Способ определения остаточного ресурса тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов

Изобретение относится к теплоэнергетике, а в частности к определению остаточного ресурса тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов.

Известен способ оценки остаточного ресурса трубчатых печей нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств [ДиОР-05 «Методика оценки остаточного ресурса трубчатых печей нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств» ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудования», г. Волгоград, 2006, - 87 стр.] в котором прогнозирование ресурса остаточной работоспособности деталей и узлов печи базируется на результатах обследования ее технического состояния, исследовании механических свойств, химического состава, структуры металла, причин коррозии, эрозии и расчетов на прочность.

Недостатком этого способа является необходимость остановки печи для оценки остаточного ресурса: ее осмотра, проведении толщинометрии, оценке геометрической формы основных несущих элементов печи, замерах твердости и др.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения остаточного ресурса тепломеханического оборудования ядерных энергетических установок, в котором определяют износ и старение сосудов давления на основе составления математической модели "нагрузка - несущая способность", где в качестве нагрузки принято внутреннее давление, а в качестве несущей способности - толщина стенок сосудов давления [Патент 2126955 РФ, МПК G01D 21/00. Способ определения остаточного ресурса тепломеханического оборудования ядерных энергетических установок].

Недостатком этого способа является отсутствие в используемой математической модели влияния температурных напряжений, возникающих в стенках.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение данных об остаточном ресурсе тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов в процессе работы и использование этих величин при их эксплуатации.

Это достигается тем, что в способе определения остаточного ресурса тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов используют в качестве показателей надежности - критерии надежности по прочности как для сжатия, так и для расширения, определяемые по формуле:

где ΣN_сж - сумма значения суммарных показателей сжатия, определяемых по формуле:

N_сж=σ_сж⋅(z+1),

где z - коэффициент, учитывающий длины зон сжатия и растяжения, в которых температурные напряжения, превышают допустимые, σ_сж - возникающие напряжения в зоне сжатия,

ΣN_сж^доп - сумма значения суммарных показателей сжатия в той же точке в тот же момент времени, находится аналогично ΣN_сж, но при значении σ_сж равном пределу прочности материала, а остаточный ресурс n_ост определяют по формуле:

где ΣN_сж.ср. - среднеарифметическое значение суммарных показателей сжатия за один цикл; n - количество циклов высокотемпературного агрегата, прошедших на данный момент после замены футеровки, причем расчет критерия надежности по прочности и остаточный ресурс для расширения определяют по аналогичным формулам.

При этом определение остаточного ресурса ведут постоянно во время работы энергетического агрегата.

Остаточный ресурс тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов, при эксплуатации которых толщина теплового ограждения не изменяется, зависит от ряда факторов, в том числе от значения величин температурных напряжений, превышающих допустимые и их числа с момента начала работы энергетического агрегата. Действие остальных факторов - агрессивного действия среды, качества применяемых материалов и проводимых работ, уровень вибрации и др. можно принять постоянными для данного агрегата при неизменных условиях работы.

Работа способа заключается в следующем.

Любым известным способом находят распределение температур (например, Инновационный патент №30372 Республика Казахстан, МПК G01K 13/00 опубл. 15.09.2015, бюл. №9).

Далее находят возникающие напряжения в зоне растяжения σ_р и сжатия σ_с по формуле:

где α - коэффициент теплового расширения, (1/°C);

Т_ср - средняя температура огнеупорного слоя, °C;

T_i - температура точки, в которой производится расчет температурного напряжения, °C;

Е - модуль упругости материала, МПа

ν - коэффициент Пуассона.

Находят два показателя: суммарный показатель сжатия (N_сж) и суммарный показатель растяжения (N_pac) следующим образом. Для расчета этих показателей используют только значения температурного напряжения σ_рас (растяжения) или σ_сж (сжатия) которые превышают значение предела прочности для данного вида огнеупорного материала.

Для учета длин зон сжатия и растяжения, в которых температурные напряжения, превышают допустимые, введем коэффициент, учитывающий эти длины. Под длиной зоны сжатия будем понимать расстояние между двумя соседними точками, в которых определяются напряжения при условии, что в этих двух точках напряжения сжатия превышают допустимые. То есть, если напряжения сжатия на данном шаге по времени превышают допустимые в трех точках, то z=2. Формула для расчета суммарного критерия сжатия (N_сж) на данном шаге по времени (например, для времени 1:40) будет выглядеть следующим образом:

где z - количество зон сжатия, в которых температурные напряжения, превышают допустимые.

