Методика определения объема ремонта котлов при восстановлении ресурса вагонов-цистерн для перевозки жидкого пека

Методика определения объема ремонта котлов при восстановлении ресурса вагонов-цистерн для перевозки жидкого пека

Жидкий пек – продукт перегонки тяжелой каменноугольной смолы или других минеральных смол, используется в качестве компонента для получения анодной массы и обожженных анодов, являющихся в свою очередь необходимыми составляющими производства алюминия.

Транспортировка жидкого пека осуществляется в специализированных железнодорожных вагонах-цистернах, оборудованных термоизоляцией котла и специальными электрическими нагревателями, обеспечивающими его перевозку в жидком состоянии при температуре окружающей среды до минус 30°С, а также его разогрев на пунктах выгрузки.

Условия эксплуатации данных вагонов-цистерн определяет специфику их повреждений, характер и особенность которых, а также требования к устранению этих повреждений, в настоящее время в нормативных документах не приведены.

Особенность конструкции таких вагонов-цистерн делает стоимость их изготовления достаточно высокой по сравнению с вагонами-цистернами универсальной конструкции (без системы разогрева).

Для минимизации мероприятий по поддержанию парка данного вида подвижного состава в рабочем состоянии Инженерным центром (Санкт-Петербург) разработана специальная методика отбора этих вагонов-цистерн в ремонт, с возможностью продления срока их службы, учитывающая специфику повреждений, вызванных температурными нагрузками.

В основу данной методики легло определение значений деформации броневого листа котла вагона-цистерны вследствие температурных нагрузок, возникающих при перевозке расплавленного пека в процессе его загрузки и выгрузки, и оценка напряженно-деформированного состояния котла с учетом полученных значений пластической деформации.

Кроме характерных для всех грузовых вагонов эксплуатационных нагрузок, котел вагона-цистерны для пека испытывает температурное воздействие от груза, загружаемого при температуре 300°С и выгружаемого после разогрева нагревательными элементами с 500°С. Температура пека, перевозимого в течение 5 суток, сохраняется не ниже 180°С (рис. 1).

Рис. 1. Цикл разовой температурной нагрузки котла вагона-цистерны модели 15-1532

Повышенные температуры снижают прочностные характеристики стали. С ростом температуры уменьшается значение предельных напряжений, под воздействием которых наблюдается переход упругого состояния металла в пластичное (предел текучести), т.е. происходит снижение сопротивления пластической деформации [1].

Пластическая деформация, накопленная броневым листом котла вагона-цистерны за срок эксплуатации вагона-цистерны (24 года), под действием весовой и температурных нагрузок приводит к возникновению локальных прогибов, оценку параметров которых можно произвести во время разборки вагона-цистерны при ремонте (рис. 2).

Рис. 2. Остаточная деформация броневого листа котла вагона-цистерны модели 15-1532

Отбраковка и определение объема ремонта является одним из основополагающих мероприятий, проводимых при продлении сроков службы для дальнейшей эксплуатации грузовых вагонов, в том числе и вагонов-цистерн для перевозки жидкого пека.

В настоящее время в руководящих документах по плановым видам ремонта, на основании которых производится основная часть ремонтных работ по котлу, отсутствуют четкие критерии отбраковки котлов вагонов-цистерн для перевозки пека по размерам и количеству локальных деформаций в броневом листе.

Исследования возможности продления срока полезного использования вагонов-цистерн для перевозки пека, выполненные инженерным центром совместно с ЦНИИ КМ «Прометей» ранее [2] и построенные на основе анализа механических свойств образцов металла котлов вагонов-цистерн модели 15-1532, находившихся в эксплуатации, показали отсутствие очагов коррозионного воздействия жидкого пека на внутреннюю поверхность металла котла вагона-цистерны, а также отсутствие изменений микроструктуры исследуемых образцов, влияющих на прочностные свойства металла.

Кроме этого была проведена оценка механических свойств образцов, изготовленных из стали 10Г2СА, применяемой при изготовлении котлов вагонов-цистерн для пека. Температурная зависимость временного сопротивления σ_в и предела текучести σ_0,2 данной стали, являющихся основными показателями прочности, приведена на рис. 3.

На основании выполненных исследований было сделано заключение о возможности продления срока полезного использования вагона-цистерны по состоянию металла котла.

Составляющими разработанной инженерным центром методики стали: расчетное определение прироста пластической деформации за каждый цикл температурной нагрузки, а следовательно – остаточной деформации котла по прошествии 36 лет (24+12) – максимально-возможного срока службы вагона-цистерны модели 15-1532 с учетом срока продления, и определение напряжений в котле с наличием зон локальных прогибов и сравнение их с допускаемыми.

По результатам исследований определены характерные значения локальных деформаций броневого листа котла вагона-цистерны, пришедшей в ремонт.

Рис. 3. Температурная зависимость временного сопротивления и предела текучести для стали 10Г2СА

В зависимости от величины этих значений принимается решение о продлении срока полезного использования вагона-цистерны без проведения ремонтных работ на котле, о продлении срока полезного использования вагона-цистерны при обязательном проведении ремонтных работ по котлу с устранением дефектных зон или же о списании вагона-цистерны по состоянию котла без права продления.

Расчет величин остаточной деформации конструкции котла вагона-цистерны по результатам нагрева был выполнен с использованием специализированного программного вычислительного комплекса, реализующего метод конечных элементов.

Для описания конструкции и выполнения прочностного расчета с учетом приложенных температурных нагрузок и пластических свойств материала использовались пространственные пластинчатые элементы (рис. 4).

