Обеспечение прочности змеевиков трубчатых печей как цельной конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Конструкция и принцип действия трубчатых печей

1.2 Износ печного оборудования

1.3 Изменение механических и металлографических свойств металла печных труб в процессе эксплуатации

2. Теоретические основы проектирования и моделирования систем

2.1 Оптимизация конструкции трубчатого змеевик

2.2 Методы исследования трубчатого змеевика

2.3 Этапы проектирования

2.4 Проектирование технических систем

2.5 Теоретические основы проектирования технических систем

2.6 Требования к изготовлению конструкций

3. Моделирование напряжено-деформированного состояния с учетом термосилового нагружения. Разработка модели и ее анализ

3.1 Проектирование змеевика в программном обеспечении SolidWorks

3.2 Моделирование змеевика в программном обеспечении Ansys

4. Обобщение исследований

4.1 Анализ результатов

Заключение

Список использованных источников



Введение

К наиболее важному технологическому оборудованию на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности относится трубчатая печь. Трубчатая печь - это высокотемпературное технологическое оборудование с камерой, не имеющее контакта с окружающей средой. Ее назначением является нагрев углеводородного сырья, осуществления высокотемпературных термических и химических процессов.

Трубчатые печи позволяют проводить нагрев среды до более высоких температур, чем при нагреве паром. Для хорошей работы печи необходимо правильно ее спроектировать, а это требует значительных капитальных вложений. Но расходы быстро окупаются, так как стоимость тепла производимой печью дешевле, чем при других видах проведения высокотемпературных процессов. Это достигается за счет использования в качестве топлива продуктов отходов различных процессов.

Змеевики трубчатых змеевиков являются наиболее ответственными элементами, от которых зависит надежность и безопасность эксплуатации печей. Методы расчета основаны на обеспечении прочности только отдельных труб и таких элементов, как отводы и переходы, при этом не рассматривается геометрия трубного экрана, неравномерность температурного поля, неравномерность утонения стенки и изменение свойств металла и т.д., а также возможное термодеформирование труб, частичное разрушение кронштейнов и подвесок.

Прочностной анализ трубчатого змеевика как системы, имеющую сложную геометрическую конфигурацию с различными конструктивными элементами выполнялся при помощи метода конечных элементов. Это позволяет получить точную оценку напряженно-деформированного состояния змеевика с учетом рабочих термосиловых нагрузок и реализован в программном комплексе ANSYS.

Цель работы:

Разработать расчетную модель змеевика трубчатой печи, позволяющую оценить прочность любой конструкции змеевиков с учетом термосилового нагружения. Разработать критерии оптимизации конструкции змеевика с учетом пространственного его положения.

Задачи и исследования:

1. Провести литературный обзор.

2. Разработать трехмерные модели змеевиков, применяемых в современных трубчатых печах.

3. Разработать начальные и граничные условия.

4. Провести численное моделирование термосилового нагружения змеевиков, определить критерии оптимальности конструкций.

Научная новизна:

1 Эксперементальными исследованиями были определены необходимые параметры для расчета змеевика.

2 На основе конструктивных и численных моделирований представлена модель в напряженно-деформированном состоянии, и выделены опасные участки конструкции.

Практическая ценность

С помощью численного моделирования можно определить и обеспечить прочность конструкции

Апробация работы.

Основные материалы диссертации представлены:

- на 68 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 1 статья в ведущем российском журнале, а также 1 тезис.



1. Литературный обзор

Основная часть нефтегазохимического оборудования представляет собой конструкции оболочкого типа. К ним относятся и трубчатые печи. Условия эксплуатации такого оборудования характеризуется повышенной температурой, давлением и коррозионной активностью рабочей среды. В процессе эксплуатации в металле конструктивных элементов оборудования происходит постепенное накопление необратимых повреждений и по истечении определенного времени возможны преждевременные их разрушения.

В условиях интенсивного развития нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности одной из актуальных задач является повышение эффективности эксплуатации применяемого в отрасли топливо использующего оборудования, в особенности трубчатых печей, так как затраты связанные с ними составляют около четверти от стоимости всей технологической установки. Трубчатые печи являются основными аппаратами технологических установок нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) и основными потребителями топлива. На их долю приходится примерно 10 % газообразного и жидкого топлива от общего количества перерабатываемой нефти. Процесс сжигания топлива сопровождается высокой температурой. В связи с этим особую важность приобретает определение влияния температуры на элементы печи, что в свою очередь подразумевает повышение эффективности работы печи в целом.

1.1 Конструкция и принцип действия трубчатых печей

Классификация печей

Классификация печей -- это упорядоченное разделение их на классы, виды, типы и определение закономерных связей между ними. Она необходима для кодирования, хранения и поиска информации, которую она несет, дает возможность обобщения и распространения опыта, полученного теорией и практикой эксплуатации печей в промышленности, в виде комплексных типовых решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них технологических и химических процессов [1].

Основными по степени существенности основаниями для классификации печей в логической последовательности являются следующие признаки:

-- технологические;

-- теплотехнические;

-- конструктивные.

Классификация печей представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация печей

Технологические признаки.

