Система обеспечения работоспособности содовых печей в условиях эксплуатации

Одной из важных проблем машиностроения является обеспечение работоспособности уникальных машин и сложнонагруженных конструкций и аппаратов химических и нефтеперерабатывающих производств, к которым относится и корпус вращающейся содовой печи для производства кальцинирования соды на основе естественного минерального сырья.

На корпусах содовых печей (КСП) под влиянием сложных условий нагружения и эксплуатации возникают различные дефекты, приводящие в некоторых случаях к аварийным остановкам СП.

Нестабильность температурных и силовых параметров является причиной возникновения повреждений КСП в виде кольцевых трещин, отду-лин, вмятин, перегревов КСП и т. д.

Возникновению вышеназванных повреждений способствует низкий технический уровень и технологичность СП, а также качество организации сборочно-сварочных работ при эксплуатационном обслуживании СП.

В диссертационной работе ставится задача обеспечения работоспособности СП разработкой технологических мероприятий с учетом соотношений факторов точности исходя из функциональных и технологических требований к конструкции КСП.

На основании вышесказанного сформулированы следующие задачи исследований:

1. Исследование технического состояния работоспособности СП в дифференциальной и комплексной постановке на основе системного подхода.

2. Провести функциональный анализ КСП и дать математическое описание техническому состоянию с учетом эксплуатационной ситуации при неравномерном нагреве.

3. Исследованием параметров точности заменяемых блоков КСП, установить оптимальные варианты их изготовления в условиях индустриального монтажа и обслуживания. 6.

4. Создать комплекс технологического обеспечения работоспособности КСП при эксплуатации, разработкой управляющих воздействий созданием ТС КСП.

5. Разработать методы и средства индустриального обслуживания при эксплуатации КСП на основе алгоритмо-программного обеспечения расчета и управления факторами точности.

6. Дать оценку экономической эффективности проведенных разработок.

В работе исследования проводились с применением метода математического моделирования в системном решении задач, использовался математический аппарат точных и приближенных методов вычисления, аналитические методы оптимизации на основе статико-геометрической аналогии. Для определения базовых расчетных характеристик и оценки состояния металла корпусов СП проводились методы металлои фрактографического анализа.

В натурном эксперименте, для установления наследственного характера изменения геометрических и технологических параметров применен метод графов, планирования эксперимента, теории случайных функций, теории точности и взаимозаменяемости.

Новизной в работе является создание научно-методических основ обеспечения работоспособности корпусов СП разработкой требований к точности, технологичности изготовления и ремонта КСП на базе функционально-технологического синтеза:

1. Предложена методика квалиметрической оценки технического уровня на базе системного формирования дифференциальных и комплексных показателей качества эксплуатации СП.

2. Разработан механизм воздействия на качество эксплуатации, улучшающий работоспособность, при достижении сертификационного уровня выполнения восстановительных работ. 7.

3. Разработаны математические модели технического состояния по основным функциональным свойствам КСП, повышающие работоспособность СП достижением стабилизации полей.

4. Разработан комплекс технологического воздействия, реализованный в виде ТС СП, оказывающий значительное влияние на техническое состояние СП.

5. Дано структурно-функциональное и математическое описание ТС СП, позволяющее определить составные компоненты системы технического контроля, как воздействия на повышение работоспособности.

Ценность работы состоит в разработке комплекса информационно-конструкторского и технологического обеспечения работоспособности СП на основе разработки принципов конструкторской точности нестандартных соединений, методов и средств метрологического обеспечения системы технического контроля, а также средств технологического оснащения эксплуатационного обслуживания ремонта корпусов СП. Предложенное программно-алгоритмическое обеспечение регулирования факторов точности позволяет увеличить межремонтный пробег корпусов СП огневой кальцинации.

Работа имеет следующую структуру.

