Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Совершенствование методов проектирования и расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга

Диссертация: Совершенствование методов проектирования и расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Анализ изменения механических свойств в процессе эксплуатации показал умеренное (в среднем на 20%) снижение пластических характеристик при незначительном (не более чем на 10%) росте прочностныхв то же время наблюдается существенное (более чем на 40%) уменьшение ударной вязкости, что говорит о развитии охрупчивания. Измерения твердости и микроствердости свидетельствуют о возникновении… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Литературный обзор
    • 1. 1. Конструкция, материальное оформление и особенности эксплуатации нагревательных и реакционных трубчатых печей
    • 1. 2. Структура и свойства жаропрочных сталей аустенитного класса
    • 1. 3. Старение металла печных труб в процессе эксплуатации
      • 1. 3. 1. Изменение физико-механических свойств металла труб печей
      • 1. 3. 2. Науглероживание конструкционных сталей при переработке углеводородного сырья
    • 1. 4. Выводы
  • 2. Исследование изменения структуры и свойств стали печных труб в процессе эксплуатации
    • 2. 1. Объект исследования
    • 2. 2. Проведение микроструктурного анализа
    • 2. 3. Измерение микротвердости
    • 2. 4. Измерение твердости
    • 2. 5. Испытания на растяжение (статические)
      • 2. 5. 1. Условия эксперимента
      • 2. 5. 2. Определение предела прочности (временного сопротивления)
      • 2. 5. 3. Определение предела текучести
      • 2. 5. 4. Определение относительного равномерного удлинения
      • 2. 5. 5. Определение относительного сужения
      • 2. 5. 6. Результаты испытаний
    • 2. 6. Испытания на ударный изгиб (динамические)
    • 2. 7. Выводы
  • 3. Оценка напряженно-деформированного состояния науглеро-женного участка змеевика нагревательной печи методом конечных элементов
    • 3. 1. Исходные данные
    • 3. 2. Моделирование потери устойчивости формы
    • 3. 3. Результаты расчетов 72 3.3 Выводы 77 4 Методика проектного расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга 78 Основные
  • выводы
  • Список литературы

Совершенствование методов проектирования и расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность работы. Трубчатые печи являются одной из основных групп энергетических агрегатов на установках нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Эксплуатационная надежность и долговечность трубчатых печей влияет на технико-экономические показатели работы всей установки. В свою очередь работоспособность печи зависит от состояния её конструкционных элементов. Одним из основных узлов, лимитирующих безремонтный пробег печных трубчатых печей, а следовательно, и установок в целом, является трубчатый змеевик.

Анализ дефектов змеевиков позволяет сделать вывод, что для металла труб наиболее характерно образование трещин и развитие остаточных пластических деформаций. Появление дефектов подобного рода вызвано эксплуатационным температурным режимом и конструктивными особенностями печей. Наиболее жесткими рабочими условиями характеризуются печи установок вторичных термодеструктивных процессов нефтепереработки (термический крекинг, висбрекинг, замедленное коксование). Применение в качестве сырья тяжелых остатков прямой перегонки в сочетании с высокими температурами обуславливает значительную интенсивность коксоотложения, ведущего к локальным перегревам труб змеевика и изменению физико-механических свойств трубной стали вследствие диффузии углерода. Из указанных выше технологических процессов наибольшее распространение на отечественных нефтеперерабатывающих предприятиях получил процесс висбрекинга.

Для снижения количества отказов змеевиков необходимо выявить основные факторы, инициирующие развитие указанных дефектов, и дать рекомендации по их предупреждению или снижению воздействия на стадии разработки рабочего проекта.

Поэтому исследования по оценке напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, структура которой претерпевает изменения в процессе эксплуатации, с целью усовершенствования методов расчета и конструирования являются актуальными.

Цель работы — изучение напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей из стали 12Х18Н10Т, структура и свойства которой претерпели изменение в процессе эксплуатации, с целью разработки практических рекомендаций по совершенствованию методов проектирования и расчета, способствующих снижению количества отказов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 Анализ условий работы труб змеевиков трубчатых печей и выделение дефектов, наиболее часто являющихся причиной отказа.