По технологическому признаку печи делятся на нагревательные и реакционно-нагревательные. В нагревательных печах основной целью является нагрев сырья до заданной температуры. Характерными особенностями являются высокая производительность и умеренные температуры нагрева (300…500°С) углеводородных сред. Наиболее распространены на установках АТ, АВТ, ГФУ. Для реакционно-нагревательных печей кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции. Данные печи используется многими нефтехимическими производствами в качестве реакторов для одновременно нагрева и перегрева сырья. Областью применения являются установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и другие. Это связано с тем, что рабочие условия на этих установках отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью[2].

Теплотехнические признаки.

По теплотехническим признакам печи бывают:

-- на конвективные;

-- радиационные;

-- радиационно-конвективные.

Конвективные печи.

Конвективные печи относятся к одним из старейших типов печей. Они являются своеобразным переходным звеном от нефтеперегонных установок к печам радиационно-конвективного типа. В настоящее время эти печи практически не применяются, так как требуют значительных финансовых затрат. Их применяют только в тех случаях, когда требуется нагреть чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами. Она состоит из двух основных частей -- камеры сгорания и трубчатого пространства, которые разделены друг от друга перегородкой, так чтобы трубы не подвергались прямому воздействию огня.

Для предотвращения прожога начальных рядов труб, на которые воздействуют нагретые до высоких температур дымовые газы из камеры сгорания, и поддержания коэффициента теплоотдачи в значениях, приемлемых по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительный избыток воздуха или 1,5…4-кратная рециркуляция охлажденных дымовых газов, отводимых из трубчатого пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания. Дымовые газы проходят через трубчатое пространство сверху вниз. По мере уменьшения температуры газов равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом обязательным условием является сохранение постоянной объемной скорости продуктов сгорания [3].

Радиационные печи.

Все трубы, через которые проходит нагреваемый продукт, помещены на стенах камеры сгорания. Из-за этого у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных. Все трубы подвергаются прямому воздействию сильно нагретой газообразной среды. Этим достигается:

а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам. В основном закрывать все стены и свод трубами не нужно, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб. Данные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью. Радиационные печи применяются только в тех случаях, когда требуется нагреть вещества до сравнительно малых температур (приблизительно до 300 °С), при их малом количестве, и когда необходимо затратить малое количество капитала [4].

Радиационно-конвективные печи.

В радиационно - конвективной печи имеются две отделенные друг от друга секции: радиационная и конвективная. Значительная часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60…80 % всего использованного тепла), остальное - в конвективной секции. Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900°С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350…500°С (соответственно температуре перегонки). Величина конвективной секции рассчитывается с таким расчетом, чтобы температура выходящих продуктов сгорания, была почти на 150°С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому нагрузка от тепла труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью теплообмена - поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п. В настоящее время преобладающее большинство эксплуатируемых на нефтеперерабатывающих заводах печей занимают радиационно-конвекционными[5].

Конструктивные признаки.

- по форме каркаса:

а) коробчатые ширококамерные, узкокамерные;

б) цилиндрические;

в) кольцевые;

г) секционные.

-по числу камер радиации:

а) однокамерные;

б) двухкамерные;

в) многокамерные.

- по расположению горелок:

а) боковое;

б) подовое.

- по топливной системе:

а) на жидком топливе;

б) на газообразном топливе;

в) на сжиженном и газообразном топливе.

- по способу сжигания топлива:

а) факельное;

б) беспламенное.

- по расположению дымовой трубы:

а) вне трубчатой печи;

б) над камерой конвекции.

- по направлению движения дымовых газов:

а) с восходящим потоком газов;

б) с нисходящим потоком газов;

в) с горизонтальным потоком газов [6].

Принцип работы трубчатой печи и функции змеевика

Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются рабочая камера (радиация, конвекция), трубчатый змеевик (рис. 1.2), огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба.

Рисунок 1.2 - трубчатый змеевик

Однако, в данной работе рассматривается и рассчитывается змеевик как цельная конструкция, т.е. не разделяя змеевик на его элементы (трубы, отводы, переходы).

Печь работает следующим образом. Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации.

Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи [7].

Тепловое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи, является одним из основных технологических приемов, ведущих к получению заданных целевых продуктов.

Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания. Передача тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи. Тепло, переданное в этой секции конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, т. к. скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только местной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна.

Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей.

Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Поверхность футеровки радиационной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик, 60…80 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное -- в конвективной секции [8].

Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи. Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900 °С. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов.

Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью - поперечными или продольными ребрами, шипами и т. п.

Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании [9].

Принцип действия печи следующий. Топливо сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или полу камеры радиации. Продукты сгорания (газы) топлива из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу.

Сырье, которое необходимо нагреть одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретое до нужной температуры, выходит из печи.

Термическое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи необходимо для получения заданных целевых продуктов.

Основной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания.

Передача тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи.

Тепло, передаваемое конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, так как скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только локальной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна [10].

Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей. Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Футеровка радиантной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик. Около 60…80 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное -- в конвективной секции. Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи. Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900 °С. В камере конвекции, тепло к сырью передается в основном конвекцией.

Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании [11].

Принято считать, что металл трубчатых печей нефтехимических установок, под воздействием температурно-временных факторов, рабочих сред и напряжений претерпевает структурные и фазовые превращения, что, в конечном счете, приводит к деградации служебных свойств. В методике АО ОТ ВНИИнефтемаш в основу содержания работ по оценке технического состояния печи, при соблюдении требований по режиму работы и безопасной эксплуатации, положены представления о возможных отказах, имеющих следующие причины:

- наличие в металле, сварных или вальцованных соединениях дефектов, возникших при изготовлении, монтаже, ремонте или эксплуатации, развитие которых может привести к разрушению основных нагруженных элементов печи;

- изменения геометрических размеров и формы элементов (в результате высокотемпературной пластической деформации, коррозионного и эрозионного износа и т.д.) по отношению к первоначальным вызывающим превышение действующих в материале напряжений над расчетными;

- изменение структуры и механических свойств металла и сварных соединений в процессе высокотемпературной длительной эксплуатации, которые могут привести к снижению конструктивной прочности основных элементов печи [12].

1.2 Износ печного оборудования

Причины аварий

К одним из самых опасных видов производств относятся нефтеперерабатывающие, нефтехимические и химические заводы. Это связано не только с тем, что на них перерабатывается, производится, хранится большое количество опасных веществ, но и с близким расположением населенных пунктов. Также особую опасность представляет «плотная» застройка установок, что создает дополнительную угрозу возникновения техногенной опасности. Одним из главных критериев при оценке и обеспечении промышленной безопасности в нефтепереработке является проведение анализа безопасности эксплуатации производства. В связи с этим, для качественной оценки причин аварий необходимо проводить анализ статистических данных (таблица 1.1).

Таблица 1.1- Статистика аварий за 2008-2014 годы

№ п/п	Объект	Причина опасного события	Вид опасного события	Убыток(жертвы)
1	ООО «Томскнефтехим» 2007 г	Несоответствие действующей схеме сброса этилена проекту	Взрыв этилена	143 млн. руб., 1 человек погиб, 3 пострадало
2	ОАО «Саратовский НПЗ» 2007г	Недостаточное техническое оснащение установки, а также низкий уровень управления технологическим процессом со стороны руководства цеха	Возгорание в печи вакуумного блока установки ЛОУ АВТ-6	4,1 тыс.руб.
3	ОАО «Ярославский НПЗ» 2007г	Произошел разлив 100 т нефти	Возгорание нефти	Нет данных
4	ОАО "Саянскхимия" 2007г	Взрыв в печи по производству дихлорэтана	Взрыв	4 человека погибло
5	ОАО «Омский НПЗ» 2007г	Противоаварийная система оказалась отключена и не смогла вовремя перекрыть подачу газа	Взрыв в печи установки по первичной переработке нефти АТ-9	18 млн.долл.
6	ОАО «ЛУКОЙЛ- Волгограднефте- переработка» 2007 г	Разгерметизация ЭЛОУ АВТ-6	Взрыв, пожар	> 3 млн. руб
7	ООО «Ставролен» 2007 г	Разгерметизация ЭЛОУ АВТ-6	Воспламенение ГЖ, пожар	> 3 млн. руб
8	ОАО «Стерлитамакский нефтехимический завод» 2007 г	Разгерметизация ЭЛОУ АВТ-6	Воспламенение ГЖ, пожар	> 3 млн. руб
9	ОАО «Уфимский НПЗ» 2007 г	Разгерметизация ЭЛОУ АВТ-6	Воспламенение ГЖ, пожар	> 3 млн. руб
10	ОАО «Славнефть- Ярославнефторгсинтез» 2007 г	Разгерметизация ЭЛОУ АВТ-6	Воспламенение ГЖ, пожар	> 3 млн. руб
11	ООО «Киришинефтергсин- тез» 2008г	Разрушение установки гид- роочистки дизельного топлива	Взрыв	118 млн. руб. 5 человек погибли
12	ООО «Ставролен» 2008 г	Несанкционированные действия персонала на установке полимеризации	Взрыв, пожар	226 млн. руб. 4 человека погибли
13	ООО «Славянский битум ный завод» 2009 г	Перегрев мазута в резервуаре	Взрыв	> 4 млн. руб. 2 человека погибли
14	ООО «Уралоргсинтез» 2009 г	Разгерметизация трубопровода	Пожар	> 1 млн. руб
15	ООО «Ставролен» 2009 г	Разгерметизация трубопровода	Пожар	> 1 млн. руб
16	ЗАО «Таймырская топливная компания» 2009 г	Разгерметизация трубопровода	Пожар	> 1 млн. руб
17	ООО «ЛУКОЙЛ- Нижегород-нефтеоргсинтез» 2009 г	Разгерметизация АВТ-5	Пожар	> 1 млн. руб
18	ООО «ЛУКОЙЛ-Перм- нефтеоргсинтез» 2009 г	Разгерметизация трубопровода	Взрыв	> 1 млн. руб
19	ООО «Газпромнефть- Тюмень» 2009 г	Неправильная организация работ по очистке резервуара	Взрыв, пожар	> 1 млн. руб
20	ООО «Забайкальская НК» 2010 г	Разрушение оборудования	Взрыв, пожар	41 млн. руб.
21	ООО «Ставролен» 2011 г	Разрушение оборудования	Взрыв, пожар	0,8 млн. руб.
22	ООО «ВПК-Ойл» 2011 г	Организационные причины	Взрыв, пожар	> 1 млн. руб
23	ООО «РН Комсомольский НПЗ» 2013 г	Длительная эксплуатация (с 20 по 26 февраля 2013 года) змеевика нагревательной печи при температуре, значительно превышающей предельную температуру эксплуатации стали, из которой изготовлен змеевик печи;	Возгорание в топочном пространстве нагревательной печи П-1-201	Нет данных
24	ОАО «Ачинский нефтеперерабатывающий завод Восточной нефтяной компании» 2014 г	Разгерметизация шлемовой колонны К-401	Возгорание	8 человек погибло

