Способ оценки остаточного ресурса теплового ограждения с учётом условий эксплуатации

Авторы патента:

Парамонов Александр Михайлович (RU)

Приходько Евгений Валентинович (KZ)

Никифоров Александр Степанович (KZ)

Карманов Амангельды Ерболович (KZ)

G01N3/18 - при высокой или низкой температуре

G01N25/72 - обнаружение локальных дефектов (путем определения коэффициента теплопроводности G01N 25/18)

G01N25/58 - измерением изменения свойств материалов под воздействием тепла, холода или расширения

Владельцы патента RU 2773869:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к оценке остаточного ресурса теплового ограждения (футеровки) сталеразливочных ковшей. Заявленное решение позволяет получить данные об остаточном ресурсе теплового ограждения сталеразливочных ковшей на основе комплексной оценки условий их эксплуатации, позволяющей учесть основные величины, определяющие срок службы футеровки сталеразливочного ковша. Значение остаточного ресурса тепловых ограждений сталеразливочных ковшей определяют по формуле, включающей общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации:

где n_к - количество плавок; δ_i - толщина футеровки в начале i-го цикла, мм; δ_кр - минимально допускаемая (критическая) толщина футеровки, мм; υ - средняя скорость снижения толщины футеровки высокотемпературного агрегата, мм/плавку; К_Σ - общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации, находится по выражению:

где К₁ - корректирующий коэффициент для учёта температурных напряжений, возникающих в футеровке при разогреве и охлаждении; К₂ - корректирующий коэффициент для учёта кислотности (основности) шлака; К₃ - корректирующий коэффициент для учёта температуры подогрева футеровки; К₄ - корректирующий коэффициент для учёта температуры расплава; К₅ - корректирующий коэффициент для учёта плотности огнеупоров. Технический результат – повышение информативности получаемых данных за счет получения данных об остаточном ресурсе тепловых ограждений сталеразливочных ковшей в процессе работы на основе расширенной и комплексной оценки условий их эксплуатации. 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к определению остаточного ресурса теплового ограждения (футеровки) сталеразливочных ковшей.

Известен способ определения остаточного ресурса тепломеханического оборудования ядерных энергетических установок, в котором определяют износ и старение сосудов давления на основе составления математической модели "нагрузка - несущая способность", где в качестве нагрузки принято внутреннее давление, а в качестве несущей способности - толщина стенок сосудов давления [Патент 2126955 РФ, МПК G01D21/00. Способ определения остаточного ресурса тепломеханического оборудования ядерных энергетических установок].

Недостатком этого способа является отсутствие в используемой математической модели влияния температурных напряжений, возникающих в стенках.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является способ определения остаточного ресурса тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов, в котором остаточный ресурс определяют критериями надежности по прочности, как для сжатия, так и для расширения [Патент 2724135 РФ, МПК G01N25/72. Способ определения остаточного ресурса тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов].

Недостатком этого способа при определении остаточного ресурса является учёт влияния только одного условия эксплуатации - температурных напряжений в футеровке при разогреве или охлаждении.

Технический результат (практическая значимость) предлагаемого изобретения - получение данных об остаточном ресурсе теплового ограждения сталеразливочных ковшей на основе комплексной оценки условий их эксплуатации, позволяющей учесть основные величины, определяющие срок службы футеровки.

Это достигается тем, что в способе оценки остаточного ресурса теплового ограждения сталеразливочного ковша, значение остаточного ресурса определяют на основе определения значения количества плавок (n_k), учитывающего толщину футеровки в начале i-го цикла (δ_i), минимально допускаемую толщину футеровки (δ_кр), среднюю скорость снижения толщины футеровки высокотемпературного агрегата (υ), определяющих срок службы футеровки сталеразливочного ковша, причём количество плавок (n_k), определяют по формуле, включающей общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации:

где n_k - количество плавок;

δ_i - толщина футеровки в начале i-го цикла, мм;

δ_кр - минимально допускаемая (критическая) толщина футеровки, мм;

υ - средняя скорость снижения толщины футеровки высокотемператур- ного агрегата, мм/плавку;

К_Σ - общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации, находят по выражению:

