автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование метода расчета змеевика печи пиролиза с учетом локальных концентраторов напряжений

На правах рукописи

СИМАРЧУК АННА СЕРГЕЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ЗМЕЕВИКА ПЕЧИ ПИРОЛИЗА С УЧЕТОМ ЛОКАЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы» (Машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2004

Работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических производств" Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Защита состоится "25" мая 2004 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 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 "¿О" апреля 2004 года. Ученый секретарь

Научный руководитель кандидат технических наук

Чиркова Алена Геннадиевна. Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Ризванов Риф Гарифович;

кандидат технических наук, доцент Лукащук Юрий Валентинович.

Ведущая организация Самарский государственный

технический университет.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В настоящее время обеспечение безопасности эксплуатации труб печей пиролиза основано на применении средств технической диагностики, которые позволяют с достаточной точностью определять расположение, тип и размеры повреждения стенок. Вопросы, связанные с определением реальной опасности выявленных дефектов и предельными сроками их устранения, пока разработаны не в полной мере.

Для экспертизы привлекаются высококвалифицированные специалисты, проводящие, как правило, субъективную оценку на основе своего значительного производственного опыта.

В этой связи актуальным становится создание обобщенной методики оценки опасности таких концентраторов напряжений, как отложение кокса на внутренней поверхности и появление ремонтных сварных соединений, так как в основном эти причины приводят к выходу из строя змеевиков, которые являются наиболее ответственной частью печи.

Анализ различных типов дефектов и всего многообразия соответствующих им расчетных схем, показал, что получить приемлемо точную оценку напряженно-деформированного состояния в зоне локальных концентраторов напряжений различных типов при общей постановке задачи можно только с использованием численного метода расчета. Был выбран метод конечных элементов как один из наиболее общих методов решения инженерных задач.

Многократные расчеты показали устойчивость работы алгоритмов метода -конечных элементов при анализе напряженно-деформированного состояния с учетом реальных упругопластических свойств материала.

Поэтому следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной практики исследование, посвященное анализу напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек с такими концентраторами напряжений, как локальное отложение кокса и наличие ремонтных свар-

ных соединений, позволяющее оценивать несущую способность таких оболочек.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Совершенствование метода расчета змеевика печи пиролиза с учетом локальных концентратов напряжений в условиях пиролиза.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 Проведение микроструктурных и рентгеноструктурных исследований для изучения механизмов появления локальных дефектов в змеевиках печей пиролиза.

2 Изучение влияния ползучести на накопление остаточной деформации в змеевике печи.

3 Изучение влияния толщины кокса на напряженно-деформированное состояние змеевика печи..

4 Изучение влияния ремонтных сварных. соединений на напряженно-деформированное состояние змеевика печи пиролиза.

5 Создание методики оптимизации конструкции змеевика в процессе ремонта с учетом реальных условий работы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1 Сформулирована и решена методом конечных элементов задача по оценке напряженно-деформированного состояния трубчатого змеевика печи пиролиза углеводородов нефти с учетом локальных концентраторов напряжений в реальных условиях работы. Показано, что на границах зоны отложения кокса толщиной 1 мм коэффициент концентрации напряжений варьируется в пределах 2-5-3,2 и возрастает с увеличением толщины кокса.

2 Определены опасные расстояния от ремонтного сварного соединения в змеевике трубы печи пиролиза.до двойника. Показано, что на расстоянии

длины трубы от двойника сварной шов ведет себя как пластический шарнир, вэтой зоне возможно появление значительных пластических деформа-

ций, которые могут привести к потере устойчивости труб змеевика печи, и на расстоянии 0,15 длины трубы от двойника наблюдаются максимальные деформации.

3 Установлено, что причиной местной потери устойчивости формы змеевика в виде сферообразной выпуклости является локальное отложение кокса на внутренней поверхности трубы, вызывающее местный перегрев и диффузию углерода в металл, образование карбидов никеля, выпадение с

дальнейшим ее распадом на Бе и Сг. Вследствие этого происходит изменение структуры металла и напряженно-деформированного состояния в данной зоне, приводящее к локальному изменению геометрии трубы, которое может стать причиной разрушения змеевика.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Разработанные в результате комплексных, исследований труб змеевика печей пиролиза при участии аспиранта кафедры «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета Симарчук А.С. рекомендации по отбраковке участков-трубчатого змеевика печей пиролиза с наличием локальных дефектов геометрии.сфериче-ского типа во избежание развития трещин, и как следствие, разрушения змеевика переданы в ОАО «Уфаоргсинтез».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на 52-й, 53-й, 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в 2001,2002,2003 годах.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 публикациях, в том числе 7 статьях, 6 тезисах докладов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 88 наименований, содержит 116 с. машинописного текста, включая 43 рисунка и 4 таблицы.

КРАТКОЕ 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.

В первой главе приведены сведения о процессе пиролиза углеводородов, применение которого связано с подготовкой сырья для получения пластических масс типа полиэтилена. Показано, что процесс протекает в жестких температурных условиях, когда температура сырья достигает в зависимости от состава 640 - 850 °С.

