1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 0.00 (0 Votes)

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЖИВУЧЕСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОЖУХА ШАХТЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
УДК 669.162.214.22 
ISBN 966-7316-32-7 
Днепропетровск 1999г.

 



Чеченєв В.А. - первый заместитель генерального директора ОАО "Днепродомнаремонт", доктор техн. наук, чл.-корр. АИНУ


        Интенсификация доменного процесса сопровождается повышением нагрузок на стенки печи. Это требует поиска решений по защите кожуха для увеличения его стойкости и межремонтного периода в работе агрегата.
        Одним из путей является выбор параметров кожуха (качества стали, толщины кожуха, способа изготовления и т.д.) Например, для доменной печи объемом 5000 м3 по нормативным расчетам толщина кожуха из сталей В.ст.Зсп, 09Г2С должна составлять 60...90 мм. Такая толщина ведет к увеличению жесткости кожуха, снижению деформативности трубопроводных систем при их нагреве, расстройству узлов сопряжения элементов и агрегатов доменного комплекса.
        В связи с этим, для кожухов рекомендовано применять низколегированные стали 14-16 Г2АФ, 14Х2ГМР и т.п., обеспечивающие по нормативам толщину 30...60 мм, что считается приемлемым. С внедрением высокопрочных сталей связывалась экономия металла от 40 до 60% при значительном (в 2.. .3 раза) увеличении их долговечности.
        Однако в полной мере достигнуть этого не удалось. Простои вследствие разрывов, трещин и продувов кожуха в среднем по металлургическим комбинатам в 1978-1982 г.г. составляли около 20% от общего числа. В дальнейшем ситуация мало изменялась. Например, по данным ВНИИМех-чермета за 1984-1986 г.г. в доменном цехе №1 металлургического комбината "Криворожсталь" простои вследствие отказов кожуха составили 41,1%, из которых 52,4% отказов приходится на область шахты, 20,6% - на заплечики и фурменную зону, 27% - на купол и колошник печи. Поэтому, в результате недостаточной надежности кожуха, экономия металла, достигнутая при изготовлении конструкций, уменьшалась при эксплуатации.
        Вместе с тем нельзя не отметить, что на некоторых передовых предприятиях стойкость кожухов увеличивается, но не из-за качества применяемого металла, а в результате совершенствования систем охлаждения.
        Однако, как показывает опыт работы печей, применение традиционных методов и средств защиты кожуха не позволяет значительно (до 10-12 лет) повысить его стойкость.
        Расчет напряженно-деформированного состояния кожуха производится методами теории оболочек, представляя стенку доменной печи в виде многослойного усеченного конуса или цилиндра, испытывающего воздействие внутреннего давления и температуры. Рассчитанные с учетом работы системы кладка - компенсационный слой - кожух меридиональные стм и кольцевые ак напряжения сравниваются с допускаемыми для оценки величины запаса прочности. Величина действующих напряжений зависит от множества факторов и значений физических величин, поэтому диапазон возможных значений ок и ам весьма широк. В расчете же обычно рассматриваются два варианта: при наличии огнеупорной кладки и ири выгоревшей кладке. Такая оценка дает определенные ориентиры для выбора размеров кожуха и его материала, но малоэффективна для прогнозирования работоспособности конструкции.
        Наличие разрушений кожуха в виде развивающихся трещин говорит о цикличности действующих напряжений. Поэтому оценка работоспособности по сопротивлению усталости является более обоснованной.
        Известен расчет кожуха на малоцикловую усталость, где цикличность напряжений связана с падением давления при выпуске чугуна. Как правило, такой расчет, выполненный для неповрежденных зон металла кожуха, дает достаточный запас долговечности. Однако в кожухе имеются исходные дефекты в виде непроваров сварных швов глубиной до 30 мм, что может вызывать образование поверхностных трещин в циклически нагруженных зонах. В связи с этим прогнозирование работоспособности целесообразно производить с позиций механики разрушения. Подобные расчеты, выполненные в статической постановке, свидетельствуют об опасности трещин глубиной 4...8 мм. На практике доменные печи работают длительное время при наличии более глубоких и протяженных трещин.
        Так как при проектировании не представляется возможным прогнозировать процесс нагружения кожуха, а при его изготовлении сложно гарантировать расчетный уровень свойств металла в конструкции, то становится очевидным вывод о том, что достаточная надежность конструкции не может быть обеспечена при строительстве доменной печи. Эту задачу необходимо решать на стадии эксплуатации.
        Для доменных печей, состояние кожуха которых контролируется периодическими измерениями напряжений и визуальными осмотрами, отсутствуют методики прогнозирования живучести (период развития трещины), способные дать информацию о сроках и объемах ремонтов, периодичности контроля.
        В данной работе ставилась цель прогнозирования периода живучести элементов кожуха шахты тонкостенного типа, выполненной из крупногабаритных охлаждаемых модулей, с учетом применения различных сталей и сравнения результатов с показателями эксплуатации шахт традиционной конструкции.


