автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Совершенствование конструкций футеровок нагревательных печей

Введение.

1 Анализ видов и конструкций футеровок печей нефтепереработки и нефтехимии.

1.1 Конструкции печей нефтепереработки и нефтехимии.

1.2 Роль тепловой изоляции.

1.3 Футеровочные материалы.

1.4 Анализ условий эксплуатации футеровочных материалов в печах нефтепереработки и нефтехимии.

1.5 Анализ частоты отказов, основных видов футеровочных материалов.

1.6 Сравнительный анализ объемов ремонтных работ и экономических затрат на их проведение, для различных типов футеровочных материалов.

1.7 Анализ адгезии материала футеровки к несущей металлоконструкции и роли армирования.

Выводы.

Цель и основные задачи диссертации.

2 Методика исследований.

2.1 Методы для исследования основных свойств жаростойких бетонов.

2.2 Установки для исследования основных свойств жаростойких бетонов.

Выводы.

3 Исследования влияния состава бетона на его основные физико-механические и теплотехнические свойства.

3.1 Исследования влияния массового соотношения заполнителей на основные физико-механические и теплотехнические свойства бетона.

3.1.1 Исследования прочности.

3.1.2 Исследования коэффициента теплопроводности

3.1.3 Исследования линейного термического расширения.

3.1.4 Исследования водопоглощения.

3.2 Исследования влияния расхода цемента на 1 м3 бетонной смеси на основные свойства бетонных изделии.

3.2.1 Исследования прочности.

3.2.2 Исследования коэффициента теплопроводности

3.2.3 Исследования линейного термического расширения.

3.2.4 Исследования водопоглощения.

Выводы.

4 Исследование влияния конфигурации анкерных устройств и способа их закрепления к несущей металлоконструкции на несущую способность футеровки.

4.1 Исследование влияния конфигурации анкерных устройств на несущую способность футеровки.

4.2. Исследования влияния способа закрепления анкерных устройств на несущую способность. ^

Выводы.

5 Разработка методов подбора состава и армирования монолитной футеровки нагревательной печи.

5.1 Разработка методики формирования компонентного состава бетонной смеси.

Трубчатые печи предприятий нефтепереработки и нефтехимии являются одним из основных видов оборудования установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов.

Трубчатые печи предназначены для нагрева углеводородного сырья и проведения реакционных процессов. Нагрев углеводородного сырья в трубчатых печах осуществляется путем передачи тепла от сгорания углеводородного топлива при радиантном и конвективном теплообмене.

Эффективность работы печных агрегатов заключается в способности всех основных элементов печи (трубчатый змеевик, футеровка, горелочные устройства и т.д.) выполнять свои функции.

Основной функцией футеровки трубчатой печи является изоляция зоны передачи тепла нагреваемой среде и снижение тепловых потерь. Футеровка печи обеспечивает также изоляцию несущего металлокаркаса печи от тепловых нагрузок. Неспособность футеровки выполнять свои функции ведет к увеличению теплопотерь и повышению затрат на энергоресурсы, что снижает эффективность технологических процессов в целом и приводит к возрастанию теплового воздействия на несущие элементы, что также может снизить "работоспособность печи.

Многолетний опыт эксплуатации трубчатых печей показывает, что применение различных типов футеровочных материалов должно осуществляться с учетом особенностей технологического процесса, в котором используется данная печь. При выборе футеровочного материала необходимо учесть также физико-механические и теплотехнические

• б свойства материалов, их ремонтопригодность и экономические показатели.

До недавнего времени в качестве футеровочных материалов трубчатых печей нефтепереработки и нефтехимии применялись главным образом штучные огнеупоры, использование которых выявило ряд недостатков, к которым следует отнести высокие тепловые потери через швы, высокий удельный вес, высокие трудозатраты и стоимость строительных и ремонтных работ, а также высокую квалификацию ремонтного персонала.

Использование легковесных жаропрочных, монолитных бетонных конструкций позволяет устранить эти недостатки за счет использования более габаритных элементов и применения индустриальных методов изготовления футеровок.

Научно-исследовательские работы в области разработки футеровочных материалов, конструкций футеровочных элементов способных отвечать современным требованиям по теплотехническим, физико-механическим и экономическим показателям (низкая себестоимость, использование местных материалов) резко сокращено, что создает серьёзные проблемы в области изготовления и ремонта трубчатых печей.