Пиролиз осуществляется в специальных печных агрегатах змеевикового типа с вертикальным или горизонтальным расположением змеевика. Показано, что отказы имеют место во всех элементах печного агрегата. Наиболее опасным отказом является повреждение труб с образованием трещин, что приводит к разгерметизации змеевика.

При пиролизе углеводородов происходят процессы рекомбинации углеводородов и их поликонденсации, которые приводят к образованию кокса, отлагающегося на внутренней поверхности труб. В связи с этим змеевик претерпевает дополнительные температурные нагрузки, что, как показывают исследования Чирковой А.Г., может привести к существенным повреждениям труб. Однако теоретическим и экспериментальным исследованиям подвергалась гладкая часть труб в отдельности, а змеевик как цельная конструкция не рассматривался.

Змеевики пиролизных печей обычно изготавливаются из высоколегированных сталей аустенитного класса типа 20Х23Н18, свойства которых исследованы достаточно хорошо. Вместе с тем, поведению таких сталей в условиях процесса пиролиза, имеющего ряд специфических особенностей, уделено недостаточное внимание.

На основании обзора литературных данных сформулированы цель и задачи исследований.

вторая глава посвящена анализу объектов и методов исследования. Объектом для исследований является горизонтальный змеевик одной из печей пиролиза углеводородов, в котором при ревизии были обнаружены локальные дефекты геометрии и локальная потеря устойчивости формы на некоторых трубах, которые показаны на рисунке 1.

Анализ работы змеевика показал, что чаще всего выходят из строя первые и последние трубы, что объясняется особенностями технологического режима процесса.

Для изучения природы возникновения локальных дефектов из змеевика были вырезаны опытные образцы.

При проведении микроструктурного анализа использовали способ электрохимического полирования, время которого для, каждой наработки металла определяли опытным путем.

Исследование и съемку микроструктуры осуществляли на базе оптического микроскопа "Ахюуей-ЮОА" (Германия) и микроскопа «№орЬо1-32» при увеличениях х200 и х1700.

Микротвердость вторичных фаз определяли, используя микротвердомер ПМТ-3.

Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-ЗМ. Рентгеноструктурное определение остаточных напряжений производилось методом двух угловых съемок.

Для анализа напряженно-деформированного состояния змеевика печи использовали метод конечных элементов (МКЭ), который реализовывался в про

б (1=4872 ч)

а (т=2256 ч)

Рисунок 1 - Локальные дефекты змеевика печи пиролиза

граммном комплексе (ПК) ANSYS. Существующие методики оценки напряженно-деформированного состояния змеевика позволяют оценить только среднее значение, поэтому задача осуществлялась с использованием МКЭ.

В третьей главе представлены результаты металлографических исследований дефектных участков змеевика печи.

Анализ результатов металлографических исследований показывает, что в зоне локальных дефектов металл представляет собой квазимногослойную оболочку (рисунок 2), каждый слой которой имеет свою структуру.

а) схема исследуемого образца; б) макросъемка дефектного участка Рисунок 2 - Исследуемый образец

В нижнем слое образца (слой 1) имеет место газовая коррозия в виде окислов. Во втором слое также наблюдается газовая коррозия, выпадение а-фазы по границам зерен в виде иголок. В третьем слое наблюдается течение металла.

По толщине стенки трубы в дефектной области была замерена микротвердость. Точки замера микротвердости приведены на рисунке 3. Результаты замеров показали значительное упрочнение материала трубы в зоне локального дефекта. В основном металле значение микротвердости составляет в среднем 140 кг/мм2, что примерно в 6 раз ниже чем в дефектной области, где среднее значение микротвердости составляет 603 кг/мм2. Также в дефектной области наблюдается значительный разброс значений микротвердости: от 240 до 1050 кг/мм2 (рисунок 3).

Рисунок 3 - Точки замера микротвердости

Для более детального исследования локальных дефектов и выявления причин их появления был проведен рентгенофазный анализ, который позволил установить, что непосредственно в зоне локальных дефектов происходит обеднение металла никелем за счет образования карбидов

Появление данного соединения возможно за счет диффузии углерода из кокса, отложившегося на внутренней поверхности трубы.

Никель является одним из основных легирующих элементов рассматриваемой стали 20Х23Н18, он определяет устойчивость аустенита, поэтому при недостатке никеля возможно снижение жаропрочности материала.

Также в дефектной области наблюдается интенсивное образование -железа Повышенное содержание -фазы в аустенитной нержавеющей стали снижает ее пластичность при горячей деформации, повышая тем самым воз-

возможность хрупкого разрушения» Кроме того, в дефектной области наблюдается появление магнитных свойств.

Рентгеноструктурным методом были определены действующие напряжения непосредственно в зоне дефекта. Результаты показали что в области локальных дефектов действуют растягивающие напряжения, это косвенно подтверждает наличие в металле а-железа.

Таким образом, показано, что при насыщении металла углеродом, диффундирующим с внутренней поверхности печной трубы, вследствие локального отложения кокса, образование карбидов никеля, выпадение о-фазы с дальнейшим ее распадом на Fe и Сг. Вследствие этого происходит изменение структуры металла и напряженно-деформированного состояния в данной зоне, приводящее к локальному изменению геометрии трубы, которое может стать причиной разрушения змеевика.

Четвертая глава посвящена оценке напряженно-деформированного состояния змеевика печи.