Схематизация процесса нагружения



        Оценить режим нагружения кожуха шахты в детерминированной постановке весьма сложно, однако iio результатам аналитических и экспериментальных исследований можно установить некоторые закономерности.
        Значительное влияние на нагруженность кожуха оказывает состояние футеровки. В процессе эксплуатации она изнашивается, замещается гарнисажем и при этом происходит рост напряжений в кожухе. Интенсивность увеличения напряжений по мере износа защитного слоя можно в среднем считать J МПа/мм - для бетона крупногабаритных модулей и 0,1 МПа/мм - для футеровки из огнеупорного кирпича.
        При разгаре футеровки до рабочего профиля напряжения стабилизируются на уровне аст и испытывают сезонные колебания в диапазоне 20 МПа. Период образования рабочего профиля для доменной печи из крупногабаритных охлаждаемых модулей составляет 0,5-Н,5 года, а для печей традиционной конструкции - от 1,5 до 6 лет.
        Значительные повышения напряжений в кожухе до уровня оп связаны, как правило, с отказом элементов системы охлаждения после разгара футеровки. С увеличением срока службы количество отказов растет, увеличивая тем самым число мест, где напряженность достигает уровня ол.
        Основными факторами, обусловливающими цикличность нагруже-ния, являются колебания внутреннего давления и температуры. Доля влияния давления в общем уровне напряжений невелика и не превышает 10%. Фактор температуры более значим. Ее колебания связаны с простоями печи и различным режимом работы (тихий ход, периферийный или канальный ход).
        Учитывая установленные закономерности напряженно-деформированного состояния кожуха, можно сформировать типовую последовательность нагрузок элементов кожуха шахты доменной печи.






        Получить полную картину процесса нагружения элементов кожуха непосредственно путем осциллографирования достаточно сложно, так как регистрация ведется ограниченное время, а частота циклосмен малая. Обычно фиксируется только максимальное напряжение цикла. Поэтому для формирования прогнозных режимов необходимо привлекать косвенные сведения, такие как количество простоев, тихих ходов, динамику отказов.
        Коэффициент асимметрии цикла R можно оценивать путем сравнения напряжений, измеренных одним и тем же датчиком в процессе нормальной работы печи и во время ее тихого хода. Измерения, проведенные на доменной печи №11 Днепровского металлургического комбината, шахта которой изготовлена из крупногабаритных охлаждаемых модулей, дали возможность установить средние коэффициенты асимметрии цикла R = 0,5 - для кольцевых напряжений и R = 0,3 - для меридиональных напряжений, а коэффициент их вариаций/UR = 0,1.
        Меньший коэффициент R для меридиональных напряжений (который, очевидно, объясняется более существенным влиянием температуры на "рост" бетона модулей) дает более высокий размах напряжений Аа в этом направлении, что увеличивает диапазон изменений коэффициента интенсивности напряжений, который контролирует развитие трещин из исходных дефектов при циклическом нагружении. Это является одной из причин того, что в шахтах из крупногабаритных модулей, несмотря на превосходство кольцевых напряжений над меридиональными, развитие трещин происходит, главным образом, в окружном направлении (рис. 3.2.).


        Данная оценка дает нижнюю границу диапазона варьирования f и, учитывая усредненные показатели работы доменных печей, составляет 3-6) цикл./мес.
        Установлено также, что в течение суток в среднем 10 раз изменяется температура труб охлаждения крупногабаритных модулей, что свидетельствует об изменении хода доменной печи и режима охлаждения, вызывающих изменение напряжений в кожухе. Тогда частота циклосмен от этого фактора составит 300 цикл./мес. и это следует принимать в качестве верхнего предела. Отсюда следует, что средняя величина f = 152 цикл./мес, а коэффициент вариации Uf = 0,33.
        Таким образом, схематизация нагружения кожуха представляет собой закономерную последовательность событий, определяющих форму процесса, некоторые параметры которого рассматриваются варьирующими. Такими параметрами в данном случае являются величины а0 аст, R и f. Данная трактовка отличается от представления нагружения в виде спектра, поскольку позволяет учесть историю нагружения и расчет с ее помощью даёт более точный результат. Типовая последовательность нагрузок отли-чается-и от трактовки нагружения кожуха как чисто случайного процесса, поскольку обладает большей определенностью и обеспечивает более достоверное прогнозирование.


