УГНТУ, 2004-С 317

3 Кузнецов А А Моделирование процесса деформирования реакторов установки замедленного коксования/ А А Кузнецов, М И Кузеев, И Р Кузе-ев // Проблемы строительного комплекса России материалы XI Международной научно-технической конференции при XI специализированной выставки «Строительство Коммунальное хозяйство-20007» - Уфа Изд-во УГНТУ, 2007 - Т 2 - С 197-198

4 Кузнецов А А Термодеформирование оболочки реактора установки замедленного коксования при взаимодействии с ^затопленной струей/ А А Кузнецов, М И Кузеев, Н А Махутов // Нефтегазовое дело -2007 -Т 5, №1 - С 169-173

5 Кузнецов А А Анализ показателей опасности установки замедленного коксования при демпфировании случайных колебаний/ А А Кузнецов, М И Кузеев// Остаточный ресурс нефтегазового оборудования - 2007 -№2 - С 65-69

Пописано в печать 27 11 07 бумага офсетная Формат 60x84 1/16 Гарнитура «Тайме» Печать трафаретная Уел печ л 1 Тираж 90 экз Заказ 1348

Типография ООО «Смук-Пресс» Адрес типографии 450096, Республика Башкортостан^?- Уфа, ул Комсомольская, д 122 «Б»

Введение

1 Деформирование реакторов установок замедленного коксования под действием затопленной сырьевой струи на входе в аппарат

1.1 Процесс замедленного коксования и его особенности

1.2 Реакторы коксования и дефекты в его элементах

1.3 Распределение температур в оболочке реактора

1.4 Способы снижения образования и роста эксплуатационных дефектов

1.5 Методы оценки напряженно-деформированного состояния реактора замедленного коксования

Выводы по главе

2 Объект и методы его исследования

2.1 Постановка задачи, задание граничных условий

2.2 Методика расчета ресурса реактора замедленного коксования

2.3 Генерация распределения температурных полей как случайного процесса

Выводы по главе

3 Моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния реактора установки замедленного коксования методом конечных элементов

3.1 Отклонения верха реактора и распределение напряжений в оболочке. Расчет на реальную температуру

3.2 Напряженно-деформированное состояние реактора в случае упорядоченного распределения температур

3.3 Напряженно-деформированное состояние реактора при случайном генерировании температур

Выводы по главе

4 Оценка ресурса реактора и возможности предложенной методики для разработки новых конструкционных решений

4.1 Расчет ресурса реактора при малоцикловых нагрузках

4.2 Моделирование устройства, демпфирующего изгибные напряжения

Выводы по главе

Замедленное коксование это сложный термодеструктивный процесс получения нефтяного кокса, связанный с неоднократными фазовыми переходами сырья, где основным аппаратом является реактор, представляющий из себя пустотелый сосуд периодического действия.

С точки зрения напряженно-деформированного состояния реактор установки замедленного коксования является уникальной оболочковой конструкцией, сочетая одновременно воздействие высокотемпературных затопленных струй и фазового перехода, закупоривающего сырьевые каналы при периодическом ведении технологического процесса, создавая тем самым неравномерные как во времени, так и по поверхности аппарата температурные поля, носящие вероятностный характер.

При такой схеме нагружения под действием изменяющегося во времени неравномерного температурного поля на поверхности оболочки реактора в месте и непосредственной близости к шву приварки опорной обечайки создается эффект пластического шарнира, который перемещаясь наносит повреждения и одновременно возбуждает колебательные движения аппарата в целом, приводящие к отказам этого вида оборудования, связанных с образованием, развитием и накоплением многочисленных дефектов, причиной которых также является недооценка указанных обстоятельств на стадии проектирования, осуществляемого по стандартным методикам расчета напряженно-деформированного состояния.