Исследования проводились на оболочках из высоколегированной ау-стенитной стали 20Х23Н18 (модуль упругости материала Ем=2-Ю5 МПа , коэффициент Пуассона Ц=0,3, плотность материала р=7850 КгДс3, коэффициент температурного расширения а=1,73'10'51/°С, коэффициент теплопроводности

Расчетная схема змеевика приведена на рисунке 4. Данные исследования показывают, что результаты анализа напряженно-деформированного состояния цилиндрических обечаек с отложением кокса, полученные с использованием программного комплекса ANSYS, хорошо согласуются с результатами экспериментальных наблюдений. Численные эксперименты иллюстрируют не только хорошую сходимость найденных значений напряжений, но и качественное совпадение картины деформирования оболочек.

Рисунок 4 - Расчетная схема змеевика радиантной камеры печи пиролиза

Первоначально решалась задача упругопластического деформирования змеевика печи как цельной конструкции, работающей в условиях пиролиза.

Упругопластические свойства задавались, исходя из экспериментальных данных, полученных для данного материала. Для простоты расчетов рассматривалось билинейное кинематическое упрочнение.

В процессе работы змеевиков печей пиролиза температура труб змеевика возрастает от первой к последней трубе.

На рисунке 5 показано распределение эквивалентных напряжений по трубам змеевика печи с момента выхода на режим работы. Как видно из рисунка 5, последние 7 труб работают в условиях пластических деформаций. Полученные данные хорошо согласуются с результатами экспериментальных наблюдений. Как показывает практика, последние трубы гораздо чаще выходят из строя.

. .1441*10 >40ес*10 . ¡5?1»Щ .нимб .174*10

,1Н1Ш ,И11Ид .1111*10 .1®э1*ю

Рисунок 5 - Распределение эквивалентных напряжений по змеевику

В процессе эксплуатации картина напряжений меняется, как показано на рисунке 6. Как видно из рисунка 6, зона концентрации напряжений расположена непосредственно вблизи калачей.

Остаточные пластические деформации в данном случае также получают трубы вблизи калачей..

ЮГ

в .ост» ,ьо»«« .оого* .аопи

.Ш1Й ,00471 .00««» .МИМ

Рисунок 6 - Распределение пластических деформаций по змеевику

Так как трубчатый змеевик печи пиролиза работает длительное время при высоких температурах, то деформирование конструкции может происходить под влиянием явления ползучести, т.е. нелинейность поведения материала может проявляться в росте деформаций при постоянной нагрузке.

Как показали расчеты, змеевик печи пиролиза работает в условиях низких напряжений и высоких температур. В данном случае механизмы деформации контролируются диффузионными процессами, становятся оперативными механизмы диффузионного перемещения масс.

Распределение упругих и пластических деформаций змеевика печи с учетом ползучести показано на рисунках 7, 8.

Как показывает рисунок 8, опасные зовы находятся в районе калачей. Считается, что потеря устойчивости труб змеевика печи происходит из-за ползучести материала труб. Из результатов расчета следует, что потеря устойчивости гладкой части трубы может произойти как отклик на деформационное изменение калача, вызванное деформациями ползучести.'

Рисунок 8 - Распределение пластических деформаций в трубчатом змеевике с учетом ползучести

Природа возникновения практически всех дефектов печных труб связана с локальным или общим перегревам, а также с образующимися в процессе эксплуатации отложениями кокса на внутренней поверхности. Данный процесс неизбежен и интенсивность его определяется составом сырья, давления, температурами процесса и другими факторами.

Цель данного исследования - изучение влияния толщины кокса на напряженно-деформированное состояние змеевика печи.

Как известно, при наличии слоя кокса толщиной 1 мм температура стенок повышается на 50 °С при тепловом напряжении их 29 кВт/м2.

При комплексном обследовании змеевика печи на наличие дефектов по длине трубы №17 было обнаружено 5 областей локального перегрева стенки.

При проведении вычислительного эксперимента в расчетной модели на трубе №17 искусственно были обозначены зоны локального перегрева, соответствующие толщине отложения кокса в 2 мм. Результаты расчета показали, что в данной области наблюдается появление остаточной деформации (рисунок 9).

Для более детального изучения влияния отложения кокса на напряженно-деформированное состояния змеевика были рассмотрены различные расчетные схемы. Так как зона действия дефекта невелика, то в дальнейшем исследовании рассматривался отдельный участок трубы.

На рисунке 10 приведена картина распределения эквивалентных напряжений при отложении кокса толщиной 5 мм на отдельном участке трубы. На рисунках 11 и 12 изображены графики распределения эквивалентных напряжений на наружной и внутренней поверхностях трубы.

Рисунок 10 - Распределение эквивалентных напряжений при отложении кокса толщиной 5 мм на отдельном участке трубы

оЧОГ.Па

Рисунок 11 - Распределение эквивалентных напряжений на наружной поверхности трубы

(НСГ.По

Рисунок 12 - Распределение эквивалентных напряжений на внутренней поверхности трубы

В ходе проведения эксперимента были рассмотрены различные схемы отложения кокса - по всей длине трубы, по кольцевому сечению, на 1/4 и 1/16 части трубы.