Данная работа посвящена совершенствованию конструкций трубчатых печей, главным образом нагревательных, разработке способов армирования и способов подбора состава материала футеровок.

Основные направления исследований выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан (АНРБ) "Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии'' по направлению 6.2 "Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе" на 1996-2000'годы, утвержденной постановлением Кабинета Министров РБ № 204 от 26.06.96, а также по Федеральной целевой программе "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы (ФЦП "Интеграция") по государственному контракту № 28 "Создание совместного учебно-научного центра "Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа".

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов, содержит 140 страниц машинописного текста, в том числе 32 рисунка, 8 таблиц, список использованных источников из 71 наименования, приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1) Разработан подход к конструированию элементов фу-теровок нагревательных печей из керамзито-вермикулитового жаростойкого бетона, отвечающих условиям эксплуатации, что позволяет обеспечить требуемую работоспособность и ведет к снижению материальных затрат на их изготовление, эксплуатацию и ремонт;

2) Комплексный анализ показал, что основными свойствами керамзито-вермикулитового жаростойкого бетона, как материала футеровки нагревательной печи являются: прочность, теплопроводность, линейное термическое расширение, водопоглощение и удельный вес;

3) Обнаружен и объяснен эффект потери прочности ке-рамзит-вермикулитового жаростойкого бетона при увеличении массовой доли вспученного вермикулита в бетонной сме си;

4) Выявлено оптимальное массовое соотношение заполнителей (керамзит/вермикулит) 2:1 которое обеспечивает наилучшее сочетание физико-механических и теплоизоляционных свойств жаростойкого бетона, как материала монолитной футеровки нагревательной печи;

5) Выявлено влияние расхода цемента на 1 м3 бетонной смеси, которое позволяет обеспечивать механическую прочность и теплоизоляционные свойства футеровки в различных условиях эксплуатации, с учетом конструктивных особенностей печи;

6) На основе анализа и результатов проведенных исследований определена геометрическая форма пластинчатого фиксатора анкерного устройства типа стержень-пластина в виде треугольника, которая обеспечивает максимальную прочность армированных элементов конструкций монолитных футеровок нагревательных печей при применении анкеров данного типа;

7) На основе теоретической и эксперементальной оценки напряженного состояния в армированных бетонных футеровках разработана новая конструкция подвижного способа закрепления анкерного устройства типа "стержень пластина", позволяющая повысить несущую способность футеровки нагревательной печи на 18-20%;

8) Разработаны методики подбора компанентного состава бетонной смеси и расчета конструктивных размеров анкерных устройств, которые позволяют обеспечить максимальную механическую прочность при наилучших теплоизоляционных свойствах, с учетом режимов эксплуатации различных элементов футеровок нагревательных печей;

9) Методики подбора компанентного состава бетонной смеси и расчета конструктивных размеров анкерных устройств используются в учебном процессе при чтении лекций по курсу "Машины и аппараты химических производств" для студентов III курса специальности 17.05.00 "Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов", а также рекомендованы к использованию на ОАО "Башнефтехим".

1. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.-М.: Химия, 1987.- 304 с.

2. Огнеупорные бетоны: Справочник/С.Р. Замятин, А.К. Пургин, Л.Б. Хорошавин и др.- М. : Металлургия, 1982.192 с.

3. Стрелов К.К., Кащеев И.Д., Мамыкин П.С. Технология огеупоров.- 4-е изд.- М.: Металлургия, 1988.528 с.

4. Кац С.М. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы.- М.: Металлургия.- 232 с.

5. Кайнарский И.О. Процессы технологии огнеупоров.-М.: Металлургия, 1969.- М.: Металлургия, 1969.- 352 с.

6. Краснов В. И. и др. Ремонт трубчатых печей (по опыту специализированного ремонтно-строительного треста "Башнефтехимремстрой") .- М. : ЦНИИТЭНефтехим, 2983.- 32 с.

7. Сооружение промышленных печей. Справочник Монтажника.- М.: Стройиздат, 197 8.- 413 с.

8. Шахов И.И. Технико-экономическая эффективность новых конструкций//Тезисы докладов всесоюзного совещания.- М.: 1981.- С. 4-9.

9. Салимов С.Ф. и др. Опыт ремонта трубчатых подогревателей с футеровками из волокнистых огнеупорных материалов //Тезисы докладов всесоюзного совещания.- М.: 1981.- С. 84-85.

