Введение к работе
Актуальность.
Морская индустрия как комплексная система мирового хозяйства включает в себя кроме основных производственных и перерабатывающих средств освоения океана также развитую структуру обеспечивающих средств. В состав этих средств входят рыбодобывающие и рыбообрабатывающие суда и транспортный флот, и военно-морские силы страны. Прогресс в развитии этой сферы производства, в том числе в освоении шельфа и охраны суверенитета России, возможен только на базе надежной и производительной морской техники. Функционирование всей этой системы основано на надежном и автономном обеспечении энергией всех видов и пресной водой, а также на высокоэффективном их получении. Жесткие требования по массогабаритным показателям и надежности, предъявляемые к автономным энергетическим установкам (ЭУ) морской техники, можно обеспечить за счет совершенства конструкции всех элементов. В этих условиях неизмеримо возрастает значение обеспечения работоспособности используемого оборудования и качества производимой ими продукции, то есть надежности системы. В особенности это касается судовых энергетических установок (СЭУ). Наиболее сложные условия эксплуатации у поверхностей нагрева паропроизводящей и теплообменной аппаратуры. Высокие значения динамических нагрузок, как механических, так и тепловых, необходимость осуществления маневренных (переменных) режимов усугубляется невозможностью обеспечить постоянство качества рабочего тела. Серьезную проблему представляет обеспечение главных котлоагрегатов качественной питательной водой, недостаток которой принуждает использовать воды иного назначения, вплоть до забортной. Несоответствие качества воды значительно снижает ресурс котлов и всей установки в целом. Известно, что надежность главной ЭУ обеспечивается работоспособностью опреснительных установок (ОУ) по схеме последовательного соединения.
Дальнейшая интенсификация эксплуатации ЭУ возможна не столько за счет совершенствования рабочего процесса и улучшения теплообмена, сколько за счет сохранения работоспособности аппарата в целом. Существующие судовые ОУ имеют наработку на отказ менее 180 часов, и основной причиной отказов являются коррозионные разрушения элементов и деталей установки, а также накипеобразование на поверхностях нагрева. Считается, что в безнакипном режиме наработка на отказ может возрасти до 300 часов и выше.
Основной причиной возникновения отказов из-за коррозии является коррозия под напряжением (КРН). При статических напряжениях проявляется коррозионное растрескивание (КР), характерное для трубных досок, корпусов теплообменников и других подобных деталей. При циклических - мало... и многоцикловая коррозионная усталость (КУ), характерная для трубопроводов, трубных элементов в местах их крепления в трубных досках и барабанах котлов и в других подобных элементах.
Повышение параметров рабочего процесса и интенсивности теплообмена при одновременном уменьшении габаритов аппаратов пытаются достичь снижением агрессивности рабочей среды или с помощью применения новых коррозионно-стойких материалов. Однако такие решения приводят к снижению надежности установки в целом из-за хрупких разрушений во внешне благоприятных ситуациях Примером может служить растрескивание коррозионно-стойких титановых сплавов в деаэрированном дистилляте или в слабоагрессивных средах.
Работоспособность поверхностей нагрева зависит от многих факторов, часть из которых возможно учесть при проектировании. К этим факторам относятся выбор тепловой схемы, конструктивные решения, учитывающие качества питательной воды (топлива), особенности компоновки оборудования и учет действия инерционных сил (от волнения и др.), отработка
конструкторских решений на технологичность и уровень технологической культуры. Особое значение для обеспечения надежности энергетического оборудования имеет выбор конструкционных материалов и способов их соединения, способных удовлетворять специфическим требованиям к узлам или деталям. То есть, при проектировании кроме теплофизиче-ских характеристик требуется учитывать весь комплекс механических свойств материалов, включая такие как а0|2, о,, ст.,, 65, а„, и трещиностойкость - К1С, K1Scc, К*,.. Наиболее сложно сохранить комплекс свойств выбранных материалов в процессе выполнения технологических операций на стадии изготовления, при монтаже и наладке изделия. Особенного внимания требует учет характеристик нагрузки и совместного влияния технологических повреждений и на-кипеобразования как усугубляющего фактора.
Проблема повышения работоспособности элементов и эффективности работы СЭУ, улучшение их массогабаритных характеристик сводится, в конечном счете, к согласованию возможностей выбранных материалов, технологии изготовления и условий работы и к жесткому соблюдению принятых решений.
