автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение надежности и ресурса рабочих элементов судовых газотрубных котлов

Ганнов Алексей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛОВ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

1 О НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2011

4859535

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (ВГАВТ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Матвеев Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Петухов Валерий Александрович

Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова, Санкт-Петербург

кандидат технических наук, доцент Орехво Владимир Анатольевич ФБОУ ВПО ВГАВТ, Нижний Новгород

Ведущая организация: ФБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Защита состоится «50» 2011 г. в /5" часов в

ауд. 281 на заседании диссертационного совета Д223.001.02 при Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан «¿3» О^лЛ^Д^ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г

к.т.н.,доц. СЭг^С^/

А.А. Кеслер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Газотрубные котлы входят в состав судовых энергетических установок и являются одним из наиболее ответственных элементов жизнеобеспечения судов. Котельные установки с газотрубными котлами нашли широкое применение на всех типах судов благодаря ряду положительных свойств, в числе которых простота конструкции и технологичность, удобство компоновки, высокая степень автоматизации, низкие эксплуатационные затраты и др.

Надежность и ресурс судовых котельных установок во многом определяются рабочими характеристиками узлов соединения теп-лообменных труб и трубных досок.

Как показывает практика эксплуатации судов отечественного и зарубежного флота, основные проблемы, возникающие при работе газотрубных котлов, вызваны потерей герметичности этих элементов, что обусловлено рядом причин:

ухудшение условий отвода теплоты из зоны крепления ввиду образования накипных и иных отложений;

коррозионные разрушения узлов крепления труб; ухудшение теплоотдачи ввиду нарушения проектных параметров течения теплоносителей;

- наличие неравномерности течения газов по фронту трубной доски котла и др.

Несмотря на значительное число работ, посвященных исследованию и нейтрализации указанных отрицательных факторов, до настоящего времени исчерпывающего решения не найдено. Это подтверждается многочисленными фактами отказов и аварий, связанных с эксплуатацией газотрубных котлов на флоте. Важность решения задачи повышения надежности судовых газотрубных котлов особенно актуальна в связи с тем, что аварии котельных установок отражаются на надежности работы судовой энергетической установки и судна в целом.

Таким образом, задача повышения надежности и ресурса элементов крепления труб в трубной доске является актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение надежно-

сти и ресурса газотрубных котлов путем разработки мер по снижению термической нагрузки в узлах крепления труб в трубных досках на базе вновь разработанных математических моделей, позволяющих учитывать режимные, конструктивные и иные факторы, влияющие на физические процессы в исследуемых объектах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать факторы, влияющие на надежность соединения труба - трубная доска.

2. Разработать математические модели течения газа и воды в районе узла крепления труб в трубной доске.

3. Разработать математические модели температурного состояния узла соединения трубы в трубной доске.

4. Исследовать процессы и определить закономерности изменения физических параметров в узлах крепления для выявления главных и второстепенных факторов и определения путей конструктивного совершенствования узлов крепления.

5. Провести математическое моделирование средств термической защиты.

6. Разработать конструктивные мероприятия, направленные на термостабилизацию узла крепления.

Объектом исследования являются судовые газотрубные котлы.

Предметом исследования являются термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках газотрубных котлов.

Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых как М. И. Волский, А. А. Отс, Н.И. Денисенко, В.Г. Харченко, И. И. Костылев, A.C. Хряпченков и др.

Математическое моделирование и обработка результатов исследований проводились с использованием современных апробированных программных комплексов на базе вычислительного кластера ННГУ им. Лобачевского.

Лабораторные исследования образцов поврежденных котлов для определения причин отказов проведены с использованием микроструктурного анализа металлов на инструментальной базе лаборатории конструкционных материалов НГТУ им. P.E. Алексеева.

Научная новизна 1. Впервые разработан комплекс математических моделей, основанный на совместном решении уравнений течения газа, течения жидкости, теплопередачи и теплового состояния механических элементов узла, максимально приближенных к реальным объектам.

2. Установлено влияние геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов.

3. Выработаны рекомендации по подбору оптимальных геометрических параметров исследуемого узла с точки зрения обеспечения надежности.

4. Разработаны новые термозащитные элементы узлов газотрубных котлов и найдены их оптимальные геометрические характеристики.

Практическая ценность

1. Установлены закономерности и причины повреждений котлов на основе анализа материалов по отказам с использованием разработанных методик.

2. Разработанные математические модели рекомендованы к использованию в проектных организациях с целью создания новых эффективных конструкций котлов.

3. Предложены конкретные конструктивные мероприятия для термостабилизации узла крепления труб и технические решения защиты трубной доски от перегрева.

4. Выработанные рекомендации и конструктивные решения могут быть распространены на все типы газотрубных котлов, применяемых на речном и морском флоте.

5. Результаты исследования внедрены в производственную практику предприятия ООО «Гидротермаль».

На защиту выносятся

- результаты моделирования температурного состояния узлов крепления труб в трубных досках;

- результаты исследования влияния геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов;

- мероприятия по защите узлов крепления труб в трубных досках от неблагоприятного воздействия высокой температуры.

5

Достоверность. Результаты моделирования и исследования термического состояния узлов крепления труб подтверждены серией натурных эксплуатационных испытаний судовых котлов и данными лабораторных исследований образцов различных котлов. При определении причин отказов использованы надежные апробированные методики анализа, в т.ч. микроструктурный анализ, хро-матографический анализ и др. с использованием инструментальных баз лабораторий НГТУ им. Р.Е. Алексеева, НИЛИМ, «СА-ЛЮТ-22».

