Разработка метода оценки неоднородности напряженно-деформированного состояния реакторов установки замедленного коксования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Кузнецов, Андрей Александрович

• Кузнецов, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецов, Андрей Александрович

Введение

1 Деформирование реакторов установок замедленного коксования под действием затопленной сырьевой струи на входе в аппарат

1.1 Процесс замедленного коксования и его особенности

1.2 Реакторы коксования и дефекты в его элементах

1.3 Распределение температур в оболочке реактора

1.4 Способы снижения образования и роста эксплуатационных дефектов

1.5 Методы оценки напряженно-деформированного состояния реактора замедленного коксования

Выводы по главе

2 Объект и методы его исследования

2.1 Постановка задачи, задание граничных условий

2.2 Методика расчета ресурса реактора замедленного коксования

2.3 Генерация распределения температурных полей как случайного процесса

Выводы по главе

3 Моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния реактора установки замедленного коксования методом конечных элементов

3.1 Отклонения верха реактора и распределение напряжений в оболочке. Расчет на реальную температуру

3.2 Напряженно-деформированное состояние реактора в случае упорядоченного распределения температур

3.3 Напряженно-деформированное состояние реактора при случайном генерировании температур

Выводы по главе

4 Оценка ресурса реактора и возможности предложенной методики для разработки новых конструкционных решений

4.1 Расчет ресурса реактора при малоцикловых нагрузках

4.2 Моделирование устройства, демпфирующего изгибные напряжения

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода оценки неоднородности напряженно-деформированного состояния реакторов установки замедленного коксования»

Замедленное коксование это сложный термодеструктивный процесс получения нефтяного кокса, связанный с неоднократными фазовыми переходами сырья, где основным аппаратом является реактор, представляющий из себя пустотелый сосуд периодического действия.

С точки зрения напряженно-деформированного состояния реактор установки замедленного коксования является уникальной оболочковой конструкцией, сочетая одновременно воздействие высокотемпературных затопленных струй и фазового перехода, закупоривающего сырьевые каналы при периодическом ведении технологического процесса, создавая тем самым неравномерные как во времени, так и по поверхности аппарата температурные поля, носящие вероятностный характер.

При такой схеме нагружения под действием изменяющегося во времени неравномерного температурного поля на поверхности оболочки реактора в месте и непосредственной близости к шву приварки опорной обечайки создается эффект пластического шарнира, который перемещаясь наносит повреждения и одновременно возбуждает колебательные движения аппарата в целом, приводящие к отказам этого вида оборудования, связанных с образованием, развитием и накоплением многочисленных дефектов, причиной которых также является недооценка указанных обстоятельств на стадии проектирования, осуществляемого по стандартным методикам расчета напряженно-деформированного состояния.

Для определения ресурса реактора замедленного коксования необходима методика расчета напряженно-деформированного состояния реактора в процессе замедленного коксования, учитывающая действие неравномерного температурного поля и основанная на оценке характера термодеформирования коксовой камеры. Применение разработанной методики оценки ресурса реактора замедленного коксования на стадии проектирования для разработки устройства, компенсирующего изгибные деформации реактора, позволит снизить максимальные напряжения в узле приварки опорной обечайки к корпусу реактора, что позволит увеличить срок наработки на отказ объекта исследований.

Цель работы

Разработка научно-методологических основ генерирования переменных неравномерных температурных полей для определения напряженно-деформированного состояния реактора установки замедленного коксования.

Задачи исследования

1 Анализ распределения температурных полей на поверхности реактора методом контрольных карт Шухарта и разработка программы генерирования температур как случайного процесса.

2 Моделирование процесса термодеформирования реактора методом конечных элементов с использованием программы генерирования температур.

3 Оценка напряженно-деформированного состояния сварного шва в узле приварки опорной обечайки как зоны концентрации напряжений.

4 Прогнозирование наработки реактора на отказ на основе расчета полей напряжений в оболочке реактора с учетом нестационарности температурного поля.

5 Оценка возможностей полученной методики применительно к разработке конструктивного решения, позволяющего демпфировать термические деформации в области узла приварки опоры к корпусу аппарата.

Научная новизна

1 Доказано, что применение контрольных карт Шухарта при генерировании неравномерных температурных полей как случайных величин позволяет рассчитать перемещения оси реактора, коррелирующие с реально измеренными значениями на действующих аппаратах.

2 Методом конечных элементов получена и применена модель деформирования реактора, которая позволила оценить изменения напряжений в течение цикла коксования, выявить зоны преимущественного появления дефектов и рассчитать ресурс с точки зрения возникновения и развития трещин в области малоциклового нагружения.

