Состояние конструкций градирен и предотвращение их разрушения

СОСТОЯНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ГРАДИРЕН И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ

ИХ РАЗРУШЕНИЯ

Н.М. ЯКУПОВ*, Ш.Ш. ГАЛЯВИЕВ**, А.Р. НУРГАЛИЕВ*, С.Н. ЯКУПОВ*

'Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН ОАО Нижнекамскнефтехим

Градирни (теплообменные аппараты) находят широкое применение в энергетике, нефтехимии и т. д. Отмечаются наиболее изношенные части крупногабаритных вентиляторных градирен СК-1200. Описывается опорная система для предотвращения разрушения градирни. Представлена методика и схема экспериментальной установки для определения механических характеристик тонкостенных элементов, находящихся под воздействием механической нагрузки и подверженных коррозионному износу. Приводятся некоторые данные анализа напряженно-деформированного состояния металлической части градирни. Описываются новые конструктивно силовые схемы усиления корпуса градирни, которые позволяют предотвратить разрушение конструкции и существенно снизить уровень напряжений и, тем самым, снизить коррозионный износ конструкций.

Введение

Градирни - сооружения, предназначенные для охлаждения атмосферным воздухом оборотной воды, отводящей тепло от промышленных установок. Конструкции градирен представляют собой сложную оболочечную систему.

Проведенные авторами натурные обследования крупногабаритных вентиляторных градирен СК-1200 показали, что у градирен, прослуживших более 20-25 лет, наибольшему износу подвержены железобетонные стойки, область опирания металлической части к верхнему железобетонному кольцу и область горловины металлической части.

Сплайновым вариантом МКЭ [1-4] был проведен расчет напряженно-деформированного состояния металлической части градирни. При этом модули упругости для областей, пораженных коррозией, определялись экспериментальнотеоретическим методом. Для этого разработана экспериментальная установка, схема которой, а также методика определения механических характеристик различных тонкостенных элементов конструкций, подверженных коррозионному износу, описывается в данной статье.

Для предотвращения разрушения градирен разработаны дополнительные опорные системы, позволяющие предотвратить разрушение градирни.

Опорная система

С целью предотвращения возможного разрушения градирен возникает необходимость установки опорной системы. Было разработано несколько вариантов опорных систем на базе патента РФ №2196209 на изобретение [5]. Проведены расчеты усилий в элементах опорных систем двумя независимыми подходами. Для одной из градирен с наиболее изношенными железобетонными стойками и отклонившейся от вертикали на 32 см была реализована одноярусная опорная система с дополнительными вертикальными опорами.

© Н.М. Якупов, Ш.Ш. Галявиев, А.Р. Нургалиев, С.Н. Якупов Проблемы энергетики, 2006, № 7-8

Каркас опорной системы (рис. 1) выполнен в виде усеченного конуса и состоит из наклонных опорных элементов, жестко соединенных элементами связи в горизонтальной плоскости. Конструкция каркаса обладает малой металлоемкостью. Система имеет высокую пространственную жесткость и обеспечивает восприятие нагрузок, действующих на градирню. Форма опорной системы позволяет устанавливать фундамент системы на некотором удалении от зоны ослабленного фундамента сооружения, обеспечивая, тем самым, прочность, устойчивость и надежность самой опорной системы.

Расчетные сечении

Элементы опорной системы

Рис. 1. Схема опорной системы

Установка опорной системы на одной из градирен в ОАО Нижнекамскнефтехим позволила предотвратить ее падение и значительно повысить прочностные и жесткостные характеристики ее опорной части.

Экспериментальные установки для определения механических характеристик тонкостенных элементов

Разработаны две установки для проведения экспериментальных исследований.

Первая установка представляет собой нагрузочный резервуар, соединенный с источником сжатого воздуха для оказания одностороннего давления на образец изнутри нагрузочного резервуара. Нагрузочный резервуар имеет фланец, на посадочную площадку которого через герметизирующую прокладку устанавливается, с образованием герметично закрытой полости, испытуемый образец металлической мембраны, закрепляемый при помощи ответного фланца с отверстием рабочей части определенного размера. Устройство имеет измерительный комплекс для снятия геометрических параметров изменения текущей формы исследуемой мембраны и давления воздуха.

Вторая установка, в отличие от первой, обладает возможностью дополнительного исследования образцов в коррозионной среде [6]. Схема установки представлена на рис. 2.

8 7 13' 11

Рис. 2. Схема установки для испытания мембран под нагрузкой

Установка содержит нагрузочный резервуар 1, выполненный в виде емкости. Нагрузочный резервуар 1 имеет фланец 2, на посадочную площадку которого через герметизирующую прокладку устанавливается испытуемый образец 3 металлической мембраны с образованием герметично закрытой полости. Первоначальное положение образца 3 на чертеже показано пунктирной линией 3'. Испытуемый образец 3 металлической мембраны закрепляется при помощи ответного фланца 4. С наружной стороны испытуемого образца 3 устанавливается патрубок 5 с антикоррозионным покрытием или из антикоррозионного материала, закрепляемый между образцом 3 и ответным фланцем 4 при помощи крепежных элементов 6. Патрубок 5 вместе с испытуемым образцом 3 образует емкость для агрессивной среды.

