РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИЙ КРЕНА РЕГЕНЕРАТОРА ВОЗДУХА СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научная статья УДК 69.059.4 : 624.04 ГРНТИ: 67. Строительство и архитектура

ВАК: 2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения, 2.1.9. Строительная механика doi:10.51608/26867818_2022_2_46

РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИЙ КРЕНА РЕГЕНЕРАТОРА ВОЗДУХА СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ

© Авторы 2022 МУРТАЗИН Марат Расимович, кандидат технических наук, доцент SPIN: 2859-8155 AuthorID: 389994

SPIN: 8384-7039 ИНОЗЕМЦЕВ Вячеслав Константинович, доктор технических наук, профессор AuthorID: 331934

ЯФАРОВ Рустем Кязымович, аспирант ВОЛКОВ Константин Олегович, аспирант

Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (410054, Россия, Саратов, ул. Политехническая, 77, (e-mail: murta@bk.ru)

Аннотация. Расчетная схема сооружения регенератора воздуха стекловаренной печи при оценке деформаций крена представляет собой объект с высоко расположенным центром сил тяжести. Деформации крена обусловлены сложными деформационными процессами, протекающими в грунтовом основании сооружения регенератора. Мониторинг осадок фундаментных плит сооружений регулярно проводится в течение всего периода эксплуатации стекловаренной печи. Данные геодезического мониторинга позволили построить модель системы «сооружение регенератора - грунтовое основание», позволяющие дать прогноз развития крена регенератора на период его эксплуатации между «холодными» ремонтами.

Ключевые слова: высотный объект, грунтовое основание, ползучесть, деформации крена, устойчивость, строительная отрасль

Для цитирования: Развитие деформаций крена регенератора воздуха стекловаренной печи / М.Р. Муртазин, В.К. Иноземцев, Р.К. Яфаров, К.О. Волков // Эксперт: теория и практика. 2022. № 2 (17). С. 46-50. doi:10.51608/26867818_2022_2_46.

Original article

DEVELOPMENT OF LURCH DEFORMATIONS GLASS FURNACE AIR

© The Author(s) 2022 MURTAZIN Marat Rasimovich, candidate of technical sciences, associate professor

INOZEMTSEV Vyacheslav Konstantinovich, Doctor of Technical Sciences, Professor

YAFAROV Rustem Kyazimovich, postgraduate student

VOLKOV Konstantin Olegovich, postgraduate student Saratov State Technical University Gagarina Yu.A.

(410054, Russia, Saratov, Politekhnicheskaya st., 77, e-mail: murta@bk.ru)

Annotation. The design scheme for the construction of an air regenerator for a glass melting furnaceassessing lurch deformations represents an object with a high center of gravity. Lurch deformations are caused by complex deformation processes occurring in the soil foundation of the regenerator structure. The monitoring of the sedimentation of the structures'foundation slabs is regularly carried out during the entire period of operation of the glass melting furnace. The geodetic monitoring data made it possible to build a model of the "regenerator construction - soil foundation" system, which makes it possible to predict the development of the regenerator lurch for the period of its operation between "cold" repairs.

Keywords: high-rise object, ground base, creep, lurch deformations, stability

For citation: Development of lurch deformations glass furnace air / M.R. Murtazin, V.K. Inozemtsev, R.K. Yafarov, K.O. Volkov // Expert: theory and practice. 2022. No. 2 (17). Pp. 46-50. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2022_2_46.

ф

2022. № 2 (17)

Введение. Регенератор стекловаренной печи.

Одним из примеров сложной реологической среды является грунтовая среда оснований фундаментов промышленных сооружений, которая нередко подвергаются техногенным воздействиям, обусловленным различными технологическими процессами. Примером таких воздействий является обводнение грунтового основания фундаментов в период «холодного» ремонта стекловаренной печи и последующий разогрев грунта основания после окончания ремонта и «запуска» печи. Одним из элементов стекловаренной печи является регенератор, сооружение с высоко расположенным центром тяжести (рис. 1).

Рис. 1

ности и текущего технического состояния. После завершения эксплуатационного периода происходит «холодный» ремонт стекловаренной печи в течение, которого происходит полный демонтаж регенераторов с последующим их восстановлением (рис. 2). На рисунке 2 показана фундаментная плита после демонтажа конструкций регенератора. На рисунке 3 показан поперечный разрез стекловаренной печи и высокотемпературного поля в результате разогрева массива грунтового основания под фундаментными плитами регенераторов. На рисунке 4 показана конструкция «влета» горелки регенератора.