где К₁ - корректирующий коэффициент для учёта температурных напряжений, возникающих в футеровке при разогреве и охлаждении;

К₂ - корректирующий коэффициент для учёта кислотности (основности) шлака;

К₃ - корректирующий коэффициент для учёта температуры подогрева футеровки;

К₄ - корректирующий коэффициент для учёта температуры расплава;

К₅ - корректирующий коэффициент для учёта плотности огнеупоров, при этом значения корректирующих коэффициентов определяют по таблице с учётом отклонения от нормативных значений условий эксплуатации футеровки сталеразливочного ковша, а величину отклонения корректирующего коэффициента для учёта температурных напряжений, возникающих в футеровке при разогреве и охлаждении, находят по формуле:

где σ- температурное напряжение в футеровке, МПа

σ_доп - предел прочности применяемого огнеупорного материала, МПа;

x - толщина футеровки, м;

n - число участков в которых напряжения превышают допустимые;

τ - время разогрева или охлаждения, с.

σ_ср - среднее значение температурных напряжений в футеровке на данном участке, МПа;

x_i - толщина футеровки, на которой температурные напряжения в футеровке превышают предел прочности применяемого огнеупорного материала, м;

τ_i - время разогрева или охлаждения участка, на котором температурные напряжения в футеровке превышают предел прочности применяемого огнеупорного материала, с.

Алгоритм способа заключается в следующем.

При анализе состояния футеровки и определении остаточного ресурса ее работы рассматриваются условия эксплуатации сталеразливочного ковша:

- температурные напряжения, возникающие в футеровке при разогреве и охлаждении;

- уровень кислотности (основности) шлака;

- температура подогрева футеровки;

- температура расплава;

- плотность огнеупоров.

В предлагаемом способе учёт условий эксплуатации футеровки производится при помощи корректирующих коэффициентов, значения которых зависят от величины отклонения условий эксплуатации теплового ограждения от нормативного значения.

Температурные напряжения в футеровке являются определяющим фактором при оценке ее остаточного ресурса, так как вследствие их действия уменьшается толщина теплового ограждения и это является причиной частого выхода из строя сталеразливочного ковша и увеличения затрат на его ремонты.

Любым известным способом находят распределение температур (например, Инновационный патент № 30372 Республика Казахстан, МПК G01K 13/00 опубл. 15.09.2015, бюл. № 9).

Далее находят возникающие напряжения в зоне растяжения σ_р и сжатия σ_с по формуле:

где α - коэффициент теплового расширения, (1/°C);

Т_ср - средняя температура огнеупорного слоя, °C;

T_i - температура точки, в которой производится расчёт температурного напряжения, °C;

Е - модуль упругости материала, МПа

υ - коэффициент Пуассона.

Затем определяется величина отклонения корректирующего коэффициента для учёта температурных напряжений, возникающих в футеровке при разогреве и охлаждении, по формуле:

где σ- температурное напряжение в футеровке, МПа;

σ_доп - предел прочности применяемого огнеупорного материала, МПа;

x - толщина футеровки, м;

n - число участков в которых напряжения превышают допустимые;

τ - время разогрева или охлаждения, с.

σ_ср - среднее значение температурных напряжений в футеровке на данном участке, МПа;

Значение температурных напряжений в формуле берётся по модулю, то есть без учёта знака, для напряжений сжатия или растяжения.

Само значение корректирующего коэффициента для учёта температурных напряжений, возникающих в футеровке при разогреве и охлаждении, находится из таблицы (Фиг.) по найденному значению отклонения условия эксплуатации от нормативного значения.

Значения корректирующих коэффициентов в зависимости от кислотности (основности) шлака, температуры подогрева футеровки, температуры расплава и плотности огнеупоров также находятся из таблицы (Фиг.) с учётом отклонения величины от нормативного значения. Так, например, изменение плотности огнеупоров, нужно учитывать только при снижении этого параметра относительно нормированного.

Общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации рассчитывается путём умножения корректирующих коэффициентов отдельных условий эксплуатации:

Остаточный ресурс n_k (количество плавок) с учётом общего корректирующего коэффициента условий эксплуатации будет определяться формулой:

где δ_i - толщина футеровки в начале i-го цикла, мм;

δ_кр - минимально допускаемая (критическая) толщина футеровки, мм;

υ - средняя скорость снижения толщины футеровки высокотемпературного агрегата, мм/плавку;

К_Σ - общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации.