Анализ причин аварий.

Причины аварий в нефтеперерабатывающей промышленности делятся на две категории: организационные и технические. Техническими причинами возникновения и развития аварий являются неудовлетворительное состояние технических устройств, а также несовершенство технологий или конструктивные недостатки. K организационным причинам относятся: нарушение технологии переработки, неорганизованность плана работ, неэффективность производственного контроля, намеренное отключение средств противоаварийной защиты, не соблюдение требований промышленной безопасности, несанкционированные действия исполнителей работ. На организационные причины приходится более 70% аварий [13].

Как показывает статистика, значительная часть аварийных ситуаций также связана с износом оборудования и проведением ремонтных работ подрядными организациями, нарушения руководством предприятий требований законодательства в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах.

Причины возникновения аварий на НПЗ, связанные с оборудованием, расположенным на открытых площадках, представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Причины аварий на площадках

Причина аварий	Количество аварий,%
Выход продукта через сальники, прокладки и т.д.	30,2
Нарушение режима эксплуатации технологической линии	16,9
Некачественный монтаж оборудования	14,1
Коррозия оборудования	12,1
Прогар труб	8,5
Переполнение промканализации	10,6
Прочие	10,6

Пожаровзрывоопасность отдельных блоков наружных технологических установок определяется характером сырья, готовой продукции, параметрами технологического процесса и особенностями оборудования. Отдельные элементы схем, например, открытые трубчатые печи, являются источниками не только образования взрывоопасных смесей, но и их воспламенения [14]. Распределение количества аварий по видам оборудования представлено в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Распределение количества аварий по видам технологического оборудования

Оборудование	Количество аварий, %
Технологические трубопроводы	31,2
Насосные станции	18,9
Емкостные аппараты (теплообменники, дегидраторы)	15,0
Печи	11,4
Ректификационные, вакуумные и прочие колонны	11,2
Промканализация	8,5
Резервуарные парки	3,8



Трубы и двойники трубчатых печей технологических установок работают в очень жестких условиях, особенно при переработке сернистых, агрессивных нефтей и их продуктов. В процессе эксплуатации наблюдаются следующие основные виды износа:

- износ труб по внутренней поверхности, т. е. увеличение внутреннего диаметра; утончение стенки трубы; при этом в местах развальцовки и в непосредственной близости к двойнику наблюдается наиболее интенсивный износ;

- износ печных труб по наружной поверхности, образование окалины, а затем сетки криппа;

- увеличение наружного диаметра труб (отдулины); прогары их;

- износ отбуртовки труб;

- деформация (прогиб) печных труб из-за обрыва подвесок;

- для двойников наблюдается износ по внутренней поверхности.

Перечисленные виды износа являются наиболее частыми причинами замены труб в печах различных технологических установок и связаны с целостностью или прочностными свойствами трубы. Кроме того, замена трубы возможна вследствие выхода из строя трубы смежной по двойнику или износа двойника.

Важнейший и ответственный элемент печи - трубчатый змеевик, который изготавливается из бесшовных цельнонатянутых труб, соединенных между собой с помощью двойников или сварных калачей. Он работает в весьма жестких условиях: наружная сторона испытывает термическое и окисляющее действие топочных газов, износ его внутренней поверхности зависит от агрессивности перерабатываемого сырья. Наиболее важным является образование и отложение на стенках змеевика продуктов глубокого уплотнения - кокса и сажи. При высоких температурах эксплуатации в трубах печей происходит интенсивное науглероживание их внутренней поверхности за счет диффузии углерода из кокса. Науглероживание металла ведет к резкому снижению его пластичности и охрупчиванию, изменению прочностных свойств и медленному, постепенному изменению структуры. Это приводит к выходу труб из строя [15].

1.3 Изменение механических и металлографических свойств металла печных труб в процессе эксплуатации

В печах некоторых установок есть большие зоны, трубы которых работают более 10--11 лет и находятся в хорошем состоянии (при визуальном наблюдении). Еще в большей степени это относится к двойникам, срок службы которых для целого ряда установок доходит до десятков лет [16].

Однако в металле труб могут происходить медленные, постепенные изменения свойств, которые с течением времени могут привести к внезапному выходу труб из строя.