2 Изучение характера изменения структуры и механических свойств стали 12Х18Н10Т в процессе эксплуатации змеевиков трубчатых печей установки висбрекинга. Определение труб как квазимногослойных оболочек.

3 Оценка влияния изменения структуры материала змеевиков на напряженно-деформированное состояние с использованием метода конечных элементов.

4 Разработка практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга с целью предотвращения возникновения дефектов труб.

Научная новизна.

1 Применена модель квазимногослойной оболочки для решения задачи определения несущей способности труб змеевика нагревательных печей при развитии потери устойчивости формы.

2 Произведена оценка влияния на величину критической нагрузки различных эксплуатационных факторов, не учитываемых действующими нормативами по расчету змеевиков, а именно толщины науглероженного слоя, условий закрепления, неравномерного нагрева. При этом установлено, что на развитие потери устойчивости формы в значительной степени влияет возникновение градиента температуры по сечению трубы вследствие отложения кокса либо неравномерного излучения со стороны факелов, тогда как влияние величины расстояния между смежными опорами и толщины науглероженного слоя металла трубы менее выражено.

Практическая ценность.

Разработаны рекомендации к рабочим программам по дисциплине «Численные методы моделирования» специальности 130 603 «Оборудование нефте-газопереработки» направления 150 400 «Технологические машины и оборудование» на кафедре МАХП ГОУ ВПО УГНТУ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 57-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2006 г.).

Публикации.

Содержание работы опубликовано в 4 научных трудах, из которых 1 включен в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

1 Литературный обзор

Основные выводы.

1 Анализ литературных данных и результатов собственных исследований показывает, что сталь печных труб подвергается диффузионному насыщению углеродом со стороны нагреваемого продукта и отложений кокса в процессе эксплуатации печей. Механизм этого явления изучен недостаточно и имеющиеся исследовательские данные не доведены до расчетных методик, позволяющих оценить напряженно-деформированное состояние змеевика. В связи с этим проведен комплекс исследований труб с различными сроками эксплуатации, включающий в себя микроструктурный анализ, определение твердости и микротвердости, механические испытания.

2 Анализ изменения механических свойств в процессе эксплуатации показал умеренное (в среднем на 20%) снижение пластических характеристик при незначительном (не более чем на 10%) росте прочностныхв то же время наблюдается существенное (более чем на 40%) уменьшение ударной вязкости, что говорит о развитии охрупчивания. Измерения твердости и микроствердости свидетельствуют о возникновении существенного градиента механических свойств по толщине стенки. В подобных условиях рассмотрение материала трубы змеевика как сплошного металла при расчетах становится неприемлемым.

3 Анализ существующих нормативных документов, регламентирующих проектирование змеевиков трубчатых печей установок нефтеперерабатывающих производств, показал, что действующие методики, обязательные к применению проектными организациями, не учитывают при расчете толщин стенок труб и отводов змеевиков влияние ряда немаловажных факторов, в частности:

— геометрию труб змеевика (высоты стояков, пролет между опорами);

— неравномерный нагрев труб по длине змеевика и по сечению вследствие отложения кокса;

— возникновение градиента механических свойств по толщине стенки трубы в силу развития науглероживания и изменение этих свойств со временем.

В то же время, результаты предпринятых конечно-элементных расчетов показали необходимость учета температурных напряжений при изменении структуры металла, а также возможности возникновения продольного изгиба труб при стеснении осевых перемещений.