Технико-экономическая эффективность внедрения предлагаемого технического решения - получение данных об остаточном ресурсе тепловых ограждений высокотемпературных агрегатов в процессе работы и использование этих величин при их эксплуатации.

Пример

В качестве примера использования методики комплексной оценки остаточного ресурса футеровки сталеразливочных ковшей с учётом условий эксплуатации рассмотрим работу 25-тонного сталеразливочного ковша. Для оценки остаточного ресурса футеровки были проведены замеры температуры на внутренней поверхности его футеровки в процессе разогрева, с учётом того, что процессы разогрева сталеразливочных ковшей перед сливом каждой плавки идентичны.

По найденным значениям критерия для оценки остаточного ресурса и допустимого значения критерия для оценки остаточного ресурса получаем значение отклонения условия эксплуатации по температурным напряжениям равным 3,6, что в соответствии с таблицей (Фиг.) даёт значение корректирующего коэффициента К₁ = 1,08.

Согласно данным эксплуатации, при работе сталеразливочного ковша в течение 30 циклов не зафиксировано повышение избытка основных или кислотных оксидов. Поэтому значение данного коэффициента примем равным К₂ = 1.

Превышение температуры подогрева ковшей зафиксировано не было, исходя из этого принимается К₃ = 1.

Температура расплава была зафиксирована на уровне около 1650°С (повышение температуры металла в установке печь-ковш) в 15-ти циклах. Принимаем для расчётов корректирующий коэффициент по температуре расплава равный К₄ = 1,01.

Изменение плотности применяемых огнеупоров было зафиксировано с отклонением до 2 %. Корректирующий коэффициент по плотности огнеупоров принимаем равным К₅ = 1,01.

Общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации получается равным 1,1. Остаточный ресурс n_К (в количестве плавок) с учётом корректирующего коэффициента условий эксплуатации будет определяться формулой:

Полученный результат подтверждается реальной эксплуатацией сталеразливочных ковшей. Результаты эксплуатации сталеразливочного ковша до капитального ремонта показали, что итоговое количество циклов работы ковша составило 41 плавку. Рекомендательное количество после 30 плавок было равным 10. Большее число плавок n_k можно отнести на погрешность метода и отсутствие корректировок расчёта при работе после 30 плавок.

Способ оценки остаточного ресурса теплового ограждения сталеразливочного ковша, отличающийся тем, что остаточный ресурс определяют на основе определения значения количества плавок (n_k), учитывающего толщину футеровки в начале i-го цикла (δ_i), минимально допускаемую толщину футеровки (δ_кр), среднюю скорость снижения толщины футеровки высокотемпературного агрегата (υ), определяющих срок службы футеровки сталеразливочного ковша, причём количество плавок (n_k) определяют по формуле, включающей общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации:

где n_k - количество плавок;

δ_i - толщина футеровки в начале i-го цикла, мм;

δ_кр - минимально допускаемая (критическая) толщина футеровки, мм;

υ - средняя скорость снижения толщины футеровки высокотемпературного агрегата, мм/плавку;

К_Σ - общий корректирующий коэффициент условий эксплуатации, находят по выражению:

К₂ - корректирующий коэффициент для учёта кислотности (основности) шлака;

К₃ - корректирующий коэффициент для учёта температуры подогрева футеровки;

К₄ - корректирующий коэффициент для учёта температуры расплава;

где σ - температурное напряжение в футеровке, МПа

σ_доп - предел прочности применяемого огнеупорного материала, МПа;

x - толщина футеровки, м;

n - число участков в которых напряжения превышают допустимые;

τ - время разогрева или охлаждения, с.

σ_ср - среднее значение температурных напряжений в футеровке на данном участке, МПа;

x_i- толщина футеровки, на которой температурные напряжения в футеровке превышают предел прочности применяемого огнеупорного материала, м;

Изобретение относится к области испытаний объектов на комбинированное воздействие внешних факторов. Способ испытаний заключается в одновременном воздействии на объект испытаний (ОИ), помещенный в климатическую камеру, механических и температурных нагрузок.