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследований; разработаны математические модели течения теплоносителей и термического состояния исследуемых узлов крепления труб; апробирована методика определения температурных полей в элементах судовых котлов; выполнена верификация расчетных методов анализа; обработаны и обобщены полученные результаты. Автор диссертации выражает благодарность за помощь, оказанную при проведении исследований, и консультации к.т.н. С.Н. Валиулину.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Эксплуатации судовых энергетических установок» ВГАВТ, научной конференции XV «Нижегородская сессия молодых ученых» (2010 г.г.), международном форуме «Великие реки» (2009-2011 г.г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2009 -2011 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, получен Патент на полезную модель №109267.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 76 наименований и приложений. Работа изложена на 114 страницах основного текста, содержит 4 таблицы и 50 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе критически рассмотрены конструкции и отдельные конструктивные элементы судовых газотрубных котлов, проанализированы отказы и аварии при эксплуатации котлоагрегатов. Выявлены наиболее часто повреждаемые элементы теплообменной поверхности, рассмотрена взаимосвязь влияния неблагоприятных факторов на развитие деструктивных процессов в котлах.

Обращено внимание на тот факт, что большинство инцидентов связано с потерей проектных прочностных и иных характеристик элементов теплообменных поверхностей. Это связано с нарушением режима теплообмена и обусловлено изменением параметров теплоотдачи и теплопроводности в связи с накоплением загрязняющих отложений, нарушением циркуляции, отклонением параметров течения газа от расчетных величин и т.п.

Известные методики теплового и гидравлического расчетов котлов не учитывают указанные эксплуатационные особенности, либо ограничиваются общими рекомендациями.

Решением данных вопросов активно занимались отечественные и зарубежные специалисты, в том числе проф. М. И. Волский, А.С. Хряпченков, П. А. Баранов и др.

Однако, исследования были проведены в отношении котельной техники, которая в настоящее время уже не используется и для распространения результатов на современные конструкции требуется дальнейшее изучение вопроса.

Современные тенденции развития котельной техники связаны с увеличением агрегатных мощностей, плотностей теплового потока, минимизации габаритов и требуют разработки универсальной методики, позволяющей учитывать не только проектные характеристики элементов и материалов, но и изменения и отклонения ,которые связаны с факторами реальной эксплуатации судового котельного оборудования.

В качестве такой методики предложено использование комплексной математической модели, которая должна учитывать особенности течения горячего газа, нагреваемой жидкости, конструк-

ции труб и трубных досок котлов, а также эксплуатационные факторы: накопление накипных отложений, нарушение циркуляции.

В основе комплексной математической модели лежит использование системы дифференциальных уравнений течения несжимаемой жидкости, системы дифференциальных уравнений течения газа и системы уравнений теплопереноса для жидкости, газа и механических элементов объекта исследования

Объектом исследования на основании анализа выбран типовой узел крепления труб в трубной доске газотрубного котла.

Проанализировав основные неблагоприятные факторы, приводящие к нарушению термического состояния элементов газотрубных котлов, и условий их возникновения, сформулирована цель и задачи исследований, направленных на повышение надежности и ресурса котлов.

Во второй главе разработана комплексная математическая модель объекта исследования, включающая трехмерную твердотельную модель узла крепления труб, сеточную модель расчетной области, модель течения газа в исследуемой зоне, модель течения жидкости и термического состояния всех участвующих во взаимодействии элементов теплообменной поверхности газотрубного котла. Рассмотрена структура численного решения дифференциальных уравнений газовой динамики процессов течения в газотрубных котлах, метод конечного объема применительно к компьютерным пакетам для численного решения задач газовой динамики.

Особенность решаемой задачи заключается в том, что она является комплексной и сочетает в себе необходимость решения задачи гидродинамики при описании течений теплоносителей в зоне узла крепления труб и теплопередачи для построения температурных полей элементов исследуемой области.

При создании математической модели узла крепления труб выполнено следующее:

поставлены задачи для вычислительного эксперимента, базирующегося на решении системы уравнений Навье-Стокса для описания течения теплоносителей и уравнения теплопроводности для твердых тел в исследуемой зоне;

выбрана рациональная расчетная схема, при которой граничные условия заданы вдали от исследуемой области, жидкая и твердая фазы характеризуются непрерывностью температур;

выбрана транспортная ББТ модель турбулентности Менте-ра, которая является комбинацией к-ю модели (более точное описание течений вблизи стенок) и к-е модели (моделирование течений вдали от твердых границ) ввиду важности исследования зон турбулентности в пристеночных областях;

выбран оптимальный алгоритм решения по схеме «против потока» обеспечивающий устойчивый счет при реальном числе расчетных узлов в сеточной модели; заданы граничные условия, которые характеризуют реальные условия эксплуатации газотрубных котлов. При этом на твердых границах постулируется обычное для классической гидромеханики условие прилипания. Случай «исчезающей» вязкости в задаче не рассматривается. Однако выбор граничных условий предполагает возможность использования альтернативных вариантов для решения задачи при различных режимах работы котлов.

Для задачи газовой динамики требуется решить систему из четырех независимых уравнений, которая носит название системы уравнений Навье-Стокса:

1. Уравнение неразрывности (сохранения массы)

2. Уравнение количества движения (сохранения импульса)

(1)

8 - дельта-функция Кронекера

1 О О 8= 0 1 О О О 1

3. Уравнение энергии (сохранения энергии)

(5)

где:

4. Уравнение состояния

Р = Р (Т,р).