В результате исследований было выяснено, что самым опасным является отложение кокса на небольшом участке трубы, как видно из таблицы 1, концентрация напряжений наблюдается по границам отложения кокса. Поэтому была проанализирована зависимость эквивалентных напряжений от толщины отложения кокса именно для этого случая, которая представлена на рисунке 13. Из рисунка 13 видно, что зависимость эквивалентных напряжений от толщины отложения кокса имеет линейный характер. Как показали результаты расчетов, коэффициент концентрации напряжений на границах зоны отложения кокса изменяется в пределах от 2 до 3,2 и возрастает с увеличением толщины кокса.

Таблица 1 — Максимальные - эквивалентные: напряжения. при - различных случаях отложения кокса:

Характер отложения кокса при толщине 8 = 5 мм Максимальные эквивалентные напряжения от„, МПа.

1/16 часть трубы - 400-

1/4 часть трубы 370

по кольцу трубы 250

вдоль нижней части трубы 370

500-,

а> с

х

Е « 1330' и X 300 ■

м и

Г) Л .

0

1 2 3 4 5 6

Толщина кокса, мм

Рисунок 13 - Зависимости эквивалентных напряжений от толщины кокса

При обнаружении дефектного участка в трубчатом змеевике его заменяют новой трубой. Так как последние трубы змеевика подлежат частым ремонтам, число сварных соединений в последних трубах змеевика растет.

Как показывает рисунок 14, сварные швы не являются непосредственным концентратором напряжений, но в некоторой близости от двойника

<59<39 .:ЗЗЕ«Э9 .3651409 .8111*0» .»«+10

• 1«1«9 ,««-«9 ,70«««Э .9в9[<*09 .12714-1С

Рисунок 14 - Распределение эквивалентных напряжений по змеевику печи с учетом сварных соединений

Для изучения влияния близости сварного соединения к калачу на максимальные напряжения в трубе змеевика были рассмотрены разные варианты. Результаты исследования приведены на рисунках 15,16.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

•Ц м

Рисунок 16 - Максимальные пластические деформации в зоне сварного соединения в зависимости от его конструктивного месторасположения по длине трубы

Как показывают результаты расчета, опасной зоной расположения сварных соединений является зона, удаленная от двойника на 0,15 длины трубы.

В связи с полученными результатами предложен алгоритм оптимизации конструкции змеевика в процессе ремонта с учетом реальных условий работы (рисунок 17). Данный алгоритм позволит продлить межремонтный период змеевика путем подбора оптимального взаиморасположения ремонтных сварных соединений и как следствие, снизит риск разрыва ремонтных сварных соединений и повысит безопасность эксплуатации печного агрегата.

Рисунок 17 - Алгоритм оптимизации конструкции змеевика в процессе ремонта с учетом реальных условий работы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Сформулирована и решена методом конечных элементов задача по оценке напряженного состояния трубчатого змеевика печи пиролиза с учетом реальных условий работы. Предложен алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния змеевика печи пиролиза с учетом отложения кокса на внутренней поверхности, а также с наличием ремонтных сварных соединений, реализованный в программном комплексе «ANSYS».

2 В ходе проведения микроструктурных и рентгеноструктурных исследований для изучения механизмов появления локальных дефектов в змеевиках печей пиролиза было выявлено, что первопричиной их появления является локальное отложение кокса на внутренней поверхности. Из-за диффузии углерода из кокса в металл, происходит, образование-карбидов никеля, образование а-фазы, выпадение а-фазы с дальнейшим ее распадом на Fe и Сг. Вследствие этого происходит изменение структуры металла и напряженно-деформированного состояния в данной зоне, приводящее к локальному изменению геометрии трубы, которое может стать причиной разрушения змеевика.

3 В результате исследований степени влияния отложения кокса на напряженно-деформированное состояние печной трубы выявлено, что самым опасным является локальное отложение кокса. Показано, что в зоне отложения кокса наблюдается сложное напряженно-деформированное состояние, коэффициент концентрации напряжений по границам этой зоны при толщине кокса 1 мм изменяется в пределах от 2 до 3,2 и возрастает с увеличением толщины кокса. Для данного случая получена зависимость эквивалентных напряжений от толщины отложения кокса. Показано, что она имеет линейный характер.

4 Получено распределение упругих и пластических деформаций змеевика, печи с учетом ползучести. Как показали расчеты, опасные зоны находятся в районе калачей. Из результатов расчета можно сделать вывод, что потеря устойчивости гладкой части трубы может произойти как отклик на деформационное изменение двойника, вызванное деформациями ползучести.

5 При рассмотрении сварных соединений как концентраторов напряжений в трубах змеевика показано, что на расстоянии 0,017+0,15 длины трубы от двойника сварной шов ведет себя как пластический шарнир, в этой зоне возможно появление значительных пластических деформаций, которые могут привести к потере устойчивости труб змеевика печи. Наиболее опасным расстоянием расположения сварного соединения с точки зрения появления максимальных деформаций является зона на расстоянии 0,15 длины трубы от двойника.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Чиркова А.Г., Симарчук А.С. Влияние различных факторов на напряженно-деформированное состояние оболочек//Интеграция науки и высшего образования - области био- и органической химии и механики многофазных систем: Материалы всероссийской научной ИНТЕРНЕТ-конференции. - Уфа: Изд-во «Реактив», 2003.- С. 60-61.