3 Установлена возможность оценки ресурса реактора с учетом неоднородности напряжено-деформированного состояния от действия температурных полей при проектировании новых конструктивных решений.

Практическая ценность

Разработана методика расчета ресурса реактора установки замедленного коксования с учетом нестационарности температурного поля при реализации технологического процесса. Данная методика внедрена в учебный процесс при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551831 «Надежность технологических систем и оборудования».

Предложено техническое устройство, демпфирующее отклонения реактора от вертикальной оси, что позволило уменьшить изгибные напряжения реактора, возникающие в зоне приварки опорной обечайки, и увеличить наработку на отказ.

Автор искренне признателен своему научному руководителю д.т.н., профессору И.Р. Кузееву и научному консультанту к.т.н. М.И. Кузееву за постановку задачи исследований и постоянную помощь в работе, а также д.т.н., профессору В.А. Кузнецову, к.т.н. P.P. Ягафарову и к.т.н Е.А. Филимонову за критическое обсуждение результатов, ценные советы и рекомендации.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Кузнецов, Андрей Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика и программа расчета генерирования температурного поля реактора как случайной величины с применением контрольных карт Шухарта. Определен статистический разброс значения температур в пределах одного цикла коксования, а также в ряду последовательных процедур коксования. Статистическая обработка результатов генерирования температурных полей показала хорошее совпадение с результатом, полученным Е.А. Филимоновым и И.Р. Кузеевым для реального распределения с помощью карт Шухарта.

2. Разработана конечно-элементная модель деформирования реактора установки замедленного коксования, которая позволила рассчитывать реальный ресурс узла приварки опорной обечайки к корпусу аппарата, в котором наиболее часто в реальных условиях возникают дефекты типа трещин различной направленности и конфигураций.

3. Разработанная модель деформирования реактора позволила выявить особенности напряженно-деформированного состояния в узле приварки к корпусу опорных элементов различного типа. Как и в случае с отклонениями реактора от вертикальной оси, так и с точки зрения напряженно-деформированного состояния в зоне приварки опорной обечайки, реактор с опорным элементом конического типа является наиболее предпочтительным в эксплуатации.

4. Предложено конструктивное решение, которое состоит из системы пружинных ограничителей изгибным колебаниям аппарата. Расчетами показано, что применение демпфирующих пружин позволяет снизить напряжения в узле приварки опорной обечайки изгибные напряжения в 1,124 раза, что позволяет увеличить ресурс узла в 1,3 раза.

5. Модель, методика, и программа используются при чтении курса лекций по дисциплине «Диагностика технического состояния объектов и разрушения материалов» при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551831 «Надежность технологических систем и оборудования».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецов, Андрей Александрович, 2007 год

1. Абызгильдин Ю.М. Реакторы установок замедленного коксования и их применение/ Ю.М. Абызгильдин, М.В. Кретинин, И.Р. Кузеев и др. //тематический обзор.- М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1983.- 40.С.- /Деп.б7 НХ-Д 83 от 11.04.83/.

2. Авторское свидетельство № 280433 (СССР) Б.И., 1970, №28.

3. Авторское свидетельство № 579297 (СССР) Б.И., 1977, №41.

4. Авторское свидетельство № 768799 (СССР) Б.И., 1980, №37.

5. Авторское свидетельство № 775119 (СССР) Б.И., 1980, №40.

6. Авторское свидетельство № 1189870 (СССР) Б.И., 1984, №41.

7. Авторское свидетельство № 1234413 (СССР) Б.И., 1986, №20.

8. Авторское свидетельство № 1609819 (СССР) Б.И., 1988, №44.

9. Ахметов С.А. Реакционная способность нефтяных коксов и вопросы оптимизации процессов их прокаливания,- Уфа: УНИ, 1975. 80с.

10. Бакиев А.В., Кузеев И.Р., Мухин В.Н., Самохин Ю.Н. Оценка остаточного ресурса деформированных биметаллических реакторов коксования.-Уфа: УНИ, 1990.-116с.

11. Бендеров Д. И., Походенко Н.Т., Брондз Б. И. Процесс замедленного коксования в необогреваемых камерах-М.: Химия, 1976. 176 с.

12. ВУПП-88. Ведомственные указания по противопожарному проектированию предприятий, зданий и сооружений нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: Миннефтехимпром, 1988 32 с.

13. Газиев P.P. Оценка долговечности биметаллических аппаратов на примере реактора установки замедленного коксования.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук., Уфа: УНИ, 1992.- 191 с.

14. Гимаев Р. Н., Кузеев И. Р., Абызгильдин Ю. М. Нефтяной кокс М.: Химия, 1992-80 с.

15. ГОСТ Р 50779.40-96. Статистические методы. Контрольные карты. Общее руководство и введение.- М.: Издательство стандартов, 1999 27 с.

