CC BY
11
УДК 621.8
Д. В. Козляков, И. А. Сабанаев, Ф. М. Алмакаева
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДСТВ САПР ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДЕМОНТАЖНОГО БЛОКА НА УЧАСТКЕ ДЕГИДРИРОВАНИЯ БУТАНА
Ключевые слова: оптимизация, CAD/CAE-системы, ЗО-моделирование.
Представлены результаты решения задачи расчета и проектирования демонтажного блока для оптимизации монтажных работ, проводимых во время технического обслуживания и планового ремонта элементов технологического оборудования на участке дегидрирования бутана завода «Изопрена-мономера» ОАО НКНХ.
Keywords: optimization, CAD/CAE-system, 3D-modeling.
It is presents the results of solving and designing of decomposed block for the optimization problem installation work carried out during routine maintenance and repair of elements of technological equipment on the site butane dehydrogenation plant "Isoprene monomer" of NKNH.
Введение
Плановый ремонт оборудования химических и нефтехимических производств связан с необходимостью демонтажа и последующего монтажа различных элементов технологического оборудования [1]. Как правило, эти мероприятия требуют значительных временных затрат и нередко составляют большую часть в общей трудоемкости ремонтных работ. Таким образом, очевидно, что повышение эффективности монтажных работ позволит существенно снизить трудовые, временные и, в конечном итоге, общие финансовые издержки при проведении плановых мероприятий по техническому обслуживания всего комплекса оборудования химических производств [2].
Как правило, в большинстве случаев операции технического обслуживания и ремонта оборудования невозможно реализовать в местах дислокации аппаратов в силу ограниченности свободного пространства и нагромождения элементов другого оборудования. В таких случаях задача решается путем демонтажа обслуживаемого аппарата и транспортировки его в подходящее место. Учитывая, что ремонтируемый узел нередко имеет значительные габариты и массу, эта работа требует существенных усилий и непростых решений [3].
В данной работе приводятся результаты расчетов несущих элементов соединительного трубопровода для оптимизации процесса технического обслуживания и ремонта одного из элементов технологического оборудования в цехе № 1816 завода ИМ ОАО «НКНХ», а также результаты проектирования демонтажного блока,
предназначенного для повышения эффективности монтажа и демонтажа крупногабаритного теплообменного аппарата, схема обвязки которого показана на рис. 1.
Рассматриваемый теплообменный аппарат «Compabloc» типа СРК-75 разработан фирмой «Alpha Lavale Vicarb SAS» (Франция). На вход в аппарат поступает горячая бутан-бутилен-бутадиеновая фракция (БББФ) со второй ступени компрессора С-20Ш. Выход теплообменника соединяется с сепаратором F-203. В качестве
холодной среды используется вода оборотная. Характеристики режима работы:
- давление горячего теплоносителя составляет
- 0,2 кгс/см2 (вакуум);
- давление холодного теплоносителя 6 кгс/см2;
- исходная температура горячего теплоносителя составляет 130 оС;
- температура на выходе - 38 оС;
- исходная температура холодного теплоносителя составляет 25 оС;
- температура на выходе - 36 оС.
Рис. 1 - Схема обвязки теплообменника
Теплообменник решает задачу охлаждения реагента БББФ, подаваемого с выхода двухступенчатого компрессора С-201 Б при температуре 130 градусов до температуры 38 градусов.
Экспериментальная часть
Масса аппарата составляет величину порядка 6 т. Его разборка и ремонт непосредственно на месте дислокации невозможны. Специалисты ремонтной бригады для успешного выполнения этих операций вынуждены каждый раз снимать теплообменник с фундамента и перемещать его в более удобное место. Чтобы снизить трудоемкость и повысить безопасность работ по разборке и сборке аппарата, было предложено использовать особый демонтажный блок, который был собран из
элементов стального проката и представляет собой перемещаемую рамную конструкцию, эскиз которой показан на рис. 2.
Рис. 2 - Эскиз предложенного демонтажного блока (левая половина): 1 - боковая плита теплообменного аппарата; 2 - кронштейн с осью; 3 - шариковый подшипник; 4 - рама блока с креплением подшипникового узла
Расчеты подобных механических систем подробно рассмотрены в работе [4]. Для решения задачи в работе была использована CAD/CAE-программа APM Structure 3D Lite. Трехмерные модели металлических конструкций, разработанные с помощью этого инструмента, дают полную информацию о распределении напряжений во всем объеме. Результаты представляются в табличной форме и графически в виде полей напряжений, отображаемых с помощью дифференцируемой цветной заливки. Аналогично представляются результаты решения задач во всех подобных CAD/CAE-системах. Моделирование в среде Fluent было рассмотрено в [5].