С этой целью были исследованы механические и металлографические свойства образцов из 105 труб печей различных технологических установок; образцы были взяты из труб, удаленных либо из-за износа по внутренней поверхности, либо из-за появления отдулин, сетки криппа, прогаров.

Испытание металла труб на растяжение проводилось кратковременным способом. Механические испытания -- при комнатной температуре.

На рисунках 1.3 - 1.9 представлены наиболее характерные изменения структур металла печных труб, а также структуры металла новой трубы из стали 15Х5М [5].



Рисунок 1.3 - Структура стали 15Х5М в новой трубе: феррит + точечный перлит, равномерно распределенный по всему полю. Балл зерна 8 х 500

Рисунок 1.4 - Структура стали 15Х5М в трубе правого подового экрана ПЛС установки термического крекинга, проработавшей 8 месяцев и удаленной, как сдвоенная

Рисунок 1.5 - Структура стали 15Х5М в трубе потолочного экрана ПТС установки термического крекинга, проработавшей 2 месяца и удаленной из-за появления отдулипы.

Ясно видна коагуляция структурных составляющих, выпадение карбидов в основном по границам зерен и ближе к границе зерен. Балл зерна 7 х 500

Рисунок 1.6 - Сруктура стали 15Х5М в трубе подового экрана печи атмосферной части установки АВТ, проработавшей 3 года 9 месяцев и удаленной из-за появления сетки криппа

Рисунок 1.7 - Структура стали 15Х5М в трубе потолочного экрана печи атмосферной части установки АВТ, проработавшей 5 лет и удаленной из-за прогиба



Рисунок 1.8 - Структура стали 15Х5ВФ в трубе подового экрана печи II-2 установки селективной очистки масел (37/1), проработавшей 3 года 11 месяцев и удаленной из-за появления сквозных поперечных трещин

Рисунок 1.9 - Структура стали 15Х5М в трубе потолочного экрана печи П-2 установки 35/1, проработавшей 2 года 11 месяцев и удаленной из-за прогиба

Результаты испытаний механических и металлографических свойств металла труб позволяют сделать некоторые выводы.

У 26% всех исследованных труб наблюдается изменение металлографической структуры [17]:

- коагуляция структурных составляющих;

- выпадение карбидов по границам зерен, утолщение этих границ и некоторый рост зерна.

Во многих случаях наблюдается науглероживание металла труб с внутренней и обезуглероживание с наружной поверхности. В некоторых образцах отмечена деформация зерна, вытянутость его в направлении, перпендикулярном диаметру трубы. Наибольший процент труб с измененной структурой приходится на потолочные и подовые экраны ПТС (46,1%), так как именно в этих зонах металл труб подвергается воздействию наиболее высоких температур [18].

Однако изменение этих свойств во времени для разных установок неодинаково. Если для труб ПТС установок термического крекинга изменение структуры отмечается уже через 300--400 ч эксплуатации, то для труб других установок -- через 8000 ч и более.

Таким образом, длительность эксплуатации имеет такое же влияние на изменение металлографических свойств, как и повышение температуры стенок трубы. При этом у 70% испытанных труб в печах всех рассмотренных установок структура металла не изменилась. Многие из этих труб проработали более 40000 - 60000 ч. Изменения металлографических свойств металла не оказывают заметного влияния на его механические свойства.

У 76% рассмотренных труб твердость либо осталась в пределах технических условий для нового металла, либо несколько понизилась. Наименьшая твердость 105 единиц, наибольшая - 514. 53% труб с повышенной твердостью имеет значительные нарушения микроструктуры (выпадение карбидов по границам зерен, утолщение границ зерен и т. д.). Из труб с пониженной и нормальной твердостью только 24% имеют нарушения в структуре.

Следует отметить, что наибольший процент труб (43,7%) с повышенной твердостью относится к потолочному экрану ПТС установки термического крекинга, т. е. к зоне с наиболее высокой температурой стенки трубы. Как правило, металл труб с повышенной твердостью имеет и повышенные значения временного сопротивления.

Таким образом, под воздействием высоких температур металл труб в печах как бы подвергается термической обработке: отжигу (или высокотемпературному отпуску) или улучшению. В первом случае твердость металла и его механические свойства несколько снижаются, во втором - повышаются [19].

Надо подчеркнуть, что во всех рассмотренных случаях значения ударной вязкости, относительного удлинения и временного сопротивления были равны или несколько выше значений, предусмотренных техническими условиями для нового металла:

- значение ударной вязкости было не ниже 14 Дж/м2;

- относительное удлинение составляло 27 - 32%;

- наименьшее значение временного сопротивления на разрыв лишь в одном случае оказалось ниже 40 кг/см2 и равнялось 36,2 кг/см2.

Таким образом, в процессе длительной нормальной эксплуатации труб из стали 15Х5М и Х5ВФ в печах всех рассмотренных технологических установок в металле не происходит значительных изменений металлографических и механических свойств, которые могут привести к его разрушению.

Целостность металла труб нарушается, как правило, вследствие значительного повышения температуры стенок труб из-за отложения кокса или солей на внутренних поверхностях труб или нарушения режима работы печи [20].