Рис. 3

Рис. 2

Работа регенератора обеспечивает подачу воздуха через «влет» регенератора во внутреннее пространство ванны расплава стекломассы. Высокое расположение центра тяжести регенератора обусловлено заполнением его внутреннего объема кирпичной кладкой, называемой «насадка». Одна из проблем, связанных с работой регенератора, заключается в развитие деформаций его крена в связи с деформационными процессами в грунтовом основании. Деформации крена регенератора вызывают разрушение конструкции «влета» горелки камеры регенератора, через которую раскаленные газы поступают в ванну расплава стекломассы стекловаренной печи.

Срок эксплуатации стекловаренной печи составляет 6-9 лет в зависимости от ее производитель-

Рис. 4

Метод. Деформационные процессы в основании регенератора. Деформационные процессы, протекающие в основании регенератора, вызывают развитие деформаций крена. Особенно сложным представляется реологический процесс уплотнения грунтов. В частности водонасыщенных и особенно глинистых. Развитие этого процесса во времени тесно связано с особенностями физико-механических свойств грунтов и действием различных факторов. Для описания процессов уплотнения грунтовых сред необходимы многоэлементные модели, отображающие фильтрационные процессы, сдвиговую ползучесть, а также структурные процессы в грунтах при их деформировании.

Механистическая интерпретация процессов деформирования сложных сред с помощью механистических моделей показана на рис. 5.

II - стадия установившегося течения;

III - стадия прогрессирующего развития микротрещин в грунте и нарастания деформаций, заканчивающаяся разрушением.

Развитие деформаций крена нарастает при нагрузках приближающихся к критическим значениям потери устойчивости равновесия. Другое условие возрастания деформаций крена возможно при снижении жесткостных свойств грунтового основания.

Прогноз деформаций крена регенератора. Задачи устойчивости, как известно, это нелинейные задачи, учитывающие нелинейности различного вида. Одна из таких задач предложена в [1,2], основанный на рассмотрении серии изохронных кривых «напряжение - деформация, накопленные к моменту времени t». Другой подход, предложенный в [3] предлагает определять потерю устойчивости при достижении некоторой критической деформации, определяемой из решения упругой задачи устойчивости.

Одни из них, например - это нелинейные реологические процессы деформирования упруговязко-пластических тел, грунтов и материалов, другие - это нелинейные процессы деформирования сложных конструкций из области строительства или систем, объединяющих строительный объект и грунтовое основание. Примером такого объединения может служить система «объект с высокорасположенным центром тяжести - грунтовое основание» (рис. 7).

Рис. 5

Другой вид нелинейности обусловлен развитием процесса разрушения скелета грунта. Завершается этот временной период наступлением предельного состояния, при котором скорость развития процесса ползучести во времени стремится к бесконечности, а нарастание микротрещин в грунте приводит к прогрессирующему разрушению. На рисунке 6 показано развитие процесса сдвиговой ползучести во времени. Так, при различных уровнях касательных напряжений нелинейный процесс изменения формы (сдвиговой ползучести) включает три стадии (рис. 6).

Рис. 6

I - стадия затухающей или неустановившейся ползучести;

Рис. 7

На рисунке 7 показана расчетная схема объекта с высоко расположенным центром сил тяжести, введены обозначения: Нцт - высота положения центра сил тяжести, а - ширина фундаментной плиты, - мощность несущего слоя основания, Wl, W2 - вертикальные перемещения торцов фундаментной плиты сооружения с начальным несовершенством. Начальная вели-

ф

2022. № 2 (17)

чина деформаций крена представлена углом поворота вертикальной оси высотного объекта фоо, в момент ! = 0 величина угла поворота оси фо* будет равна:

,« Р ,

% - P

(1)

где Р - нагрузка; Ркр - критическая нагрузка.