16. ГОСТ Р 50779.42-99. Статистические методы. Контрольные карты Шухарта.- М.: Издательство стандартов, 1999 25 с.

17. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.- М.: Издательство стандартов, 1989 79 с.

18. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках.- М.: Издательство стандартов, 1983-21 с.

19. ГОСТ 22898-78. Коксы нефтяные малосернистые. Технические условия.- М.: Издательство стандартов, 1978 17 с.

20. Денисов В.Д. Влияние распределения потоков в реакторах установок замедленного коксования на качество кокса.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- Уфа: УНИ, 1986.

21. Зайцева С.А. Производство нефтяного кокса за рубежом./ Химия и технология топлив и масел.- 1984. №1. - С. 36-38.404.406)

22. Захаренко В.А., Козлов А.В. Контроль процесса фазовых превращений при коксообразовании методом термосканирования стенки реактора// Химическая промышленность.-2003.-Т.80.-№5.-С.44-49.

23. 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.- 216с.

24. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация.- М.: Мир, 1986.318 с.

25. Каждан Я.С. Технология электродов: ГОНТИ. 1941.

26. Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Т. Сварные сосуды высокого давления: Прочность и долговечность. Л.: Машиностроение, 1982. - 287 с.

27. Кретинин М.В. Измерение температурного поля корпуса камеры коксования./ М.В. Кретинин, А.В. Казачанский, Г.А. Сергеев// Химия и технология топлив и масел.- 1983. №6. - С. 38-39.

28. Кретинин М.В. Факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние коксовых камер./ М.В. Кретинин, Г.А. Сергеев, А.В. Тихонов, А.В. Казачанский// НТРС Эксплуатация модернизация и ремонт оборудования НП и НХ.- 1982. №1. - С. 9-12.

29. Крылов В.Н. Производство угольных и графитированных электродов: ГОНТИ, НКТП СССР. 1939.

30. Кузеев И.Р. Совершенствование технологии и повышение долговечности реакционных аппаратов термодеструктивных процессов переработки углеводородного сырья.- Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук., Уфа: УНИ, 1987.-429 с.

31. Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Куликов Д.В., Чиркова А.Г. Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья-Уфа: Гилем, 1999.-325 с.

32. Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г. и др. Предотвращение коррозии сталей при коксовании нефтяных остатков./ Химия и технология топлив и масел.-1986.-№3.- С.8-9.

33. Кузеев М.И. Закономерности накопления повреждений в сварных соединениях оболочек реакторов установок замедленного коксования.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук., Уфа: УГНТУ, 2000- 117 с.

34. Кузнецов А.А. Термодеформирование оболочки реактора установки замедленного коксования при взаимодействии с затопленной струей/ А.А. Кузнецов, М.И. Кузеев, Н.А. Махутов//Нефтегазовое дело.-2007.-Т.5.-№1.-С.169-173.

35. Кузнецов В.А. Совершенствование конструкций реакторов замедленного коксования/ В.А. Кузнецов, Г.Г. Валявин// Исследование и применение продуктов переработки тяжелых нефтяных остатков. Тр. БашНИИ НП, вып. 29.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1990.- С. 128-138.

36. Леонтьев B.JI. Система ANSYS как средство изучения метода конечных элементов и механики сплошных сред.- Екатеринбург: УГУ, 2001,40с.

37. Махутов Н.А., Драгунов Ю.Г., Фролов К.В. и др. Динамика и прочность водо-водяных энергетических реакторов.- М.: Наука, 2004.- 440с.

38. Митрохин И.Н. Обнаружение разладки с помощью контрольных карт./ И.Н. Митрохин, А.И. Орлов// Заводская лаборатория. Диагностика материалов.- 2007.-Т.73.-№5.-С.74-78.

39. Наседкин А.В. Конечно-элементное моделирование на основе ANSYS.- Ростов-на-Дону, УПЛРГУ, 1998, 44 с.

40. Нефтеперерабатывающая и алюминиевая промышленности — развитие сотрудничества, оптимизация связей по поставкам нефтяного кокса./ Сборник докладов Межотраслевой конференции.- Красноярск: март 2001.- 113 с.

41. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств ПБ 09540-03/ Колл. авт.- М.: ГУП НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.- 125 с.

42. Огородников О.М. Введение в компьютерный конструкционный анализ: Методические указания по курсу "Компьютерная диагностика".- Екатеринбург.: УГТУ-УПИ, 2001. 47 с.

43. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование надежности и совершенствование оборудования установок замедленного коксования типа 21-10».- Уфа: УГНТУ, 1984г.- С. 13-28.

