Расчетно-экспериментальный анализ прочности цилиндрических стенок автоклавов высокого давления

В настоящее время на химических производствах находятся в эксплуатации большое число автоклавов, условия работы которых включают высокое давление и температуру, что является необходимым технологическим условием обеспечения требуемых параметров рабочей среды. Основным конструктивным элементом автоклавов высокого давления являются цилиндрические стенки, которые могут иметь монолитное или многослойное исполнение.

Проблема разработки и внедрения в промышленность новых научных разработок является самой важной и актуальной в современной России. Решение сложных конструкторско-технологических задач, возникающих в ходе научно-технического развития области химического машиностроения, непрерывно нарастающие темпы технического прогресса по созданию более совершенных СВД в нашей стране и за рубежом требуют тесного взаимодействия науки с производством. В связи с этим, разработка и исследование новых конструкций цилиндрических стенок для создания более совершенных автоклавов высокого давления является актуальной научно-технической проблемой. Ее решение позволит создавать и использовать новое промышленное оборудование, а именно автоклавы высокого давления, которые поднимут на новый уровень качество продукции химических производств, которую получают в этом оборудовании.

Вопросами математического моделирования и расчетов для анализа и оценки прочности сосудов с многослойными стенками занимались (A.B. Гадо-лин, Н. Ф. Дроздов, Г. С. Шапиро, B.C. Никишин, В. В. Болотин, Ю. Н. Новичков, М.Б. Блох). Контактная податливость и контактная теплопроводность многослойных конструкций впервые учитывалась в работах (П.Г. Пимштейн, В. Н. Жукова, J1.A. Ильин, H.A. Лобкова), математическое обоснование методов расчета было предложено в работах (Л.Б. Цвик). Исследованием и конструированием занимались в США (Т.М. Jasper), в СССР (М.И. Бейлин). Исследование прочностных характеристик многослойных и монолитных стенок со встроенными нагревательными элементами, защищенных от нежелательного перегрева слоем теплоизолирующего материала, является центральной проблемой настоящей работы. Она также включает задачу выбора теплоизолирующего материала, определение возможности численного исследования нестандартных конструктивных элементов, необходимость автоматизации процесса расчетов стандартных компонентов и комплексное моделирование конструкции для выявления спектра ее оптимальных параметров.

Целью диссертационной работы является разработка расчетных методик, алгоритмов и программного обеспечения для исследования напряженного состояния, оценки прочности и работоспособности новых конструкций цилиндрических стенок автоклавов высокого давления со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

— численное исследование процессов контактного взаимодействия дистанционных планок нагревательных элементов с сопряженными компонентами стенки и оценка их напряженного состояния;

— разработка численных методов для расчета тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев;

— разработка алгоритмов и комплекса проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенке автоклава;

— проведение экспериментальных исследований упругих теплоизоляционных материалов на простых моделяхматематическое обоснование эффективности применения теплоизоляционных материалов на основе исследований их теплофизических характеристик и опытной модели оболочки, а также аналитическая интерпретация результатов этих экспериментов;

— разработка аналитической методики для определения наиболее благоприятных параметров новой конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и теплоизолирующим слоем с учетом обеспечения требуемых параметров ее работоспособности.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы и алгоритмы теории упругости, теплопроводности, механики деформируемого твердого тела и др. При экспериментальных исследованиях использовались специальные установки и сборные опытные конструкции. Численные исследования основаны на применении метода конечных элементов (МКЭ) и собственного развития методов для исследуемой проблемы.

Научную новизну работы составляют следующие положения, выносимые на защиту:

1) эффективная методика численного исследования контактного взаимодействия дистанционных планок и сопряженных элементов стенки автоклава для оценки их прочностных характеристик и оптимизации геометрических параметров;

2) численный метод, позволяющий вести расчет тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев;

3) алгоритм, и комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава;

4) аналитический метод расчета, интерпретирующий результаты экспериментальных исследований теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов на простых моделях, а также в модели сборной цилиндрической стенки со встроенной теплоизоляцией;

5) метод определения наиболее благоприятных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизолирующего материала на основе математического моделирования и полученных аналитических решений.

Практическая значимость работы.

1. Предложен численный метод для расчета тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев.

2. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава позволяет проводить анализ данного конструктивного элемента автоклавов на стадиях разработки и проектирования.

3. Выявлены зависимости напряженного состояния конструктивных элементов стенки автоклава, сопряженных с дистанционными планками нагревательных элементов, на основе которых сформирован комплекс рекомендаций по оптимизации геометрических параметров стенки.

4. На основе экспериментальных исследований получены зависимости упругой деформации теплоизоляционных материалов от давления и определены их модули упругости. На основе исследований теплофизических свойств этих материалов и получены аналитические решения, с помощью которых обоснована эффективность применения встроенной теплоизоляции.

5. Разработан аналитический метод определения наиболее благоприятных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизолирующего материала на основе математического моделирования.

Результаты, полученные в работе, использовались при выполнении НИР и разработке конструкторской документации эскизных проектов в Иркутском научно-исследовательском и конструкторском институте химического и нефтяного машиностроения ОАО «ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск, ОАО Южноуральский завод «Кристалл», г. Южноуральск, а также в учебном процессе кафедры «Мехатроника» Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета и кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Иркутского государственного университета путей сообщения.

