Содержание к диссертации
Введение 4
Литературный обзор 8
Классификация, преимущества и принцип действия центробежных
насосных агрегатов 9
Основные повреждения конструктивных элементов и деталей
центробежных насосных агрегатов в процессе эксплуатации 13
Анализ существующей системы обеспечения безотказной работы
центробежных насосных агрегатов 17
Методики расчета напряженно-деформированного состояния
рабочих колес центробежных насосных агрегатов 27
Разрушение элементов оборудования при многоцикловом
нагружении 32
-
Полная кривая усталости 32
-
Многоцикловая усталость конструкционных материалов 38
-
Основные стадии и механические модели повреждений 46
-
Применение силовых уравнений к расчетам на многоцикловую усталость 48 Описание объекта исследования 56 Назначение и технические характеристики 56 Режимы работы насосного агрегата марки НК 210/200 58 Статистика по ремонту деталей и узлов насосных агрегатов марки
НК 210/200 60
Исследование механических свойств металла рабочего колеса 62
Фрактографический анализ излома диска рабочего колеса 62
Микроструктурный анализ образцов из рабочего колеса 64
Определение механических свойств металла рабочего колеса после
эксплуатации по результатам замеров твердости 66
Экспериментальное определение характеристик сопротивления
усталости стали 25Л 71
Гидродинамический расчет проточной части центробежного
насосного агрегата в программе FLOW VISION 2.3.3 76
Методика расчета гидродинамики проточной части центробежных
насосных агрегатов в ПК FLOW VISION 2.3.3 76
Состав и назначение основных моделей пакета 76
Подготовка и импорт геометрии из CAD системы на примере
центробежного насосного агрегата 77
Физико-математическая постановка задачи к расчету в
препроцессоре 79
Начало расчетов и моделирование с помощью солвера 88
Работа в постпроцессоре и визуализация результатов 89
Исходные данные для расчета 95
Результаты расчета 95
Анализ изменения напряженного состояния рабочего колеса
насосного агрегата в ПК ANSYS 99
Методика расчета 100
Исходные данные для расчета 102
Результаты расчета для стали 25Л 102
Оценка долговечности рабочих колес для различных режимов
работы насосных агрегатов
Расчет долговечности на основе силовых уравнений разрушения 107
Определение поправочной функции к уравнению повреждений
силового типа для расчета на многоцикловую усталость 109
Зависимость долговечности рабочего колеса от режима работы
насосного агрегата 112
Основные результаты и выводы 117
Список использованных источников 119
Приложения 130
Введение к работе
Актуальность работы
На предприятиях нефтепереработки центробежные насосные агрегаты (ЦНА) являются одним из основных видов машин, предназначенных для перекачивания различного рода жидкостей. Такая ситуация обусловлена их существенными преимуществами над другими типами насосов. В первую очередь следует отметить равномерность и широкие границы регулирования расхода при относительно высоком коэффициент полезного действия, возможность непосредственного соединения с высокоскоростными электродвигателями и газовыми турбинами, небольшие габаритные размеры и вес. Как известно из работ В.В. Болотина, Д.Н. Решетова, Г.П. Иванова, И.А. Биргера, В.П. Чиркова, Р. Хевиленда и др. в области прогнозирования ресурса и надежности машин, безаварийная работа насосного агрегата в значительной степени зависит не только от правильного выбора и обеспечения основных конструкторских решений при проектировании и изготовлении, но и от условий эксплуатации. При этом нестационарный режим эксплуатации насосных агрегатов может быть связан с нестабильной загрузкой по сырью технологических установок.
Одной из основных проблем прогнозирования ресурса и надежности деталей машин, изделий и механизмов является предотвращение преждевременных разрушений вследствие действия периодически повторяющихся нагрузок, вызывающих явление усталости металла. Статистические исследования показывают, что около 90 % всех разрушений элементов конструкций и деталей машин в промышленности и на транспорте происходит в результате действия повторно-переменных нагрузок. Изучению природы усталостных разрушений и методов расчета усталостной долговечности деталей машин посвящены работы СВ. Серенсена, B.C. Ивановой, А. А. Шанявского, Н.А. Махутова, В.Ф. Терентьева, А.П. Гусенкова, В.П. Когаева, Ю.Н. Работнова, В.Т. Трощенко, П.А. Павлова.