Наша цель состояла в решении задачи подбора стандартных прокатных профилей рамной конструкции, обеспечивающей прочность, жесткость и устойчивость с большим запасом. Последующая эксплуатация конструкции показала ее высокую эффективность.
Расчет показал, что достаточным запасом прочности обладает ось с диаметром 100 мм. Известный диаметр оси позволяет подобрать подшипник качения по внутреннему диаметру. Предварительно было решено остановиться на радиальном шариковом подшипнике №220, статическая грузоподъемность которого составляет 79 кН. Максимальная статическая нагрузка на каждый подшипник не превышает 32 кН. Таким образом, запас прочности для выбранного подшипника составляет 2,5 единицы, что считается достаточным при статическом действии нагрузки.
Разработка 3D-модели позволило
оптимизировать проектируемую рамную
конструкцию и значительно сократить трудоемкость расчетов. На основе проекта впоследствии был воссоздан демонтажный блок, который используется в настоящее время во время ремонтных работ.
Основание рамы изготовлено в виде сварной платформы, несущими элементами которой являются стальные балки из стандартного прокатного профиля с сечением в форме швеллера №20. Стержневые элементы рамной конструкции представляют собой трубы диаметром 76 мм швеллеры №18, жестко соединенные с основанием. Вся несущая часть демонтажного блока предназначена для прочного удержания пары неразборных подшипниковых узлов со съемными подшипниками, посаженными на несущие оси. Сами оси жестко соединяются с двумя стальными плитами, которые с помощью болтовых соединений удерживают теплообменный аппарат на весу. Таким образом, теплообменник шарнирно соединен с демонтажным блоком, что позволяет наклонять его на некоторый угол во время ремонтных работ.
Второй значимой проблемой во время ремонта и обслуживания теплообменника Е-202В Компаблок является необходимость предварительного демонтажа и последующего монтажа соединительного трубопроводного блока.
Он представляет собой съемный модуль части трубопроводной системы, предназначенной для подачи горячего реагента БББФ с выхода двухступенчатого компрессора С-201 Б в теплообменный аппарат. Эскиз модуля показан на рис. 3.
Характерной особенностью этого
трубопроводного элемента является то, что он представляет собой неразборную конструкцию, собранную на основе сварных соединений отдельных узлов: фланцев, прямых и угловых (коленчатых) участков. Кроме того, вся сборка имеет значительные габариты и вес - общая длина трубопровода составляет несколько метров при диаметре 600 мм, а ее масса достигает 700 кг.
Еще одним фактором, усложняющим процесс монтажа и демонтажа конструкции, является значительная разница в длине верхнего и нижнего горизонтальных элементов, что приводит к возникновению некоторого вращающего момента и усложнению задачи установления соосности фланцев стационарной и съемной части трубопроводной системы.
Дополнительный вклад в повышение сложности монтажных работ вносит наклонная ориентация всей конструкции - плоскость, в которой расположены оси всех частей трубопроводного модуля, образует угол в 75 градусов к вертикали. В результате действия моментов в разных плоскостях, конструкцию крайне тяжело уравновесить при подъеме с помощью штатных грузоподъемных устройств и очень сложно совместить оси монтируемых труб со стационарной частью трубопроводной системы [6].
Рис. 3 - Эскиз элемента технологического оборудования
Для решения проблемы было предложено на съемном модуле с помощью хомутов установить рамную конструкцию из трех стержней с проушинами для захвата всей конструкции с помощью штатного грузоподъемного устройства. Тросы с крюками должны легко ее удерживать, если исключить возникновение вращающих моментов. Для этого нужно правильно рассчитать точки крепления с учетом центра масс всей конструкции. Таким образом, в первую очередь, задача сводится к определению координат центра тяжести съемного модуля.
Для вычисления положения центра масс конструкции сложной формы, как нельзя, лучше подходит способ трехмерного моделирования с помощью компьютерных программ 3Б-графики. Наиболее распространенной подобной программой является СЛБ/СЛЕ-система Аскон Компас 3Б. Она содержит удобные инструменты для создания трехмерных моделей деталей и узлов машин из заданного материала. Таким образом, задача разработки 3Б-модели съемного элемента трубопроводной системы, эскиз которого показан на рис. 3, решается без значительных затрат времени [7].
СЛБ/СЛЕ-система Аскон Компас 3Б включает в свой набор встроенных утилит команду вычисления массо-центровочных характеристик (МЦХ) для сформированной трехмерной модели. Используя эту возможность, удалось определить координаты центра тяжести всей конструкции, а также координаты центра тяжести и массы отдельных ее элементов.