(8)

Система уравнений Навье-Стокса образуют законченную математическую модель поведения жидкости (газа), детально и строго описывающую практически весь спектр течений. Однако на практике к ней необходимо добавить уравнения (совокупность эмпирических и иных соотношений) для модели турбулентности, чтобы система в целом могла быть решена.

Построение математической модели с использованием вычислительного эксперимента проведено по алгоритму (рисунок 1).

В работе обоснован наиболее востребованный численный метод решения уравнений газовой динамики, которым является метод конечного объема (МКО), обладающий значительными преимуществами в сравнении с остальными.

При этом метод конечного объема поддается прямой физической интерпретации. Расчетная область решения делится на элементарные объемы, в пределах которых проводится интегрирование уравнения. Такая процедура позволяет учитывать сложную конфигурацию расчетной области. Для вычисления интегралов внутри конечного объема использованы функции формы, которые описывают изменение некоторой интересующей переменной меж-

ду расчетными узловыми точками. В результате найден дискретный аналог дифференциального уравнения, в который входят значения переменной в нескольких расчетных узловых точках. В качестве расчетного узла в МКО принят центр конечного объема. Кроме того метод обладает наилучшими в сравнении с конечно-разностными и конечно-элементными методами консервативными свойствами (сохранение массы и т.д.).

Рисунок 1. Алгоритм процесса построения математической модели 11

Полученный подобным образом дискретный аналог выражает закон сохранения переменной для конечного объема точно так же, как дифференциальное уравнение выражает закон сохранения для бесконечно малого конечного объема.

В третьей главе приводятся результаты исследования состояния узлов крепления труб в трубных досках, дается общее описание математической модели, выявлено влияние толщины трубной доски на термическое состояние узлов крепления труб и условий натекания газов на узлы крепления труб.

Для исследования термического состояния узлов крепления труб в трубных досках впервые была создана математическая модель, которая позволила получить зависимости влияния:

толщины трубной доски на термическое состояние узлов крепления;

- условий натекания газа и охлаждающей воды на узлы крепления труб.

конструктивных факторов и слоя отложений на термическое состояние узлов крепления.

Опыт эксплуатации судового котельного оборудования показывает, что конструкция и геометрические параметры узла крепления труб в трубной доске оказывают решающее влияние на надежность трубной системы в целом, среди которых можно выделить:

- способ соединения (вальцовка, сварка, комбинированные методы и др.);

- толщину трубной доски;

- компоновку труб в пучке (треугольная, шахматная, по концентрическим окружностям, коридорная и др.);

- размеры перемычек между трубами в трубной доске и шаги труб.

Основные тенденции развития современной котельной техники - это повышение рабочих параметров и ужесточение требований по массе и габаритам. Для выполнения этих требований используется уменьшение диаметров рабочих труб и уплотнение компоновки, т.е. уменьшение шагов в досках.

В работе показано, что надежность работы узлов крепления труб в трубной доске определяется температурным состоянием

элементарной ячейки трубной доски (рисунок 2). Данный элемент образован в пространстве между тремя соседними трубами при шахматной разбивке, либо между четырьмя трубами при коридорной разбивке. Шахматная разбивка обеспечивает большую плотность компоновки, поэтому этот вариант принят в качестве основного для проведения исследования.

По результатам вычислительного эксперимента построены зависимости влияния толщины трубной доски на ее термическое состояние. Для ряда толщин трубной доски 5=(20; 10; 6) мм температурные кривые приведены на рисунке 3, где показано, что с уменьшением толщины 8 не только снижается максимальная температура в трубной доске, но и значительно уменьшается температурный перепад между "горячей" и "холодной" сторонами. Так, уменьшение толщины б с 20 мм до 6 мм привело к снижению разности температур в 5^6 раз. Расчет внутренних термических напряжений показывает, что они уменьшаются пропорционально уменьшению толщины, что также снижает вероятность возникно-| вения трещин коррозионного, термического и термоусталостного характера.

Рисунок 2. Элементарная ячейка трубной доски

По результатам расчетного и физического исследования сделан вывод о целесообразности применения трубных досок меньших толщин, с учетом того, что трубные доски должны удовлетворять требованиям прочности (РТМ 108.031.111-80 и др.) для соответствующих газотрубных котлов.

Рисунок 3. Распределение температур по толщине трубной доски

Аналитический обзор работ по тематике проектирования котлов не дает исчерпывающего ответа на вопрос влияния условий входа горячих газов на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках.

Известные рекомендации касаются, главным образом, обеспечения равномерности раздачи теплоносителя по сечению трубного пучка и влияния формы входного участка труб на аэродинамическое сопротивление газового тракта.

В работе показано, что:

- практически для всех форм входных участков характерно наличие отрывных зон на входе в трубы,

- отрывные зоны, как правило, несимметричны, т.е. поток прижат к одной из сторон трубы,

- причиной несимметричности может быть малейшее отклонение потока от осевого направления, либо макровихрь, обусловленный особенностью геометрии подводящего канала,

- в конструкции котлов не уделено внимание отрицательному влиянию неравномерности потока и входных условий в трубах.

ш.

Тетрега^ге (Соп<оиг .1) .

......Газ"........

