Повышение надежности и ресурса рабочих элементов судовых газотрубных котлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Гайнов, Алексей Александрович

• Гайнов, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гайнов, Алексей Александрович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности и ресурса рабочих элементов судовых газотрубных котлов»

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.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Гайнов, Алексей Александрович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гайнов, Алексей Александрович, 2011 год

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