2 Симарчук А.С Применение метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния оболочек// 52-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. С. 59.

3 Ильясов Д.Д., Хайрудинова С.С., Симарчук А.С. Проблемы эксплуатации печей пиролиза// Интеграция науки и высшего образования - области био-и органической химии и механики многофазных систем: Материалы всероссийской научной ИНТЕРНЕТ - конференции- Уфа: Изд-во «Реактив», 2003. -С. 84.

4 Симарчук А.С, Ильясов Д. Д. О проблеме определения остаточного ресурса печных агрегатов. Интеграция науки и высшего образования - области био- и органической химии и механики многофазных систем: Материалы всероссийской научной ИНТЕРНЕТ - конференции.- Уфа: Изд-во «Реактив», 2003. -С.93.

5 Чиркова А.Г., Симарчук А.С. О возникновении локальных дефектов в трубчатом змеевике печей пиролиза// Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сборник научных статей. - Уфа: УГНТУ, 2003. - № 14. - С. 143-145.

6 Симарчук А.С, Кононова О.Ю. Влияние коксоотложения на образование дефектов труб печей пиролиза// 54-я научно-техническая конференция сту-

дентов, аспирантов и молодых ученых: Сборник тезисов.- Уфа: УГНТУ, 2003. С. 52.

7 Симарчук А.С. Чиркова А.Г. Оценка напряженно-деформированного состояния змеевиков печей пиролиза с учетом отложения кокса// Башкирский химический журнал. -2004. - Т. 11. - № 1. - С. 25-27.

8 Кузеев И.Р., Симарчук А.С., Авдеева Л.Г и др. Деформирование оболочковых конструкций с геометрическим и физическими неоднородностями в силовом и температурном полях// Машиноведение, конструкционные материалы и технологии: Сборник научных трудов АН РБ - Уфа: Изд-во «Гилем», 2002. -С. 36-50.

9 Кинев С.А., Симарчук А.С., Чиркова А.Г. Напряжения в сварных соединениях разнотолщинных труб в змеевике печи пиролиза при различных температурах эксплуатации// научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Сборник тезисов. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. -С. 78.

10 Чиркова А.Г., Симарчук А.С., Кинев С.А. Определение напряженно-деформированного состояния сварных соединений// Машиностроитель: Ежемесячный производственно-технический журнал. - 2003. № 11. - С. 16-18.

11 Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Симарчук А.С. и др. Деформирование сварных соединений труб печей пиролиза// Башкирский химический журнал. -2003.- Т. 10.- №1.- С. 20-21

12 Чиркова А.Г., Симарчук А.С., Кинев С.А. Анализ изменения структуры сварных швов труб печей пиролиза с различным сроком эксплуатации// Прикладная синергетика и проблемы безопасности: Сборник научных трудов, посвященный 10-летию АтН РФ в РБ. - Уфа, 2003. - С. 171-176.

13 Чиркова А.Г., Закирничная М.М., Авдеева Л.Г., Симарчук А.С. и др. Изучение механизмов возникновения трещин в зоне сварных соединений печных труб// Машиноведение, конструкционные материалы и технологии: Сборник научных трудов АН РБ. - Уфа: Изд-во «Гилем», 2003 - С. 94-109.

¡я-741/

Подписано в печать 14.042004. бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Печать трафаретам. Печ. д. 1,5. тираж 90 экз. Заказ ISO.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета. Адрес типографии: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Характеристика печей пиролиза

1.2 Трубчатые змеевики печей пиролиза

1.3 Распределение отказов змеевика

Глава 2. Материалы и методы исследований

2.1 Змеевик, конструкция, материальное оформление

2.2 Отбор проб металла

2.3 Методы исследований

Глава 3. Металлографические исследования дефектных областей 38 змеевиков печей пиролиза

3.1 Результаты замеров микротвердости металла в дефектной области

3.2 Результаты микроструктурного анализа

3.3 Результаты ренгенофазного анализа

Глава 4. Оценка напряженно-деформированного состояния змеевика 49 печи пиролиза

4.1 Основные этапы построения геометрической модели 50 исследуемого объекта

4.2 Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния 55 змеевика методом конечных элементов в зоне локальных дефектов с учетом упругопластических свойств материала

4.3 Оценка напряженно-деформированного состояния змеевика печи 66 пиролиза в реальных условиях

4.4 Изучение влияния ползучести на накопление остаточной 68 деформации в змеевике печи

4.5 Изучение влияния толщины кокса на напряженно- 70 деформированное состояние змеевика печи

4.6 Изучение влияния ремонтных сварных соединений на напряженно-деформированное состояние змеевика печи пиролиза Общие выводы по работе Приложение А

В настоящее время обеспечение безопасности эксплуатации труб печей пиролиза основано на применении средств технической диагностики, которые позволяют с достаточной точностью определять расположение, тип и размеры повреждения стенок. Вопросы, связанные с определением реальной опасности выявленных дефектов и предельными сроками их устранения, пока разработаны не в полной мере.