Первая глава посвящена технической характеристике, анализу работоспособности, определению особенностей производства и оценке состояния сборочных работ при эксплуатационном обслуживании корпусов (СП), как основной силовой, несущей оболочечной конструкции печного агрегата содового производства.

Проведен квалиметрический анализ совокупности конструктивных и технологических параметров, определяющих работоспособность СП. Дан анализ дефектов корпусов СП на основании обработки нормативной и технической документации по обслуживанию, реконструкциям и модернизациям действующих вращающихся СП, а также при визуальных осмотрах 8 эксплуатационных дефектов корпусов СП во время текущего и капитального обслуживания в процессе эксплуатации СП.

Опыт эксплуатации СП показывает, что основными дефектами корпусов СП, вызывающих внеплановые простои, являются: кольцевые трещиныдефекты формы, проявляющиеся в виде вздутий, выпучин, отдулин и вмятин, а также прогиба КСП, овальности, огранки, смещения кромок и угловатостидефекты металла КСП в виде прогаров, разрыхлений.

Возникновению вышеназванных дефектов способствует нестабильность напряженно-деформированного состояния, температурных полей КСП, а также точность конструктивных параметров соединений.

Разработан принцип системности обеспечения работоспособности корпусов СП по потребительским свойствам и дано обоснование нового научно-методического подхода повышения работоспособности корпусов СП по факторам точности в двух направлениях: информационное, связанное с математическим моделированием конструкторской точности, и технологическое, определившее системную концепцию технологического обеспечения точности в условиях разработанной автором технологической системы сборки КСП (ТС СП).

Вторая глава посвящена функциональному анализу корпусов СП и математическому описанию технического состояния с учетом эксплуатационной ситуации при неравномерном нагреве КСП.

Проведен многофакторный анализ совместного влияния напряженно-деформированного и структурно-геометрического состояния, эксплуатационной ситуации с неравномерным нагревом на работоспособность КСП в многопараметрических полях.

Применением графо-аналитического способа системного анализа рассмотрена наследственная природа возникновения и развития возмущающих факторов, позволившая установить доминирующие факторы, оказывающие влияние на работоспособность КСП при эксплуатации. 9.

Установлено, что теплосъем с внутренней поверхности КСП зависит как от степени заполнения, так и от числа оборотов, диаметра и длины КСП, и от температуропроводности материала, от его объемного веса, пористости.

Проведены исследования теплового потока от топочных газов к КСП в области преимущественного радиационного теплообмена (где КСП передается 75−85% общего количества тепла).

Получены эмпирические уравнения, описывающие изменение теплового потока от топочных газов к корпусу печи при сжигании топлива двумя горелками, расположенными с торца топки, при сжигании мазута и природного газа.

Установлено, что неравномерность теплового потока, создаваемого в топке, приводит к возникновению пика температурного разогрева стенки КСП за счет лучистого теплообмена, реализуемого полным охватом КСП пламенем, который достигает значения 600−650°С.

Предложенная методика и разработанная программа позволяют обеспечить выравнивание температуры стенки КСП, оптимизацией теплового потока в топке печи, степени заполнения КСП, числа оборотов и режима загрузки КСП.

Изложены экспериментальные и фрактографические методы исследования структурной точности КСП, работающих одновременно под действием статических, циклических и температурных воздействий. Обработка результатов проведенных экспериментов для металла сварного шва, зоны термического влияния .и основного металла корпуса в продольном и поперечном направлениях проката показывает, что в процессе эксплуатации металл КСП претерпел структурные изменения и потерял первоначальные механические характеристики.

Проведен анализ напряженно-деформированного состояния корпусов СП по литературным источникам и проведенным в данной работе исследованиям.

Третья глава посвящена исследованию параметров точности заменяемых блоков КСП и установлению оптимальных вариантов их изготовления в условиях индустриального монтажа и обслуживания.