Для определения ресурса реактора замедленного коксования необходима методика расчета напряженно-деформированного состояния реактора в процессе замедленного коксования, учитывающая действие неравномерного температурного поля и основанная на оценке характера термодеформирования коксовой камеры. Применение разработанной методики оценки ресурса реактора замедленного коксования на стадии проектирования для разработки устройства, компенсирующего изгибные деформации реактора, позволит снизить максимальные напряжения в узле приварки опорной обечайки к корпусу реактора, что позволит увеличить срок наработки на отказ объекта исследований.

Цель работы

Разработка научно-методологических основ генерирования переменных неравномерных температурных полей для определения напряженно-деформированного состояния реактора установки замедленного коксования.

Задачи исследования

1 Анализ распределения температурных полей на поверхности реактора методом контрольных карт Шухарта и разработка программы генерирования температур как случайного процесса.

2 Моделирование процесса термодеформирования реактора методом конечных элементов с использованием программы генерирования температур.

3 Оценка напряженно-деформированного состояния сварного шва в узле приварки опорной обечайки как зоны концентрации напряжений.

4 Прогнозирование наработки реактора на отказ на основе расчета полей напряжений в оболочке реактора с учетом нестационарности температурного поля.

5 Оценка возможностей полученной методики применительно к разработке конструктивного решения, позволяющего демпфировать термические деформации в области узла приварки опоры к корпусу аппарата.

Научная новизна

1 Доказано, что применение контрольных карт Шухарта при генерировании неравномерных температурных полей как случайных величин позволяет рассчитать перемещения оси реактора, коррелирующие с реально измеренными значениями на действующих аппаратах.

2 Методом конечных элементов получена и применена модель деформирования реактора, которая позволила оценить изменения напряжений в течение цикла коксования, выявить зоны преимущественного появления дефектов и рассчитать ресурс с точки зрения возникновения и развития трещин в области малоциклового нагружения.

3 Установлена возможность оценки ресурса реактора с учетом неоднородности напряжено-деформированного состояния от действия температурных полей при проектировании новых конструктивных решений.

Практическая ценность

Разработана методика расчета ресурса реактора установки замедленного коксования с учетом нестационарности температурного поля при реализации технологического процесса. Данная методика внедрена в учебный процесс при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551831 «Надежность технологических систем и оборудования».

Предложено техническое устройство, демпфирующее отклонения реактора от вертикальной оси, что позволило уменьшить изгибные напряжения реактора, возникающие в зоне приварки опорной обечайки, и увеличить наработку на отказ.

Автор искренне признателен своему научному руководителю д.т.н., профессору И.Р. Кузееву и научному консультанту к.т.н. М.И. Кузееву за постановку задачи исследований и постоянную помощь в работе, а также д.т.н., профессору В.А. Кузнецову, к.т.н. P.P. Ягафарову и к.т.н Е.А. Филимонову за критическое обсуждение результатов, ценные советы и рекомендации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика и программа расчета генерирования температурного поля реактора как случайной величины с применением контрольных карт Шухарта. Определен статистический разброс значения температур в пределах одного цикла коксования, а также в ряду последовательных процедур коксования. Статистическая обработка результатов генерирования температурных полей показала хорошее совпадение с результатом, полученным Е.А. Филимоновым и И.Р. Кузеевым для реального распределения с помощью карт Шухарта.

2. Разработана конечно-элементная модель деформирования реактора установки замедленного коксования, которая позволила рассчитывать реальный ресурс узла приварки опорной обечайки к корпусу аппарата, в котором наиболее часто в реальных условиях возникают дефекты типа трещин различной направленности и конфигураций.

3. Разработанная модель деформирования реактора позволила выявить особенности напряженно-деформированного состояния в узле приварки к корпусу опорных элементов различного типа. Как и в случае с отклонениями реактора от вертикальной оси, так и с точки зрения напряженно-деформированного состояния в зоне приварки опорной обечайки, реактор с опорным элементом конического типа является наиболее предпочтительным в эксплуатации.

4. Предложено конструктивное решение, которое состоит из системы пружинных ограничителей изгибным колебаниям аппарата. Расчетами показано, что применение демпфирующих пружин позволяет снизить напряжения в узле приварки опорной обечайки изгибные напряжения в 1,124 раза, что позволяет увеличить ресурс узла в 1,3 раза.