Для экспертизы привлекаются высококвалифицированные специалисты, проводящие, как правило, субъективную оценку на основе своего значительного производственного опыта.

В этой связи актуальным становится создание обобщенной методики оценки опасности дефектов всех типов, применимой в производственной практике и позволяющей оценивать степень опасности дефектов без привлечения экспертов.

Анализ различных типов дефектов и всего многообразия, соответствующих им расчетных схем, показал, что получить приемлемо точную оценку напряженно-деформированного состояния в зоне дефектов различных типов при общей постановке задачи можно только с использованием численного метода расчета. Был выбран метод конечных элементов, как один из наиболее общих методов решения инженерных задач.

Многократные расчеты показали устойчивость работы алгоритмов метода конечных элементов при анализе напряженно-деформированного состояния с учетом реальных упругопластических свойств материала, требующих сходимости в двух итерационных процессах.

Поэтому следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной практики исследование, посвященное анализу напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек с учетом отложения кокса и позволяющее оценивать несущую способность таких оболочек.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Сформулирована и решена методом конечных элементов задача по оценке напряженного состояния трубчатого змеевика печи пиролиза с учетом реальных условий работы. Предложен алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния змеевика печи пиролиза с учетом отложения кокса на внутренней поверхности, а также с наличием ремонтных сварных соединений, реализованный в программном комплексе «ANSYS».

2 В ходе проведения микроструктурных и рентгеноструктурных исследований для изучения механизмов появления локальных дефектов в змеевиках печей пиролиза было выявлено, что первопричиной их появления является локальное отложение кокса на внутренней поверхности. Из-за диффузии углерода из кокса в металл происходит образование карбидов никеля, образование а-фазы, выпадение ст-фазы с дальнейшим ее распадом на Fe и Сг. Вследствие этого происходит изменение структуры металла и напряженно-деформированного состояния в данной зоне, приводящее к локальному изменению геометрии трубы, которое может стать причиной разрушения змеевика.

3 В результате исследований степени влияния отложения кокса на на-' пряженно-деформированное состояние печной трубы выявлено, что самым опасным является локальное отложение кокса. Показано, что в зоне отложения кокса наблюдается сложное напряженно-деформированное состояние, коэффициент концентрации напряжений по границам этой зоны при толщине кокса 1 мм изменяется в пределах от 2 до 3,2 и возрастает с увеличением толщины кокса. Для данного случая получена зависимость эквивалентных напряжений от толщины отложения кокса. Показано, что она имеет линейный характер.

4 Получено распределение упругих и пластических деформаций змеевика печи с учетом ползучести. Как показали расчеты, опасные зоны находятся в районе калачей. Из результатов расчета можно сделать вывод, что потеря устойчивости гладкой части трубы может произойти как отклик на деформационное изменение двойника, вызванное деформациями ползучести.

5 При рассмотрении сварных соединений как концентраторов напряжений в трубах змеевика показано, что на расстоянии 0,017^-0,15 длины трубы от двойника сварной шов ведет себя как пластический шарнир, в этой зоне возможно появление значительных пластических деформаций, которые могут привести к потере устойчивости труб змеевика печи. Наиболее опасным расстоянием расположения сварного соединения с точки зрения появления максимальных деформаций является зона на расстоянии 0,15 длины трубы от двойника.

1. 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. - 216 с.

2. Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Куликов Д.В., Чиркова А.Г. Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья. Уфа: Гилем, 1999. - 326 с.

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

4. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Семенов Н.И., Точилин А.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах. М.: Недра, 1969. — 208 с.

5. Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Хайрудинов И.Р., Баязитов М.И. Особенности диффузии углерода из нефтяного кокса в металл // Химия и технология топлив и масел. 1986. № 6. С. 13-14.

6. Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Остаточная толщина стенки труб конвекционных и радиантных экранов нагревательных печей // Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии. Сумы, 1986. С. 217-218.

7. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа. М.: Химия, 1972. - 360с.

8. Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л., Бабаш С.Е. и др. Пиролиз углеводородного сырья. — М.: Химия, 1987. 240 с.

9. Барабанов Н.Л. Высокотемпературный пиролиз углеводородов. М., 1971.56 с.

10. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность / Пер. с анг. Ушакова И.А. М.: Наука, 1985. 582 с.1.. Дьяков В.Г. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза. М.,1983. - 53 с.

11. Григоренко Я.М., Василенко А.Т. Методы расчета оболочек// Теория оболочек переменной жесткости. Т.4 К.: Наукова Думка, 1981. 544 с.

12. Григоренко Я.М., Мукоед А.П. Решение задач теории оболочек на ЭВМ. К.: Виша школа, 1979. 280 с.

13. Гуляев В.И., Боженов В. А., Лузинов П.П. Неклассическая теория оболочек и ее приложение к решению инженерных задач. Львов: Виша школа, 1978.- 192 с.

14. Мяченков В.И., Григорьев И.В. Расчет составных оболочечных конструкций на ЭВМ. Справочник. М.: Машиностроение, 1981. 216 с.

15. Мяченков В.И., Мальцев В.П. Методы и алгоритмы расчета пространственных конструкций на ЭВМ ЕС. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

16. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1974. 344 с.

17. Рвачев В.Л. Теория R-функций и некоторые ее приложения. К.: Наукова Думка, 1982. 552 с.