Поэтому разработка расчетных методов прогнозирования и способов управления наки-пеобразованием и коррозионными процессами для предотвращения ухудшения теплообмена и развития разрушающих коррозионных повреждений в специфических условиях теплообмен-ной аппаратуры весьма актуальна.
Тема диссертации непосредственно связана с программами научных исследований Дальневосточного государственного технического университета и Института химии ДВО РАН. Работа выполнялась в соответствии с научно-техническими программами государственного и регионального значений.
Государственные (союзные) программы - "Мировой океан" (в 1991 -1995гг.), в том числе по проекту "ВЕСТПАК" (разд. 04.01.Н5а и разд. 04.01.Н5б); международный проект "Южно-Китайское море" (разд. 04. 05. НЗб), в том числе в рамках двустороннего советско-вьетнамского сотрудничества; общегосударственная программа фундаментальных исследований "Проблемы биоповреждений" на 1992...2000гг. Утверждена Отделением общей биологии РАН 4.11.88г. п.5.1.3. (разделы 5.1.3., 5.1.4., 5.2.2., 5.3.1.); "Единый план работ МНТК" Антикор" ГКНТ СССР и АН СССР" (задание 15.01.Н) 1996...98г. "Сводный план научно-исследовательских, проектно-конструкторских и технологических работ по сварочной науке и технике" (ИЭС им. Е.О. Патона) ГКНТ СССР тема 0.72.01.02.13. раздел 2 1982 ...1986г.г. Государственные программы по военно-промышленному комплексу - 2 программы.
Республиканские программы - Минвуза РСФСР "Исследование и освоение Мирового Океана" (1976-1980 г.г.), направление "Разработка методов и средств по определению, очистке и энерготехнологическому использованию вод Мирового Океана". Р.073.11. "Защита металлов от коррозии" (1992-1995гг.). - "Задания программ фундаментальных исследований РАН и ее отделений" 2.17 (2.17.1.1, 2.17.1.3, 2.17.6, 2.17.7.4) тема "Синтез и исследование строения веществ и материалов с заданными функциональными свойствами, в том числе перспективных для морских технологий и техники" № гос. регистрации 01960010350.
Планами отраслевой научно-исследовательской лаборатории "Энерготехнологическое использование морских, сточных и нефтесодержащих вод на рыбопромысловых судах и плавбазах" (ЭТИМСВ) Минрыбхоза СССР при ДВПИ (согласование Минвуза СССР № 93-01-03/12-13 от 0.01.81 и приказов Минвуза РСФСР и Минрыбхоза СССР № 385/500 от 1.09.81.
Целью работы является повышение работоспособности элементов СЭУ путем прогнозирования и управления процессами, происходящими в аппаратах (элементах) пароэнергетических установок при использовании морской воды и ее рассолов и конденсатов.
Разработка комплексной модели, основанной на исследованиях теплофизических и физикохимических процессов, протекающих в рабочем пространстве аппаратов СЭУ, описывающей процессы накипеобразования и развития коррозионных повреждений при различных режимах работы теплообменных аппаратов (испарители, теплообменники) и повышение эффективности работы этих элементов.
Для решения поставленной цели выполнены: анализ процесса термического распада карбонатной системы и выпадения накипеобразователей; исследованы процессы накипеобразования при нагреве и испарении морской воды; исследованы особенности процессов теплообмена и сдвига химических равновесий при нагреве и кипении растворов в большом объеме, включая кипение на горизонтальных трубах; разработаны методики расчета химических равновесий в растворах и у поверхности металла с учетом закономерностей теплообмена и коррозии; определено влияние технологического воздействия, параметров рабочих процессов и действующих напряжений на электрохимические характеристики металлов и их сварных соединений и на скорость коррозии.
Научная новизна. Решается комплексная система взаимовлияния тепловых, фи-
зико-химических и механохимических процессов, позволяющая прогнозировать работоспособность элементов СЭУ (испарители, теплообменники) и повысить эффективность работы этих элементов. Система учитывает закономерности и взаимное влияние теплообмена, накипеобразования и развития коррозионных повреждений, а также воздействие режима работы.
Для повышения качества прогнозирования накипеобразования впервые разработана методика расчета выпадения солей, учитывающая режимные параметры теплообмена, а также испарение микрослоя под паровым пузырем при кипении растворов. Для определения основных исходных зависимостей проведены исследования теплообмена при кипении морской воды при различных тепловых потоках и давлениях насыщения.