5. Модель, методика, и программа используются при чтении курса лекций по дисциплине «Диагностика технического состояния объектов и разрушения материалов» при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551831 «Надежность технологических систем и оборудования».

1. Абызгильдин Ю.М. Реакторы установок замедленного коксования и их применение/ Ю.М. Абызгильдин, М.В. Кретинин, И.Р. Кузеев и др. //тематический обзор.- М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1983.- 40.С.- /Деп.б7 НХ-Д 83 от 11.04.83/.

2. Авторское свидетельство № 280433 (СССР) Б.И., 1970, №28.

3. Авторское свидетельство № 579297 (СССР) Б.И., 1977, №41.

4. Авторское свидетельство № 768799 (СССР) Б.И., 1980, №37.

5. Авторское свидетельство № 775119 (СССР) Б.И., 1980, №40.

6. Авторское свидетельство № 1189870 (СССР) Б.И., 1984, №41.

7. Авторское свидетельство № 1234413 (СССР) Б.И., 1986, №20.

8. Авторское свидетельство № 1609819 (СССР) Б.И., 1988, №44.

9. Ахметов С.А. Реакционная способность нефтяных коксов и вопросы оптимизации процессов их прокаливания,- Уфа: УНИ, 1975. 80с.

10. Бакиев А.В., Кузеев И.Р., Мухин В.Н., Самохин Ю.Н. Оценка остаточного ресурса деформированных биметаллических реакторов коксования.-Уфа: УНИ, 1990.-116с.

11. Бендеров Д. И., Походенко Н.Т., Брондз Б. И. Процесс замедленного коксования в необогреваемых камерах-М.: Химия, 1976. 176 с.

12. ВУПП-88. Ведомственные указания по противопожарному проектированию предприятий, зданий и сооружений нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: Миннефтехимпром, 1988 32 с.

13. Газиев P.P. Оценка долговечности биметаллических аппаратов на примере реактора установки замедленного коксования.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук., Уфа: УНИ, 1992.- 191 с.

14. Гимаев Р. Н., Кузеев И. Р., Абызгильдин Ю. М. Нефтяной кокс М.: Химия, 1992-80 с.

15. ГОСТ Р 50779.40-96. Статистические методы. Контрольные карты. Общее руководство и введение.- М.: Издательство стандартов, 1999 27 с.

16. ГОСТ Р 50779.42-99. Статистические методы. Контрольные карты Шухарта.- М.: Издательство стандартов, 1999 25 с.

17. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.- М.: Издательство стандартов, 1989 79 с.

18. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках.- М.: Издательство стандартов, 1983-21 с.

19. ГОСТ 22898-78. Коксы нефтяные малосернистые. Технические условия.- М.: Издательство стандартов, 1978 17 с.

20. Денисов В.Д. Влияние распределения потоков в реакторах установок замедленного коксования на качество кокса.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- Уфа: УНИ, 1986.

21. Зайцева С.А. Производство нефтяного кокса за рубежом./ Химия и технология топлив и масел.- 1984. №1. - С. 36-38.404.406)

22. Захаренко В.А., Козлов А.В. Контроль процесса фазовых превращений при коксообразовании методом термосканирования стенки реактора// Химическая промышленность.-2003.-Т.80.-№5.-С.44-49.

23. Захаров М.Н., Лукьянов В.А. Прочность сосудов и трубопроводов с дефектами стенок в нефтегазовых производствах.- М.:ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000.- 216с.

24. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация.- М.: Мир, 1986.318 с.

25. Каждан Я.С. Технология электродов: ГОНТИ. 1941.

26. Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Т. Сварные сосуды высокого давления: Прочность и долговечность. Л.: Машиностроение, 1982. - 287 с.

27. Кретинин М.В. Измерение температурного поля корпуса камеры коксования./ М.В. Кретинин, А.В. Казачанский, Г.А. Сергеев// Химия и технология топлив и масел.- 1983. №6. - С. 38-39.

