автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Модульные концепции повышения работоспособности кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

V 1 V ? 4 " "

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

На правах рукописи

ЖУКОВА НАТАЛЬЯ СЕРАФИМОВНА

МОДУЛЬНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Никифоров А.Д.

Москва 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ПОСТАНОВКА ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7

1.1. Оценка технического уровня КТА 7

1.2. Модульное формирование конструкции КТА 12 1.3 Кожухотрубчатый теплообменный аппарат как объект исследования 17

1.3.1. Компоновка технических систем доминирующей конструкции КТА 17

1.3.2. Модульная оценка работоспособности КТА 29

1.4. Модульное обеспечение точности и взаимозаменяемости в

аппаратостроении 36

1.4.1. Основные принципы повышения качества конкурентоспособной продукции 36

1.4.2. Алгоритмическая модель модульного формирования точности

и взаимозаменяемости 41

1.5. Анализ литературных и производственных данных 47

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ КОРПУСА КТА ПРИ НЕРАВНОМЕРНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НАГРУЗКЕ 51

2.1. Математическое описание напряженно-деформированного состояния

при неравномерном нагреве корпуса 51

2.2. Разработка математической модели численной реализации

напряженно-деформированного состояния корпуса в условиях неравномерного поля температур 58

2.3. Разработка алгоритмической модели и программной реализации

расчета температурных напряжений и деформаций 64

2.4. Расчеткая оценка эффектов повышения напряжений и температурных

деформаций в корпусе КТА, вызванных неравномерностью нагрева 66

2.5. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного

состояния корпуса с неравномерным нагревом 80

3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ГЦС КОРПУС-

ПЕРЕГОРОДКА 86

3.1. Математическая модель функциональной точности соединения 86

3.2. Экспериментальная оптимизация точности соединения 91

3.2.1. Условия натурного эксперимента 91

3.2.2. Результаты натурного эксперимента 93

3.3. Экспериментальная оценка параметров математической

модели функциональной точности соединения 94

3.4. Расчетная оценка зазора по компенсации температурных деформаций

соединяемых деталей 99

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ КОРПУСОВ ДОМИНИРУЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ КТА

4.1. Точность цилиндрических обечаек

4.1.1. Точность поперечного сечения

4.1.2. Точность продольного сечения

4.1.3. Торцевое биение

4.2. Точность стыковых соединений базовых деталей

4.2.1. Отклонения диаметров

4.2.2. Отклонения текущих радиусов обечаек

4.2.3. Раскрытие стыка

4.3.Точность корпусов с фланцевыми соединениями

4.3.1. Расчет допусков на межосевое расстояние

4.3.2. Вероятностная оценка взаимозаменяемости фланцевого

соединения 118

4.4. Экспериментальная оптимизация точности корпусов КТА 122

4.4.1. Точность корпусов из листовых заготовок 122

4.4.2. Точность внутреннего диаметра корпусов из труб 126 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК 131

5.1. Модульная оптимизация точности ГЦС корпус-перегородка 131

5.2. САПР поиска параметров нормированной точности ГЦС

технического оборудования 136

102 102 102

104

105 107

107

108 113 117 117

5.3. Экономическая эффективность научных разработок 141

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 146

ЛИТЕРАТУРА 148

ПРИЛОЖЕНИЕ 154

ВВЕДЕНИЕ

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты (КТА) различных уровней тепловой эффективности наиболее распространенный вид технологического оборудования и его потребление по отраслям составляет - 20% на предприятиях химической промышленности, 50% - в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях, при этом уровень капиталовложения в данное оборудование доходит до 40%. Возросшие требования к эффективности использования нефтехимических установок обусловили преимущественное применение в их составе КТА повышенной тепловой эффективности, прочности, механической надежности. Возникла проблемная ситуация, когда тиражировать эксплуатируемые КТА с заниженным техническим уровнем качества уже нецелесообразно, а новые работоспособные конструкции на уровне требований мировых стандартов еще не имеют технического обеспечения и промышленностью не освоены. Поэтому проблема их работоспособности становится наиболее актуальной.