Сварной шов

3 99 Бе* 002 3 9«е*002 1 894С+002 3 843е+002 3.792е.002 3 741с*002 3 690е+002 3 63ЙВ.002 3 58Те+002

Трубная доска

' \ Стенка трубы

Рисунок 4. Зоны повышенной температуры на стенках трубы (с учетом отложений в зоне кольцевого зазора)

В работе приведено температурное поле, полученное при моделировании (рисунок 4), на котором видно место перегрева стенки трубы относительно остального объема всего узла крепления. В условиях задачи учтено, что небольшой зазор между стенкой трубы и трубной доской заполнен материалом с низким коэффициентом теплопроводности (накипные отложения).

При эксплуатации вновь созданных котлоагрегатов выявлены отложения в зонах повышенных температур. Лицевая трубная доска для утилизационного котла и задняя трубная доска для автономного являются такими характерными зонами. Установлено, что отложения на внутренней поверхности передней трубной доски и труб привели к перегреву и развитию трещин в стенках теплооб-менных труб и явились очагами развития коррозионных процессов разрушения трубной доски.

Анализ температур в зоне локального перегрева показал, что повышение температуры в отдельных частях элементов теплооб-менной поверхности превышает рекомендованное расчетное значение, которое определяется по формуле ^р = гсх.р + 15°С.

В работе показано, что предположение о неравномерности распределения газа по площади трубной доски, которое может приводить к локальным перегревам, подтверждается проведенными ис-

следованиями. Наличие отложений, очагов коррозии и трещин свидетельствует, что даже небольшое превышение температур в исследуемой зоне является неблагоприятным фактором выхода котла из строя.

430 ——Ое-■■ с с лсосенкп.1!!

410

-- - ■--

370

О 20 40 60 80 100

Относительная длина трубки. % (0 ■ поверхность трубной доски, омываемой газом;

_100 ■ поверхность трубной доски, омываемой водой )

Рисунок 5. Распределение температуры в стенке трубы по толщине трубной доски (при наличии и отсутствии отложений)

В случае применения трубной доски меньшей толщины, зона возможного перегрева из-за неравномерности распределения потока газа практически отсутствует. Это подтверждается исследованиями образцов, на которых не найдено повреждений, что позволяет верифицировать полученные при моделировании результаты.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования по применению термической защиты трубных досок и даны практические рекомендации по повышению надежности газотрубных котлов.

Поскольку большой ряд паровых газотрубных котлов имеет высокое рабочее давление, то снижение толщины трубной доски в ряде случаев невозможно по условиям прочности. В работе предложена новая конструкция термической защиты, в основе которой лежит применение термоизоляционного материала определенной

толщины и аэродинамически спрофилированных термозащитных пистонов.

Аэродинамическая форма пистонов была разработана на основе предыдущих результатов моделирования. Поскольку при моделировании структуры потока газа при его натекании на трубную доску выявилось, что в симметричных подводящих каналах формируются зоны течения перед входными участками теплообменных труб под некоторыми углами к их осям. Это меняет структуру течения в теплообменной трубе, способствует созданию отрывных зон и участков с интенсифицированным течением. Вследствие этого формируется значительная неравномерность плотности теплового потока как в зонах крепления труб, так и далее по течению. Создаются зоны локального перегрева труб и трубных досок, в которых развиваются деструктивные процессы: отложение накипи, коррозия, нарушение структуры материала и т.п.

Поскольку пистон неизбежно приводит к сужению входной части канала и соответственно к увеличению потерь в сужающейся части, то входной участок пистона спрофилирован в виде диффузора, угол раскрытия которого гарантирует безотрывное обтекание при симметричном течении. Выходной участок должен обеспечивать восстановление части скоростного напора.

Предложенная конструкция пистона обеспечивает:

1. защиту входного участка трубы от воздействия высокой температуры потока газа.

2. уменьшение или ликвидацию отрывных зон на входе и минимизацию входных потерь.

В работе приведены температурные поля трубной доски с термической защитой (рисунок 6) и показано, что температура стенки трубы и трубной доски совпадает с температурой воды. Между стенкой трубы, пистоном и зоной сварного шва предусмотрен зазор, благодаря которому не происходит теплопередача между элементами. Благодаря особой форме выходной части пистона, обладающего упругими свойствами, отсутствуют дополнительные механические напряжения, которые возникают в случае посадки пистонов с натягом.

Проточная часть трубчатого защитного элемента содержит входной участок в виде конфузора с плавным изменением диамет-

ра. Такое конструктивное исполнение входной части пистона значительно снижает срыв потока при входе газа в трубу. Выходной диффузорный участок обеспечивает восстановление потери давления потока газа, возникающей в цилиндрической средней части из-за разницы диаметров теплообменной трубы и защитного элемента.

Рисунок 6. Распределение температур в зоне крепления при применении пистонов и тепловой изоляции

Благодаря указанным конструктивным особенностям, защитный элемент оказывает минимальное аэродинамическое сопротивление (рисунок 7), которое, однако, следует учесть.

Проведенное моделирование с применением на поверхности трубной доски слоя теплоизоляционного материала с низким коэффициентом теплопроводности (к=0.135 Вт/м-К) показало, что на поверхности трубной доски температура снизилась на 14°С.

По результатам вычислительного эксперимента построены зависимости влияния наличия и отсутствия тепловой защиты (рисунок 8) и толщины тепловой изоляции трубной доски на ее термическое состояние. При наличии слоя теплоизоляции не только снижается максимальная температура в трубной доске, но и уменьшается температурный перепад между "горячей" и "холодной" сторонами.