28. Кретинин М.В. Факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние коксовых камер./ М.В. Кретинин, Г.А. Сергеев, А.В. Тихонов, А.В. Казачанский// НТРС Эксплуатация модернизация и ремонт оборудования НП и НХ.- 1982. №1. - С. 9-12.

29. Крылов В.Н. Производство угольных и графитированных электродов: ГОНТИ, НКТП СССР. 1939.

30. Кузеев И.Р. Совершенствование технологии и повышение долговечности реакционных аппаратов термодеструктивных процессов переработки углеводородного сырья.- Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук., Уфа: УНИ, 1987.-429 с.

31. Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Куликов Д.В., Чиркова А.Г. Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья-Уфа: Гилем, 1999.-325 с.

32. Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г. и др. Предотвращение коррозии сталей при коксовании нефтяных остатков./ Химия и технология топлив и масел.-1986.-№3.- С.8-9.

33. Кузеев М.И. Закономерности накопления повреждений в сварных соединениях оболочек реакторов установок замедленного коксования.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук., Уфа: УГНТУ, 2000- 117 с.

34. Кузнецов А.А. Термодеформирование оболочки реактора установки замедленного коксования при взаимодействии с затопленной струей/ А.А. Кузнецов, М.И. Кузеев, Н.А. Махутов//Нефтегазовое дело.-2007.-Т.5.-№1.-С.169-173.

35. Кузнецов В.А. Совершенствование конструкций реакторов замедленного коксования/ В.А. Кузнецов, Г.Г. Валявин// Исследование и применение продуктов переработки тяжелых нефтяных остатков. Тр. БашНИИ НП, вып. 29.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1990.- С. 128-138.

36. Леонтьев B.JI. Система ANSYS как средство изучения метода конечных элементов и механики сплошных сред.- Екатеринбург: УГУ, 2001,40с.

37. Махутов Н.А., Драгунов Ю.Г., Фролов К.В. и др. Динамика и прочность водо-водяных энергетических реакторов.- М.: Наука, 2004.- 440с.

38. Митрохин И.Н. Обнаружение разладки с помощью контрольных карт./ И.Н. Митрохин, А.И. Орлов// Заводская лаборатория. Диагностика материалов.- 2007.-Т.73.-№5.-С.74-78.

39. Наседкин А.В. Конечно-элементное моделирование на основе ANSYS.- Ростов-на-Дону, УПЛРГУ, 1998, 44 с.

40. Нефтеперерабатывающая и алюминиевая промышленности — развитие сотрудничества, оптимизация связей по поставкам нефтяного кокса./ Сборник докладов Межотраслевой конференции.- Красноярск: март 2001.- 113 с.

41. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств ПБ 09540-03/ Колл. авт.- М.: ГУП НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.- 125 с.

42. Огородников О.М. Введение в компьютерный конструкционный анализ: Методические указания по курсу "Компьютерная диагностика".- Екатеринбург.: УГТУ-УПИ, 2001. 47 с.

43. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование надежности и совершенствование оборудования установок замедленного коксования типа 21-10».- Уфа: УГНТУ, 1984г.- С. 13-28.

44. Патент № 2075494 (Россия), Б.И., 1997.

45. Патент № 2120458 (Россия), Б.И., 1998.

46. Патент № 2141501 (Россия), Б.И., 1999.

47. Патент № 2206594 (Россия), Б.И., 2001.

48. Походенко Н.Т., Брондз Б.И. Получение и обработка нефтяного кокса. М.: Химия, 1986.-312 с.

49. Походенко Н.Т., Брондз Б.И. Эксплуатация и пути повышения надежности работы реакторов установок замедленного коксования. М.: ЦНИ-ТЭНефтехим, 1983.-56 с.

50. Походенко Н.Т. Совершенствование оборудования и аппаратуры на установках по производству кокса./ Н.Т. Походенко, Б.И. Брондз, A.M. Соловьев, В.А. Кузнецов, С.В. Сухов// Химия и технология топлив и масел М.: Химия. -1980, -№3.- С.37-40.