2. Теоретические основы проектирования и моделирования систем

2.1 Оптимизация конструкции трубчатого змеевик

Для достижения высоких технико-экономических показателей работы трубчатых печей первостепенное значение имеет задача оптимизации конструкции трубчатого змеевика.

Оптимизация может проводиться по технико-экономическим показателям эксплуатации трубчатых печей в целом. В этом случае за критерии оптимизации могут приниматься такие как: минимум удельных затрат материалов при условии выполнения заданных характеристик и показателей надежности; обеспечение продолжительной и стабильной номинальной производительности установки; максимальный выход целевых продуктов при минимальном расходе топлива и энергетических ресурсов.

Одна из задач оптимизации конструкции змеевиков, которая состоит в вычислении оптимальной температурной траектории по длине змеевика при заданных технологических параметрах управления.

Большое количество аварий на трубчатых печах связано с разгерметизацией трубчатого змеевика и выбросом технологической среды в объем печи. В этой связи особое значение имеет оптимизация режимов с целью снижения вероятности отказов змеевика.

Другой аспект оптимизации лежит в области оптимального проектирования конструкции змеевика с целью снижения металлоемкости при обеспечении необходимых условий прочности и жесткости [21].

В работе обсуждается в наиболее общей форме задача реализации последовательности и содержания различных этапов процедур оптимизации змеевиков с использованием их математических аналогов, полученных путем компьютерного моделирования с использованием программных комплексов ANSYS. Определенны направления оптимизации змеевика и его критерии. Рассматривается алгоритмы оптимизации змеевика по заданной скорости выхода продукта из печи и обеспечения заданной прочности.

2.2 Методы исследования трубчатого змеевика

Обычно при изготовлении змеевиков наилучший вариант эксперимента выполняется с помощью натурных испытаний, сравнивая характеристики различных образцов, что и требует значительного затрата времени и является не экономичным. Решение можно получить с применением численного моделирования на основе компьютерных технологий. Реализуемый при этом сценарный подход позволяет быстро и качественно оценить взаимосвязь множества свойств змеевика и выбрать его конструкцию таким образом, чтобы змеевик имел наименьшую стоимость, материалоемкость и наилучшие эксплуатационные свойства.

Этот подход основан на методах вычислительной гидродинамики для моделирования процессов тепломассопереноса при нагреве и частичном или полном испарении нефти в трубчатом змеевике, основанные на конечно-объёмных методах решения уравнений гидродинамики. Решение гидродинамической задачи реализовано в программном комплексе ANSYS российской.

Прочностной анализ трубчатого змеевика как системы, имеющую сложную геометрическую конфигурацию с различными конструктивными элементами выполнялся при помощи метода конечных элементов. Это позволяет получить точную оценку напряженно-деформированного состояния змеевика с учетом рабочих термосиловых нагрузок и реализован в программном комплексе ANSYS [22].

Для достижения поставленной задачи был разработан план и алгоритм процесса проектирования. На начальном этапе начали с проектирования конструкции трубчатого змеевика в программных обеспечениях: SolidWorks, Ansys. Ниже представлены этапы работы в данных программах.

САПР SolidWorks - программное обеспечение, созданное одноименной американской компанией для использования на персональных компьютерах в операционной среде Windows.

Трехмерное твердотельное и поверхностное параметрическое проектирование - это принципы, используемые в настоящей утилите. Они позволяют конструкторам создавать объемные детали и составлять сборки в виде 3-мерных электронных моделей, которые в дальнейшем применяются для организации двухмерных чертежей и спецификации согласно требованиям ЕСКД [23].

Трехмерное моделирование существенно превосходит по преимуществам линейное проектирование. Программа SolidWorks позволяет увидеть будущее изделие в объеме с разных сторон и придать ему реалистичности отображения в соответствии с избранным материалом для пробной оценки дизайна.

Процесс построения 3-мерной модели основывается на формировании объемных геометрических элементов и выполнении разных операций между ними.

Принцип чем-то напоминает конструктор «LEGO» - модель создается из шаблонных элементов (блоков), она подлежит редактированию путем добавления/удаления данных блоков или посредством изменения их характерных параметров.

Трехмерная модель предоставляет наиболее подробное описание свойств объекта (масса, объем, моменты инерции) и позволяет работать в виртуальном объемном пространстве, благодаря чему на самом высоком уровне происходит приближение компьютерной модели к облику будущего изделия, при этом этап макетирования полностью исключается [24].

2.3 Этапы проектирования

Современный этап инженерной проектной деятельности характеризуется системным подходом к решению сложных научно-технических задач с использованием комплекса гуманитарных, естественнонаучных, математических и научно-технических дисциплин.

Целью и результатом разработки новых изделий является само изделие.

Изделие относится к сфере материальных объектов и служит для удовлетворения требований производства и потребностей человека. Сама разработка нового изделия - это особый этап, относящийся к сфере умственной деятельности [25].