В процессе эксплуатации ЦНА на предприятиях нефтепереработки колебание режима работы неизбежно, что влечет за собой изменение гидродинамики потока жидкости, оказывающее интенсивное динамическое воздействие на детали его проточной части, главным образом, на рабочее колесо. Повреждения рабочих колес насосных агрегатов, как правило, выявляются во время плановых ремонтов, за исключением аварийных остановок. В существующих методиках проведения прочностных расчетов рабочих колес насосных агрегатов не учитывается влияние гидродинамических процессов проточной части, изучению которых посвящены исследования многих отечественных и зарубежных авторов: Л.Г. Колпакова, Г.М. Башта, В.А. Зимницкого, В.М. Касьянова, Б.В. Овсянникова, Г.Ю. Степанова, В.В. Малюшенко, 3.3. Рахмилевича, В.М.Черкасского, М.Р. Сулейманова, R. Krischna, R. Knapp.
В связи с тем, что внезапное разрушение рабочего колеса может привести к аварийной остановке насосного агрегата и вызвать дополнительные повреждения связанного с ним технологического оборудования, определение времени наработки на отказ рабочих колес представляет несомненную актуальность.
Цель работы: разработка алгоритма оценки времени наработки на отказ рабочих колес ЦНА с учетом параметров режима эксплуатации и свойств перекачиваемой жидкости для условий нестационарного режима нагружения.
Задачи исследования:
1 Сбор статистических данных по причинам и количествам отказов насосных агрегатов на примере марки НК 210/200 установок первичной переработки нефти.
2 Проведение микроструктурного анализа, фрактографических исследований изломов дисков рабочих колес, определение механических свойств материала рабочих колес, в том числе предела выносливости и параметров кривой усталости стали 25Л.
3 Анализ изменения напряженного состояния и определение параметров цикла изменения напряжений рабочих колес ЦНА при нестационарном режиме нагружения в процессе эксплуатации по результатам расчетов в ПК FLOWVISION 2.3.3 и ПК ANSYS.
4 Сравнение расчетной и эксплуатационной долговечности рабочих колес.
5 Получение аналитической зависимости, позволяющей наиболее достоверно определять время наработки на отказ рабочих колес в зависимости от режима работы ЦНА и свойств перекачиваемой среды.
6 Разработка методики по оценке долговечности рабочих колес с учетом условий и режима эксплуатации ЦНА при перекачивании тяжелых нефтепродуктов.
Научная новизна
1. На основе анализа расчета долговечности и статистики отказов рабочих колес ЦНА консольного типа, предназначенных для перекачки тяжелых нефтепродуктов, установлена поправочная функция к уравнению повреждений силового типа для расчета количества циклов до разрушения. Поправочная функция учитывает коррозионное воздействие перекачиваемой среды, частоту и режим нагружения рабочих колес в процессе эксплуатации.
2. В результате моделирования напряженно-деформированного состояния рабочего колеса при нестационарном режиме нагружения ЦНА выявлен определяющий механизм накопления повреждений в области присоединения лопаток на периферии дисков, обусловленный циклическим изменением давления на выходе из рабочего колеса, максимальные напряжения от которого превышают напряжения от действия центробежных сил от 10 до 13 раз.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 56, 58-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2005, 2007 гг.), IV конгрессе нефтегазопромышленников России «Газ. Нефть. Технологии-2005» (г. Уфа, 2005), VII Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы из решения» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), IV научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2010 г.).
Публикации
Содержание работы опубликовано в 7 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.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и основных выводов, двух приложений, списка использованных источников из 138 наименований. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 5 таблиц.
