Инженерный анализ несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении, страница 3

Составнойчастью таких производств являются трубопроводные системы, а такжекожухотрубчатыетеплообменники,трубчатыеэлементыконструкцийкоторых работают в сложных условиях нестационарных термомеханическихвоздействий,приводящихконструкционногокматериала.деградациипрочностныхДлительностьпроцессовсвойствнакопленияповреждений в конструкционном материале определяется условиямиэксплуатации, а поврежденность не может быть выявлена традиционнымиметодами неразрушающего контроля. Постепенно развивающиеся процессынакопленияповреждениймогутпривестиквнезапнымотказам.Практическая невозможность определения остаточного ресурса с помощьюнеразрушающих средств контроля определяет актуальность развитияметодов численного моделирования процессов накопления повреждений,основанных на положениях механики упругопластической сплошной среды с14учетомисториинагруженияиизменениямеханическихсвойствконструкционного материала.Проблематеченияматериалаважнадлясовременнойжизни.Практические исследования по проблеме теории течения материала имеютбольшое прикладное значение: они позволяют выявить новые результаты иявления в поведении материала, а также позволяют с большой долейнадежности проверить теоретические выкладки по этой проблеме, которыесуществуют на сегодняшний день.Исследования в области повышения надежности аппаратов, работающихпод давлением, трудоемкие и дорогостоящие, при условии проведениянатурных испытаний.

Использование достоверных и достаточно точныхматематических методов и алгоритмов позволяет создавать программныепродукты, позволяющие осуществлять такие исследования с намногоменьшими материальными и физическими затратами. Также применениеЭВМ для решения такого рода задач значительно экономит время,затрачиваемое на исследования.В качестве объекта исследований в данной работе выбраны трубчатыеэлементы аппаратов.Выборвкачествеобъектаисследованийтрубчатыхэлементовобусловлен следующими основными причинами:1. Из всех элементов конструкций химического и нефтегазовогомашиностроения,применяются.трубчатыеГрануляторы,элементыколонныеинаиболеешироковыпарныеаппараты,сепараторы, нагреватели и др.

имеют в своей конструкции трубку.2. Во многих аппаратах, например в кожухотрубчатых телообменниках(рисунок 1.1) трубчатый элемент является основным рабочимэлементом. Надежность данных установок во много определяетсядолговечностью трубок, поэтому исследование долговечности и15надежности трубчатых элементов является ключевой задачей в делеобеспечения надежности агрегатов в целом.Рисунок 1.1 - Кожухотрубчатый теплообменный аппарат3.

Теоретическаячастьпроводимыхисследованийможетдатьуниверсальный методологический подход к решению задач в другихпроизводствах, использующих подобные конструкционные элементы.Основными направлениями в проведении численных экспериментовявляются: изучение влияния различных факторов технологической среды; поиски оптимального режима работы аппарата.Для проведения исследования в этих направлениях использовалсяразработанный программный комплекс «LifeCycle», который являетсяотраслевой САПР системой. Также возможно его автономное применение всистемеавтоматизированногорабочегоместаинженера-конструкторахимической, нефтяной и смежных отраслей промышленности.1.1.2 Теплообменные аппараты [15-21]Теплообменные аппараты применяются для нагревания, охлаждения,конденсации и испарения различных жидких, газообразных игазожидкостных сред.Передача тепла в теплообменных аппаратах осуществляется от среды,имеющей более высокую температуру, к среде с низкой температурой.Движущей силой при теплообмене является разность температур сред.Теплообмен осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и16теплоизлучения.

В большинстве случаев среды в теплообменных аппаратахне смешиваются между собой и отделены друг от друга листом (вспиральных и пластинчатых теплообменниках) или стенкой труб (вкожухотрубчатых аппаратах), их движение осуществляется параллельно илипротивотоков по двум или более (при нескольких теплоносителях)пространствам аппаратам.Типы, основные параметры и размеры ряда стальных теплообменныхаппаратов стандартизированы.

Наиболее характерными из них являютсяспиральные, пластинчатые, типа «труба в трубе» и особеннокожухотрубчатые.Если для проведения процесса требуются сравнительно большиеповерхности теплообмена, то применяют, главным образом, трубчатыетеплообменники. Поверхность теплообмена в трубчатых теплообменникахможет быть получена различным способом.Кожухотрубчатые теплообменные аппаратыНаиболее распространенной конструкцией является кожухотрубчатыйтеплообменник, в кожухе которого с двух концов приварены трубныерешетки, в которые входит пучок трубок.

Днища соединены с кожухом нафланцах при помощи болтов, что позволяет снимать днища и прочищатьтрубки. Трубки теплообменника прямые; поэтому их легко прочистить и вслучае появления течи заменить новыми.Кожухотрубчатые теплообменники, холодильники, конденсаторы ииспарители стандартизированы, выпускаются на широкий диапазон рабочихпараметров и применяются для самых разнообразных условий теплообменамеждутехнологическимипродуктами.Конструктивныесхемыстандартизированных теплообменных аппаратов показаны на рисунке 1.2.Испарители кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками икожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе применяютсядля испарения сред в технологических процессах нефтяной, химической,нефтехимической и газовой отраслях.Согласно ГОСТ 15119-79 бывают двух типов: Н – с неподвижнымитрубными решетками, К – температурным компенсатором на кожухе.