18. Корнишин М.С., Паймушин В.Н., Снигирев В.Ф. Вычислительная геометрия в задачах механики обочек. М.: Наука, 1989. 208 с.

19. Марчук Г.И., Агашков В.И. Введение в проекционно-сеточные методы. М.: Наука, 1981.-416 с.

20. Вольмир А.С., Куранов Б. А., Турбаивский А.Т. Статика и динамика сложных структур. М.: Машиностроение, 1989. 248 с.

21. Гоцуляк Е.А., Паймушин В.Н., Пемсинг К. Расчет фрагмента оболочки вращения с неканоническим очертанием контура// Статика и динамика оболочек: Тр. Семинара. Вып. 12. Казань: Казанск. физ.-техн. ин-т КФАН СССР, 1979. с. 69-79.

22. Корнишин М.С. Нелинейные задачи теории пластин и пологих оболочек и методы их решения. М.: Наука, 1964. 192 с.

23. Образцов И.Ф., Савельев J1.M., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. 392 с.

24. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. М.: Издательство Московского университета, 1981. 343 с.

25. Корнишин М.С. Применение метода коллокаций к решению некоторых шлинейных и нелинейных задач теории пластин//. Изв. КФАН СССР. Серия физ. мат. и техн. наук, 1960 №14, 218 с.

26. Рогалевич В.В. Метод переопределенной внутренней коллокации в задачах прочности, устойчивости и колебаний пластин и оболочек //Строит механика и расчет сооружений, 1982. №5. С.33-38.

27. Купрадзе В.Д. Метод потенциала в теории упругости. М.: Физматгиз, 1963.-472 с.

28. Мусхелишвили Н.И. Сингулярные интегральные уравнения. М.: Наука, 1968.-511 с.

29. Серазутдинов М.Н. Метод расчета оболочек неканонической формы// Исследования по теории оболочек: Труды семинара. Вып. 21. Часть 1.Казань: Казанский физ.-техн. ин-т КФАН СССР, 1988. С.64-70.

30. Венцель Э.С., Джан- Темиров К.Е., Трофимов A.M. Метод компенсирующих нагрузок в задачах теории тонких пластин и оболочек. Харьков: Изд. ХВВКИУРВ, 1992. 92 с.

31. Серазутдинов М.Н. Метод расчета элементов конструкций в виде оболочек// Известия вузов. Машиностроение, 1989. №10. С.6-10.

32. Серазутдинов М.Н., Гарифуллин М.Ф. Об одном подходе к расчету оболочек сложной формы// Прикл. Механика, 1991. Т.27, №11. С. 19-25.

33. Серазутдинов М.Н., Недорезов О.А. Об аппрксимации срединной поверхности оболочки// Исследования по теории оболочек. Тр. семинара. Вып. 25. Казань: Казанск. физ.-техн. ин-т КНЦ АН СССР, 1990. С. 97-102

34. Якупов Н.М., Серазутдинов М.Н. Расчет упругих тонкостенных конструкций сложной геометрии. Казань: PIMM РАН, 1993. 208 с.

35. Рекач В.Г., Кривошанко С.Н. Расчет оболочек сложной геометрии. М: Изд-во УДН, 1988.- 176 с.

36. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.-318 с.

37. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 511 с.

38. Голованов А.И. Сравнительный анализ различных схем расчета оболочек произвольной геометрии методом конечных элементов// Исследования по теории оболочек: Труды семинара. Вып. 21 Часть I. Казань: Казанский физ.-техн. ин-т КФАН СССР, 1988. С. 104-111.

39. Ботенкова Л.Г., Капустина С.А., Яблонко JI.C. Изопараметрический сдвиговой элемент для анализа оболочек общего вида// Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения задач упругости и пластичности. Горький, 1986. С. 61-70.

40. Голорванов А.И. Универсальный конечный элемент тонкой оболочки// Исследования по теории оболочек: Труды семинара. Вып. 25. Казань: Казанский физ.-техн. ин-т КНЦ АН СССР, 1990 С.66-83.

41. Олсон М.Д. Исследование произвольных оболочек с помощью пологих оболочечных элементов// Тонкостенные оболочечные конструкции. Теория эксперимент, проектирование. М.: Машиностроение, 1980. С.409-437.

42. Схаров А.С., Киричевский В.В., Кислоокий В.Н. и др. Метод конечных элементов в механике твердых тел. К.: Виша школа, 1982. 480 с.

43. Стренг Г., Стринг Д. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.-350 с.

44. Корнишин М.С., Якупов Н.М. Сплайновый вариант метода конечных элементов для расчета оболочек сложной геометрии// Прикладная механика, 1987. Т.23 №3 С. 38-44.

45. Ильюшин А.А. Пластичность. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

46. Качанов Л.МИ. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.

47. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1975.-400 с.

48. Мавлютов P.P. Концентрация напряжений в элементах конструкций. -М.: Наука, 1996.-240 с.

49. Биргер И.А. Метод дополнительных деформаций в задачах теории пластичности// ИЗВ. АН СССР. ОТН. Механика и машиностроение. 1963. -№ 1.