Личный вклад соискателя при получении основных результатов диссертации заключается в следующем:

— сбор и анализ данных о ранее проведенных исследованиях;

— развитие численных методов и разработка на их основе проблемно-ориентированного комплекса программ для расчета и оценки прочности цилиндрической стенки;

— выполнение комплексных численных исследований и анализа напряженного состояния конструктивных элементов, сопряженных с дистанционными планками нагревательных элементов в цилиндрической стенке автоклава, а так же выдача рекомендаций по их оптимизации. Автор работы самостоятельно изучил и освоил уникальный программный комплекс МБС. Магс Меп1а1 2010 до необходимого научно-исследовательского уровня, который был предоставлен Иркутским государственным университетом путей сообщения лицензия № 1^8 531 811 17.10.11.1ЮЦР8;

— разработка установки для исследования упругих и неупругих свойств неметаллических материалов. Проведение экспериментальных исследований упругих свойств теплоизоляционных материалов на простых моделях. Доказательство эффективности применения теплоизоляционных материалов на основе предложенных методов интерпретации результатов исследований их теплофи-зических характеристик, и опытной модели оболочки с помощью математического моделирования;

— разработка аналитического метода расчета и оценки работоспособности в широком спектре конструктивных параметров для цилиндрических стенок со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала в автоклавах высокого давления, который также реализован на программном уровне.

Достоверность полученных численных и аналитических результатов исследований подтверждена сравнением с аналогичными исследованиями других авторов, а также с результатами собственных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах кафедры «Информатики и кибернетики» ФГБОУ ВПО Байкальского государственного университета экономики и правакафедры «Мехатроника» ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Иркутского государственного технического университетамежвузовской научно-практической конференции в Иркутском государственном университете путей сообщения (секция «Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем») — ОАО Южноуральский завод «Кристалл» г. Южноуральск, и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Автор диссертационной работы удостоен стипендии Правительства Российской Федерации на 2011/2012 учебный год.

Сведения о публикациях. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 9 публикациях из списка ВАК и одном свидетельстве о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

Результаты исследования теплофизических характеристик образца № 6 (асбокартон, исходная толщина 3 мм) Образец предварительно нагружен по схеме 0−38 МПа-0 при температуре.

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м'Ч Толщина образца, 3 мм Теплопроводность, X ккал/м-ч-°С Термическое сопротивление, я.

0 41 100 3,0 1,11 2,70.

1,6 31 900 2,95 0,74 3.98.

4,8 33 800 2,95 0,78 3,78.

16,0 36 100 2,85 0,83 3.43.

32,0 37 800 2,8 0,89 3.15.

38,0 39 200 2,8 0,92 3,04.

32,0 39 200 2,8 0,92 3,04.

16,0 37 800 2,85 0,90 3.17.

4,8 34 600 2,9 0,84 3.45.

1,6 35 200 2,95 0,87 3,39.

0 30 900 3,0 0,87 3,45.

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м'Ч Толщина образца, 3 мм Теплопроводность, X ккал/м*Ч'°С Термическое сопротивление, я.

0 16 500 3,9 0,89 4,38.

1,6 18 500 3,9 1,15 3,39.

4,8 21 000 3,85 1,53 2,52.

16,0 27 000 3,65 2,24 1,63.

32,0 28 000 3,55 3,11 1,14.

38,0 29 500 3,45 3,91 0,88.

После десятикратной нагрузки по схеме 0−38 Мпа-0.

0 21 000 3,45 1,10 3,14.

1,6 23 000 3,45 1,35 2,56.

4,8 25 000 3,45 1,8 1,92.

16,0 28 000 3,44 2,68 1,28.

32,0 29 000 3,44 3,56 0,97.

38,0 29 500 3,43 3,89 0,88.

0 20 000 3,45 1,00 3,45.

38,0 29 500 3,43 3,74 0,92.

32,0 29 500 3,44 3,27 1,05.

16,0 28 000 3,44 3,01 1,14.

4,8 25 500 3,44 1,95 1,76.

1,6 23 000 3,45 1,47 2,35.

0 20 500 3,45 1,12 3,08.

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м-ч Толщина образца, 3 мм Теплопроводность, Л ккал/м-ч^С Термическое сопротивление, я.

0 28 800 4,5 1,20 3,75.

1,6 32 500 4,45 1,32 3,37.

4,8 35 300 4,4 1,62 2,72.

16,0 41 100 4,2 2,30 1,83.

32,0 44 200 4,0 3,10 1,29.

38,0 48 700 3,0 3,58 1,09.

После десятикратной нагрузки по схеме 0−38 Мпа-0.

0 31 900 4,1 1,29 3,20.

1,6 37 000 4,1 1,46 3,15.

4,8 40 100 4Д 1,75 2,34.

16,0 49 500 4,09 2,77 1,48.

32,0 54 000 4,08 3,55 1,15.

38,0 57 100 4,08 4,24 0,96.

32,0 54 000 4,08 3,67 1Д1.

16,0 51 050 4,08 3,05 1,34.

4,8 45 000 4,09 1,97 2,08.

1,6 41 400 4,1 1,60 2,56.

0 34 600 4,1 1,36 3.01.

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м-ч Толщина образца, д мм Теплопроводность, X ккал/м-ч, 0С Термическое сопротивление, л.

0 30 300 3,7 1,23 3,01.

1,6 32 400 3,65 1,39 2,63.

4,8 35 600 3,55 1,71 2,03.

16,0 39 900 3,45 2,50 1,38.

32,0 42 700 3,1 3,15 0,98.

38,0 44 900 3,2 3,99 0,80.

0 31 700 3,4 1,24 2,74.

После десятикратной нагрузки по схеме 0−38 Мпа-0.

0 32 300 3,4 1,32 2,58.

1,6 36 600 3,4 1,54 2,21.

4,8 39 200 3,4 1,96 1,74.

16,0 42 100 3,33 2,79 1,22.

32,0 45 900 3,39 3,79 0,89.

0 33 300 3,4 1,4 2,43.