Введение к работе
Высокотемпературный нагрев углеводородного сырья для различных процессов нефтепереработки осуществляется, как правило, в трубчатых печах, включающих в себя продуктовый змеевик, горелочные устройства, тепловые ограждения в виде футеровки и систему вывода и утилизации дымовых газов. По назначению трубчатые печи могут быть как нагревательными, так и реакционными (крекинг, пиролиз). При этом надежность работы печи определяется сроком службы (долговечности) трубчатых змеевиков, испытывающих в процессе эксплуатации значительные нагрузки и деформации, обусловленные воздействием высоких температур с одной стороны, и состоянием потока внутри труб с другой стороны.
В процессе нагрева углеводородного сырья в трубчатых печах происходит его частичное или полное испарение в трубах ( в зависимости от температуры и давления в системе). В двухфазном потоке имеют место критические явления, характеризуйтеся свойствами фаз. В исследованиях гидродинамики двухфазных потоков, проведенных рядами авторов отмечаются как общие, так и частные закономерности.
Режим течения двухфазного потока определяется объемным паросодержанн-см и скоростью движения фаз. Переход режимов является нечетким даже в системах "вода-воздух". Предполагается, что аналогичные явления происходят и в системах, где в качестве нагреваемого и испаряемого продукта используется углеводородное сырье. Известно, что последнее не имеет определенной температуры кипения, и при заданных температурах и давлении закипает только часть его компонентов. В связи с этим изменение режимов течения происходит постепенно. С точки зрения интенсификации теплообмена наиболее оптимальным является дисперсно-кольцевой режим. Однако, его неустойчивость, вызванная собственно природой возникновения и конструкцией змеевика (горизонтальное положение, поворот на 180 через каждые 6-12 м), позволяет сделать предположение о развитии на этом участке змеевика неблагоприятных явлений, значительно ухудшающих показатели работы печи. Сюда можно отнести огложение кокса и, как следствие, перегрев стенки печных труб и их разрушение. Отложение кокса в печных трубах приводит к сокращению межремонтного пробега, а накопление повреждений в них значительно снижает ресурс.
Необходимость проведения исследований гидродинамики двухфазного потока и динамики коксообразования в змеевиках тесно связана с определением долговечности и повышения ресурса трубчатых змеевиков.
В процессе эксплуатации радиантная часть змеевика находится под действием высоких температур. В зависимости от рабочих характеристик печи средняя температура на поверхности змеевика составляет 450-600 С и более (печи пиролиза). В печах, где сырье склонно к коксообразованию (установки термического крекинга, замедленного коксования и др.), вследствие коксоотложения на внутренней поверхности температура стенки печных труб увеличивается. Диффузионное насыщение поверхностных слоев металла углеродом повышает его хрупкость и снижает стойкость к трещинообразованию. Данные обстоятельства являются основополагающими при выборе критериев оценки долговечности трубчатых змеевиков. Совместная разработка вопросов возникновения кризисных явлений в гидродинамике двухфазных потоков и прочности и долговечности материалов печных труб позволит создать адекватный подход к оценки долговечности и остаточного ресурса трубчатых змеевиков.
Основные направления исследований выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан (АНРБ) "Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии" но направлению 6.2 "Надежность и безопасность технических систем в нефтегазо-химическом комплексе" на 1996-2000 годы, утвержденной постановлением Кабинета Министров РБ № 204 от 26.06.96, а также по Федеральной целевой программе 'Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы (ФЦП "Интеграция") по государственному контракту № 28 "Создание совместного учебно-научного центра "Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа".
На основе исследования гидродинамики потоков в змеевиках и сопровождающихся критических явлений, влияющих на поврежденпость печных труб, разработать метод расчета долговечности и оценки остаточного ресурса трубчатых змеевиков нагревательных печей процессов нефтепереработки.
-
Определить современное состояние характера поведения материалов трубчатых змеевиков с учетом изменения фазового состояния и гидродинамических условий в нагреваемых потоках.
-
Провести анализ влияния гидродинамических условий двухфазных потоков на поврежденность труб в условиях эксплуатации нагревательных печей.
-
Разработать методику исследований гидродинамической структуры двухфазных потоков, а также динамики и характера коксоотложений в трубчатых змеевиках.
-
Установить закономерности коксоооразования на внутренней поверхности трубчатых змеевиков с учетом изменения структуры двухфазного потока и исследовать динамику развития и характер коксообразований в трубах.
-
Разработать критерии оценки поврежденное материалов, учитывающие условия эксплуатации нагревательных печей.
-
На основе исследования напряженно-деформированного состояния трубчатых змеевиков разработать методы расчета долговечности и оценки остаточного ресурса печных труб.
-
Разработать рекомендации для практической реализации результатов исследований.
-
Разработаны критерии оценки поврежденное материалов печных труб и установлены закономерности их напряженно-деформированного состояния с учетом характера и динамики коксоооразования, связанных с критическими явлениями в двухфазных потоках.
-
Установлена взаимосвязь режимов течения двухфазных потоков в печных трубах с механизмом коксоотложения в них, заключающаяся в том, что интенсивность коксоооразования определяется трехстадииным характером с наибольшим значением в третьей стадии. Первая стадия характерна для режимов течения, реализующихся в трубах при низких паросодержаниях, свойственных для режимов от пузырькового до дисперсно-кольцевого, вторая стадия характерна для дисперсно-кольцевого и дисперсного режимов и третья стадия наступает при дисперсном режиме.
-
Разработаны принципы расчета долговечности труб змеевиков, основанные на линейном законе суммирования повреждений и модифицированном коэффициентами, учитывающими характер и динамику коксообразования и фактический запас по пределу длительной прочности материала.
-
Разработана физическая модель коксообразования в печных трубах, заключающаяся в трехстадийном протекании' процесса. Начало третьей стадии определяется размером ядер, образующихся в дисперсном потоке под действием подъемной силы, направленной к оси трубы и возникающей в результате градиента скоростей в турбулентном двухфазном потоке.
-
Для расчета долговечности получено модифицированное уравнение повре-жденности печных труб, учитывающее условия эксплуатации нагревательных печей.
-
Получено универсальное уравнение для расчета длительной прочности стали 15Х5М, позволяющее определять его значение при температурах до 700 С и времени до разрушения до 100000 ч. Предложенный подход можно распространить и на другие материалы.
-
Разработана методика оценки остаточного ресурса печных труб, базирующаяся на линейном законе суммирования повреждений с учетом нагрузок, обусловленных коксообразованием в трубчатых змеевиках.
-
Разработаны рекомендации по повышению производительности нагревательных печей установок селективной очистки масел на АО "НУНПЗ".
-
Разработан и спроектирован узел ввода ингибитора коксообразования для печей пиролиза с целью увеличения межремонтного пробега и повышения долговечности змеевиков.
-
Разработана, спроектирована и изготовлена в АО "Нефтехимремстрой" трубчатая печь модульной конструкции, предназначенная для нагрева теплоносителя для установки производства стабилизаторов полимеров на АО "'НУНПЗ ".
Результаты диссертационной работы докладывались в 1984-97 годах на Всесоюзных, Всероссийских и Республиканских конференциях по проблемам, направленных на повышение эффективности, надежности и долговечности нефтехимического оборудования, в том числе на:
-Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии", Сумы, 1986;
-Республиканской научно-технической конференции "Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса", Уфа, J 995;
-Всероссийской научно-технической конференции "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность предприятий". Уфа, 1996;
-Республиканской научно-технической конференции "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий", Уфа, 1997.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 статьях, 15 тезисах докладов конференций, получено 1 авторское свидетельство.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