Имеют17два исполнения: 1 – вертикальные с жидкими, газообразными ипарогазовыми теплоносителями; 2 – с вертикальным теплоносителем.Основные параметры и размеры: Внутренний диаметр кожуха от 600 до 1400 мм; Температура греющей и испаряемой сред от –70 до 350 °С; Условное давление в трубах от 0,6 до 1,0 МПа; Условное давление в кожухедля типов Н - 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0 МПа;для типов К - 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0 МПа; Поверхность теплообмена от 40 до 468 м2; Сортамент труб 25  2 мм.Холодильники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решеткамии кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухеприменяются для охлаждения сред в технологических процессах нефтяной,химической, нефтехимической и газовой отраслях.

Охлаждающей средойявляется вода или другая нетоксичная, невзрыво- и пожароопасная жидкостьс температурой кипения, при давлении 0,07 МПа выше 60 °С.18Рисунок 1.1 - Конструктивные схемы кожухотрубчатых теплообменников:а-в– вертикальные (а – типа ТН; б – типа ТК; в – типа ТП двух- имногоходовые по трубному пространству);г-ж – горизонтальные (г – типа ТН; д – типа ТК; е – типа ТП двух- имногоходовые по трубному пространству; ж– испарители с паровымпространством со съемными трубными пучками и плавающей головкой);1 – кожух; 2 – трубы; 3 – трубные решетки; 4 и 5 – распределительныекамеры; 6 – козырек-отражатель; 7 – линзовый компенсатор; 8 –подвижная трубная решетка; 9 – плавающая головка; 10 – сальник; 11 –перегородки19Согласно ГОСТ 15120-79 бывают двух типов: Н – с неподвижнымитрубными решетками, К – температурным компенсатором на кожухе.

Имеютдва исполнения: Г – горизонтальные; В – вертикальные.Основные параметры и размеры: Внутренний диаметр кожуха от 159 до 1200 мм; Температура охлаждаемой среды в кожухе от –20 до 300 °С; Температура охлаждающей среды в трубах от –20 до 60 °С; Условное давление в трубах 0,6 МПа; Условное давление в кожухедля типов Н - 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0 МПа;для типов К - 0,6; 1,0; 1,6 МПа; Поверхность теплообмена от 1 до 937 м2; Сортамент труб 20  2 или 25  2 мм.Конденсаторы кожухотрубчатые с неподвижными трубными решеткамии кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухеприменяются для конденсации сред в технологических процессах нефтяной,химической, нефтехимической и газовой отраслях.

Охлаждающей средойявляется вода или другая нетоксичная, невзрыво- и пожароопасная жидкостьс температурой кипения, при давлении 0,07 МПа выше 60 °С.Согласно ГОСТ 15121-79 бывают двух типов: Н – с неподвижнымитрубными решетками, К – температурным компенсатором на кожухе. Имеютдва исполнения: Г – горизонтальные; В – вертикальные.Основные параметры и размеры: Внутренний диаметр кожуха от 600 до 1400 мм; Температура конденсируемой среды в кожухе от –20 до 300 °С; Температура охлаждающей среды в трубах от –20 до 60 °С; Условное давление окружающей среды в трубах 0,6 МПа; Условное давление в кожухедля типов Н - 0,6; 1,0; 1,6; 2,5 МПа;для типов К - 0,6; 1,0; 1,6 МПа; Поверхность теплообмена от 46 до 865 м2; Сортамент труб 20  2 или 25  2 мм.20Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубнымирешетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухеприменяются для охлаждения и нагрева сред в технологических процессахнефтяной, химической, нефтехимической и газовой отраслях.Согласно ГОСТ 15122-79 бывают двух типов: Н – с неподвижнымитрубными решетками, К – температурным компенсатором на кожухе.

Имеютдва исполнения: Г – горизонтальные; В – вертикальные.Основные параметры и размеры: Внутренний диаметр кожуха от 159 до 1200 мм; Температура теплообменивающихся сред от –70 до 350 °С; Условное давление для типа Н (в трубах и кожухе)Dкож до 1000 мм - 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0 МПа;1200 мм - 0,6; 1,0; 1,6; 2,5 МПа;Условное давление для типа Кв трубах - 0,6; 1,0; 1,6 МПа;в кожухе - 0,6; 1,0; 1,6 МПа; Поверхность теплообмена от 1 до 961 м2; Сортамент труб 20  2 или 25  2 мм.Конденсаторы кожухотрубчатые с плавающей головкой применяютсядля конденсации сред в технологических процессах нефтяной, химической,нефтехимической и газовой отраслях.

Охлаждающей средой является водаили другая нетоксичная, невзрыво- и пожароопасная жидкость стемпературой от –20 до 60 °С.Согласно ГОСТ 14147-79 бывают двух типов.Основные параметры и размеры: Внутренний диаметр кожуха от 600 до 1400 мм; Температура конденсируемой среды в кожухе от 0 до 400 °С; Условное давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа; Условное давление охлаждаемой среды в кожухе - 1,0; 1,6; 2,5 МПа; Поверхность теплообмена от 87 до 831 м2; Сортамент труб 20  2, 25  2 или 25  2,5 мм.21Испарители с паровым пространством применяются для испарения средв технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической игазовой отраслях.Согласно ГОСТ 14148-79 бывают двух типов: П – с плавающейголовкой, У – с U-образными трубами.