На уровень качественных показателей КТА влияет широкий спектр взаимозависимых параметров, проявляющихся на этапах конструирования, сборки, тестирования и эксплуатации. Так влияние возможного неравномерного распределения температур в корпусе КТА, возникающее на этапе эксплуатации, должно быть учтено, как на этапе конструирования в связи со значительным увеличением напряжений в корпусе и возможным возникновением эффекта байпаса, так и на этапе определения точностных параметров сборки составляющих аппарата под углом их взаимозаменяемости. Для этапа сборки аппарата важно иметь методики оценки качества комплектующих, их свойств, причем как для целой партии изделий, так и для отдельных экземпляров В этой связи актуальной является проблема комплексного изучения различных аспектов взаимодействия отдельных составляющих на стадиях жизненного цикла.

В настоящее время накоплен достаточный опыт по эксплуатации КТА, определению и достоинств и недостатков, дальнейшего усовершенствования конструкции, технологии, управления. Продолжается работа по более четкому

определению причин неудовлетворительной работоспособности и конкурентоспособности, неуклонному повышению эффективности использования. К числу основных недостатков отечественных КТА относятся заниженная тепловая эффективность, механическая ненадежность, недостаточная прочность, в значительной степени, зависящие от совершенства технологии. До последнего времени к конструкциям КТА не предъявлялись конкретные требования к технологичности, точности, взаимозаменяемости, конструкторы фактически не несли ответственности за связанную с ними потерю работоспособности, а их соблюдение передано на произвольное решение изготовителей со сборкой по пригонке. Это сдерживало техническое перевооружение аппаратостроения и препятствовало созданию совершенных технологических систем производства качественной продукции.

В диссертационной работе ставилась задача дальнейшего повышения работоспособности КТА реализацией модульного метода проектирования и производства аппаратов. Возможность компоновки изделий из унифицированных частей, комбинации их со сборочными единицами специального назначения, последовательного наращивания функций позволяют создавать конструкции различного назначения и структуры на базе взаимозаменяемости. В имеющейся по модульному аппаратостроению литературе содержится вывод об отсутствии общей теории, поэтому в решении поставленной задачи разработан комплекс научно-технических исходных положений повышения работоспособности за счет обеспечения взаимозаменяемости взамен существующей пригонки. Взаимозаменяемость предполагает с большей стоимостью деталей достичь наименьшую стоимость сборки. Рост стоимости взаимозаменяемых деталей происходит от необходимости удерживать каждую деталь в пределах допуска, так, чтобы когда предельные отклонения совпадают не было бы пригонки. Экономика взаимозаменяемости на производстве оправдывает замену сложившейся технологии на новую более перспективную гибкую автоматизированную технологию. Подобная экономика бывает оправдана при ремонте, так как в процессе эксплуатации бывает лучше заменить, чем ремонтировать.

Важной составной частью работы является создание программно-алгоритмического обеспечения на базе математического модульно-агрегатированного моделирования с проведением трех видов экспериментальной оптимизации в производственных условиях, ВМЗ им. Петрова, ВНИИПТ Химнефтеаппаратуры г. Волгоград, МГУИЭ.

Научно-методические основы диссертационной работы и ее результаты докладывались на научно-практической конференции "Технологическое обеспечение работоспособности химических машин и аппаратов" (г. Москва 1991г.), Всероссийском совещании по автоматизации проектирования конструкций и технологий в отрасли (г. Москва, Комитет машиностроения РФ, 1995г.) на научных семинарах МГУИЭ, технологических советах ВМЗ им. Петрова, ВНИИС по проблемам оптимизации требований к стандартизации, на международном симпозиуме "50 лет информационной эры"(г. Москва 1996г.).

Актуальность и народнохозяйственное значение работы определяются тем, что она явилась частью системных исследований комплексной целевой программы государственных ведомств по машиностроению РФ, направленной на создание конкурентоспособной продукции, с выходом на внешний рынок -сертификационной.

1. ПОСТАНОВКА ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Оценка технического уровня КТА.