Расположение дефектов в напряженно-деформированном участке кожуха



        Характер разрушения элементов металлоконструкций доменного комплекса весьма разнообразен. Широко известна классификация трещин в кожухе доменной печи по траектории развития, включающая 14 типов. Это говорит, как о различном типе исходных дефектов, так и о различном механизме их роста.
        Для шахт доменных печей из крупногабаритных охлаждаемых модулей образование трещин возможно лишь в случае прекращения подачи хладоагента (воды или пароводяной смеси) в трубы охлаждения, что является аварийной ситуацией. При этом, как показывает опыт, в кожухе развиваются поперечные трещины между отверстиями для вывода труб охлаждения (см.. рис. 3.2.). Это связано, как уже отмечалось, с наибольшим размахом напряжений в кожухе в продольном направлении. Кроме того, теоретическое распределение напряжений вокруг отверстий (рис. 3.2., пунктир) благоприятствует ориентации трещин между центрами.


        Исходные дефекты в наиболее напряженных местах могут быть связаны как со сварным швом вокруг труб в отверстиях, так и с тепловым растрескиванием внутренней поверхности. Они имеют полуэллиптическую форму с отношением полуосей 1/а = 0,38 (рис. 3.2). В дальнейшем трещина развивается как вглубь, так и вширь, превращаясь из поверхностной в сквозную, что ведет к разгерметизации доменной печи. Соотношение размеров трещины и зоны концентрации напряжений (рис. 3.2, сплошная линия) показывает, что этот период роста трещины происходит в однородном поле напряжений.
        Последующее развитие сквозной трещины происходит со скоростью на порядок большей, чем на предыдущем этапе и рассматривается как аварийное. Поэтому критерием отказа является разгерметизация кожуха, т.е. появление сквозной трещины.






Живучесть элементов кожуха доменной печи



        Стали 09Г2С и 16Г2АФ являются высокотрещиностойкими вязкими материалами, в которых перед вершиной трещины при статическом на-гружении образуется обширная пластическая зона. Действующие нагрузки в зоне дефектов ведут к упругопластическим деформациям. Поэтому при оценке живучести кожуха пользоваться методами линейной механики разрушения некорректно. Для этой цели применимы деформационные критерии разрушения на основе коэффициентов интенсивности упругопласти-ческих деформаций.
        Интегрируя уравнения Пэриса для деформационных критериев в условиях номинального однородного напряженно-деформированного состояния, получим зависимость между числом циклов нагружения N (которые имеют смысл долговечности на стадии живучести) и длиной трещины:












        Поскольку при формировании режима нагружения в рассеяние уровня ступеней вводилась составляющая вариации от расположения трещины по высоте шахты, а относительная длительность ступеней Сi связывалась не только со временем их действия, но и с общим относительным размером повреждений поверхности системы охлаждения, то вероятность Р (рис. 3.6) приобретает смысл относительного количества сквозных трещин в кожухе.
        Например, если требуется оценить возможное количество сквозных трещин через 30 месяцев после начала эксплуатации печи, то определив вероятность Р = 0,15 (В.ст.Зсп и 09Г2С) и Р = 0,03 (16Г2АФ) (рис. 3.6) по общему количеству отверстий в кожухе (поскольку рассмотрено именно такое расположение дефекта) путем перемножения получим искомую величину.
        Для доменной печи объемом 1386 м3, шахта которой изготовлена из крупногабаритных охлаждаемых модулей, суммарное количество труб составляет 1620, а для такой же печи традиционной конструкции количество отверстий под чугунные холодильники составляет 3696. Тогда для доменной печи с новой конструкцией шахты необходимо произвести 342 (В.ст.Зсп, 09Г2С) или 49 (16Г2АФ) ремонтных операций по заделке трещин. Для доменной печи традиционной конструкции (кожух - чугунный холодильник - огнеупорная кладка), у которой С3 = 0,3 эти цифры составили бы 887 (В.ст.Зсп), 1000 (09Г2С) и 296 (16Г2АФ). Таким образом, предлагаемая методика оценки функций распределения сроков службы позволяет планировать предполагаемые сроки и объем ремонтных работ.
        В данной методике не учтено постепенное восстановление работоспособности, как элементов кожуха, так и элементов системы охлаждения, которое может происходить при текущих ремонтах. Этот факт отражается в более сложном определении величины Сзх и, как результат, в изменении величины С3.