4 Разработана методика расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга, учитывающая развитие науглероживания трубной стали и возможности возникновения потери устойчивости формы труб змеевика.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Н.Р., Шарихин В. В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: Химия, 1987.- 304с.
  2. Я., Род В. Трубчатые печи в химической промышленности. Пер. с чешского.- JL: Гостоптезиздат, 1963.- 147с.
  3. РД 26−02−80−88. Змеевики сварные для трубчатых печей. Требования к проектированию, изготовлению и поставке.- М.: ВНИИНефтемаш, 1995.- 64с.
  4. И.Р., Баязитов М. И., Куликов Д. В., Чиркова А. Г., Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья.- Уфа: Гилем, 1999.-325с.
  5. А.Г., Фишер Г., Шилмоллер К. М., Уменьшение коксообра-зования в трубах печей олефиновых установок // Нефтегагазовые технологии.-1999, № 3.- 82−84с.
  6. Е.В. Технология переработки нефти и газа.- М.: Химия, 1968.- 246с.
  7. Petrone S, Mandyam R., Wysiekiersri A., Tzatzov K. and Chen Y. A «Carbon-Like» Coating for Improved Coking Resistence in Pyrolysis Furnances // http://preprint.chemweb.com/physchem/00090Q5
  8. Towfighi J., Niaei A., Karimzadeh R. Simulation Reactions and Coke Deposition in Industrial LPG Cracking Furnace. // http://www.modares.ac.ir
  9. РД 26−02−80−2004. Змеевики сварные для трубчатых печей. Требования к проектированию, изготовлению и поставке. ВНИИНефтемаш, 2004.- 78 с.
  10. Структура и физико-механические свойства немагнитных сталейЛТод ред. д.т.н. О. А. Банных.- М.: Наука, 1982.- 240с.
  11. B.C., Курзина Е. Г. Мультифрактальная параметризация микроструктуры немагнитных сталей Mn-Ni-Cu-V после старения с целью выявления эффекта синергизма легирования.- Металлы, № 2, 1999.- 59−67с.
  12. Ю.М., Леонтьева В. П. Материаловедение: учебник для вузов.-М.: Машиностроение, 1990.- 291−299, 367−371с.
  13. А.П. Металловедение: Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1977.- 449−470, 483−497, 540−556с.
  14. В.Г. и др. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза.- М.: ЦНТИИЭнефтехим, 1983.- 53с.
  15. Металлография железа. Том И. «Структура сталей». Издательство «Металлургия», 1972.-284с.
  16. К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. Москва: Металлургия, 1976. 57−117с.
  17. Г. М., Мошкевич Е. И. Нержавеющая сталь. Москва: Металлургия, 1973. 23−40с.
  18. Металловедение, сталь./Пер. с нем. И. М. Копьева, В. А. Федоровича, под ред. д.т.н. С. Б. Масленкова.- М.: Металлургия, 1995.- С. 115 -128
  19. Э. Специальные стали. Том 1- М.: Металлургия, 1966.513с.
  20. Металловедение и термическая обработка стали./Под ред. М.Л. Берн-штейна, А. Г. Рахштадта. Том 1,2- М.: Металлургия, 1991.- 47−114, 199−208с.
  21. А.Н. Расчеты на ползучесть элементов машиностроительных конструкций. М.: Машиностроение, 1981. 221 с.
  22. И.Р., Анкобия И. А., Шарафиев Р. Г. и др. Высоко температурное науглероживание печных труб, — /В сб.: Проблемы нефти и газа, — Уфа, 1981.-С. 119−120
  23. И.Р., Филимонов Е. А., Ибрагимов И. Г. Образование диффузионной зоны при контакте кокса с металлом.- /В сб.: Резервуары повышения надежности оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- Уфа, 1982.- 23−25с.
  24. 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.- 13−14с.
  25. 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, — 217−218с.
  26. С.И. Паро-воздушный способ удаления кокса из печей нефтеперерабатывающих заводов.- Мю: Гостехиздат, 1946.- 150с.
  27. Закирничная М, М., Чиркова А. Г., Кузеев И. Р. Изменение структуры и свойств металла труб змеевика печей пиролиза в процессе эксплуатации // Нефть и газ. 1998.- 87−92с.
  28. Печи химической промышленности: Тр. № 6 JL: Машиностроение, 1971.- 136с.
  29. М.А. Износ основных элементов трубчатых печей. М.: Недра, 1978.- 325с.