Разработка новых изделий осуществляется инженерно-техническим персоналом путем проектирования и конструирования. Проектирование и конструирование являются процессами взаимосвязанными, дополняющими друг друга. Конструктивная форма объекта уточняется с применением методов проектирования - выполнением расчетов параметров, прочностных расчетов, оптимизации и др. В свою очередь, проектирование возможно только при предварительно принятых вариантах конструктивного исполнения. Часто эти два процесса не различают, так как они выполняются, как правило, специалистами одной профессии - инженерами-конструкторами. Однако проектирование и конструирование - процессы разные.

Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект разрабатываемого объекта [26].

Проектирование - это выбор некоторого способа действия, в частном случае - это создание системы как логической основы действия, способной решать при определенных условиях и ограничениях поставленную задачу [27].

Процесс проектирования укладывается в следующую схему, представленную в таблице 2.1.



Таблица 2.1 - Схема процесса проектирования

Стадия процесса	Подготовка > Замысел > Поиск > Реализация
Основные виды обеспечения	Информационное	Методическое	Техническое
	Базы знаний Банк данных прогнозов, стандартов Альбомы типовых конструкций Стандарты, справочные данные и др.	Методы решения изобретательских задач Методы решения задач стандартизации Методы решения оптимизационных задач	Средства вычислительной техники САПР Программно-технические комплексы и др.

2.4 Проектирование технических систем

Общие понятия о проектировании технических систем.

Сформулируем некоторые основные понятия, которые будут использоваться в дальнейшем.

Технический объект - это объект, создаваемый человеком для удовлетворения своих потребностей.

Техническая система (ТС) - это совокупность технических объектов, реализующая законченных технологический процесс, например, производства конкретного изделия. Разновидность таких систем, в функционировании которых принимают непосредственное участие люди, называются биотехническими системами.

Функции ТС (или технического объекта). Они определяются потребностью, которую предназначена удовлетворять система, т.е. назначением (автомобиль перевозит грузы, робот манипулирует различными предметами и т.д.).

Структура ТС. Она определяет состав системы из функциональных частей, например, в виде агрегатов, блоков, узлов и т.п. Такая структура называется функциональной. Применяется еще понятие потоковая структура, которая описывает потоки преобразования вещества, энергии или информации [28].

На рисунке 2.1 приведена типовая структура всего процесса проектирования.

Рисунок 2.1 - Структура процесса проектирования

Показатели (критерии) качества ТС. Они бывают функциональные, технологические, экономические, антропологические. Функциональные критерии - это производительность, точность, надежность и т.п., технологические - трудоемкость, технологические возможности, используемые материалы и т.п., экономические - затраты материалов, энергии и т.д., антропологические - эргономичность, экологичность, безопасность и т.п.

Законы (закономерности) развития ТС. Они определяют устойчивые изменения во времени основных показателей качества ТС и других показателей, характеризующих ТС (конструктивных и т.п.).

При изучении законов развития ТС используют понятие цикличности развития техники (в виде сочетания последовательностей эволюционных и революционных этапов) и показателей техники. На их базе осуществляется прогнозирование развития техники методами моделирования, экстраполяции и экспертных оценок [29].

Проектирование технических систем - это процесс создания нового изделия в виде его проекта.

Проектирование технических систем входит в более общее понятие - инновационная деятельность, т.е. разработка и реализация инновационных проектов. Инновация - это нововведение в виде новых изделий, технологий и любых других новшеств в любых сферах человеческой деятельности от научно-технической до экономической и социальной. В последние годы сформировалось соответствующее новое научное направление - инноватика, предмет которого разработка общей теории и методов инновационной деятельности.

Укрупненно процесс проектирования изделия включает формулировку технического задания на разработку изделия, его идеи - физического принципа действия, разработку плана выполнения проекта и, наконец, его реализацию [30].

Проект изделия - это совокупность технических документов, по которым оно может изготавливаться и эксплуатироваться. Проект может быть выполнен традиционно на бумаге или на электронных носителях информации. Состав технической документации регламентирован стандартами. В нашей стране они объединены в единую систему конструкторской документации (ЕСКД), а состав программной документации (ее часто выделяют из технической документации) - в единую систему программной документации (ЕСПД). В техническую документацию входят схемная, конструкторская, монтажная, текстовая, технологическая и эксплуатационная документации.

Этапы проектирования созданного изделия:

- разработка технического задания;

- предварительное проектирование;

- эскизное проектирование;

- техническое проектирование;

- производство;

- эксплуатация [31].

Проектирование изделия включает следующие элементы:

- анализ опыта эксплуатации и постановка научно-технической проблемы: изучение динамики изменения потребностей в новой технике; прогнозирование развития объектов, методов и средств производства.

- патентное исследование: обеспечение патентоспособности и патентной чистоты объектов.

- теоретическое и экспериментальное исследования: проведение исследований с целью апробации новых идей, прогнозов, технологий, материалов, обеспечения и поддержания качества изделия на современном уровне. трубчатый печь змеевик деформированный

- опытно-конструкторская работа (ОКР) - «... процесс разработки одного или нескольких исполнений изделия, сочетающий собственно конструкторские разработки с большим объемом расчетно-экспериментальных исследований, изготовлением объектов техники и их всесторонней экспериментальной проверкой... сопоставлением опытных данных с техническим заданием и документацией и внесением необходимых изменений в эту документацию» [32].