51. Правила промышленной безопасности для нефтеперерабатывающих производств ПБ 09-563-03/ Колл. авт.- М.: ГУП НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.- 25 с.

52. Производство углеродной продукции. Проблемы обеспечения углеродистым сырьем. Сб. тр. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2002, вып. 1, 182 с.

53. Розин Jl.А. Метод конечных элементов.- С-П: С-П.ГТУ, 2000, 17с.

54. Сигаева М.Г. и др.// Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1979,- №9.- С.27-30.

55. Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А. и др. Марочник сталей и сплавов.- М.: Машиностроение. 1989.- 640 с.

56. Справочник по сталям.- М.: Машгиз. 1957.- 906 с.

57. Сызранцев В.Н., Сызранцева К.В. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методами конечных и граничных элементов: Монография.- Издательство Курганского государственного университета, 2000.- 111 с.

58. Сюняев З.И. Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса. М.: Химия, 1973.- 296 с.

59. Теляшев Э.Г. Нефтепереработка: новые-старые разработки./ Э.Г. Те-ляшев, И.Р. Хайрудинов// The Chemical Journal.- М.: ГУП «Институт нефтехим-переработки РБ», Октябрь-ноябрь 2004.- С.68-71.

60. Фиалков А.Я. Технология и оборудование электроугольного производства. -М.: Госэнергоиздат, 1958.

61. Филимонов Е.А. Долговечность реакторов для получения нефтяного кокса. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- М: МИХМ, 1985 179 с.

62. Хайрудинов И.Р., Ишкильдин А.Ф., Максименко М.М. Термический крекинг и новые резервы углубления переработки нефти.- Уфа.: УГНТУ, 1995.53 с.

63. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процесса: Пер. с англ.- JL: Химия, 1983.- 352 с.

64. Хухрин Е.А., Валявин Г.Г., Валявин К.Г. Место процесса замедленного коксования в схемах современных НПЗ.- Уфа: УГНТУ, ООО «Алитер-Акси», 2005г.-41, 12с.

65. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справ. Пособие.- М.: Машиностроение-1, 2004.- 512с.

66. Чижмаков М.Б., Шапиро М.Б. и др. Диагностика причин разрушения деталей и узлов аппаратов химических произволств/Обзорная информация/. -М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1987. 36 с.

67. Обзор рынка нефтяного кокса в СНГ.- Москва: Август 2006.- 153с.

68. Ягафаров P.P. Совершенствование методов анализа причин разрушения аппаратов при техногенных авариях./ Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- Уфа: УГНТУ, 2005.- 103 с.

69. Antalffy L.P., Malek D.W., Pfeifer J.A., Stewart C.W. и др. Innovations in delayed coking coke drum design.- ASME, 1999,- P. 1-34

70. Coby W. Stewart Vertical plate technology extends the life of coke drums.- welding journal, April 2004. P. 34-36.

71. Coby W. Stewart, Aaron M. Stiyk, Lee Presley Coke drum design.-Chicago: PTQ Q3, 2006,- P. 1-6.

72. Jorge A. Penso, Robert Owen, Masaaki Oka TOFD Automatic Ultrasonic Testing for Condition Monitoring of Coke Drums/ ASME PVP-2003, PVP-Volume 468.

73. Kenneth D. Kirkpatrick, George A. Miller, Barry J. Millet, David W. Malek Transient profile development and the fatigue impact for cyclic thermal conditions.- Vienna: Proceedings ICPVT 10, 2003.- P. 1-7.

74. Masaaki Oka, Kenichi Kawashima Development of phased array and TOFD simultaneous inspection system for coke drum.- Japan: Toyo Works, 2004.- P. 1-18.

75. Richard S. Boswell, Tom Farraro, Michael J, Sober Remaining Life Evaluation of Coke Drums/ Plant Engineering, Operations, Design & Reliability Symposium.- Houston, TX, 1997.- P. 1-15.