  30. М.И., Ибрагимов И. Г., Газиев P.P. и др. Анализ напряженно-деформированного состояния печных труб // Научно-техническое творчество молодежи в помощь производству.- Уфа, 1986, — 67с.
  31. М.И., Кузееа И. Р. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб // Нефть и газ.- Уфа, 1996.- ?
  32. а.В., Баязитов М. И. О коллективных эффектах в змеевиках трубчатых печей: Мат-лы 49 конф. Молодых ученых, аспирантов и студентов.-Уфа, 1998.- С.128
  33. М.И. Долговечность печных труб нагревательных печей // десять лет эксплуотации на кафедре МАХП. Некоторые результаты.- Уфа: УГНТУ, 1997.- 63−65с.
  34. М.И. Оценка поврежденности печных труб в процессе эксплуатации // Проблемы машиноведения, конструкционных металлов и технологий. Уфа, 1997.- 230−2 Юс.
  35. Я.Г. К вопросу экономии топлива в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Химия и технология топлив и масел. 1966.- 112с.
  36. Л.Г. Изминение структуры и механических свойств аусте-нитной стали 20Х23Н18 в условия пиролиза углеводородов. Уфа: УГНТУ, 2003.- 96с
  37. Е.А. Совершенствование методов расчета и конструирования элементов печей пиролиза / Дисс. канд. техн. наук.- Уфа: УГНТУ, 2003- 105 с.
  38. Закономерности ползучести и длительной прочности: Справочник. Под общ. ред. С. А. Шестерникова. М.: Машиностроение, 1983. 101 с.
  39. П.И., Гунн Г. Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. 2-е изд. М.: Металлургия, 1983. 352 с.
  40. В.Д. Изменение химического состава металла реактора для переработки остатков сернистых и высокосернистых нефтей и сернистых газовых конденсатов. Уфа, 1984. 183,184 с.
  41. И.Р., Кретинин М. В., Грибанов А. В. и др. Старение металла реакторов установок замедленного коксования. Химическое и нефтяное машиностроение, 1984, № 1. 17−19 с.
  42. И.Р. Вопросы прочности аппаратов для переработки нефтепродуктов. В сб.: Резервы повышения надежности оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. -Уфа, 1982. 69−73 с.
  43. С.М. Оптимальная надежность энергоустановок. Новосибирск: Наука, 1982. 272с.
  44. Ю.П., Малыгин А. Ф., Игнатов В. А. Эффект ускорения диффузии углерода в стали при термоциклировании. В кн.: Проблемы прочности и пластичности твердых тел. — JI.: Наука, 1979. 256−262 с.
  45. И.Г., Баязитов М. И., Хайрудинов И. Р., Кузеев И. Р. Влияние напряженного состояния на диффузию углерода в металл. В кн.: Перспективы развития исследований в области структуры и свойств углерода и материалов на его основе. — М.: НИИГрафит, 1985.
  46. А.Г., Фишер Г., Шилмоллер К. М., Уменьшение коксооб-разования в трубах печей олефиновых установок // Нефтегагазовые технологии.-1999, № 3.- С. 82−84.
  47. Grabke H.J. Carburization, carbide formation, metal dusting, coking // Material! in Technologye, 2002.- V. 36, № 6.- pp. 297−304.
  48. A., Grabke H.J. // Oxidation of Metals, 1978.- V. 12.- 387 p
  49. Schneider A. Corrosion Science, 2002. V. 44. — pp. 2353 — 2365
  50. С.И., Душин Ю. А., Куниловский B.B., Новикова И. Е. Физико-химическая механика материалов. 1992. № 4. 55−59 с.
  51. В.М. Диагностика металлов.- М.: Металлургиздат, 2004.408с.
  52. Электронная микроскопия. Справочное издание / Смирнов А. В., Ко-корин А.П., Полонский С. М. М.: Металлургия, 1985. — 192 с.
  53. ГОСТ 8233–56 Сталь. Эталоны микроструктуры.
  54. ГОСТ 25 536–82 Металлы. Масштабы изображений на фотоснимках при металлографических методах исследования.
  55. ГОСТ 5639–82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.
  56. ГОСТ 9450–76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.
  57. ГОСТ 2999–75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.
  58. ГОСТ 14 766–69 Машины и приборы для определения механических свойств материалов. Термины и определения.
  59. ГОСТ 4.403−85 Машины и приборы для определения механических свойств материалов. Номенклатура показателей.
  60. ГОСТ 9031–75 Меры твердости образцовые. Технические условия.
