Введение к работе
Актуальность работы обусловлена теы, что на корпусах цементных печей под влиянием сложных условий нагружения и эксплуатации возникают аварийные ситуации, в основном за счет образования сквозных кольцевых трещин на обечайках корпуса в зонах сварных соединений, выпучин больших размеров по длине корпуса и местных локальных повреждений подбандажных обечаек корпуса, вследствие накопления и развития малоцикловых трещин, изменения давлений на опорах печи, искривления геометрической оси корпуса, перегрева участков печи. Перечисленные эксплуатационные и технологические повревдения способствуют накоплению остаточных деформаций и напряжений в тяжелонагрукенных узлах и пролетах корпуса печи, что и приводит к значительным простоям печных агрегатов во время ремонтов и.к снижению производительности ио выпуску цементного клинкера.
Уточненная оценка долговечности и трещиноотойкости корпусов цементных печей посредством комплекса экспериментальных исследований позволила обосновать расчетна-экспериментальные методики на сопротивление материала корпуса малоцикловому нагружению и хрупкому, кзазихрупкому, вязкому разрушению при наличии в металле как исходных, так и накопленных в процессе эксплуатации повреждений.
Цель работы. На основании действующей нормативной документации расчеты и проектирование корпусов цементных лечей проводятся по характеристикам статической прочности и поминальным напряжениям и при этом не учитываются важные конструктивные, технологически* и эксплуатационное йяшторы. Поэтоцу в настоящей работе поставлена цель: по анализу Погруженности и дефектності: корпусов цементных печей оценить циклическую долговечность
_ 4 -
корпуса, посредством аналитического расчета и комплекса экспериментальных исследований металла стали ВСтЗсп после длительной эксплуатации на статическую и циклическую прочность, трещино-стойкость, ударную вязкость, а кроме того обоснованы расчетно-экспериментальиыа методики уточненного расчета корпуса на соп-* ротивление металла малоцикловому нагрунению и хрупкому, кваэи-хрупкому, вязкому разрушению. Предложенные методики основаны на силовых и деформационных критериях локального разрушения, разработанных Институтом маїшновадения им. А.А.Благонравова АН СССР. Они используются в процессе ремонтно-восстановитель»? ных работ при реконструкции и модернизации печных агрегатов, а такжп для оценки долговечности тяжелонагруженньк узлов конструкций на стадии проектирования и эксплуатации как цементного так и энергетического, химического и нефтяного оборудования.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
анализ характера возникновения дефектов в корпусе печи;
анализ характера изменения структуры металла в процессе накопления повреждений;
расчетный анализ напряженно-деформированного состояния корпуса;
оценка трещиностойкости металла на образцах, вырезанных из действующих печей;
расчетно-экспериментальнал оценка циклической долговечности и статической трещиностойкости корпусов цементных печей.
Методы исследования. В диссертации применялись экспериментальные и фрактографические методы исследования металла свариог шва корпуса, зоны термического влияния и основного металла в .продольном и поперечном направлении проката, бывшего в длительной эксплуатации в условиях статических, циклических и темпера-
турных воздействий. Микроотруктурному анализу и установлению значений микротвердости подвергались продольные и поперечные шлифы образцов и заготовок до и после статических однократных испытаний на растяжение, трещиностойкоать (вязкость разрушения) при внецентренном растяжении и трехточечном изгибе; ударный статический изгиб образцов Шарпи при температурных испытаниях; на усталость при циклических испытаний чистым изгибом при вращении; а также поверхности изломов разрушенных образцов. Диаграммы изменения усилий, удлинений и перемещений берегов трещины записывалась автоматически на испытательной ыайине "Инстрон". Обработка результатов испытаний проводилась по рекомендациям ГОСТов и нормативно-технической документации.
Научную новизну составляет то, что с учетом имеющихся в металле корпуса исходных дефектов (остаточных сварочных трещин, пор, непроваров, включений и т.д.) и накопленных в процессе эксплуатации повревдений типа трещин, выпучин, разрыхлений металла исследуется циклический ресурс и трещиностойкость оболо-чечной конструкции в условиях высокотемпературной обработки цементного клинкера. На основе экспериментальных исследований металла корпуса цементной печи, наработавшего в процессе эксплуатации 2.10 циклов, получен комплекс исходных характеристик для оценки прочности и долговечности металла сварного шва, зоны термического влияния и основного металла корпуса.
Методом контроля прогибов образцов при циклических испытаниях выявлена кинетика роста усталостных трещин металла после эксплуатации. Установлено, что наибольшим прюгибом при наименьшем, числе циклов обладает металл зоны термического влияния.
ilo результата;.! экспериментальных исследований применительно к корпусу цементной печи предложены расчетно- экспериментальные методики уточненного расчета на сопротивление металла цик-
лическому нагружению и хрупкому, квазихрупкому, вязкому разрушению гон сварных соединений и основного металла корпуса с локальными повреждениями типа трещин.
В работе дана оценка статической прочности и циклического ресурса корпусов для их реальных состояний в условиях эксплуатации ,'а также оценка статической трещиностойкости металла кор пуса по коэффициентам интенсивности напряжений и критическим температурам хрупкости.
Практическая ценность. Разработан метод оценки (с расчето на ЭШ) положение геометрической оси корпусов цементных печей на опорах по изменению локальных нагрузок. Программа используе ся на ПО "Брянскцемент" для выявления смещений геометрической оси корпуса в процессе эксплуатации, а также в учебном процессе Брянского технологического института при подготовке инженеров-расчетчиков строительных специальностей.
Разработана и внедрена на ПО "Брянскцемент" система диагностики состояния оси корпуса вращающейся цементной печи диа-г метром 5 м, длиной 170 м. Опытная эксплуатация системы показала её работоспособность и надежность.
Выполнен проектировочный расчет прочности и выносливости опасных сечений обечаек горячей части корпуса цементной печи диаметром 4 м, длиной 150 м для ПО "Брянскцемент" с целью прові дения работ по модернизации и реконструкции рекуператорного холодильника и консольной части корпуса, 'как наиболее тяжелона-груженнсго узла цементной печи / 5 /.
Предлагаемые в работе расчетно-экспериментальные методики уточненного расчета корпуса на сопротивление металла ыалоцик-ловому нагружению и хрупкому, квазихрупкому, вязкому разрушению с практической точки зрения нашли применение при выполненш расчетов прочности, долговечности и трещиностойкости корпусов
- 7 -дементных печей и химических аппаратов на стадии проектирования и эксплуатации; для анализа эксплуатационных разрушений и решения проблемы оценки долговечности сварных соединений цилиндрических обечаек корпусов в учебных процессах Брянского технологического и Уфимского нефтяного институтах.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Сопротивление материалов и строительная механика" Брянского технологического института и кафедры "Машины и аппараты химического производства" Уфимского нефтяного института, на $ПКП в МАТИ по специальности "Сопротивление материалов"', на I Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность оборудования производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности" (г.Уфа, 1987 г.) на научно-практической конференции "Совершенствование технологии, снижение ручного труда, контроль и стандартизация в строительной индустрии и строительстве" (г.Брянск, 1986 г.), за научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в строительстве" (г. Брянск, 1989 г.) на республиканской науч--ю-технической конференции "Диагностика, ресурс и прочность эборудования для добычи и переработки нефти" (г.Уфа< 1989 г.), *а республиканской научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых и специалистов Башкирии (г. Уфа, 1990 г.-).
Публикации. По теме диссертационной работы имеется семь публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа зодержит ИЗ страниц машинописного текста, 33 рисунка, 36 таблиц, списка литературы из 163 наименований и 7 приложений.