Аналогичная формула используется для напряжений растяжения. Далее суммируем все полученные значения суммарных показателей (отдельно для сжатия и растяжения) для всех шагов по времени. Эта сумма при расчете для всей рабочей кампании агрегата является предельным суммарным показателем сжатия (ΣN_сж) и предельным суммарным показателем растяжения (ΣN_pac). Данные суммарные показатели учитывают только напряжения, превышающие предел прочности и ведущие к разрушению ограждающих конструкций.

Для введения критериев остаточного ресурса введем понятие суммарных допустимых показателей, которые будут учитывать напряжения, возникающие в момент времени и в точках, где в действительности напряжения превышают допустимые. Только при расчете суммарных допустимых показателей вместо реальных значений напряжений подставляем значения предела прочности материала. Например, в момент времени 0:40 в точке возникает температурное напряжение 113 МПа (при значении предела прочности 40 МПа), которое мы учитываем для подсчета суммарного показателя. Для подсчета суммарных допустимых показателей необходимо учитывать значение напряжения в той же точке в тот же момент времени, но при значении 40 МПа.

Если разделить полученные суммарные показатели на суммарные допустимые, то получим критерий надежности по прочности (например, для сжатия):

При этом шаг по времени и координате в определении напряжений будет определять точность расчета критериев надежности. Для оценки остаточного ресурса необходимо также рассчитать два среднеарифметических значения суммарных показателей за один цикл (для сжатия - ΣN_{сж ср}; для растяжения - ΣN_{рас ср}).

Полученные критерии остаточного ресурса будут определять остаточный ресурс для последующих рабочих кампаний этого агрегата при неизменных условиях работы агрегата и использовании одинаковых материалов, толщин слоев и др. То есть, после очередного капитального ремонта производится измерение температур, подсчет температурных напряжений (σ_рас и σ_сж), суммарных показателей и критериев надежности по прочности. Обязательным является условие использования для этих расчетов того же шага по времени, что был выбран для расчета критериев остаточного ресурса.

После первого цикла работы агрегата имеем два значения: N_сж1 и N_рас1. После второго и последующих циклов производим сложение имеющихся суммарных показателей с вновь полученными для цикла n и получаем суммарные показатели после цикла n (ΣN_сж n и ΣN_{pac n}). При этом для каждого следующего цикла n оцениваем возможность его безаварийной эксплуатации путем прибавления к имеющейся сумме ΣN_{сж n} и ΣN_{pac n} значений ΣN_{сж ср} и ΣN_{pac ср} соответственно. Если полученные значения будут больше предельных суммарных показателей сжатия (ΣN_сж) или образцовых суммарных показателей растяжения (ΣN_р), то использовать агрегат в очередном цикле нерационально.

Критерии показывают следующее: если при эксплуатации высокотемпературного агрегата критерий для сжатия k_сж и критерий для расширения k_рас превышают полученные значения, то высокотемпературный агрегат необходимо выводить в ремонт. Если в течение рабочей кампании k > 1, то эксплуатация высокотемпературного агрегата ведется с напряжениями, превышающими допустимый предел, если же k < 1, то возникающие напряжения не превышают предел прочности используемых материалов.

Остаточный же ресурс n_ост (в количествах циклов) можно оценить по следующей формуле:

ПРИМЕР

В процессе разогрева сталеразливочного ковша были получены значения температурных напряжений, при этом в процессе разогрева выделяются два периода времени, температурные напряжения растяжения в которых превышают допустимые: (0 ч 20 м - 2 ч 10 м; 5 ч 10 м - 7 ч 30 м); напряжения сжатия: (0 ч 30 м - 0 ч 50 м; 5 ч 20 м - 8 ч 10 м).

Теперь, имея значения реальных температурных напряжений, возникающих в процессе разогрева футеровки сталеразливочного ковша с учетом шага по координате и времени можно произвести расчет критериев остаточного ресурса. Приведем следующие данные: при определении температурных напряжений с шагом по времени 10 минут и, разбив толщину огнеупорного слоя футеровки на шесть участков, при приведенном графике разогрева получаем значения предельных суммарных показателей за один цикл для сжатия - ΣN_{сж ср}=6951,215; для растяжения ΣN_{pac ср}=8516,46. Снимая показания температур для эксплуатационного периода сталеразливочного ковша в целом (до капитального ремонта) на протяжении 40 циклов и рассчитав суммарные показатели, получаем следующие данные: для сжатия ΣN_сж=279883,314; для растяжения ΣN_pac=342826,321. Рассчитанные критерии надежности по прочности составляют: для сжатия k_сж=2,17; для расширения k_рас=1,91.

Технико-экономическая эффективность внедрения предлагаемого технического решения - получение данных об остаточном ресурсе тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов в процессе работы и использование этих величин при их эксплуатации.