2.5 Теоретические основы проектирования технических систем

С позиций кибернетики и прежде всего теории управления проектирование можно рассматривать как процесс управления и соответствующую ему систему управления. Такой системный подход к проектированию технических систем предложено было даже назвать «инженерной кибернетикой». Для теоретического осмысления процесса проектирования и разработки на этой основе инженерных методов проектирования технических систем могут быть применены математический аппарат и методология этих наук: математическое моделирование, методы оптимизации решений, методы управления и исследования больших систем.

Модель такой системы может быть в простейшем случае детерминированной и даже одноконтурной и стационарной, а может быть сетевой, вероятностной, теоретико-игровой, информационной, эвристической.

Сетевые модели, в частности, широко используется для планирования процесса проектирования во времени. Основа сетевых моделей (сетевых графиков) - теория графов. Сетевые модели удобны для оптимизации процесса проектирования (путем сокращения критического, т.е. наиболее длинного пути и выравнивания длин всех параллельных путей). Основные принципы такой оптимизации: распараллеливание работ, распределение ресурсов между ними в пользу критических путей, организационные и технологические изменения работ с целью сокращения их длительности. В информационных моделях процесс проектирования трактуется как процесс переработки информации. В основе эвристических моделей лежат не формализуемые эвристические методы и приемы [33].

Наиболее важная задача при разработке модели системы проектирования - разбиение ее на части, образующие структурную схему системы проектирования. Здесь необходим системный подход к создаваемому изделию. Прежде всего анализируются все внешние связи изделия и формализуются в виде входных и выходных воздействий, как положено в теории автоматического управления. Затем выделяются функциональные части изделия с учетом их взаимодействия. В результате составляется структурная схема системы проектирования изделия, включающая все его части и все перечисленные выше этапы процесса проектирования.

Следующая задача - разработка алгоритма процесса проектирования, соответствующего структуре схемы проектирования. Как говорилось выше, этот алгоритм будет обязательно интерактивным. На каждом шаге итерации разработчик ищет возможно наиболее совершенное решение, постепенно уточняя и усложняя задачу. В начале он работает в рамках содержания ТЗ, а заканчивает наиболее полным представлением о модели создаваемого изделия в виде рабочего проекта.

Следующая задача процесса проектирования - разработка укрупненного плана решения задачи в виде последовательности действий (этапов) от ТЗ до готового проекта, т.е. разработка стратегии проектирования. Для каждого такого действия должна быть выбрана методика. В результате стратегия проектирования представляется в виде совокупности последовательно применяемых методик.

Существует пять основных типов стратегий: линейная, циклическая, разветвленная, адаптивная и случайная. Линейная стратегия состоит из цепочки последовательных действий (этапов), каждое из которых зависит только от результата предыдущего действия и не зависит от последующих. Это наиболее простая стратегия, соответствующая одноконтурной структуре системы проектирования без обратных связей.

Циклическая стратегия реализует итеративный процесс синтеза, когда после получения результатов очередного действия осуществляется возврат к одному из предыдущих действий и его уточненное повторение. В структуре системы проектирования этому соответствуют местные обратные связи. Это более сложная стратегия по сравнению с линейной. Наличие замкнутых контуров может создать для проектировщика «порочный круг», выход из которого потребует изменения самой структуры системы [34].

Разветвленная стратегия включает параллельные и конкурирующие действия (этапы), т.е. операции «и» и «или», по результатам которых производится изменение стратегии, т.е. структуры.

Адаптивная стратегия предполагает определение сначала только первого действия, а выбор последующего осуществляется в зависимости от результата первого действия и т.д. Структура системы проектирования при такой стратегии является самоорганизующейся. Это наиболее совершенная, но и сложная стратегия. Ее недостаток - в непредсказуемости сроков и соответственно стоимости проекта.

Случайная стратегия основана на случайном поиске решения и не имеет плана действий.

Реальные стратегии проектирования и соответствующие им системы проектирования обычно представляют собой комбинацию перечисленных выше типовых стратегий и структур системы.

На всех этапах проектирования частей изделия и изделия в целом разработчик обычно в разной последовательности выполняет следующие типовые процедуры: синтез, анализ, принятие решения, создание моделей. При этом на каждом последующем этапе эти процедуры уточняются и углубляются [35].

Процедура синтеза - это формирование принципов действия и технических решений задачи.

Анализ - это в данном случае прежде всего проведение и оценка результатов математических и экспериментальных исследований.

Принятие решения - типовая процедура при проектировании нового изделия, заключающаяся в выборе наилучшего, неизбежно компромиссного решения из некоторого множества вариантов (альтернатив). Наилучшее решение - это решение оптимальное по определенным критериям качества в рамках заданных в ТЗ ограничений на характеристики изделия. Как правило, критериев и ограничений несколько. Именно поэтому принятие решения - задача всегда компромиссная.

Если варианты решения можно описать математически, появляется возможность формализовать задачу принятия решения на базе теории оптимизации и применения ЭВМ. Для этого используют известные методы оптимизации (поисковые, аналитические, численные, комбинаторные, теоретико-игровые, стохастические, эвристические).