К нагрузочному резервуару 1 подведена магистраль 7 с вентилем 8 от источника 9 сжатой рабочей среды для оказания одностороннего давления на образец 3 изнутри нагрузочного резервуара 1, а также установлен клапан 10 стабилизации давления. К нагрузочному резервуару 1 трубки 11 также подсоединено измерительное устройство 12 замера давления.

Устройство имеет измерительный комплекс 13 для снятия геометрических параметров изменения текущей формы исследуемого образца. В состав измерительного комплекса включены индикаторы часового типа 14, закрепленные на кронштейне 15.

Определение модуля упругости в области коррозионного поражения металлической части

Для участка конструкции, подвергшегося сильному коррозионному износу, предварительно определяется модуль упругости с использованием экспериментально-теоретического метода [7]. По экспериментальным данным вычисляются значения модулей упругости Е, либо условные модули упругости Еусл рассматриваемых образцов. Например, для упругой области деформирования образца можно воспользоваться геометрически нелинейной теорией Тимошенко

[7, 8]:

Е =

16hw

где V - коэффициент Пуассона; q - равномерно распределенное давление; а -радиус образца, находящегося под действием приложенного давления; И -толщина образца; м> - прогиб образца.

На разработанной экспериментальной установке (рис. 2) были проведены испытания двух образцов (пластин), взятых из участка конструкции подвергшейся сильному коррозионному износу. Образцы имели следующие геометрические параметры: толщина образцов И = 1 мм; радиус испытуемой части образцов а = 40 мм. Прогиб первого образца при давлении нагружения q = 1 кг/см2 составил = 1,08 мм, а для второго образца прогиб - = 1,19 мм при давлении

нагружения q = 1,1 кг/см2.

Модуль упругости для первого образца составил Е1 = 25841 МПа, а модуль упругости второго образца - Е2 = 24099 МПа. Средний модуль упругости образцов составил Е = 24970 МПа. Это значение было задано для обечайки в области горловины при расчетах напряженно-деформированного состояния металлической части градирни.

Анализ напряженно-деформированного состояния

С учетом определенных экспериментально-теоретическим методом модулей упругости в изношенных областях конструкций был проведен анализ напряженно-деформированного состояния металлической части градирни с использованием эффективного сплайнового варианта МКЭ [1-4]. При анализе напряженно-деформированного состояния были рассмотрены исходное и изношенное (реальное) состояние металлической части конструкции градирни. Зависимости интенсивностей напряжений Ст; от угловой координаты 0, например, для сечения 14 по рис. 1 представлены на рисунке 3. Как видно из рисунка, износ конструкций приводит к существенному перераспределению напряжений. При этом учет изменения модуля упругости значительно уточняет решение.

ст,-, МПа 250

0 30 60 90 120 150 180 ©, град

Рис. 3. Зависимость интенсивности напряжение от угловой координаты Усиление металлической части градирни

На базе новой конструктивно-силовой схемы строительных конструкций градирни, на которую был получен патент РФ № 2186182 на изобретение «Башенная вентиляторная градирня» [9], предложен конструктивный вариант усиления металлической части градирни в области горловины (рис. 4).

© Проблемы энергетики, 2006, № 7-8

Рис. 4. Схема усиления области горловины градирни

При этом корпус градирен выполняется из листового материала гофрированной формы по окружной координате. К внутреннему контуру градирни крепится защитный экран. Разработанная схема рекомендована для усиления зоны горловины крупногабаритной вентиляторной градирни СК-1200 на ОАО Нижнекамскнефтехим. Разработку можно использовать как для проектирования новых градирен, так и при ремонте градирен в целом или отдельных ее частей.

Схема усиления области опоры конфузора на железобетонную часть градирни

С целью предотвращения катастрофического разрушения из-за коррозионного износа эксплуатирующихся крупногабаритных градирен СК-1200 в области опирания конфузора на железобетонную часть были разработаны устройства, позволяющие усилить несущие элементы, обеспечить рациональную передачу усилий, увеличить долговечность и сейсмостойкость.