        Кроме этого, к кожухах из низколегированных сталей, в результате их склонности к науглероживанию при тепловых нагрузках, образуется сетка поверхностных трещин, в то время, как в кожухах из стали В.ст.Зсп признаков деградации структуры и свойств после длительной эксплуатации не обнаружено.
        Таким образом, даже сохраняя неизменным характер поведения конкретной трещины, в кожухах из низколегированных сталей возрастает объем ремонтных работ за счет увеличения источников разрушения.
        На срок службы кожуха решающее значение оказывает режим его циклической нагруженности, условия эксплуатации и характер исходных дефектов (размер, форма, местоположение). С учетом этих факторов необходимо подходить к выбору размеров кожуха и его материала.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ



        Кампании и технико-экономические показатели работы доменных печей в значительной степени определяются стойкостью шахт, традиционная конструкция которых (кожух - чугунный холодильник - огнеупорная футеровка) не обеспечивает надежной работы в связи с прогрессирующим после задувки печи износом огнеупоров. Попытки увеличить толщину футеровки или применить в шахтах доменных печей более качественные огнеупоры малоперспективны, поскольку сопряжены со значительными капитальными затратами, увеличением длительности капремонтов, в то время, как срок службы шахт практически не возрастает.
        Сравнительно быстрый износ фугеровки шахт (в течение 0,5-1 года) после задувки печей сопровождается значительным ростом тепловых нагрузок на чугунные холодильники, что является причиной их преждевременного выхода из строя и последующего отключения от охлаждения. Это отрицательно сказывается на стойкости кожухов шахт, в результате чего длительность межремонтных периодов в работе печей сокращается до 3-5 лет и менее, что вызывает необходимость в проведении внеочередных капитальных ремонтов. В связи с изложенным, актуальными являются исследования путей повышения стойкости шахт, разработка их конструкций, обеспечивающих снижение материалоемкости, затрат на изготовление и монтаж в ходе нового строительства или капитальных ремонтов доменных печей. Альтернативным и весьма перспективным направлением решения этой важной проблемы является разработка принципиально новой конструкции шахт, изготавливаемых из крупногабаритных тонкостенных охлаждаемых модулей, представляющих собой часть кожуха охлаждаемой зоны шахты со стальными трубами, расположенными на нем в виде экрана, пространство между которыми заполнено жаропрочным бетоном.
        Предложена технология изготовления и установки по всей высоте охлаждаемой зоны шахты крупногабаритных модулей, включающих, как одно целое, футеровку (бетон), элементы охлаждения (стальные трубы) и кожух взамен традиционно существующей многослойной конструкции стенки шахты (огнеупорный кирпич, компенсационный зазор, плитовой чугунный холодильник, кожух). Выполнен комплекс термопрочностых расчетов и экспериментальных исследований по определению величин деформаций и напряжений в кожухе и бетоне, армированном толстостенными трубами охлаждения. Исследованиями установлено, что уровень кольцевых напряжений по высоте модулей не превышает 75-95МПа, а меридиональных 30-38 МПа, что свидетельствует о большом запасе прочности кожухов шахт новой конструкции.
        Сравнение расчетных и экспериментальных данных о величинах напряжений в кожухе шахт свидетельствует о хорошей сходимости ре зультатов к возможности применения разработанной методики при проектировании и реконструкции доменных печей.
        Локальные перегревы шахт и применение внешнего охлаждения этих З'частков водой является причиной значительного роста напряжений по толщине кожуха, что сопровождается его депланацией или трещинообра-зованием.
        Приведена методика оценки живучести элементов кожуха шахты доменной печи с применением аппарата нелинейной механики разрушения в вероятностной постановке.
        Сравнение живучести кожухов из принимаемых на практике сталей для шахт новой и традиционной конструкций показало, что внедрение крупногабаритных модулей снижает предполагаемый объем ремонтных работ в 3 - 5 раз.
        Сталь кожуха с карбонитридным упрочнением электрошлакового переплава 16Г2АФ обладает высоким комплексом свойств и имеет преимущества перед сталями В.ст.Зсп и 09Г2С. Однако, учитывая склонность этой стали к тепловому охрупчиванию, для доменных печей с тонкостенной шахтой, где период разгара футеровки сравнительно мал, целесообразнее кожух выполнять из стали В.ст.Зсп как менее дорогостоящей и менее склонной к появлению поверхностных трещин разгара, что обеспечивает снижение ремонтных затрат.
        Сформирована типовая последовательность нагрузок кожуха шахты доменной печи, позволяющая прогнозировать долговечность при циклическом нагружении, как для зарождения трещин, так и для их роста. Она может использоваться при проектировании и в процессе эксплуатации, а также на стадии отработки прочности и ресурса для выбора оптимального материала элементов кожуха.



Чеченєв В.А. - первый заместитель генерального директора ОАО "Днепродомнаремонт", доктор техн. наук, чл.-корр. АИНУ