CC BY
48
Хорошо известна программа Бразилии, посвященная получению из отходов сахарного тростника метанола, применяемого как моторное топливо для автотранспорта. Однако этот пример интересен только для стран с соответствующим климатом.
Большое распространение в некоторых странах (индия, Китай и др.) получили малые биогазовые установки, утилизирующие отходы для одной семьи. Эти установки весьма просты и несовершенны. Для больших ферм со значительным количеством отходов создаются более эффективные установки.
Потенциал НВИЭ в Тыве велик. Несмотря на это почти нигде не используется.
Это объясняется тем, что энергетическая стратегия недавнего прошлого исходила из приоритетности создания крупных энергетических объектов, использовавших органическое топливо, уран и энергию больших рек, мощных высоковольтных ЛЭП. Огромные инвестиции, требовавшиеся на сооружение этих объектов, черпались из государственного бюджета. Почти все удаленные фермы и стойбища были электрифицированы, путем прокладки ЛЭП, но с распадом СССР все они пришли в негодность и следа даже не осталось от них.
Сегодня ситуация в стране несколько изменилась - нет крупных государственных капиталовложений, провозглашена значительная самостоятельность субъектов федерации. Эти факторы безусловно играют в пользу широкого применения НВИЭ. Кроме того, создание объектов энергетики с НВИЭ непосредственно в близи потребителей могло бы дать дополнительные рабочие места. Однако пока велика инерция огромного топливно-энергетического комплекса. И даже те скромные средства, которыми располагает государство, регионы, энергетические объединения, по прежнему направляются в основном в традиционную энергетику.
Более серьезной проблемой использования энергии солнца и ветра является их непостоянство. Для установок, присоединенных к сети, этот недостаток не столь существенен, но не должна превышать по мощности 15% мощности энергосистемы [6]. Кроме того, при использовании солнечных электростанций в широких масштабах возникают проблемы локального нарушения теплового баланса из-за изменения альбедо Земли. Для автономных установок в зависимости от характера нагрузки могут потребоваться различные решения: использование аккумуляторных батарей, резервирование установки НВИЭ с помощью установки на органическом топливе, гибридизация установки. Хорошим решением может явиться совместное использование солнечных и ветровых установок. В некоторых случаях роль выравнивания производства энергии в сочетании с солнечной и ветровой установками может взять на себя установка, работающая на биогазе.
Самой же значимой проблемой является низкая заинтересованность населения и организаций в применении НВИЭ, что связано с отсутствием специальной стратегии развития малой и возобновляемой энергетики в регионах.
Все указанные проблемы требуют решений, могущих повысить доступность применения НВИЭ, обеспечить необходимый уровень их автоматизации, создание демонстрационных центров, хорошо продуманная реклама и государственная пропаганда и, таким образом, заинтересовать население и организации в использовании НВИЭ. И тогда, согласно оценкам отечественных ученных и ведущих специалистов [5], доля источников распределенной энергетики в общем производстве электроэнергии в 2030 году может составить примерно 16 %.
Литература
1. 1. Tabor H. Forty years of Solar Energy Development and Exploitation in Israel // Sun World. 1993. Vol. 17. №7.
2. 2. Доброхотов В.И., Шпильрайн Э.Э. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Проблемы и перспективы //Теплоэнергетика. 1996. №5. С. 2-9.
3. 3. Ондар Д.Д. Ресурсы солнечной энергии в Республике Тыва// Сборник научных трудов «Современные технологии и управление в энергетике и промышленности». Омск: ОмГТУ, 2012. С. 263-271.
4. Гужулев Э.П., Горюнов В.Н., Лаптий А.П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Монография. Омск: ОмГТУ, 2004.- 272 с.
5. Электрические станции. 2012. №9.
6. 6. Стребков Д.С. О развитии солнечной энергетики в России // Теплоэнергетика. 1994. №2. С. 53-60.
Павлова Г.А1, Марков А.Г.2
'Доцент, кандидат технических наук; Генеральный директор, ООО «МЕТАМ»
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ, РАБОТАЮЩИХ В
АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ
Аннотация
В статье приведены сведения о дефектах и повреждениях основных элементов длительно эксплуатируемых технологических трубопроводов, приводящие к возникновению аварийных ситуаций и некоторых способах повышения долговечности конструктивных элементов трубопроводов технологических газов металлургических предприятий.
Ключевые слова: трубопроводы технологических газов, дефект, повреждаемость, коррозия, долговечность
Pavlova G.A1, Markov A.G.2
Associate professor, Candidate of Technical Sciences; 2Chief Executive Officer (CEO), METAM LLC
INCREASE OF RELIABILITY OF THE TEHNOLOGICHESKIH PIPELINES OF THE GASES WORKING IN HOSTILE
ENVIRONMENT
Abstract
Data on defects and damages of basic elements are provided in article is long the operated technological pipelines, bringing to emergence of emergencies and some ways of increase of durability of constructive elements of pipelines of technological gases of the metallurgical enterprises.
