Совершенствование метода расчета змеевика печи пиролиза с учетом локальных концентраторов напряжений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Симарчук, Анна Сергеевна

• Симарчук, Анна Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Симарчук, Анна Сергеевна

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода расчета змеевика печи пиролиза с учетом локальных концентраторов напряжений»

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.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Симарчук, Анна Сергеевна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Симарчук, Анна Сергеевна, 2004 год

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.