50. Цыбенко А.С., Идесман А.В. Алгоритм решения задачи неизотермической термопластичности на основе метода конечных элементов// Проблемы прочности. 1983. № 6. С. 38-42.

51. Чиркова А.Г. Снижение повреждений в металле труб печей пиролиза в процессе паро-воздушного выжига/Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н.- Уфа: УГНТУ, 1998.

52. Баязитов М.И. Оценка поврежденности печных труб в условиях эксплуатации/Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий.- Уфа, 1997.- С. 203-210.

53. Хаерланамова Е.А. Совершенствование методов расчета и конструирования элементов печей пиролиза/Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н.- Уфа: УГНТУ, 2003.

54. Свинухов А.Г. Высокотемпературные процессы пиролиза и гидропиролиза нефтяного сырья. М., 1985. 36 с.

55. Баязитов М.И., Кузеев И.Р. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб/Нефть и газ, Уфа, 1996.

56. Авдеева Л.Г. Изменение структуры и механических свойств аустенитной стали 20Х23Н18 в условиях пиролиза углеводородов/Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н.- Уфа: УГНТУ, 2003.

57. Чиркова А.Г., Симарчук А.С. О возникновении локальных дефектов в трубчатом змеевике печей пиролиза// Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сборник научных статей. Уфа: УГНТУ, 2003. - № 14. - С. 143-145.

58. Симарчук А.С. Чиркова А.Г. Оценка напряженно-деформированного состояния змеевиков печей пиролиза с учетом отложения кокса// Башкирский химический журнал. -2004. — Т. 11. № 1. - С. 25-27.

59. Чиркова А.Г., Симарчук А.С., Кинев С.А. Определение напряженно-деформированного состояния сварных соединений// Машиностроитель: Ежемесячный производственно-технический журнал. — 2003. № 11. — С. 16-18.

60. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Симарчук А.С. и др. Деформирование сварных соединений труб печей пиролиза// Башкирский химический журнал. -2003.-Т. 10.-№1.-С. 20-21

61. Лашко Н.Ф., Еремин Н.И. Фазовый анализ и структура аустенитных сталей.- М.: Машгиз, 1957.- 235 с.

62. Бернштейн М.Л. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.- М.: Металлургиздат, 1956.- 238 с.

63. Баранов Л.В., Демин Э.Л. Металлографическое травление металлов и сплавов.- Москва: Металлургия, 1986г., 256 с.

64. Металловедение и термическая обработка стали./Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. Т 1.2- М.: Металлургия, 1991.- С. 47-114, 199-208.

65. Металловедение и термическая обработка стали./Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. Т 1.1- М.: Металлургия, 1991.- С. 7-272.

66. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали.- М.: Металлургия, 1967.- С. 291323.

67. Металловедение, сталь./Пер. с нем. И.М. Копьева, В.А. Федоровича, под ред. д.т.н. С.Б. Масленкова.- М.: Металлургия, 1995.- С.

68. Структура и физико-механические свойства немагнитных сталей./Под ред. д.т.н. О.А. Банных.- М.: Наука, 1982,- С. 240.

69. Ботвина JI.P. Кинетика разрушения конструкционных материалов.-М.: Наука, 1989.- С. 230.

70. Вольфсон С.И. Паро-воздушный способ удаления кокса из печей нефтеперерабатывающих заводов. М.: Гостехиздат, 1946. 150 с.

71. Федоров В.Б., Шоршоров М.Х., Хакимова Д.К. Углерод и его взаимодействие с металлами. М.: Металлургия. 1978. 208 с.

72. Кинев С.А. Обеспечение безопасной эксплуатации змеевика печи для пиролиза углеводородов как сварной конструкции//Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н.- Уфа: УГНТУ, 2003.

73. Плювинаж Г. Механика упругопластического разрушения. М.: Мир,1993.

74. Паршин A.M. Структура, прочность и радиационная повреждаемость коррозионно-стойких сталей и сплавов. Челябинск: металлургия, 1988. — С. 1430, 132-140, 164-176,254-264,356-368, 593-643.

75. Гудков А. А., Славский Ю. И. Методы измерения твердости металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1982.

76. Вашуль X. Практическая металлография/Пер. с нем. к.т.н. В.А. Федоровича.- Москва: Металлургия, 1988. С. 8-56.

77. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения.- Новосибирск: Наука, 1990.- 258 с.

78. Марочник сталей и сплавов/Под ред. А.С. Зубченко.- М.: Машиностроение, 2001. С.313.

79. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов.- М.: Наука, 1976.-С. 9-31.

80. Фрост Г. Дж., Эшби М.Ф., Карты механизмов деформирования/ пер. с англ. Берштейна JI.M., Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989. 328 с.

81. Дж. Бойл, Дж. Спенс. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести: Пер с англ. М.: Мир, 1986. - 360 с.

82. Ботвина JI.P., Колоколов Е.И. Пороговые характеристика разрушения конструкционных сталей// Физика разрушения: Тез. докладов IV Всесоюзн. конф. Киев, 1980. С. 60-61.

83. Гигиняк Ф.Ф., Лебедев А.А., Красовский Влияние вида напряженного состояния на деформационного упрочнения малоуглеродистой стали// Металловедение и терм, обраб. металлов. 1971. № 4. С. 33-36.