Keywords: pipelines of technological gases, defect, damageability, corrosion, durability
Обеспечение надежности и безопасности потенциально опасных объектов в настоящее время является чрезвычайно острым и актуальным вопросом. Для его решения применяются в основном два направления: постоянный мониторинг технического состояния и установление технического состояния конструкций оборудования на основе применения современных методов неразрушающего контроля с оценкой остаточного ресурса и определением срока его последующей безопасной эксплуатации.
Технологические трубопроводы металлургических предприятий относятся к категории опасных, отказ которых ведет, как правило, к значительным материальным, экологическим потерям и зачастую - к человеческим жертвам.
В настоящее время большинство трубопроводов технологических газов металлургических предприятий, к которым относятся трубопроводы больших диаметров (более 1400 мм), эксплуатируются в средах различной степени агрессивности. Одной из основных причин преждевременного выхода из строя металлических конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, является коррозия металлов. Кроме того, следует иметь в виду, что большинство объектов металлургического комплекса работают за пределами проектного ресурса. По мере старения основных конструктивных элементов возрастает опасность возникновения аварийной ситуации. Система трубопроводов технологических газов формируется в реальных условиях строительства и эксплуатации и неизбежно претерпевает при этом значительные изменения технического состояния, связанные с накоплением повреждений - вследствие этого происходит снижение ее надежности. Анализ причин аварий, подтверждает, что они происходят,
64
как правило, от неблагоприятного сочетания нескольких факторов. Причины появления и степень влияния их на надежность эксплуатации различна, но повреждения от их сочетания могут создать аварийную ситуацию на объектах со сроками эксплуатации 20-50 лет.
Как известно, надежность трубопроводов технологических газов напрямую связанна с возникновением повреждений, возникающих в процессе эксплуатации. На основании опыта проведения технического диагностирования трубопроводов технологических газов предприятий металлургического профиля основными причинами их повреждаемости являются: наружная и внутренняя коррозия, дефекты, возникающие на стадии сооружения газопроводов, несоответствие материала труб проектным решениям и др. (Рис. 1).
9%
8%
4% 2%
49%
□ наружная коррозия ■ брак строительно-монтажных работ
□ механические повреждения □ дефект труб
■ внутренняя коррозия □ нарушение проектных решений
□ прочие
Рис. 1 - Причины возникновения отказов
Борьба с коррозией является одной из актуальных проблем, как за рубежом, так и в нашей стране. Опыт диагностирования трубопроводов для транспортирования технологических газов ОАО «ММК» показал, что скорость коррозии отдельных участков по длине трубопровода превышает среднюю скорость коррозии на 2 порядка. При средней скорости коррозии 0,03 мм/год наблюдались сквозные поражения стенки газопровода толщиной 8-12 мм за 10-15 лет (скорость коррозии 0,8 мм/год). Усредненные результаты измерения толщины стенок приведены в таблице 1.
Коррозия обследованных газопроводов доменного газа, происходила с внутренней стороны стенок. Доменный газ содержит влагу, значительное количество оксида и диоксида углерода и не содержит кислорода, т.е. коррозия внутренней поверхности протекает по электрохимическому механизму с водородной деполяризацией.
Таблица 1 - Усредненные результаты толщинометрии
Наименование трубопроводов технологических газов Диаметр трубопровода, мм Номинальная толщина стенки, мм Минимальная измеренная толщина стенки, мм Срок службы, лет
Прямого коксового газа 1520 ..2420 8,0-10 5,2-6,3 33
Коксового газа 1820 ..2020 10 0-5,4 36
Обратного коксового газа 2020 ..3600 10 0-5,2 47
Доменного газа 1620 ..3250 10-12 2,1-4,6 45
Смешанного газа 1720 ..2880 10-12 2,2-3,6 54
При анализе условий эксплуатации трубопроводов технологических газов установлено, что вследствие местного коррозионного поражения нарушается целостность конструкций трубопроводов коксового газа. Коррозии подвержена как внешняя, так и внутренняя сторона конструкций. Наиболее уязвимыми являются верхняя и боковые стороны обечайки конструкции, т.к. в нижней части скапливаются отложения смол и нафталина, препятствующие активному развитию коррозионных процессов. Увеличивает скорость коррозии и агрессивность среды проведение периодической или постоянной пропарки. При этом пары воды взаимодействуют с агрессивными агентами коксового газа и образующиеся кислоты вызывают активный общий и локальный (язвенный) коррозионный износ вплоть до сквозного повреждения, что фиксировалось как при проведении визуального контроля, так и при проведении периодического мониторинга толщины конструкционных элементов.