10. Шахов И.И., Гранник В.Г. Теплоограждение печей нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностииз волокнистых огнеупоров//Тезисы докладов всесоюзного совещания.- М.: 1981.- С. 52-54.

11. Котишек Я.М. Трубчатые печи в химической промышленности.- Л.: Химия, 1963.- 147 с.

12. Жужи С.И. Огнеупоры и футеровки.- М.: Металлургия, 197 6.- 416 с.

13. Исламов М.Ш. Проектирование и эксплуатация промышленных печей.- Л.: Химия, 1986.- 280 с.

14. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств.- М. : Машиностроение, 1984.- 232 с.

15. Адельсон С.В. Технологический расчет и конструктивное оформление нефтезаводских печей.- М.: Гостоптехиздат, 1952.- 239 с.

16. Бахшиян Ц.А. Трубчатые печи.- М: Химия, 19 69.312 с.

17. Менделеев В.Я. и др. Монтаж сборных конструкций промышленных печей из жаростойкого бетона и железобетона.- М.: Стройиздат, 1985.- 163 с.

18. Некрасов К.Д. Состояние и перспективы развития научных исследований и применения жаростойких бетонов//Сб. тр. НИИЖБ.- М.: Стройиздат, 1981.- С.6-11.

19. Некрасов К.Д., Тарасова А.П. Жаростойкий бетон на портландцементе.- М.: Стройиздат, 1969,- 191 с.

20. Семченко Г.Д., Загоскин В.Т. Производство и применение огнеупорных бетонов в тепловых агрегатах металлургического производства.- Свердловск, Кн. изд-во, 1977.- С.30-33.

21. Скобло А.И., Трегубова И. А. и др. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и химической промышленности.- М.: Химия, 1982.-584 с.

22. Круглов Н.К.Ямпольский, A.C., Баранова Т.Ф. и др.//Огнеупоры.- 1980,- №7., С.12-13.

23. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов.- М.: Недра, 1986.- 354 с.

24. ГОСТ 12865 Вермикулит вспученный.

25. ГОСТ 6137 Материалы алюмосиликатные. Технические условия.

26. ГОСТ 4 071 Изделия огнеупорные. Метод определения предела прочности при сжатии.

27. ГОСТ 2055 Метод определения адгезии бетона.

28. Полак А.Ф., Бабков В.В., Андреева В.П. Твердение минеральных вяжущих веществ.- Уфа: Башкирское книжное издательство, 1990.- 217 с.

29. Огнеупорные изделия, материалы и сырьё. Справочник под ред. А.К. Карклита. М. : Металлургия, 1991.- 416 с.

30. Немец И.И., Трубицын М.А.// Огнеупоры.-1987.-№3. С.19-24.

31. Немец И. И., Бельмаз Н.С., Семыкина JI.H.// Огнеупоры.-1991.-№6. С.7-11.

32. Гогоци Г.А., Завада В.П., Кутняк В.В., Островой Д.Ю.// Проблемы прочности.-1988.-№4. С.114-117.

33. Лавренко В.А., Гогоци Г. А. Коррозия конструкционной керамики.- М.: Металлургия, 1989.- 199 с.

34. Гаенко Н.С., Мельникова Г.Г., Брагина Т.М., Казаков C.B.// Огнеупоры.-1989.-№4. С.32-38.

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

36. Пивинский Ю.Е., Трубицын М.А.// Огнеупоры.1990.-№12. С.1-8.

37. Дергапуцкая JI.A., Серова JI.B.// Огнеупоры.-1990.-№12. С.8-11.

38. Шпирько Н.В., Чумак Л.И. 35.// Огнеупоры.-1990.-№12. С.15-17.

39. Герцык Н.Б., Малютин А.А., Стрекотин В.В., Телегин А.С. // Огнеупоры.-1990.-№12. С.23-27.

40. Чусовитина Т.В., Малышкин Ю.К., Беклемешева Л.С.// Огнеупоры.-1990.-№12. С.4 6-48.

41. Польшиков Ю.А., Мавлютин М.А. .// Огнеупоры.-1993.-№5. С.23-28.

42. Завада В.П., Кутняк В.В.,// Огнеупоры.-1993.-№8. С.11-14.

43. Гаенко Н.С., Брагина Т.М. .,// Огнеупоры.-1995.-№8. С.10-13.

