Повышение надежности и ресурса рабочих элементов судовых газотрубных котлов

Газотрубные котлы входят в состав судовых энергетических установок и являются одним из наиболее ответственных элементов жизнеобеспечения судов. Котельные установки с газотрубными котлами нашли широкое применение на всех типах судов благодаря ряду положительных свойств, в числе которых простота конструкции и технологичность, удобство компоновки, высокая степень автоматизации, низкие эксплуатационные затраты и др. [61, 26,5].

Надежность и ресурс судовых котельных установок во многом определяются рабочими характеристиками узлов соединения теплообменных труб и трубных досок [10,11,7].

Как показывает практика эксплуатации судов отечественного и зарубежного флота, основные проблемы, возникающие при работе газотрубных котлов, вызваны потерей герметичности этих элементов, что обусловлено рядом причин:

• ухудшение условий отвода теплоты из зоны крепления ввиду образования накипных и иных отложений;

• коррозионные разрушения узлов крепления труб;

• ухудшение теплоотдачи ввиду нарушения проектных параметров течения теплоносителей;

• наличие неравномерности течения газов по фронту трубной доски котла и др.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию и нейтрализации указанных отрицательных факторов, до настоящего времени исчерпывающего решения не найдено. Это подтверждается многочисленными фактами отказов и аварий, связанных с эксплуатацией газотрубных котлов [20, 22, 26, 43]. Важность решения задачи повышения надежности судовых газотрубных котлов особенно актуальна в связи с тем, что аварии котельных установок отражаются на надежности работы судовой энергетической установки и судна в целом.

Решение актуальной задачи по повышению надежности и ресурса элементов крепления труб в трубной доске позволит значительно увеличить надежность котлов данного типа и повысить безопасность эксплуатации судов речного и морского флота.

Целью работы является повышение надежности и ресурса газотрубных котлов путем разработки мер по снижению термической нагрузки в узлах крепления труб в трубных досках на базе вновь разработанных уточненных математических моделей, позволяющих учитывать режимные, конструктивные и иные факторы, влияющие на физические процессы в исследуемых объектах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать факторы, влияющие на надежность соединения труба — трубная доска.

2. Разработать математические модели течения газа и воды в районе узла крепления труб в трубной доске.

3. Разработать математические модели температурного состояния узла соединения трубы в трубной доске.

4. Исследовать процессы и определить закономерности изменения физических параметров в узлах крепления для выявления главных и второстепенных факторов и определения путей конструктивного совершенствования узлов крепления.

5. Провести математическое моделирование средств термической защиты.

6. Разработать конструктивные мероприятия, направленные на термостабилизацию узла крепления.

Объектом исследования являются судовые газотрубные котлы.

Предметом исследования являются термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках газотрубных котлов.

Методы исследования.

Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых как М. И. Волский, А. А. Отс, Н. И. Денисенко, В. Г. Харченко, И. И. Костылев, A.C. Хряпченков и др.

Математическое моделирование и обработка результатов исследований проводились с использованием современных апробированных программных комплексов на базе вычислительного кластера ННГУ им. Лобачевского.

Лабораторные исследования образцов поврежденных котлов для определения причин отказов проведены с использованием микроструктурного анализа металлов на инструментальной базе лаборатории конструкционных материалов НГТУ им. P.E. Алексеева.

Научная новизна.

1. Впервые разработан уточненный комплекс математических моделей узла соединения труб и трубной доски и потоков теплоносителей с обоснованными допущениями и ограничениями, приближающие их характеристики к реальным физическим процессам.

2. Установлено влияние геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов.

3. Выработаны рекомендации по подбору оптимальных геометрических параметров исследуемого узла с точки зрения обеспечения надежности.

4. Разработаны новые термозащитные элементы узлов газотрубных котлов и даны рекомендации по их проектированию и применению.

Практическая ценность.

1. Установлены закономерности и причины повреждений котлов на основе анализа по разработанным методикам материалов по отказам котлов.

2. Разработаны математические модели, которые могут быть использованы в практике проектных организаций с целью создания новых эффективных конструкций котлов.

3. Предложены конкретные конструктивные мероприятия для термостабилизации узла крепления труб и технические решения защиты трубной доски от перегрева.

4. Выработаны рекомендации и конструктивные решения, которые могут быть распространены на все типы газотрубных котлов, применяемых на речном и морском флоте.