Исследования охватывали анализ и синтез точности размеров поперечного сечения различных частей КСП по двум видам отклонений базового диаметра: собственно размера (периметра), отклонений формы в виде отклонений от круглости (овальность, огранка), а также смещение кромок, неплоскостность и зазор в нестандартных соединениях КСП.

Анализ и синтез точности корпусов в поперечном сечении предусматривал исследования с целью вычисления диаметра и получения правильного представления о законах распределения погрешностей формы для технологического обеспечения точности присоединительных размеров нестандартных соединений КСП. В качестве основного приема вычислительного эксперимента применяли разложение функции погрешности профиля в тригонометрический ряд Фурье для получения первичных слагаемых погрешностей формы.

Расчет точности диаметра с учетом перечисленных отклонений проведен по выводам вычислительного и натурного экспериментов.

С целью комплексного изучения вопросов точности, связанных с расширением информативности математических моделей вычислительного эксперимента, опытного нахождения неиз вестных коэффициентов, получения сравнительных данных точности сборки, проведены трудоемкие натурные исследования технологической точности, включающие разработку методики опытных исследований и проведение натурного эксперимента. Было исследовано 13 корпусов СП.

Регулированием точности корпуса СП достигалась минимизация смещения кромок стыкуемых блоков с отклонением формы и обеспечивалась точность КСП в продольном сечении сборкой блоков по формуляру.

Рассмотрено два вида воздействия технологического обеспечения на точность этих размеров на основе принципа инверсии: расчет и регулирование (компенсация).

Технологическое обеспечение регулирования точности смещения кромок обечаек имеет два вида направления и осуществляется с помощью средств технологического оснащения (СТО) и информационной системы.

В первом направлении регулирования аттестованные измерением диаметра заменяемые блоки КСП устанавливаются на средства технологического оснащения, разработанные автором для сборки с местной калибровкой для достижения минимального смещения кромок.

По второму направлению саморегулированием точности в стохастической постановке предусматривается сборка обечаек с минимизацией смещения кромок с вероятностной мерой и для него разработана методика точностного расчета.

В проведенном математическом моделировании точности корпусов СП для расчета разработано программно-алгоритмическое обеспечение на ЭВМ.

Комплексная оценка точности корпусов СП основана на выборе базовых элементов для измерения отклонений формы с помощью специально разработанных профилографов и лазерных информационно-измерительных систем, оснащенных ЭВМ.

Регулированием точности КСП сборкой заменяемых блоков по формуляру достигается стабилизация напряженного состояния ликвидацией пучков рабочих напряжений в стыковых соединениях.

Для уменьшения количества стыковых кольцевых соединений изготовление и сборка заменяемых блоков осуществляется по методу карт.

Четвертая глава посвящена созданию комплекса технологического обеспечения работоспособности КСП при эксплуатации и разработке управляющих воздействий созданием ТС СП.

Рассмотрена совокупность компонентов ТС в системной постановке и намечены пути технологического обеспечения работоспособности корпусов СП. В системной концепции проектирование ТС КСП носит силовой характер с последовательностью синтез-анализ-принятие решения. На последнем строилась его формализация как системы целенаправленного формирования работоспособности КСП с учетом требований технологичности и точности.

Осуществлено методическое обеспечение эксплуатационной технологичности конструкций печей и топки в ТС СП, позволяющее стабилизировать напряженно-деформированное состояние и температурные поля КСП при эксплуатации.

Созданы средства технологического оснащения (СТО) ТС СП в блоч-но-модульном исполнении.

Повышение эффективности эксплуатационного обслуживания достигнута применением метода неполной взаимозаменяемости при сборке заменяемых блоков КСП по способу формуляра, разработанного автором.

Стабилизация полей технического состояния создает условия для использования процессов восстановительных работ при эксплуатационном обслуживании. Опробированы и реализованы процессы восстановительных работ с исправимыми и неисправимыми дефектами.

