БАЙШЕВ Ю.П., НАСЕДКИН В.И.

 

Уральская государственная архитектурно-художественная академия,

г. Екатеринбург.

 

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ КОЖУХОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ И АППАРАТОВ

 

С целью повышения прочности, трещиностойкости и долговечности конструкций доменных печей (ДП) и воздухонагревателей (ВН) за счет более обоснованного расчетного анализа их работы выполнено совершенствование существующих и разработка новых методик расчетной оценки нагрузок и несущей способности кожуха.

Для решения поставленных задач применено математическое моделирование работы конструкций методом конечных элементов на основе пакетов программ "Искра", "BASIS+", TURBO C++, MATHLAB и др. Моделирование осуществлено с использованием (в зависимости от типа решаемой задачи) стержневых и четырехугольных осесимметричных конечных элементов 1-го и 2-го порядка. Алгоритмы разработанных компьютерных программ реализованы на ПЭВМ типа IBM PC/AT [1].

Нагрузки и воздействия.

1. Изучена нагрузка на кожух доменной печи от температурного распора наклонного газохода.

Выполненные расчеты для типовой доменной печи полезным объемом 2000 м3 при нагреве газоотвода на 150°С показали, что значения расчетных напряжений общего изгиба от найденных нагрузок в элементах доменной печи не превышают 2%, в элементах пылеуловителя 10% от максимальных напряжений при эксплуатации. Наибольшие напряжения изгиба в газоотводе равны 35,8 МПа.

2. Исследованы нагрузки от температурного расширения воздухопровода горячего дугья (ВПГД).

В расчетном анализе, выполненном для ВПГД типовой доменной печи объемом 2700 м3, варьировалась температура кожуха ВПГД, наличие или отсутствие компенсаторов.

Значения напряжений изгиба и сжатия от рассчитанных нагрузок составляют при температуре 150°С без компенсаторов: в кожухе воздухонагревателя - 170 МПа, в прямом участке ВПГД -320 МПа, в кольцевом участке -115 МПа, в отводах прямого участка -275 МПа, в отводах кольцевого участка -132 МПа. При использовании ком­пенсаторов указанные напряжения уменьшаются пропорционально снижению усилий и не превышают 50 МПа. Снижение расчетной температуры нагрева ВПГД приводит к пропорциональному уменьшению перемещений, усилий и напряжений в элементах.

3. Изучены нагрузки на кожух доменной печи при осадке шихты.

Расчетная модель учитывает такие параметры, как степень пористости шихты, трение шихты о футеровку, жесткость шихты на сжатие, демпфирование колебаний шихты после осадки и др.

Выполненные на основе разработанной методики по программе расчета на ПЭВМ IBM численные эксперименты показывают, что при использованных ис­ходных данных максимальные значения коэффициента динамичности для давления газов Кдг с учетом потерь за счет газопроницаемости шихты, могут достигать значе­ний: при верхнем зависании - 2,10 (при Н=1 м) и 3,10 (при Н=2 м), при нижнем зависании - 1,74 (при Н=0,5 м) и 2,85 (при Н=1 м). Движение шихты при осадке после ее подвисания носит ударный характер с последующим затуханием колеба­ний, что следует учитывать при анализе прочности и долговечности футеровки и кожуха ДП. Наибольшее влияние на величину коэффициента Кдг оказывают: высота столба шихты, определяющая массу и силу трения, высота осадки, величина давле­ния и его перепад за счет газопроницаемости шихты.

4. Определены нагрузки на кожух печи при подрыве настыли. При этом варьировались размеры настыли, масса и количество зарядов, расстояние между зарядами, глубина расположения зарядов в настыли.

Напряженно-деформированное состояние кожуха при подрыве настыли имеет локальный характер: максимальные перемещения и напряжения возникают вдоль линии действия взрывной нагрузки. Согласно полученным результатам в зависимо­сти от величины заряда, его габаритов, числа зарядов и их взаиморасположения, давление, передаваемое на кожух при подрыве настыли, может изменяться в широких пределах (1,64...3,56 МПа), что приводит к увеличению напряжений в кожухе (с 176 МПа до 351 МПа) и может стать причиной образования трещин. Путем изменения месторасположения и массы зарядов возможно получение величины давления, необходимой для надежного обрушения настыли и достаточной для обеспечения прочности кожуха.

Напряженно-деформированное состояние (НДС) кожуха.

1. Усовершенствована методика расчетной оценки НДС кожухов ДП и ВН в зонах концентрации напряжений. Для кожуха печи ДП 6 НТМК и ВН к ней рассмотрены зоны отверстий под воздушные фурмы и чугунные летки и места крепления плитовых холодильников, для кожуха ВН – зона штуцера горячего дутья. Расчет нагрузок на кожух выполнен с использованием применяемой в настоящее время методики проектировочного расчета кожухов ДП и ВН по программе РАФК-ПК.

Исходные данные для расчета нагрузок на кожух включают: отметку сечения, толщину кожуха в рассматриваемом сечении, число слоев, геометрические параметры сечений, характеристики физико-механических свойств материала футеровки и теплоизоляционных слоев, температуру и давление дутья на отметке сечения, коэффициенты трения между кожухом и футеровкой, угол наклона конического участка кожуха.