Установлено, что при кипении растворов на горизонтальных поверхностях нагрева образование накипи начинается с нижней образующей нагревателя. Впервые объяснено развитие первичных накипных отложений зарождением и развитием паровых пузьрей в этих местах и испарением микрослоя под пузырем.
« Уточнено влияние давления насыщения, теплового потока и диаметра нагревателя на теплоотдачу при кипении на горизонтальных трубах закономерности в качестве составной части модели накипеобразования. Систематизированы закономерности теплообмена для различных способов нагрева и испарения воды.
На основе положений теории гидратации в растворах электролитов О. Я. Самойлова и подходов, развитых А.С. Соловкиным, впервые разработана методика расчета индивидуальных коэффициентов активности ионов многокомпонентных растворах типа морской воды, необходимая для расчетов ионных равновесий в растворах и их изменения при коррозии и накипеобразовании. Предложен инженерный вариант расчетных формул для океанической воды.
Систематизированы многочисленные разрозненные сведения по константам равновесия компонентов карбонатной системы и на основании термодинамического анализа полученных данных определены значения ДНреакц и ДЭреащ. для возможности расчета значений этих констант при различных температурах.
Получено теоретическое решение нелинейной задачи распределения коррозионных токов в многоэлектродных системах и на основе этого впервые подтверждено взаимное влияние теплообмена, коррозии и накипеобразования. Разработанная методика расчета позволяет произвести расчетную оценку коррозионной стойкости сварных соединений в конструкциях и деталях установок и прогнозировать возможность возникновения отказов. Определено влияние режимов сварки и сопутствующей технологической обработки на электрохимический потенциал зон сварного соединения для основных конструкционных материалов.
На основе проведенных исследований с использованием положений теории коррозии и подходов механохимии и линейной механики разрушения разработан вариант расчета изменения электрохимического потенциала локальных зон поверхности металла под воздействием механических напряжений, технологических воздействий и химической обстановки в приэлектродной области.
Предложены, разработаны и апробированы: метод ускоренных коррозионных испытаний при движении жидкости; раннего дистанционного определения при натурных испытаниях момента и места возникновения коррозионной трещины в сварных моделях большого размера; подход к определению в полевых условиях значений трещиностойкости по размерам остановившейся трещины; методика определения методом магнитной анизотропии напряженного состояния и разделения напряжений в габаритных сложных конструкциях, позволяющий выявлять неразрушающим методом места возможных отказов.
Практическая ценность работы
состоит в новых инженерных методах моделирования процессов накипеобразования и коррозии, обеспечивающих эффективное решение широкого круга задач, возникающих при комплексном решении проблемы повышения работоспособности элементов СЭУ. Результаты работы имеют широкую область применения в судостроении, машиностроении, пищевой промышленности и других сферах производства, для которых характерно использование процессов и аппаратов, работающих в коррозионно-активных и на-кипеобразующих средах.
Разработаны решения для повышения работоспособности и эффективности использования судовых опреснительных установок. Результаты исследований использованы ЦНИИ судового машиностроения (ЦНИИ «Компас») в качестве рекомендаций при проектировании судовых ОУ. Впервые успешно применен метод магнитной обработки морской воды совместно с установкой реактора - декарбонизатора, позволившие увеличить в два раза наработку между чистками от накипи для ОУ плавзаводов проекта 393 Щальморепродукт) и кораблей ВМФ (Техническое управление КГОФ). Полученные в исследованиях решения позволили: усовершенствовать процесс испытаний материалов на коррозионную стойкость; оптимизировать выбор технологии сварки конструкций, работающих в агрессивной среде (в том числе концентратах морской воды), и конструкций из высокомодульных сплавов; усовершенствовать контроль действующих напряжений в конструкциях элементов СЭУ и на этой базе повысить качество производства крупногабаритных сварных конструкций (ДВЗ «Звезда», «Дальзавод» и ВРПО «Приморремрыбфлот»). Внедрение результатов исследований в учебный процесс способствует повышению качества подготовки инженеров специальностей 1402 и 1405 в ДВГТУ и других вузах. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 600 тыс. рублей (в ценах 1985 г.). Материалы исследований отмечены премиями и дипломами Прим. отд. НТО им. акад. А.Н. Крылова.