—Без пистона —С ПИСТОНОМ

-0,02 10.04 -0.06 -С

ход гя»а, м

Рисунок 7. Статическое давление газа при входе в трубу

Так, наличие слоя тепловой изоляции толщиной 6Ю=10 мм приводит к снижению разности температур между «горячей» и «холодной» сторонами трубной доски в 2 раза. Расчет внутренних термических напряжений показывает, что они уменьшаются пропорционально этой величине, что также снижает вероятность возникновения трещин коррозионного, термического и термоусталостного характера.

Применение в термической защите одновременно слоя теплоизоляционного экрана и индивидуальных пистонов для каждой те-плообменной трубы позволило решить ряд проблем, которые возникали в других схожих вариантах решения проблемы снижения термической нагрузки на узлы соединения труб и трубных досок в зарубежных котлах.

Для изготовления пистонов рекомендуется использовать следующие геометрические параметры (рисунок 9):

Оп=(с1„- 1...2)мм;

8П=0,5...1 мм;

Т =<ч •

ц °тд>

I -и 8Т~Ь1,2—28тд;

Б,<А8/2.

относительная толщина доски толщиной 6мм, %

Рисунок 8. Зависимость температуры трубной доски от наличия слоя теплоизоляции

Рисунок 9. Геометрия и размеры защитных пистонов

В целом, индивидуальные пистоны для каждой теплообменной трубы не создают дополнительных механических нагрузок на трубную доску и трубы, плавный конфузорно-диффузорный канал пистонов способствует формированию безотрывного течения на входе в теплообменную трубу, чем способствует увеличению теплоотдачи и снижению тепловых нагрузок на узлы крепления труб. Конструкция пистонов позволяет надежно защищать трубную доску дополнительным теплоизолирующим слоем, толщина которого зависит от теплопроводности и температурного режима узла и мо-

жет составлять 2-10 мм. Наличие защитных пистонов пренебрежимо мало сказывается на газодинамическом сопротивлении трубного пучка.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Одним из главных факторов, способствующих развитию аварийных ситуаций с газотрубными котлами, является перегрев узлов крепления труб в трубных досках. Физическими причинами этих явлений могут быть: неправильный выбор геометрических размеров элементов узлов крепления в трубной доске, неправильный выбор типа крепления труб в трубной доске, нерасчетные режимы течения воды и горячих газов вблизи узла крепления труб и трубной доски, неправильный выбор материалов и др.

Устранить явление перегрева узлов крепления труб в трубных досках можно путем правильной организации течения горячего газа и нагреваемой воды; подбором таких геометрических характеристик узла, которые обеспечат на всех эксплуатационных режимах работы котла допустимые температуры, гарантирующие отсутствие сверхнормативного накипеобразования, термической деструкции металла, разупрочнения металла, развития коррозионных процессов и т.п.

2. Впервые создан комплекс математических моделей узла соединения труб и трубной доски и потоков теплоносителей с обоснованными допущениями и ограничениями, приближающими их характеристики к реальным физическим процессам.

3. Исследовано влияние толщины трубной доски и характеристик обтекания узлов крепления на их термическое состояние. Выявлено, что уменьшение толщины трубной доски способствует лучшему охлаждению узла крепления труб в трубной доске. При проектировании новых котлов следует учитывать параметры термического состояния узлов крепления труб.

4. Установлено негативное влияние неравномерного и неосевого натекания потока газа на трубную доску, приводящего к отрыву газового потока от одной из стенок и прижатию потока к противоположной стенке. В результате может образовываться локальная зона перегрева. Срыв потока снижает теплоотдачу на входном уча-

стае теплообменной трубы и приводит к снижению мощности и к.п.д. котла.

5. При ремонте газотрубных котлов методом глушения поврежденных труб также формируются наклонные течения, ухудшающие термическое состояние соседних труб и снижающие их эффективность. Данное явление может привести к ускоренному выходу из строя труб, соседних по отношению к заглушённой.

6. Результаты математического моделирования коррелируют-ся с данными практической эксплуатации газотрубных котлов и лабораторными исследованиями образцов, что подтверждает адекватность математических моделей и возможность их применения при создании новых надежных конструкций котлов.

7. На основании исследований разработан комплекс конструктивных мероприятий, направленных на термостабилизацию узлов крепления труб в трубных досках, предложен новый способ термической защиты узлов крепления, который может быть применен как при создании новых котлов, так и при модернизации и ремонте котлов, находящихся в эксплуатации на флоте.

8. Термическая защита на базе комплексного использования листового теплоизоляционного материала и разработанных аэродинамических пистонов позволяет нейтрализовать отрицательное влияние неравномерного и неосевого натекания потока газа на трубную доску.

9. Результаты исследования могут быть распространены на все типы газотрубных котлов, применяемых на судах отечественного флота.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Гайнов, А.А. Математическое моделирование термического состояния узла крепления трубок в трубной доске газотрубного котла. // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. №1(апрель). -2011.-С. 92-95.

Публикации в других изданиях

2. Гайнов, A.A. Ремонт газотрубного котла-утилизатора. // Сборник тезисов докладов XV нижегородской сессии молодых ученых (технические науки). - 2010.

3. Гайнов, A.A. Повышение надежности современных судовых газотрубных котлов. // Сборник трудов Международного про-мышленно-экономического форума "Великие реки-2010". Тезисы докладов. Н. Новгород: Изд-во НГАСУ., - 2010.