44. Патент № 2075494 (Россия), Б.И., 1997.

45. Патент № 2120458 (Россия), Б.И., 1998.

46. Патент № 2141501 (Россия), Б.И., 1999.

47. Патент № 2206594 (Россия), Б.И., 2001.

48. Походенко Н.Т., Брондз Б.И. Получение и обработка нефтяного кокса. М.: Химия, 1986.-312 с.

49. Походенко Н.Т., Брондз Б.И. Эксплуатация и пути повышения надежности работы реакторов установок замедленного коксования. М.: ЦНИ-ТЭНефтехим, 1983.-56 с.

50. Походенко Н.Т. Совершенствование оборудования и аппаратуры на установках по производству кокса./ Н.Т. Походенко, Б.И. Брондз, A.M. Соловьев, В.А. Кузнецов, С.В. Сухов// Химия и технология топлив и масел М.: Химия. -1980, -№3.- С.37-40.

51. Правила промышленной безопасности для нефтеперерабатывающих производств ПБ 09-563-03/ Колл. авт.- М.: ГУП НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.- 25 с.

52. Производство углеродной продукции. Проблемы обеспечения углеродистым сырьем. Сб. тр. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2002, вып. 1, 182 с.

53. Розин Jl.А. Метод конечных элементов.- С-П: С-П.ГТУ, 2000, 17с.

54. Сигаева М.Г. и др.// Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1979,- №9.- С.27-30.

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

56. Справочник по сталям.- М.: Машгиз. 1957.- 906 с.

57. Сызранцев В.Н., Сызранцева К.В. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методами конечных и граничных элементов: Монография.- Издательство Курганского государственного университета, 2000.- 111 с.

58. Сюняев З.И. Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса. М.: Химия, 1973.- 296 с.

59. Теляшев Э.Г. Нефтепереработка: новые-старые разработки./ Э.Г. Те-ляшев, И.Р. Хайрудинов// The Chemical Journal.- М.: ГУП «Институт нефтехим-переработки РБ», Октябрь-ноябрь 2004.- С.68-71.

60. Фиалков А.Я. Технология и оборудование электроугольного производства. -М.: Госэнергоиздат, 1958.

61. Филимонов Е.А. Долговечность реакторов для получения нефтяного кокса. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- М: МИХМ, 1985 179 с.

62. Хайрудинов И.Р., Ишкильдин А.Ф., Максименко М.М. Термический крекинг и новые резервы углубления переработки нефти.- Уфа.: УГНТУ, 1995.53 с.

63. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процесса: Пер. с англ.- JL: Химия, 1983.- 352 с.

64. Хухрин Е.А., Валявин Г.Г., Валявин К.Г. Место процесса замедленного коксования в схемах современных НПЗ.- Уфа: УГНТУ, ООО «Алитер-Акси», 2005г.-41, 12с.

65. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справ. Пособие.- М.: Машиностроение-1, 2004.- 512с.

66. Чижмаков М.Б., Шапиро М.Б. и др. Диагностика причин разрушения деталей и узлов аппаратов химических произволств/Обзорная информация/. -М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1987. 36 с.

67. Обзор рынка нефтяного кокса в СНГ.- Москва: Август 2006.- 153с.

68. Ягафаров P.P. Совершенствование методов анализа причин разрушения аппаратов при техногенных авариях./ Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- Уфа: УГНТУ, 2005.- 103 с.

69. Antalffy L.P., Malek D.W., Pfeifer J.A., Stewart C.W. и др. Innovations in delayed coking coke drum design.- ASME, 1999,- P. 1-34

70. Coby W. Stewart Vertical plate technology extends the life of coke drums.- welding journal, April 2004. P. 34-36.

71. Coby W. Stewart, Aaron M. Stiyk, Lee Presley Coke drum design.-Chicago: PTQ Q3, 2006,- P. 1-6.

72. Jorge A. Penso, Robert Owen, Masaaki Oka TOFD Automatic Ultrasonic Testing for Condition Monitoring of Coke Drums/ ASME PVP-2003, PVP-Volume 468.

73. Kenneth D. Kirkpatrick, George A. Miller, Barry J. Millet, David W. Malek Transient profile development and the fatigue impact for cyclic thermal conditions.- Vienna: Proceedings ICPVT 10, 2003.- P. 1-7.

74. Masaaki Oka, Kenichi Kawashima Development of phased array and TOFD simultaneous inspection system for coke drum.- Japan: Toyo Works, 2004.- P. 1-18.

75. Richard S. Boswell, Tom Farraro, Michael J, Sober Remaining Life Evaluation of Coke Drums/ Plant Engineering, Operations, Design & Reliability Symposium.- Houston, TX, 1997.- P. 1-15.