В диссертации решена проблема повышения работоспособности теплообменных аппаратов и эффективности работы судовых ЭУ, имеющая значительную практическую ценность для развития ресурсосберегающих и природоохранных технологий, а также средств освоения Океана. Решение проблемы выполнено на основе развиваемого автором научного направления «Комплексное моделирование процессов накипеобразования и коррозии в теплообменном оборудовании».
Материалы исследований вошли разделами в 3 учебные дисциплины; 2 учебных пособия (1-е грифом Министерства общего и профессионального образования), в курсовое и дипломное проектирование специальности 05.08.05.
Автор защищает:
Совокупность решений по повышению работоспособности элементов СЭУ, основанной на исследовании теплофизических и физико-химических процессов, происходящих в аппаратах (элементах) пароэнергетических установок при использовании морской воды, ее рассолов и конденсатов.
-
Комплексную модель накипеобразования и коррозии в теплообменных элементах СЭУ и подходы к управлению этими процессами.
-
Методику расчета ионных равновесий в многокомпонентных растворах, расчета индивидуальных коэ4хрициентов активности ионов на основе термодинамически обоснованных величин в широком диапазоне изменений концентраций и химического состава и температуры раствора.
-
Совокупность новых результатов экспериментальных исследований процессов, протекающих при кипении морской воды в теплообменных аппаратах СЭУ и уточненных зависимостей влияния конструктивных параметров на теплообмен.
-
Теоретическое решение задачи по определению скорости развития коррозионных повреждений при одновременном действии теплообмена, накипеобразования и напряженного состояния.
-
Результаты исследований влияния технологического воздействия при изготовлении конструкции и внешних условий на электрохимические характеристики материалов и их сварных соединений.
-
Комплекс методик для проведения коррозионно-механических исследований в реальных эксплуатационных условиях
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях и научных семинарах в ведущих организациях страны, а также на международных конференциях
II Всесоюзный семинар "Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. Москва, 1969.1-ое и 2-ое Всесоюзные научно-технические совещания по теплообмену и теплофизическим свойствам морских и солоноватых вод при их использовании в парогенераторах и опреснителях - Баку, 1973,1976.
Научно- технические семинары Института Теплофизики СО АН СССР: "Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах". 1977г. и 'Теплообмен и гидрогазодинамика при кипении и конденсации" Новосибирск, 1979г.; кафедры общей теплотехники ЛТИХП им. М.В. Ломоносова, 1981 г., кафедры "Сварочного производства" МВТУ им. Н.Э. Баумана (1984) и МИНХ и ГП им. Губкина (1985г.), "Сварочного производства" КПИ, Киев, 1988 г. Всесоюзные научно-технические конференции: ВСНТК, посвященная 50-летию подготовки инженеров-сварщиков, Владивосток, 1980.
"Повышение надежности и долговечности деталей машин, механизмов и сварных конструкций". Могилев, 1982. IV ВСНТК "Мировой Океан". Владивосток, 1983. "Сварка в судостроении и судоремонте". Владивосток, 1983. "Использование морских, сточных и нефтесодержащих вод на судах и береговых предприятиях"- Владивосток, 1984. "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле "Дальстандарт". Хабаровск, 1984 и 1987 г. "Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций Владивосток, 1987. "Пути ускорения научно-технического прогресса в сварочном производстве". Владивосток, 1987. "Теория и практика электрохимических процессов и экономические аспекты их использования". Барнаул, 1990. "Проблемы коррозии и защиты сплавов металлов и конструкций в морской воде". ДВО РАН 1991. Международные конференции:
34 Internationales Wissenschaftliches Colloquium. Ilmenau, 1989. "Эколоп^я и безопасность жизнедеятельности", Владивосток, 1994. "Международные решения проблем экологии прибрежных районов" Владивосток, 1995. "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов". Владивосток 1996. XVIII International Symposium on ship power plants. Gdynia, 1996. The eleventh Asian technical exchange and advisory meeting on marine structures. TEAM'97 Singapore, 1997. "Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы" и "Вологдинские чтения", Владивосток 1998г.
Публикации
Список публикаций по материалам диссертации включает 98 работ, в том числе 2 учебных пособия, 7 авторских свидетельств, раздел в монографии Л.Н. Сень, Ю.В. Якубовский "Парогенераторные установки на морской воде" Л. -1979. С. 132...171.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и заключения, содержащих 327 стр. машинописного текста, 59 рисунков и 37 таблиц. Список использованных источников содержит 401 наименований.