4. Гайнов, A.A. Ремонт поврежденного котла СЭУ. // Сборник трудов ВГАВТ. Астрахань: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010.-С. 29-33

5. Гайнов, A.A. Результаты моделирования теплонапряжен-ного состояния элементов газотрубного котла-утилизатора. // Вестник ВГАВТ. Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. - С. 160-163.

6. Гайнов, A.A., Валиулин С.Н. Узел защиты соединений дымогарных труб с трубной доской // Патент на полезную модель № 109267.

Формат 60><84 V]б- Гарншура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 88.

_ООО ЦОП «ДОКУМЕНТ»_

г. Нижний Новгород, ул. М. Ямская, 3 «Б»

ВВЕДЕНИЕ

1. Анализ состояния вопроса и постановка цели и задачи исследования

1.1 Основные характеристики и назначение судовых газотрубных котлов

1.2 Основные конструктивные особенности тепловых рабочих элементов газотрубных котлов речного флота

1.3 Анализ основных причин аварийности при эксплуатации судовых газотрубных котлов

1.4 Методы исследования состояния и повреждений элементов котлов

1.5 Анализ мероприятий по повышению надежности элементов газотрубных котлов

1.6 Выводы 40 2.2. Методика исследования течения теплоносителей и термического состояния узлов крепления труб в трубных досках

2.1 Компьютерное моделирование как метод исследования и этапы проведения математического эксперимента

2.2 Основные уравнения газовой динамики процессов течения в газотрубных котлах

2.3 Структура численного решения дифференциальных уравнений газовой динамики

2.4 Метод конечного объема для решения уравнений газовой динамики при моделировании течения теплоносителей в котлах

2.5 Компьютерные пакеты для численного решения задач газовой динамики

2.6 Выводы 65 3. Исследование состояния узлов крепления труб в трубных досках

3.1 Математическая модель термического состояния узлов крепления труб в трубных досках

3.2 Влияние толщины трубной доски на термическое состояние узлов крепления^

3.3 Влияние условий натекания газа на узлы крепления труб

3.4 Выводы 92 4. Исследование и разработка конструктивных мероприятий по защите узлов крепления труб

4.1 Математическое моделирование термической защиты узлов крепления труб в трубной доске

4.2 Разработка средств термической защиты

4.3 Практическое применение результатов исследования при производстве и ремонте судовых котлов

4.4 Выводы 106 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107 СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ 109 ПРИЛОЖЕНИЕ

Газотрубные котлы входят в состав судовых энергетических установок и являются одним из наиболее ответственных элементов жизнеобеспечения судов. Котельные установки с газотрубными котлами нашли широкое применение на всех типах судов благодаря ряду положительных свойств, в числе которых простота конструкции и технологичность, удобство компоновки, высокая степень автоматизации, низкие эксплуатационные затраты и др. [61, 26,5]

Надежность и ресурс судовых котельных установок во многом определяются рабочими характеристиками узлов соединения теплообменных труб и трубных досок [10,11,7].

Как показывает практика эксплуатации судов отечественного и зарубежного флота, основные проблемы, возникающие при работе газотрубных котлов, вызваны потерей герметичности этих элементов, что обусловлено рядом причин:

• ухудшение условий отвода теплоты из зоны крепления ввиду образования накипных и иных отложений;

• коррозионные разрушения узлов крепления труб;

• ухудшение теплоотдачи ввиду нарушения проектных параметров течения теплоносителей;

• наличие неравномерности течения газов по фронту трубной доски котла и др.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию и нейтрализации указанных отрицательных факторов, до настоящего времени исчерпывающего решения не найдено. Это подтверждается многочисленными фактами отказов и аварий, связанных с эксплуатацией газотрубных котлов [20, 22, 26, 43]. Важность решения задачи повышения надежности судовых газотрубных котлов особенно актуальна в связи с тем, что аварии котельных установок отражаются на надежности работы судовой энергетической установки и судна в целом.

Решение актуальной задачи по повышению надежности и ресурса элементов крепления труб в трубной доске позволит значительно увеличить надежность котлов данного типа и повысить безопасность эксплуатации судов речного и морского флота.

Целью работы является повышение надежности и ресурса газотрубных котлов путем разработки мер по снижению термической нагрузки в узлах крепления труб в трубных досках на базе вновь разработанных уточненных математических моделей, позволяющих учитывать режимные, конструктивные и иные факторы, влияющие на физические процессы в исследуемых объектах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать факторы, влияющие на надежность соединения труба - трубная доска.

2. Разработать математические модели течения газа и воды в районе узла крепления труб в трубной доске.

3. Разработать математические модели температурного состояния узла соединения трубы в трубной доске.

4. Исследовать процессы и определить закономерности изменения физических параметров в узлах крепления для выявления главных и второстепенных факторов и определения путей конструктивного совершенствования узлов крепления.

5. Провести математическое моделирование средств термической защиты.

6. Разработать конструктивные мероприятия, направленные на термостабилизацию узла крепления.

Объектом исследования являются судовые газотрубные котлы.

Предметом исследования являются термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках газотрубных котлов.

Методы исследования

Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых как М. И. Волский, А. А. Отс, Н.И. Денисенко, В.Г. Харченко, И. И. Костылев, A.C. Хряпченков и др.

Математическое моделирование и обработка результатов исследований проводились с использованием современных апробированных программных комплексов на базе вычислительного кластера ННГУ им. Лобачевского.