Получены коэффициенты концентрации напряжений для рассмотренных случаев:

-  фурменная зона - 1,32-2,82;

-  зона чугунной летки - 1,20-2,13;

-  зона крепления холодильников - 3,2-7-7,95;

-  зона штуцера горячего дутья - 1,30-1,60.

2. Развита методика расчета напряженно-деформированного состояния многослойного кожуха, основанная на результатах теории многослойных оболочек.

Проведены численные расчеты для трехслойных и пятислойных оболочек конической, цилиндрической и сферической формы без учета и с учетом контактной податливости слоев.

Анализ результатов расчетов показывает, что учет контактной податливости данных приводит к уменьшению максимальных давлений между слоями: для цилиндра - на 14,5%, для сферы - на 27,0%, для конуса - на 14,9%, что вызывает увеличение максимальных тангенциальных напряжений в слоях соответственно на 24,4; 43,0 и 25,8%.

3. Исследована прочность кожуха при статическом нагружении с учетом хрупкого разрушения на стадии зарождения и развития трещин.

В качестве основного критерия, разграничивающего первый и второй этапы расчета, используется величина эффективного радиуса, характеризующая чувствитель­ность материала к острым, трещиноподобным концентраторам и зависящая от мар­ки стали и состояния поставки.

Для описания предельного состояния кожуха с трещиноподобными концентрато­рами использован двухкритериальный подход. Основным положением данного подхода является представление о независимости друг от друга хрупкого и вязкого типов разрушения и о возможности суммирования их характеристик по определенному закону.

Выполнен расчет на хрупкую прочность фурменной части кожуха ДП №6 НТМК в зоне вертикального стыкового шва и расчет хрупкой прочности кожуха ВН к ДП6 НТМК в зоне вертикального сварного стыка, в котором обнаружен непровар глубиной 1 мм.

Определены критические температуры хрупкости стали в исходном состоянии и с учетом воздействия сварки и температурного запаса вязкости.

4. Определен ресурс работоспособности кожуха при циклическом нагружении. В результате расчета циклической прочности кожуха фурменной части ДП6 НТМК на стадии зарождения трещин вычислены значения допускаемых чисел циклов нагружения [N]n для каждого режима нагружения по критерию зарождения поверхностной трещины глубиной 2 мм в зоне конструктивной концентрации напряжений. Получены следующие значения допустимого количества циклов: [N]11=41667; [N]12 = 69930; [N]13 = 5028. Определены доля накопленного повреждения в кожухе за год
эксплуатации, которая составила 0,083, и циклическая долговечность кожуха, равная 12,0 лет.

При расчете циклической прочности кожуха на стадии развития трещины вычислены размахи коэффициентов интенсивности напряжений ДКа, ДК1 и AKth, значения которых соответственно составили 13,68, 5,96 и 9,0 МПа/м. Найдена безразмерная предельная глубина трещины Хк= 0,96; вычислена поправочная функция фп=0,225; определена циклическая долговечность кожуха на стадии развития трещины, равная 4,4 года. Таким образом, суммарный ресурс эксплуатации кожуха фурменной зоны ДП6 НТМК составил 16,4 года.

Выполненный расчетный анализ показал следующее. С увеличением толщины кожуха его сопротивление хрупкому разрушению снижается. Ресурс эксплуатации кожухов ДП и ВН в большей мере определяется стадией зарождения трещин, чем стадией их развития. Величина смещения критических температур при монтаже и дефекты (от сварки и деформационного старения) глубиной до 2 мм практически безопасны и не влияют на сопротивление хрупкому разрушению.

5. Выполнена оценка надежности кожухов доменных печей и воздухонагрева­телей. Как известно, определение надежности конструкции сводится к тому, чтобы приложенные нагрузки не превосходили несущую способность конструкции с уче­том случайного разброса нагрузок, свойств материалов и геометрических параметров.

Решена задача определения вероятности безотказной работы нового кожуха ДП (ВН). На основании теоремы о композиции гауссовых распределений вероятность начальной безотказности кожуха оценена с помощью закона нормального распределения. Величина среднеквадратичного отклонения составляющих факторов определена по правилу трех сигм в предположении распределения их также по нормальному закону.

Оценка надежности выполнена для двух характерных сечений кожуха ДП6 НТМК и ВН к ней.

Для рассмотренных числовых примеров значения вероятности начальной безотказности для сечений 1 и 2 соответственно находятся на уровне: для ДП - 0,00675 и 0,00415; для ВН - 0,015 и 0. Надежность соответственно равна 99,3% и 99,6% для ДП и 98,5%, 100% - для ВН.

Согласно правилу трех сигм с учетом изменчивости рассмотренных факторов границы изменения кольцевых напряжений в кожухе ДП составляют для сечения I: 186,2 ± 72,3 МПа; для сечения 2: 187,1 ± 68,1 МПа; в кожухе ВН для сечения 1: 211,7 ± 58,5 МПа; для сечения 2: 195,2 ± 27,2 МПа.

Представленные результаты исследований могут быть использованы при реше­нии некоторых вопросов проектирования кожухов ДП и ВН.

Литература.

1. Байшев Ю.П. Доменные печи и воздухонагреватели (конструкции, эксплуатационные воздействия, свойства материалов, расчеты). - Екатеринбург: УрО РАН, 1996. - 994 с.