Сочетание активных коррозионных агентов в смеси доменного и коксового газа вызывает быстрый коррозионный износ внутренних и наружных стенок конструкций смешанного газа.
При проведении технического диагностирования наиболее часто обнаруживаются питтинговая, язвенная коррозия, коррозионное растрескивание под напряжением.
В процессе технического диагностирования для определения степени повреждения были выполнены исследования микроструктуры сталей трубопроводов технологических газов. Исследования проводились методом реплик на основном металле и зонах термического влияния сварных швов. Просмотр шлифов производился с помощью переносного микроскопа типа МПМ-2У-КС. Структура металла фиксировалась с помощью цифровой фотокамеры. Фотографии подвергались обработке с помощью программы MICROKON MET 5.7. По результатам исследования было определено, что микроструктура металла трубопроводов технологических газов из стали 20 состоит из феррита, незначительного количества бейнита, сфероидизированного перлита и структурно свободных карбидов, расположенных по и внутри зерен феррита. В средней части образцов обнаружены микротрещины длиной до 1500 мкм. На внутренней и наружной поверхностях образцов при увеличении х100 и х200 (Рис. 2, 3) обнаружен поверхностный слой, подверженный коррозионному разрушению металла, толщина слоя достигает 500 мкм. Кроме того на внешней поверхности образцов обнаружены поверхностные трещины, глубиной до 450 мкм (Рис. 4). Также в слое, прилегающем к наружной поверхности, обнаружены поры, размер которых составляет от 20 до 35 мкм.
Все это свидетельствует о изменении структуры металла после длительной эксплуатации.
Сложность и острота проблемы защиты металлов от коррозии возрастают в связи с непрерывным увеличением срока эксплуатации, изменением структуры и свойств металла в процессе длительной эксплуатации, многообразием коррозионных воздействий.
65
Рис. 2 - Микроструктура внутренней поверхности образца (Ст 20, срок эксплуатации 26 лет, хЮО)
Рис. 3 - Микроструктура наружной поверхности образца (Ст 20, срок эксплуатации 26 лет, х200)
Рис. 4 - Микроструктура внешней поверхности образца (Ст 20, срок эксплуатации 26 лет, х 100)
Причинами аварийного разрушения конструкций из-за коррозионных повреждений много: неправильный подбор противокоррозионной защиты; некачественное производство работ по защите конструкций; нарушение технологических режимов производства, несоблюдение сроков выполнения противокоррозионной защиты, приведенных в нормативной документации.
Недостаточное внимание к вопросам защиты от коррозии приводит к увеличению вероятности повреждения металла трубопроводов технологических газов, при этом надежность и долговечность зависят от скорости протекания процессов разрушения под воздействием агрессивных сред. Поэтому должны быть разработаны научно обоснованные рекомендации для всех стадий жизни конструкций. Технические мероприятия, обеспечивающие заданную долговечность металлических конструкций в агрессивных средах должны проводиться в первую очередь на стадии проектирования и изготовления. При этом следует учитывать, что надежность и долговечность трубопроводов технологических газов зависит от ряда факторов: коррозионной стойкости конструкционного материала, сроков службы применяемых защитных покрытий, учета характера внутренней и наружной среды и т.п. В процессе эксплуатации ресурс трубопроводов технологических газов может быть увеличен с помощью своевременного возобновления противокоррозионных защитных покрытий.
Основным фактором, влияющим на неравномерность скоростей коррозии, является уровень напряжений в металле. Поэтому изучение влияния напряженно-деформированного состояния на степень местной коррозии, учет этого фактора при определении ресурса в ходе эксплуатации имеют большое значение. Под действием нагрузки в листовых конструкциях обечайки трубопроводов технологических газов происходят процессы деформирования и разрушения. Агрессивная среда, проникая в металл через нарушения покрытий, концентраторы напряжений (дефекты сварки, трещины и т.п.), приводит к изменению структуры металла, изменению его механических свойств, что приводит к развитию процессов деформирования и разрушения. В свою очередь, эти процессы оказывают влияние на кинетику проникновения агрессивной среды вглубь металла. Эта физическая модель явлений, происходящих в конструкциях трубопроводов технологических газов, позволяет использовать для построения моделей сопротивления конструкций воздействию агрессивных сред теорию структурных параметров, согласно которой любой процесс может быть описан уравнением состояния, в котором характеристики процесса определяются как функции параметров внешних воздействий и структурных параметров [1]. Для структурных параметров составляются кинетические уравнения, из которых в зависимости от вида и величины нагружения, температурных, физико-химических, либо других воздействий можно определить характеристики процесса. Описанный подход представлен в [1, 2]. Для описания процесса деформирования и разрушения материала конструктивных элементов трубопроводов технологических газов используется система параметров, включающая напряжение а , деформацию е , температуру Т , степень поврежденности а , время г, параметры, учитывающие особенности
воздействия определенной коррозионной среды q (i = 1...n). Феноменологическое уравнение, описывающее состояние системы, может быть записано в виде:
66
(1)
F(a,s,T,a,q ) = 0 ,
Для построения кинетических уравнений, описывающих изменения параметров q применяют следующую систему:
qi=c;
• q 2 = и;, (2)
q з = ц.