Лабораторные исследования образцов поврежденных котлов для определения причин отказов проведены с использованием микроструктурного анализа металлов на инструментальной базе лаборатории конструкционных материалов НГТУ им. P.E. Алексеева.

Научная новизна

1. Впервые разработан уточненный комплекс математических моделей узла соединения труб и трубной доски и потоков теплоносителей с обоснованными допущениями и ограничениями, приближающие их характеристики к реальным физическим процессам.

2. Установлено влияние геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов.

3. Выработаны рекомендации по подбору оптимальных геометрических параметров исследуемого узла с точки зрения обеспечения надежности.

4. Разработаны новые термозащитные элементы узлов газотрубных котлов и даны рекомендации по их проектированию и применению.

Практическая ценность

1. Установлены закономерности и причины повреждений котлов на основе анализа по разработанным методикам материалов по отказам котлов.

2. Разработаны математические модели, которые могут быть использованы в практике проектных организаций с целью создания новых эффективных конструкций котлов.

3. Предложены конкретные конструктивные мероприятия для термостабилизации узла крепления труб и технические решения защиты трубной доски от перегрева.

4. Выработаны рекомендации и конструктивные решения, которые могут быть распространены на все типы газотрубных котлов, применяемых на речном и морском флоте.

5. Результаты исследований внедрены в производственную практику предприятия ООО «Гидротермаль».

Достоверность

Результаты моделирования и исследования термического состояния узлов крепления труб подтверждены серией натурных эксплуатационных испытаний судовых котлов и данными лабораторных исследований образцов испытуемых котлов. При определении причин отказов использованы надежные апробированные методики анализа, в т.ч. микроструктурный анализ, хроматографический анализ и др. на инструментальной базе лабораторий НГТУ им. P.E. Алексеева, НИЛИМ, «САЛЮТ-22».

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследований; разработаны математические модели течения теплоносителей и термического состояния исследуемых узлов крепления труб; апробирована методика определения температурных полей в элементах судовых котлов; выполнена верификация расчетных методов анализа; обработаны и обобщены полученные результаты. Автор диссертации выражает благодарность за помощь, оказанную при проведении исследований и за консультации к.т.н. С.Н. Валиулину.

На защиту выносятся

• результаты моделирования температурного состояния узлов крепления труб в трубных досках;

• результаты исследования влияния геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов;

• мероприятия по защите узлов крепления труб в трубных досках от неблагоприятного воздействия высокой температуры.

Апробация работы

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Эксплуатации судовых энергетических установок» ВГАВТ, научной конференции XV «Нижегородская сессия молодых ученых» (2010 г.г.), международном форуме «Великие реки» (2009-2011 г.г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2009 - 2011 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, получен Патента на полезную модель № 109267.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 76 наименований и приложений. Работа изложена на 114 страницах основного текста, содержит 4 таблицы и 50 рисунков.

9. Результаты исследования могут быть распространены на все типы газотрубных котлов, применяемых на судах отечественного флота.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Одним из главных факторов, способствующих развитию аварийных ситуаций с газотрубными котлами, является перегрев узлов крепления труб в трубных досках. Физическими причинами этих явлений могут быть: неправильный выбор геометрических размеров элементов узлов крепления в трубной доске, неправильный выбор типа крепления труб в трубной доске, нерасчетные режимы течения воды и горячих газов вблизи узла крепления труб и трубной доски, неправильный выбор материалов и др.

Устранить явление перегрева узлов крепления труб в трубных досках можно путем правильной организации течения горячего газа и нагреваемой воды; подбором таких геометрических характеристик узла, которые обеспечат на всех эксплуатационных режимах работы котла допустимые температуры, гарантирующие отсутствие сверхнормативного накипеобразования, термической деструкции металла, разупрочнения металла, развития коррозионных процессов и т.п.

2. Впервые создан комплекс математических моделей узла соединения труб и трубной доски и потоков теплоносителей с обоснованными допущениями и ограничениями, приближающими их характеристики к реальным физическим процессам.

3. Исследовано влияние толщины трубной доски и характеристик обтекания узлов крепления на их термическое состояние. Выявлено, что уменьшение толщины трубной доски способствует лучшему охлаждению узла крепления труб в трубной доске. При проектировании новых котлов следует учитывать параметры термического состояния узлов крепления труб.

4. Установлено негативное влияние неравномерного и неосевого натека-ния потока газа на трубную доску, приводящего к отрыву газового потока от одной из стенок и прижатию потока к противоположной стенке. В результате может образовываться локальная зона перегрева. Срыв потока снижает теплоотдачу на входном участке теплообменной трубы и приводит к снижению мощности и к.п.д. котла.

5. При ремонте газотрубных котлов методом глушения поврежденных труб также формируются наклонные течения, ухудшающие термическое состояние соседних труб и снижающие их эффективность. Данное явление может привести к ускоренному выходу из строя труб, соседних по отношению к заглушённой.

6. Результаты математического моделирования коррелируются с данными практической эксплуатации газотрубных котлов и лабораторными исследованиями образцов, что подтверждает адекватность математических моделей и возможность их применения при создании новых надежных конструкций котлов.

7. На основании исследований разработан комплекс конструктивных мероприятий, направленных на термостабилизацию узлов крепления труб в трубных досках, предложен новый способ термической защиты узлов крепления, который может быть применен как при создании новых котлов, так и при модернизации и ремонте котлов, находящихся в эксплуатации на флоте.