На следующем этапе решения задачи необходимо выполнить анализ степени подвижности конструкции и установить связи, достаточные для обеспечения равновесия при подвешивании на тросах грузоподъемного устройства. Как известно, любое тело в пространстве имеет 6 степеней свободы: возможность линейных перемещений в направлении трех независимых координат и угловых (вращательных) перемещений относительно трех осей координат. Линейные перемещения возникают
при действии на тело сил, имеющих проекции на соответствующие координатные оси. Когда речь идет о силе тяжести, возможна лишь одна проекция - на вертикальную ось У. Таким образом, чтобы исключить возможность линейных перемещений от сил тяжести, достаточно наложить на систему всего одну связь. В качестве такой связи можно принять реакцию в тросе грузоподъемного устройства.
Однако, этой связи недостаточно, чтобы исключить 3 оставшиеся степени свободы. Существует возможность трех независимых вращательных перемещений. В силу наклона плоскости всей конструкции по отношению к вертикальной оси, а также разной длины горизонтальных участков трубопровода, возникают вращательные моменты по отношению к любой точке конструкции, включая общую точку центра тяжести. Таким образом, даже при отсутствии линейных перемещений, конструкция обладает тремя степенями свободы с возможностью угловых перемещений.
Для нахождения координат установки хомутов и длины и углов наклона стержней рамной конструкции с проушинами для крепления тросов достаточно решить обратную задачу равновесия в форме системы трех уравнений статики для проекций моментов относительно координатных осей.
Обозначенная задача была успешно решена с помощью компьютерной программы APM Structure 3D Lite. Однако, для возможности некоторого регулирования в проекте предлагается использовать шарнирное соединение стержней рамной конструкции с хомутами трубопровода. Кроме того, хомуты сами могут в некоторой степени смещаться вдоль элементов системы.
Заключение
Обобщая результаты работы можно сформулировать ряд выводов:
1) в результате проведенного исследования на основе разработки 3D-модели с помощью CAD/CAE-системы был рассчитан и спроектирован демонтажный блок для повышения эффективности технического обслуживания и ремонта теплообменного аппарата, установленного в цехе № 1816 завода ИМ ОАО «НКНХ». На основе проекта в последующем был разработан и опробован демонтажный блок. В настоящее время устройство используется во время проведения плановых ремонтных работ и показывает хорошие результаты.
2) В результате решения второй задачи на основе 3D-моделирования в среде Аскон Компас 3D удалось определить необходимое положение точек установки на элементах трубопроводной системы хомутов с проушинами для крепления съемного трубопроводного модуля, что, как предполагается, позволит значительно повысить эффективность монтажных работ при проведении плановых ремонтных работ технологического оборудования в цехе № 1816 завода ИМ ОАО «НКНХ».
Литература
1. Закиров М.А., Татлыева Г.З., Осипова Л.Э. Вестник Казанского технологического университета, 12, 191 -195 (2013).
2. Гайфутдинов А.Н., Гайфутдинов Р.А., Соловьев С.А. Вестник Казанского технологического университета, 9, 77 - 80 (2014).
3. Багоутдинова А.Г. Дис. канд. техн. наук, Казанский гос. энерг. ун-т, Казань, 2007. 133 с.
4. Хайруллин Ф.С., Абрагим Х.А., Алхалили О.И. Вестник Казанского технологического университета, 8, 133 - 137 (2013).
5. Курбангалеев А.А., Тазюков Ф.Х., Лутфуллина Г.Н. Вестник Казанского технологического университета, 21, (2013).
6. Якимов И.М., Кирпичников А.П., Сытник А.С. Вестник Казанского технологического университета, 24, 182 -188 (2013).
7. Сабанаев И.А., Сабанаева З.Ф. Вестник Казанского технологического университета, 5, 188 - 190 (2014).
© Д. В. Козляков - механик цеха №1432 завод ДБиУВС ПАО «НКНХ»; И. А. Сабанаев - к.т.н., доцент, кафедра машин и аппаратов химических производств Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, e-mail: [email protected]; Ф. М. Алмакаева - ст. преп. кафедры машин и аппаратов химических производств Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ.
© D. V. Kozlyakov, 1432 department mechanic of Public Joint-Stock Company «Nizhnekamskneftekhim»; 1 A. Sabanaev, associate professor of Machinery and Apparatus for Chemical Industry of Nizhnekamsk Institute for Chemical Technology, KNRTU, e-mail: [email protected]; F. M. Almakaeva, Machinery and Apparatus for Chemical Industry of Nizhnekamsk Institute for Chemical Technology, KNRTU.