  61. ГОСТ 23 677–79 Твердомеры для металлов. Общие технические требования.
  62. ГОСТ 9012–59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
  63. ГОСТ 22 761–77 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия.
  64. ГОСТ 9013–59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.
  65. В.И., Дроздов М. С., Славский Ю. И., Применение без образцового метода контроля механических свойств сталей в условиях металлургического производства// Заводская лаборатория, 1972, т. 38, № 2.- С. 217−221
  66. М.С., Славский Ю. И., о выборе угла конуса при контроле механических свойств стали по твердости // Заводская лаборатория, 1970, т. 36, № 1, — С. 80−84
  67. А.А., Славский Ю. И., Методы измерения твердости металлов и сплавов.- М.: Металлургия, 1982.- С. 168
  68. ГОСТ 1497–84 Металлы. Метод испытания на растяжение.
  69. ГОСТ 9651–84 Металлы. Метод испытания на растяжение при повышенных температурах.
  70. ГОСТ 11 150–84 Металлы. Метод испытания на растяжение при пониженных температурах.
  71. ГОСТ 11 701–84 Металлы. Метод испытания на растяжение тонких листов и лент.
  72. ГОСТ 9454–78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.
  73. ГОСТ 10 708–82 Копры маятниковые. Технические условия.
  74. А.В., Кравчук А. С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 2004. 512 с.
  75. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах / Под общей редакцией Красковского Д. Г. -М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.
  76. ANSYS Programmer’s Manual ANSYS Inc., 1998. 152 с.
  77. M.B., Попов Е. А. Теории обработки металлов давлением. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1977.-473 с.
  78. Г. С., Рудской А. И. Механика сплошных сред. Теория упругости и пластичности. СПб.: Издательство СПбГПУ, 2003.-264 с.
  79. Золоторецкий В. С. Механические свойства металлов. Учебник для вузов. 3-е издание, переработанное и дополненное. — М.: МИССИС, 1998. -400 с.
  80. Ильин J1.H. Основы учения о пластической деформации. Учебник для машиностроительных техникумов. -М.: Машиностроение, 1980. 150 с.
  81. Н.Н. Самоучитель AutoCAD2002. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 608 с.
  82. В.К., Смоляков А. А., Ахунова А. Х. Численное моделирование интенсивного пластического деформирования меди равно- канальным угловым прессованием. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2006. № 4. — С. 17−22.
  83. А.А., Платонов А. Д., Кравец П. Я. Определение коэффициентов интенсивности напряжений для образца методом конечных элементов. Заводская лаборатория. Диагностика металлов, 1998. -№ 2. С. 46−50.
  84. В. К., Ахунова А. X. Математическое моделирование механического поведения упруго-вязкопластических материалов в среде ANSYS 6.0. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2006.-№ 7.-С. 32−36.
  85. Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справ, изд. / А. П. Шлямнев и др. М.: «Имет Инжиниринг». 2000 — 232 с.
  86. D.W. Murray. Local Buckling, Strain Localization, Wrinkling and Post-Buckling Response of Line Pipe // Engineering Structures, 1997, №.19, N.5, pp. 360 371.
  87. R.A. Einsfeld, D.W. Murray, N. Yoosef-Ghodsi. Buckling analysis of high-temperature pressurized pipelines with soil-structure interaction // J. Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng. V.25 N.2 Rio de Janeiro Apr./June 2003, pp. 110−128
  88. РД 3688−220 302−003−04. Трубчатые нагревательные печи. Требования к проектированию, изготовлению и эксплуатации. ВНИИНефтемаш, 2004.- 68 с.
  89. РТМ 26−02−67−84. Методика расчёта на прочность элементов печей, работающих под давлением. М.: ВНИИНефтемаш, 1984.- 7 с.
  90. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
  91. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
  92. УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (УГНТУ)
Заполнить форму текущей работой

На отлично!