Оценка технического уровня проведена при неизвестных экономических показателях сопоставлением образцов отечественных и зарубежных конструкций фирм Германии, Англии, США. Сопоставляемые конструкции принадлежали к одному типу однородной продукции и имели близкие функциональные параметры (приложение 1.1). Наличие различных требований к техническим и технологическим параметрам КТА, которые характерны для разных стандартов, поднимает вопрос о проведении сравнительного анализа для однотипной продукции [25, 48, 64 - 68,71]. Сравнение конструкций близких по функциональному назначению для различных стандартов КТА можно проводить как по отдельным характеристикам (дифференциальный метод), так и с помощью комплексного подхода, основанного на построении всеохватывающих относительных комплексных показателей, предложенным автором.

В таблицах приложения 1.1 приведены основные показатели технических и технологических характеристик КТА, соответствующие различным стандартам. Ниже проводится сравнение данных стандартов, используя комплексные показатели Еч° и соответственно.

Процедуру вычисления относительных комплексных показателей рассмотрим на примере Хч°. Вычисление данного показателя проводилось в следующей последовательности:

1. Для каждого дифференциального (от 1 до 7) показателя качества (см. приложение 1.1) определяется признак роста качества - положительный (О +) или отрицательный (О"). К положительному признаку относятся те показатели, рост которых означает положительный эффект для потребительских и эксплуатационных свойств теплообменника. И наоборот, - к показателям с отрицательным признаком относятся те, положительный эффект для которых достигается с убыванием значений дифференциального показателя.

2. В каждой строке определяются наибольшее а"1ах и наименьшее а™"

значение показателя в зависимости от признака роста качества. 3. Определяются относительные значения дифференциальных показателей по сравнению с максимальным (для в +) или минимальным (для в") значением показателей в данной строке по формулам

ГП1П

аи] —• а,

а = —— а, , =

1,7 „шах 5 М п

4. Назначаются веса каждого показателя качества в зависимости от его важности или приоритета в оценке изделия в целом. Заметим, что для расчета веса должны быть пронормированы. В этой связи обозначим

/

По результатам пунктов 1-4 формируются таблицы относительных показателей качества (таблицы 1.1, 1.2).

5. Расчет относительного комплексного показателя проводится по формуле

,() ^ — Щ

= Е аи

К'

Результаты расчета £ ч° для различных значений весов представлены на рисунках 1.1, 1.2; 1.3, 1.4.

Таблица 1.1. Относительные показатели качества.

ьдо. ФРГ ОЛУУ. Англия ГОСТ , ТУ 26-02-¡5! ¡9-79 1 1 102-9 \

0+/С 1 2 3 4

1 о+ 0.929 0.929 0.929 1 Шх

2 О" 0.935 0.922 0.891 1

3 о+ 1 0.857 0.679 0.714

4 о+ 1 0.966 0.724 0.828

5 0 + 1 0.857 0.714 0.857 W 5

6 0+ 1 0.889 0.556 0.778 w6

7 о+ 1 0.889 0.556 0.722

Таблица 1.2. Относительные показатели технологичности КТА.

Гпг ' 15; ¡9-79 ТУ 26-02-!102-9!

1 :

1 0.886 1

2 в" 0.955 1

3 о+ 1 0.962 Wз

Проведенный сравнительный анализ позволил выявить недостатки и преимущества стандартных требований к конструкциям КТА. Очевидно, что ряд технических условий имеют существенные недостатки и нуждаются в совершенствовании. Анализ статистических данных результатов испытаний стандартных конструкций КТА показал, что около 30% изделий имеют эксплуатационные характеристики за пределами требований ТУ.

Недостаточные тепловая эффективность и технический ресурс аппаратов возникают из-за отсутствия обоснованных точностных требований:

нестандартных гладких цилиндрических соединений (ГЦС) с зазором, стыковых (СС), фланцевых (ФС) (корпусных и арматурных); отклонений формы поверхностей корпуса; линейных габаритных размеров;

эксплуатационной ситуации со скрытым функциональным порогом. К причинам, снижающим технический уровень отечественных конструкций теплообменников относятся: несовершенство технологии изготовления; слабо отработанная технологичность конструкции, что приводит к повышению металлоемкости, трудоемкости, коэффициента использования металла; отсутствие совершенных методов автоматизированного проектирования конструкций и технологии производства; низкое метрологическое обеспечение в производстве; отсутствие фонда НТД и сертификации КТА; игнорирование принципа инверсии в комплексном решении прикладных вопросов точности по стадиям жизненного цикла.