Устройство для усиления конструкции градирни [10] имеет консоли, прикрепленные к несущим элементам конструкции (рис. 5). Консоли

расположены в радиальных направлениях конфузора градирни. При этом каждая консоль установлена наклонно к горизонтали и жестко прикреплена к несущим элементам конфузора верхним концом и в одном или нескольких местах в средней части консоли. Нижний конец консоли оставлен свободным и опирается на наклонную кромку кольцевой опоры. Консоли передают часть нагрузок на внешнюю наклонную площадку цилиндрической части. Так как консоли выступают за пределы внешнего очертания цилиндрической части, то они предотвращают падение верхней части корпуса внутрь градирни или опрокидывание ее набок. Кроме того, консоли создают сжимающие усилия на верхнюю область цилиндрической части и, тем самым, разгружают эту область от распирающих усилий. Происходит взаимная компенсация сжимающих и растягивающих усилий, действующих на цилиндрическую часть.

Устройство для усиления конструкции градирни представляет собой достаточно жесткую конструкцию. Были проведены прочностные расчеты консолей при различных схемах нагружения.

Предложенные конструктивно-силовые схемы позволяют повысить прочностные и жесткостные характеристики, а также, соответственно, несущую способность, долговечность и сейсмостойкость эксплуатируемой градирни.

Рис. 5. Схема усиления области опирания металлической части на железобетонную часть

градирни

Отмечаются наиболее изношенные части крупногабаритных вентиляторных градирен СК-1200. Описывается опорная система для предотвращения разрушения градирни. Представлена методика и схема экспериментальной установки для определения механических характеристик тонкостенных элементов, находящихся под воздействием механической нагрузки и подверженных коррозионному износу. Приводятся некоторые данные анализа напряженно-деформированного состояния металлической части градирни. Описываются новые конструктивно-силовые схемы усиления корпуса градирни.

Часть работы выполнена по Программе фундаментальных исследований Отделения ЭМППУ РАН «Накопление поврежденности, разрушение, изнашивание и структурные изменения материалов при интенсивных механических, температурных и радиационных воздействиях» (руководитель программы

академик Горячева И. Г.).

Summary

Cooling-towers (heat exchangers) find wide application in power, petrochemistry, etc. The most worn out parts of the large-sized mechanical-draft towers SK-1200 are marked. The basic system for prevention of destruction cooling-tower is described. The technique and the scheme of experimental installation for definition of mechanical characteristics of the thin-walled elements being under influence of mechanical loading

and subject to corrosion deterioration is presented. Some data of the analysis of the intense-deformed condition of a metal part of the cooling-tower are cited. New structurally power schemes of strengthening of the case cooling-tower which allow to prevent destruction of a design are described and it is essential to lower a level of pressure and by that to lower corrosion deterioration of designs.

Литература

1. Якупов Н.М. Об одном методе расчета оболочек сложной геометрии // Исследования по теории оболочек: Тр. семинара. - Казань: КФТИ КФАН СССР. Вып.17. Ч.П. - 1984. - С.4-17.

2. Корнишин М.С., Якупов Н.М. Сплайновый вариант метода конечных элементов для расчета оболочек сложной геометрии // Прикладная механика. 1987. - Т.23. - № 3. - С.38-44.

3. Корнишин М.С., Якупов Н.М. К расчету оболочек сложной геометрии в цилиндрических координатах на основе сплайнового варианта МКЭ // Прикладная механика. - 1989. - Т.25. - № 8. - С.53-60.

4. Якупов Н.М. Прикладные задачи механики упругих тонкостенных конструкций. - Казань: ИММ КНЦ РАН, 1994. - 124 с.

5. Патент 2196209 РФ, МпК Е 04G23/00. Опорная система для усиления промышленных зданий / Н.М. Якупов, Р.Г. Нуруллин, Ш. Ш. Галявиев и др.: Заявл. 05.02.2001; Опубл. 10.01.03; Приоритет 05.02.2001.

6. Заявка на изобретение № 2004116460/017655, МПК G 01N17/00 2004, положительное решение от 10.01.2006. Способ испытаний образцов металлических мембран под напряжением и устройство для его осуществления / Якупов Н.М., Р.Г. Нуруллин, А.Р. Нургалиев, С.Н. Якупов; Заявл. 31.05.2004; Приоритет 31.05.2004.

7. Н.М. Якупов, Н.К. Галимов, Р.Г. Нуруллин и др.- Нелинейная механика тонкостенных элементов конструкций неоднородной структуры: Отчет о НИР/2006. - 126 с. Зарег. в ВНТИЦ, ИК 0220.0600985.

8. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. - М.: Физматгиз, 1963. - 636с.

9. Патент 2186182 РФ, МПК Е 04Н5/12. Башенная вентиляторная градирня/ Н.М. Якупов, Р.Г. Нурулли, Ш.Ш. Галявиев и др. Заявл. 12.05.2000. Опубл. 27.07.2002; Приоритет 12.05.2000.

10. Патент 2239033 РФ, МПК Е 04Н5/12. Устройство для усиления конструкции градирни / Н.М. Якупов, Р.Г. Нуруллин, Ш.Ш. Галявиев и др. Заявл. 03.04.2003; Опубл. 27.10.2004; Приоритет 03.04.2003.

Поступила 28.04.2006