8. Термическая защита на базе комплексного использования листового теплоизоляционного материала и разработанных аэродинамических пистонов позволяет нейтрализовать отрицательное влияние неравномерного и неосевого натекания потока газа на трубную доску.

1. Акользин П.А. Предупреждение коррозии металла паровых котлов. М.: Энергия, 1975.

2. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность элементов паровых котлов. -М.: Энергия, 1969.

3. Антикайн П.А., Зыков А.К. Эксплуатация объектов котлонадзора. Справочник. 1996.

4. Артемов Г.А. Судовые энергетические установки. -Л.: Судостроение, 1987, 480 с.

5. Артемов Г.А., Волошин В.П. Системы судовых энергетических установок. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Судостроение, 1990. — 376 с.

6. Баранов В.В., Васильев А.И., Сударева Е.А. Судовые котельные работы: Учебное пособие, 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Судостроение, 1989, 240 с.

7. Баранов П.А. Предупреждение аварий паровых котлов. М.: Энергоатом-издат, 1991.-272 с.

8. Вагнер В.Ю. Паровые котлы, машины и турбины иллюстрированный технический словарь на шести языках / издание К.Л.Риккера, СпБ, 1908г. -1322 с.

9. Волков Д.И. Судовые паровые котлы. -Л., Судостроение, 1988. 136 с.

10. Волский М.И. Исследование повреждений котлов системы Гоуден-Джонсон : Горьк. науч.-исслед.лабор.испытания материалов // Речной транспорт. 1961. 230 с.

11. Волский М.И. Температурные напряжения как основная причина поломки машин и сооружений. Материалы XVIII науч.-техн. Конф. проф.-преп. Состава 1974-75 уч.г. / ГИИВТ. Ч. 2 - с. 13 8-139.

12. Гайнов A.A. Ремонт поврежденного котла СЭУ.// Сборник трудов ВГАВТ. Астрахань: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. С. 29-33.

13. Гайнов A.A., Валиулин С.Н. Узел защиты соединений дымогарных труб с трубной доской / Заявка на полезную модель № 201110776.

14. Гайнов, A.A. Повышение надежности современных судовых газотрубных котлов. // Сборник трудов Международного промышленно-экономического форума "Великие реки-2010". Тезисы докладов. Н. Новгород: Изд-во НГАСУ., 2010.

15. Гайнов, A.A. Результаты моделирования теплонапряженного состояния элементов газотрубного котла-утилизатора. // Вестник ВГАВТ. Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. С. 160-163.

16. Гайнов, A.A., Валиулин С.Н. Узел защиты соединений дымогарных труб с трубной доской // Патент на полезную модель № 109267.

17. Гиззатуллин A.A., Ризванов Р.Г., Хабирова Г.Ф. Численное моделирование процесса развальцовки трубы в трубной решетке теплообменника // Нефтегазовое дело. Электронный научный журнал. Выпуск 2/2006 (второе полугодие 2006 г.)

18. Денисенко Н.И. Пароперегреватели судовых паровых котлов. Д., Судостроение, 1970. 183 с.

19. Денисенко Н.И., Костылев И.И. Идентификация повреждений элементов судовых котельных установок. Учебно-справочное пособие. СПб.: Эл-мор, 2007. - 152 с, илл.

20. Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки / Учебник для ВУЗов. СПб.: Элмор, 2005.

21. Денисенко Н.И., Харченко В.Г. Безопасность и надежность судовых котлов. -М.: Транспорт, 1978.

22. Должанский П.Р. Контроль надежности металла объектов котлонадзора / Справочное пособие. -М.: Недра, 1985.

23. Енин В.И., Денисенко Д.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: Учеб. для ВУЗов. М.: Транспорт, 1993. 216 с.

24. Енин В.И., Денисенко Н.И., Лосев B.C. Надежность вспомогательных котлов сухогрузных судов // Экспресс-информ, серия «Техническая эксплуатация флота». Вып. 15(583). -М., 1983.

25. Зелепухин В.М. Судовые вспомогательные паровые котлы. Проверочные расчеты. Новороссийск.: МГА им. адм. Ушакова, 2009, 92 с.

26. Иванов В.Д. Смирнов Ю.А. Эксплуатация котельных установок дизельных судов. -М.: Тренспорт, 1971.

27. Ильин А.К. Паровые котлы промысловых судов. М. Пищевая промышленность, 1975, 232 с.

28. Корнилов Э.В. Вспомогательные и утилизационные котлы морских судов. Одесса.: Феникс, 2004, 172 с.

29. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа М., Наука, 1973.

30. Лукьянов В.Б., Бердоносов С.С., Богатырев И.О., Заборенко К.Б., Иофа Б.З. Радиоактивные индикаторы в химии. М.: Высшая школа, 1977. - 280 с.

31. Мейкляр М.В. Как работает металл парового котла. М.-Л., Госэнергоиз-дат, 1961.

32. Милтон Д.Х., Лич P.M. Судовые паровые котлы. Пер. с англ. М.: Транспорт, 1985.-295 с.

33. Нартов И.М., Мартышевский В.И. Повышение надежности вспомогательных судовых паровых котлов. «Рыбное хозяйство», 1973, №12, с. 27-29.

34. Орехов И.Г. Аварии судовых котельных установок. М.: Транспорт, 1970. 136 с.

35. Отс A.A. Коррозия и износ поверхностей нагрева котлов. М.: Энерго-атомиздат, 1987. - 272 с.38