шШй t

w1 t i f:: 1 w2 1 w3 1 w4 II w5 i i 1 w6 t j I я ч ! 1 1 w7

ШВеса 1 1 1 I 1 1 1 1 1

■ Веса 2 1 1 1 1 1 3 3

□ Веса 3 3 3 I 1 1 1 1 1

Рис. 1.1. Распределение весов дифференциальных показателей качества.

1,2

0,8

0,6 —

SAG

DAVY

ы

ГОСТ - 79

ш

ТУ-91

i Веса 1

0,9805

0,9012

0,7211

0,8427

I Веса 2

0,9876

0,8967

0,6609

0,809

□ Веса 3

0,9627

0,91

0,7898

0,8999

Рис 1.2. Относительный комплексный показатель качества КТА Е,

■ 1 ^^^И ; ' 1

ри ( \ - -' „ щ

¡1 1

\м2 wЗ

И Веса 1 1 1 1

■ Веса 2 3 1 1

□ Веса 3 1 3 1

□ Веса 4 1 1 3

Рис. 1.3. Распределение весов дифференциальных показателей технологичности.

--—---

■■ ■ • &

П | ! 1 Т7Г-

ГОСТ 5119-79 ТУ 26-02-1102-91

@ Веса 1 0,9472 0,9873

В Веса 2 0,9229 0,9924

□ Веса 3 0,9505 0,9924

В Веса 4 0,9683 0,9772

Рис 1.4. Относительный комплексный показатель технологичности КТА 2®.

1.2. Модульное формирование конструкции КТА.

Поиск новых интенсивных путей развития аппаратостроения, тенденция к повышению серийности производства техники приводят к необходимости применения модульного принципа формирования теплообменников в решении трех групп взаимосвязанных задач - общепроектных, конструктивно-технологических и организационно-производственных. Концепция модульного формирования стала осознаваться как фундаментальная закономерность технического прогресса в повышении работоспособности и конкурентоспособности.

Литературный обзор по модульному аппаратостроению приводит к выводу об отсутствии общей теории модульного формирования, поэтому в работе формируются некоторые общие принципы, способствующие решению задач исследований. К ним относятся:

инвариантность конструкций КТА, обеспечивающая возможность их применения для различных видов технологий;

переналаживаемость конструкций на основе точности и взаимозаменяемости ее составных частей;

конструктивная преемственность, возможность многократного применения функциональных составных частей.

Важнейшее условие модульного формирования - возможность декомпозиции конструкции на составляющие модульные единицы, каждая из которых ориентирована на выполнение вполне определенной функции. При изготовлении каждого типа модульных единиц последовательно решаются задачи обеспечения точности.

Выполнение возложенных на модульное формирование функций должно обеспечиваться взаимодействием ее следующих составных частей:

технического обеспечения - совокупности технических средств, достаточных для реализации функций;

программного обеспечения - совокупности программ, необходимых для реализации функций и заданного функционирования комплекса технических

средств;

информационного и организационного обеспечения.

Морфологический анализ структуры КТА, построенной по функционально- модульному принципу, показывает что ее можно представить в виде трехуровневой матрицы.

Горизонтальные строки матрицы представляют собой совокупность составных частей КТА различного уровня сложности выполняемых функций и конструктивного исполнения, образующих соответственно, уровни элементов, блоков и модулей.

Вертикальные столбцы объединяют функционально - однородные группы, включающие параметрические ряды составных частей КТА в соответствии с их классификацией по функциональному назначению для различных видов технологии.

Если эту задачу рассмотреть с добавлением третьей переменной -типоразмерных параметрических рядов составных частей КТА, то матрица становится трехмерной и имеет вид параллелепипеда, составленного из кубов малого размера, число которых соответствуе