Разработан принцип и нормирована точность функциональных параметров, получившие отражение в разработанной с участием автора эксплуатационной НТД, с учетом сертификационных требований к СП по заданному техническому ресурсу. Разработанные НТД внедрены в СПО «Сода» и получен реальный экономический эффект.

Для реализации средств технологического оснащения работоспособности предусмотрено электронное обслуживание с разработанным автором пакетом прикладных программ.

Разработанны методы и средства индустриального обслуживания при эксплуатации КСП на основе алгоритмо-программного обеспечения расчета и управления факторами точности.

В пятой главе описана разработанная автором система метрологического обеспечения контроля КСП. с автоматизированным контролем размеров, отклонений формы и взаимного расположения в условиях модульного исполнения ТС СП.

Разработана методика оценки экономической эффективности от внедрения практических рекомендаций в конъюнктурной обстановке рыночной экономики.

К реализованным предложениям относятся ТС КСП, инструкции и стандарты предприятий на техническое оборудование ТС КСП и серия нормативных документов.

Материалы диссертации используются в учебном процессе УГНТУ при подготовке инженеров-механиков.

Работа выполнена на кафедре 'Технология нефтяного аппарато-строения" Уфимского государственного нефтяного технического университета. В связи с этим автор искрене признателен зав. кафедрой, академику АН РБ, доктору технических наук Бакиеву A.B. и своему научному руководителю — доктору технических наук, профессору кафедры Абдееву Р. Г. за постановку задач исследований и постоянную помощь в разработке и реализации результатов диссератционной работы.

Автор признателен кандидату технических наук, доценту Ризванову Р. Г., научному консультанту, оказавшему неоценимую помощь в алгорит-мо-программном обеспечении работы.

6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ фазового пространства нестабильных полей функциональных свойств метрического, механического и энергетического происхождений выявил следующее:

— знакопеременный малоцикловой характер нагружения, неравномерное температурное поле КСП по длине приводит к преждевременной потере работоспособности КСП и сокращению межремонтного пробега печного агрегата;

— наличие локальных геометрических неоднородностей соединений и погрешности размеров КСП усугубляют нестабильность эксплуатационной ситуации СП;

— низкое качество организации сборочно-сварочных работ при эксплуатационном обслуживании СП приводит к снижению технического уровня отечественных СП.

2. Дальнейшее повышение работоспособности СП зависит от реализации комплекса исходных положений, включающего оптимизацию функциональных параметров и точности, систему нормативного и технологического обеспечения качества при заданной эксплуатационной ситуации.

3. Обеспечение работоспособности СП достигается технологическим воздействием на качество эксплуатации СП. Автором предложен индустриальный подход к эксплуатационному обслуживанию СП с реализацией разработанной ТС СП в условиях содового производства.

4. В целях повышения экономической эффективности предложенной ТС СП, предусмотрена модернизация конструкции СП на основе повышения технологичности ее элементов, включающих новый метод изготовления и сборки заменяемого блока КСП, оптимизацию топки СП и комплекса СТО в модульно-блочном исполнении.

5. Значительное повышение качества и экономичности эксплуатационного обслуживания достигается применением метода неполной взаимозаме.

234 няемости при сборке заменяемых блоков КСП по способу формуляра, разработанного автором.

6. Стабилизация полей технического состояния создает условия для использования процессов восстановительных работ при эксплуатационном обслуживании. Опробированы и реализованы процессы восстановительных работ с исправимыми и неисправимыми дефектами.

7. Разработан принцип и нормирована точность функциональных параметров, получившие отражение в разработанной с участием автора эксплуатационной НТД, с учетом сертификационных требований к СП по заданному техническому ресурсу. Разработанные НТД внедрены в СПО «Сода» и получен реальный экономический эффект.

8. Реализация средств повышения работоспособности предусматривает электронное обеспечение с пакетом прикладных программ.

9. Разработана методика оценки экономической эффективности от внедрения практических рекомендаций в конъюнктурной обстановке рыночной экономики.