Машина испытательная универсальная для механических испытаний образцов материалов и изделий на растяжение, сжатие и изгиб при статическом приложении нагрузки и на мало- и многоцикловую усталость при растяжении-сжатии при циклическом приложении нагрузки при нормальной и повышенной температурах // 2766998

Изобретение относится к средствам (испытательные машины) и методам механических испытаний образцов материалов на растяжение, сжатие, изгиб и на мало- и многоцикловую усталость. Машина испытательная содержит нагружающее устройство, содержащее основание, два червячно-винтовых редуктора, скрепленных с основанием и связанных между собой муфтой, серводвигатель, приводящий в движение траверсу с помощью червячно-винтовых редукторов и гаек, сопряженных с винтами и закрепленных в траверсе, гайки-корпуса, сочлененные с ходовыми винтами, со встроенными в них кольцевыми поршнями для выборки люфта между винтами и траверсой, направляющие колонны, закрепленные в основании и сопряженные с траверсой через шариковые втулки, поперечину, жестко связывающую направляющие колонны и ходовые винты через шарикоподшипники, гидроцилиндр, образованный траверсой, плунжером и двумя фланцами, верхний захват, скрепленный с плунжером с помощью шпильки и двух шарнирных узлов, датчик перемещения, датчик силы, скрепленный с основанием с помощью шпильки и двух шарнирных узлов, нижний захват, скрепленный с датчиком силы с помощью шпильки, стойку для установки печи при высокотемпературных испытаниях, скрепленную с основанием и поперечиной, а также включает насосную установку и систему управления и измерения.

Установка для испытаний касательно деформации металлической обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины // 2766992

Изобретение относится к установке для испытаний на деформацию металлической обсадной трубы в процессе ожидания затвердевания цементного раствора для цементирования скважины, которая содержит котел высокой температуры и высокого давления; воздушный компрессорный насос; емкость для перемешивания и накапливания цементного раствора; устройство увеличения давления жидкости; линейки для измерения деформации обсадной трубы и вычислительное устройство с системой отображения данных; котел высокой температуры и высокого давления на левой стороне снабжен масловпускным отверстием для теплопроводного масла и датчиками давления, а на правой стороне снабжен масловозвратным отверстием для теплопроводного масла и нагревательным устройством; в крышке котла выполнены открытые отверстия, в которые вставлены термопары; дно котла снабжено отверстием для закачивания цементного раствора; внутри котла расположен цилиндр для имитации обсадной трубы; нагревательное устройство, термопары и датчики давления связаны с вычислительным устройством с системой отображения данных; линейки для измерения деформации обсадной трубы содержат горизонтальную линейку для измерения деформации и вертикальную линейку для измерения деформации, применяемые для осуществления измерений при моделировании горизонтальной и вертикальной деформации обсадной трубы.

Установка для оценки низкотемпературных свойств пластичных смазок для тяжелонагруженных узлов трения скольжения // 2763855

Изобретение относится к области исследования материалов особыми способами, в частности к установкам для оценки низкотемпературных свойств пластичных смазок (ПС), для тяжелонагруженных узлов трения скольжения, и может быть использовано в нефтехимической промышленности, частности в лабораториях при производстве новых видов ПС.

Установка для исследования на длительную прочность строительных материалов при различной температуре и влажности окружающей среды // 2760626

Изобретение относится к области проведения исследований и может быть использовано при проведении опытов, направленных на установление длительной прочности строительных материалов. Установка состоит из рамы, выполненной из уголков, опорных стержней, стержневых электронагревателей и грузового устройства для нагружения образца, увлажнителя воздуха STARWIND SHC1331, выполненного с возможностью создания требуемой влажности, психрометра ВИТ-1, выполненного с возможностью фиксации влажности и температуры окружающей среды, каркаса для сохранения микроклиматических условий проведения эксперимента, выполненного из деревянных брусков и обшитого поликарбонатными листами.