где c - параметр, характеризующий распределение влияния агрессивной среды по объему конструкции; ц - параметр химического взаимодействия; ц - параметр сплошности, характеризующий уровень коррозионного поражения конструктивного элемента.
Уравнения, описывающие вышеприведенные параметры, могут быть представлены в следующем виде: dcjдт = div(D grad c)- g(c),
• dn = f (Ц) dT + f (c) dT + f (a) dT + f (T) dT, (3) дЦдт = div(G grad ц),
где D - коэффициент диффузии; g(c) - функция, учитывающая связывание агрессивной среды в процессе химических превращений; G - коэффициент, характеризующий коррозионное сопротивление материала.
D = DoexP (-E JRT) (4)
где D o
энтропийный фактор, зависящий от частоты «тепловых
ударов» молекул среды (n и 1012 c *),
D о = n ■ exp (DS / R); R - газовая постоянная; DS - энтропия активации; E 0 - энергия активации диффузии.
Добавляя к приведенным выше соотношениям уравнения устойчивости, прочности, неразрывности, учитывая граничные и начальные условия, соответствующие каждой группе уравнений, получим полную систему, описывающую кинетику изменения состояния конструкции под воздействием как агрессивной среды, так и других внешних воздействий.
Литература
1. Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Механика конструкций с повреждениями: нелинейные модели и методы определения долговечности конструкций, работающих в агрессивных средах // Вестник центрального регионального отделения РААСН. -Тамбов-Воронеж, 2012.- С. 120-127.
2. Овчинников И.Г. Тонкостенные конструкции в условиях коррозионного износа // Расчет и оптимизация. - Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1995.-192 с.
3. Д.А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. - М.: Интеллект, 2008 (4-е изд.).
Понкратов П.А.
Аспирант, Юго-Западный государственный университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ ДОЛБЕЖНОГО ИНСТРУМЕНТА ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПАРАМЕТРОВ В НАЧАЛЬНОМ СЕЧЕНИИ
Аннотация
В статье предложен и рассмотрен способ определение длины режущей кромки долбежного инструмента, базирующийся на геометрической схеме определения параметров. Важной особенностью является возможность с достаточной точностью определения длины режущей кромки в начальном сечении при проектировании долбяка с целью обеспечения требуемых параметров обрабатываемой поверхности, а также облегчение проектирования при расчете нового инструмента.
Ключевые слова: длина режущей кромки, проектирование, долбяк.
Ponkratov P.A.
Postgraduate student, Southwest State University
DETERMINATION OF CUTTING EDGE LENGTH SLOTTING TOOL GEOMETRIC METHOD IN DETERMINING THE
PARAMETERS IN THE INITIAL CROSS SECTION
Abstract
The article proposed and considered way to determine the length of the cutting edge of the slotting toolwhich is based on a geometric definition schema parameters. An important feature is the possibility to determining with sufficient accuracy the length of the cutting edge in the initial section in the cutter design to provide the required parameters workpiece and facilitate the calculation of a new design tool.
Keywords: the length of the cutting edge, engineering, gear cutter.
Передаточные механизмы и машины, в составе которых содержатся сопряжения рабочих элементов, могут быть выполнены в различных вариантах исполнения. Так, при их расчете, применяется во внимание нагрузочная способность валов и втулок сопряжений, которая должна быть обеспечена из условий эксплуатации. Применение новых типов соединений дает возможность уменьшить массу и габариты, снизить затраты на изготовление и в конечном счете, себестоимость выпускаемой промышленностью продукции [1, с.56-67].
Одним из рациональных способов обработки профильных соединений является обработка долблением [2-4], обеспечивающей, по сравнению с другими способами [5-8], снятие припуска, придание конечной формы и качества поверхности.
При обработке любым металлорежущим инструментом одним из факторов, влияющих на качество обработанной поверхности, является радиус при вершине режущего клина, либо степень кривизны режущей кромки. Так как траектория режущей кромки долбяка при проектировании, определяется как составляющая нескольких дуг окружностей, то простым уравнением окружности описать ее не удастся. Однако, при аппроксимации возможно условно, с целью задания начальных параметров для проектирования, таких, как длинна режущей кромки, принять допущение, что каждая кромка режущего лепестка условно описывается сектором окружности (рис. 1). Найдем уравнение для вычисления этой длинны исходя из выше принятого допущения:
%■ Rc
Lc =
lc
■ac
180е
(1)
67