5. Результаты исследований внедрены в производственную практику предприятия ООО «Гидротермаль».

Достоверность.

Результаты моделирования и исследования термического состояния узлов крепления труб подтверждены серией натурных эксплуатационных испытаний судовых котлов и данными лабораторных исследований образцов испытуемых котлов. При определении причин отказов использованы надежные апробированные методики анализа, в т. ч. микроструктурный анализ, хроматографический анализ и др. на инструментальной базе лабораторий НГТУ им. P.E. Алексеева, НИЛИМ, «САЛЮТ-22».

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследованийразработаны математические модели течения теплоносителей и термического состояния исследуемых узлов крепления трубапробирована методика определения температурных полей в элементах судовых котловвыполнена верификация расчетных методов анализаобработаны и обобщены полученные результаты. Автор диссертации выражает благодарность за помощь, оказанную при проведении исследований и за консультации к.т.н. С. Н. Валиулину.

На защиту выносятся.

• результаты моделирования температурного состояния узлов крепления труб в трубных досках;

• результаты исследования влияния геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов;

• мероприятия по защите узлов крепления труб в трубных досках от неблагоприятного воздействия высокой температуры.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Эксплуатации судовых энергетических установок» ВГАВТ, научной конференции XV «Нижегородская сессия молодых ученых» (2010 г. г.), международном форуме «Великие реки» (2009;2011 г. г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2009 — 2011 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, получен Патента на полезную модель № 109 267.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 76 наименований и приложений. Работа изложена на 114 страницах основного текста, содержит 4 таблицы и 50 рисунков.

9. Результаты исследования могут быть распространены на все типы газотрубных котлов, применяемых на судах отечественного флота.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Одним из главных факторов, способствующих развитию аварийных ситуаций с газотрубными котлами, является перегрев узлов крепления труб в трубных досках. Физическими причинами этих явлений могут быть: неправильный выбор геометрических размеров элементов узлов крепления в трубной доске, неправильный выбор типа крепления труб в трубной доске, нерасчетные режимы течения воды и горячих газов вблизи узла крепления труб и трубной доски, неправильный выбор материалов и др.

Устранить явление перегрева узлов крепления труб в трубных досках можно путем правильной организации течения горячего газа и нагреваемой водыподбором таких геометрических характеристик узла, которые обеспечат на всех эксплуатационных режимах работы котла допустимые температуры, гарантирующие отсутствие сверхнормативного накипеобразования, термической деструкции металла, разупрочнения металла, развития коррозионных процессов и т. п.

2. Впервые создан комплекс математических моделей узла соединения труб и трубной доски и потоков теплоносителей с обоснованными допущениями и ограничениями, приближающими их характеристики к реальным физическим процессам.

3. Исследовано влияние толщины трубной доски и характеристик обтекания узлов крепления на их термическое состояние. Выявлено, что уменьшение толщины трубной доски способствует лучшему охлаждению узла крепления труб в трубной доске. При проектировании новых котлов следует учитывать параметры термического состояния узлов крепления труб.

4. Установлено негативное влияние неравномерного и неосевого натека-ния потока газа на трубную доску, приводящего к отрыву газового потока от одной из стенок и прижатию потока к противоположной стенке. В результате может образовываться локальная зона перегрева. Срыв потока снижает теплоотдачу на входном участке теплообменной трубы и приводит к снижению мощности и к.п.д. котла.

5. При ремонте газотрубных котлов методом глушения поврежденных труб также формируются наклонные течения, ухудшающие термическое состояние соседних труб и снижающие их эффективность. Данное явление может привести к ускоренному выходу из строя труб, соседних по отношению к заглушённой.

6. Результаты математического моделирования коррелируются с данными практической эксплуатации газотрубных котлов и лабораторными исследованиями образцов, что подтверждает адекватность математических моделей и возможность их применения при создании новых надежных конструкций котлов.

7. На основании исследований разработан комплекс конструктивных мероприятий, направленных на термостабилизацию узлов крепления труб в трубных досках, предложен новый способ термической защиты узлов крепления, который может быть применен как при создании новых котлов, так и при модернизации и ремонте котлов, находящихся в эксплуатации на флоте.

8. Термическая защита на базе комплексного использования листового теплоизоляционного материала и разработанных аэродинамических пистонов позволяет нейтрализовать отрицательное влияние неравномерного и неосевого натекания потока газа на трубную доску.