44. Wibel Guido // Cim., betones, plâtres, chaux.-1987.-№4. P. 217-220.

45. Nandi R.D. // Cim., betones, plâtres, chaux.-1993.-№6. P. 200-207.

46. Havranek P.M. // Cim., betones, plâtres, chaux.1995.-№3. P. 217-220.

47. Olsen E.T. // Cim., betones, plâtres, chaux.1996.-№1. P. 124-128.

48. Grin R., Baurt G.// Cim., betones, plâtres, chaux.-1987 .-№3., P. 111-115.

49. А. с. № 479861 МКИ Е 04С 5/12. Анкер для закрепления арматуры.- Бюлл. Изобр. № 18, 1976.

50. Бондаренко В.М., Бондаренко C.B. Инженерные методы нелинейной теории железобетона.- М. : Химия, 1982.- 162 с.

51. Зайцев Ю.В. Строительные конструкции, заводского изготовления.- М.: Химия, 1987.- 264 с.

52. Зайцев Ю.В., Миронков Б. А. Армоцементные конструкци.- М.: Химия, 1989.- 192 с.

53. Злочевский А. Б. Экспериментальные методы в строительной механике.- М.: Химия, 1983.- 167 с.

54. Злочевский А.Б. Коррозия бетона и железобетона. Справочник под ред. В.М. Москвина.- М. : Химия, 198 0 .187 с.

55. Пересыпкин Е.П. Расчет стержневых железобетонных элементов.- М.: Химия, 1988.- 246 с.

56. Трапезников Л.П. Температурная трещиностойкость массивных бетонных сооружений.- М.: Химия, 1986.- 226 с.

57. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей.-М.: Высшая школа, 1991.- 289 с.

58. Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионно-стойкие материалы.- М. : Машиностроение, 1967.- 468 с.

59. Лессиг Е.Н., Лильеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции.- М. : Издательство литературы по строительству, 1970.- 487 с.

60. Кузьмак Е.М. Основы технологии аппаратостроения.- М.: Недра, 1967.- 468 с.

61. Вихман Г.Л., Круглов С.А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов.- М. : Машиностроение, 1978.- 327 с.

62. А.с. № 1491882 МКИ СКЮ 9/20. Вертикальная трубчатая печь/И.Г. Ибрагимов, Е.А. Филимонов, И.Р. Кузеев, М.И. Баязитов и др.- Бюлл.Изобр. №25, 198 9.

63. Тимохин А.Д., Хуснияров М.Х. К вопросу о Футеровках нагревательных печей. Тезисы докладов межотраслевого совещания Проблемы и перспективы развития АО "УНПЗ", Уфа 1995.- С.52-53.

64. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. Футеровки нагревательных печей. Материалы Всероссийская научно-техническая конференция Проблемы нефтегазового комплекса России. Уфа 1995.- С.190., Доклад по теме.

65. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. Долговечность футеровки печи. II Всероссийская научно-техническая конференция Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность, Уфа 1996 .- С. 97-98.

66. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. Влияние массового соотношения заполнителей на работу футеровки печи. II Всероссийская научно-техническая конференция Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность, Уфа 1996.-С.90-91.

67. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. Современные футеровочные материалы. Материалы ХХХХУН-й конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа 19 96. т.1, С.156-157.

68. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. О долговечность футеровки печи. Марушкинские чтения, Уфа, УГНТУ, 199 6 . -С. 97-98.119

69. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. К вопросу о составе монолитной футеровки нагревательной печи. Материалы ХХХХУШ-й конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа 1997, С. 189-190.

70. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. К вопросу о повышении прочности материала футеровок печей нефтепереработки и нефтехимии. Механика деформируемых тел и конструкций. Межвузовский научный сборник. Уфа, УГАТУ, 1998 С. 54-62.

71. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. Повышение прочности материала монолитных футеровок печей нефтепереработки и нефтехимии. Десять лет эксперимента на кафедре МАХП, сборник тезисов и научных статей, Уфа, УГНТУ, 1997.-С.83-84

72. Тимохин А.Л., Хуснияров М.Х. К вопросу о повышении прочности материала футеровок печей нефтепереработки и нефтехимии. Нефть и газ, №3, 1998 С. 74-76.

73. Расчет потолочного модуля типовой двускатной нагревательной печи шатрового типа.1. Выбор расчетной схемы.

74. Рисунок 2 Расчетная схема панели.

75. Крепление панелей в верхней части шарнирное, а в нижней части свободное с фиксирующим элементом. Таким образом, расчетная схема панели имеет вид в соответствии с рис.2.зово )ч