Рис. 4. Пространственные пластинчатые конечные элементы: а) учитывающие теплопроводность между узлами; б) учитывающие пластические свойства материала

В качестве глобальной системы координат при составлении расчетной схемы была выбрана Декартова система с центром на продольной оси вагона-цистерны. По причине того что на котел воздействуют симметричные нагрузки (вес груза и температурные нагрузки нагревательных элементов), для уменьшения времени расчета и экономии ресурсов ПЭВМ в качестве расчетной модели использовалась четвертая часть конструкции котла вагона-цистерны (рис. 5).

Рис. 5. Расчетная модель котла вагона-цистерны с сеткой конечных элементов

Принятые граничные условия расчетной модели позволяют получить результаты расчета применительно ко всей конструкции котла вагона-цистерны (рис. 6).

Рис. 6. Граничные условия и области их действия на расчетной модели

Многократность повторяющихся в процессе реальной эксплуатации вагона-цистерны температурных нагрузок, вызванных загрузкой расплавленного пека и его разогревом с помощью нагревательных элементов в пунктах выгрузки, учтена в проведенном расчете несколькими циклами.

В каждом последующем из них учтены значения остаточных деформаций, полученных на предыдущих циклах.

В результате расчета были определены:

– значение прироста деформаций после каждого цикла разогрева;

– суммарное значение остаточной деформации котла по прошествии максимально возможного срока продления (рис. 7).

Рис. 7. Локальные прогибы в зонах термического влияния нагревательных элементов вагона-цистерны модели 15-1532

Было произведено сравнение спрогнозированных величин деформации по прошествии 24 лет эксплуатации со значениями деформаций, выявленных при диагностировании реальных вагонов-цистерн с истекшим сроком службы. Сравнение показало приемлемость выбранного метода расчета.

Величина прироста деформации позволила спрогнозировать состояние котла после возможного срока продления (рис. 8). Кроме этого были определены геометрические размеры деформаций.

Рис. 8. Расчетные значения деформации котла вагона-цистерны модели 15-1532 на период окончания срока возможного продления (размеры деформации – утрированны)

Ярко выраженные области цветовой палитры (см. рис. 8) соответствует трем группам значений деформации котла вагона-цистерны по прошествии 36 лет:

– группа 1 (деформации от 0 до 30 мм);

– группа 2 (деформации от 30 до 60 мм);

– группа 3 (деформации от 60 до 90 мм и более).

Данные значения стали исходными данными второго этапа исследования – прочностного расчета котла вагона-цистерны с учетом деформаций, накопленных котлом вагона-цистерны по истечении срока возможного продления – 36 лет (24+12).

Прочностной расчет котлов вагонов-цистерн модели 15-1532 был выполнен для двух групп величин деформации (рис. 9, 10).

Рис. 9. Напряженно-деформированное состояние части котла вагона-цистерны модели 15-1532 с максимальной деформацией 30 мм (группа 1), не требующей проведения ремонтных работ по котлу

Прочностной расчет по третьей группе значений расчетных деформаций показал нецелесообразность проведения ремонтных работ.

В случае если итоговое значение одной из областей локальных деформаций вагона-цистерны, полученное суммированием величины деформации за срок эксплуатации (24 года) и расчетной величины деформации за возможный срок продления (12 лет), попадает в промежуток от 60 до 90 мм – такие вагоны-цистерны подлежат списанию.

 

Рис. 10. Напряженно-деформированное состояние части котла вагона-цистерны модели 15-1532 с максимальной деформацией 60 мм (группа 2), требующей проведение ремонтных работ по котлу

Условия отбраковки или продления срока службы с проведением необходимых работ по котлу можно представить в следующем виде (рис. 11):

0 ≤ Д_∑ < 30 – продление срока службы без проведения ремонтных работ по котлу;

30 ≤ Д_∑ < 60 – продление срока службы с проведением ремонтных работ по котлу;

90 < Д_∑ < 60 – списание вагона-цистерны по состоянию котла,

где Д_∑ = Д₂₄ + Д₁₂;

Д₂₄ – среднее значение деформации зон локальных прогибов котла вагона-цистерны по истечении установленного срока службы 24 года;

Д₁₂ – расчетная величина деформации зон локальных прогибов котла вагона-цистерны за максимальное возможное время продления срока службы.

Рис. 11. Карта отбраковки вагонов-цистерн для пека

Комплекс проведенных исследований позволил определить предельно допускаемые значения локальных прогибов броневых листов котлов вагонов-цистерн для перевозки жидкого пека, пришедших в ремонт после 24 лет эксплуатации, при наличии которых допускается не производить их устранение при капитальном ремонте с продлением срока полезного использования (далее – КРП) вагонов-цистерн для перевозки данного вида груза.

Опытный образец вагона-цистерны модели 15-1532 (рис. 12), прошедшей КРП на Саяногорском ВРЗ по техническим условиям, содержащим методику отбраковки, разработанную специалистами инженерного центра, был принят приемочной комиссией к серийному производству.

Разработанная методика, а также результаты выполненных ранее исследований позволили оптимизировать трудозатраты мероприятий по поддержанию парка вагонов-цистерн для пека в рабочем состоянии без снижения уровня безопасности их эксплуатации.

Рис. 12. Вагон-цистерна модели 15-1532, прошедший КРП

До конца 2007 года Саяногорским ВРЗ планируется выполнить КРП примерно двумстам вагонам-цистернам модели 15-1532.

Литература

1. Шорр, Б.Ф. Несущая способность элементов машин, работающих при повышенных температурах. Термическая прочность. Термоупругость. Термопластичность. Термоусталость / Б.Ф. Шорр, Р.А. Дульнев. – М. : Машиностроение, 1968. – 100 с.

2. Материаловедческая экспертиза состояния металла котла вагона-цистерны для перевозки жидкого пека (модель 15-1532) после 24 лет эксплуатации. – М. : ЦНИИ КМ «Прометей», 2002. – 26 с.