Способ и устройство для испытаний выходных кабелей тяговых электрических двигателей на комплексное воздействие механических и климатических нагрузок // 2753176

Группа изобретений относится к способу и устройству для испытаний кабелей тяговых электрических двигателей на комплексное воздействие механических и климатических нагрузок. Способ для испытаний выходных кабелей тяговых электрических двигателей на комплексное воздействие механических и климатических нагрузок, заключающийся в том, что кабели испытываются в климатической камере при имитации нижнего значения температуры среды, действующей при эксплуатации, с одновременной имитацией действующих при эксплуатации механических нагрузок, причем механические нагрузки имитируются устройством для испытаний выходных кабелей тяговых электрических двигателей, обеспечивающим углы перегиба и закручивания кабелей, амплитуду колебаний во время испытаний, которые равны эксплуатационным, а количество циклов колебаний кабеля (N) во время испытаний определяется по формуле N=f×t, где f - частота колебаний в минуту, t - время испытаний, установленное в нормативно-технической документации на кабель.

Способ электросиловой термографии пространственных объектов с зашумленной поверхностью и устройство для его осуществления // 2740183

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций. Способ включает силовое нагружение изделия, регистрацию образовавшегося на поверхности в результате внутренних термомеханических процессов температурного поля, выявление внутренних дефектов по анализу температурного поля, перед силовым воздействием через изделие пропускают электрический ток до его разогрева, регулируют величину электрического тока таким образом, чтобы температура изделия не превышала допустимую, осуществляют регистрацию температурного поля поверхности и измеряют величину и координаты его аномальных участков, прикладывают к изделию механическую нагрузку, осуществляют повторную регистрацию температурного поля поверхности изделия, по разности двух термограмм поверхности изделия до и после приложения механической нагрузки определяют наличие внутренних избыточных напряжений и дефектов, нагрев изделия электрическим током осуществляют до температуры, на 3-10°С превышающей температуру окружающей среды.

Способ электросилового термооптического контроля пространственных объектов и устройство для его осуществления // 2736320

Изобретения относятся к области измерительной техники. Заявлен способ термографии изделий из полимерных композиционных материалов, который включает силовое нагружение изделия, регистрацию образовавшегося на поверхности в результате внутренних термомеханических процессов температурного поля, и выявление внутренних дефектов по анализу температурного поля.

Способ определения надёжности футеровок высокотемпературных агрегатов // 2731478

Изобретение относится к теплоэнергетике, а в частности к определению надежности работы футеровок высокотемпературных агрегатов (промышленных печей и ковшей, энергетических котлов и др.). Заявлен способ определения надежности футеровок высокотемпературных агрегатов, включает измерение физических параметров объекта, при котором надежность работы футеровок высокотемпературных агрегатов определяется критерием надежности работы футеровки для зоны растяжения , определяемым по формуле: где σpac90% - допустимый предел прочности материала на расширение, равный 90% пределу прочности на расширение этого материала;(σрac)i - возникающие температурные напряжения в момент времени i;(Xpac)i - длина зоны растяжения в момент времени i, в которой возникающие температурные напряжения (σpaс)i превышают допустимый предел прочности материала на расширение σpac90%;τ - время тепловой работы высокотемпературного агрегата.

Термонагружатель к стенду для испытания образцов материалов // 2714516

Изобретение относится к средствам испытаний образцов материалов при сложном нагружении и может быть использовано совместно со стендами для физического моделирования геомеханических процессов на образцах горных пород и эквивалентных материалах. Термонагружатель содержит платформу, размещенные на ней фрикционный диск с приводом вращения, опорную площадку из теплопроводного материала, приспособление для взаимного поджатия диска и площадки, термонагружающую емкостью из теплопроводного материала, закрепленную на опорной площадке и заполненную теплопроводной средой.

Устройство и способ измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов // 2773268

Устройство и способ для измерения плотности падающих тепловых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических аппаратов относятся к космической технике, а именно к контролю теплового режима космического аппарата под воздействием окружающей среды, имитирующей космическое пространство. Устройство для измерения плотности падающих тепловых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических аппаратов выполнено из двух рядом расположенных в одной плоскости узлов, в состав каждого из которых входят две плоско параллельные пластины приемники лучистой энергии (ПЛЭ) с наклеенными датчиками температуры на наружных поверхностях.