Особенностью таких строительных объектов, является их склонность к потере устойчивости исходного вертикального положения равновесия при увеличении вертикальной нагрузки и развитие деформаций крена. Потеря устойчивости высотного объекта может происходить и с течением времени в связи с реологическими процессами, протекающими грунтовой среде основания под действием постоянных нагрузок (длительная устойчивость). Здесь характерной особенностью по сравнению с другими критериями предельных состояний возможна, так же как и в классических задачах потери устойчивости при возрастающей нагрузке, внезапность и, часто, непредсказуемость.

В грунтовом основании стекловаренной печи протекают сложные процессы обусловленные изменением влажностного режима работы в связи с периодичностью холодного ремонта, вибрационные воздействия от работы регенераторов и высокие температуры от подземных газоходов [5]. Анализ температурных полей показывает, что после холодного ремонта грунтовое основание работает в условиях разогрева до двух лет. Осадки основания фундаментной плиты обусловлены комплексным воздействием режима эксплуатации, периодическими холодными ремонтами и наличием осадочных свойств грунта. Скорость осадок в данном случае оценивалась в геодезического мониторинга. Результаты мониторинга приведены в таблице 1.

Таблица 1

Дата Скорость осадки ми; месяц Скорость ослдкк. «о

10.04.2001 2.36 100.0%

OS.11.2001 (Цементация) 2.15 90.8°»

25.10.2U02 1.58 67.0%

03.03.2003 (До ремонт») 1.81 76.64

20.04.2004 (136 дней) 1.57 66.4%

0".0".2004 (214 дней) 1.00 42.3%

25.10.2004 (324 дня) 0.40 16.9%

28.01.2005 (1 год 54 дня) 0.77 32.6%

28.04.2005 (1 год 144 дня) 0.40 16.9%

28.0".2005 (1 год 235 дней) 0,54 23.0%

28.11.2005 (1 год 358 дней) 0.34 14.6%

01.03.2006 (2 годя 85 дней) 0,66 28.0%

20.0~.2006 (2 годя 226 дней) 0.39 16.7%

Для учета деформаций ползучести между действующим напряжением и скоростью ползучести многие экспериментальные данные позволяют принять степенную зависимость.

—1

(2)

Расчетная схема системы «объект с высокорасположенным центром тяжести - грунтовое основание» представляет два вида нелинейностей. Один вид нелинейности связан со статической нелинейностью задачи устойчивости. Второй вид нелинейности представлен моделью реологических осадок.

2Р

j. а h

(3)

Скорость развития деформации крена регенератора обусловлено дисбалансом скоростей [6]:

* = ^ a

e2 - ei

_ _ a

Г m - г m г г (—) - (—) +—-—

(4)

Стены Покрытое Обвязка Насад« Суццаменг Рис. 8

Результаты и обсуждение. Графики изменения скорости осадок фундаментной плиты по результатам геодезического мониторинга (рис. 9а, б). Один из графиков скорости по результатам отдельных измерений, другой это осредненные значения скорости. На рисунке 9 показан рост осадок с течением времени (31 месяц) по двум графикам скоростей.

а)

б)

О 10 20 30

Рис. 9

ahEo

г

e

ee =

e =

p

E

E.

0

0

Эти экспериментальные данные позволяют определить I и т - постоянные грунтового основания (т=3; 1=100 кН/мм2мес1/3).

Оценка вертикальных осадок фундаментной плиты показывает, что за 32 месяца (2.65 года) работы стекловаренной печи осадка составила 22мм.

1?

о?

а)

б)

Рис. 10

Срок непрерывной эксплуатации стекловаренной печи до холодного ремонта в зависимости от ее текущего технического состояния от 5 до 9 лет. Максимальная осадка фундаментной плиты в этом случае (с учетом затухания скорости) ожидается до 50 мм. За

весь предыдущий период эксплуатации осадка фундаментальной плиты достигла 150 мм.

Потеря устойчивости во времени определяется как возрастание скорости деформации до бесконечности по истечении некоторого времени (рис. 10а).

Здесь возможен прогноз крена регенератора в период эксплуатации (рис. 10б). В данном случае интересен срок эксплуатации равный периоду между холодными ремонтами печи и соответствующая величина крена регенератора. График зависимости от времени деформации крена регенератора W = фН, где Н - высота регенератора показывает, что крен может достичь 30мм.

Заключение. Относительно деформаций крена регенератора можно отметить, что скорость их развития в виде увеличения угла поворота вертикальной оси регенератора значительно медленнее в период времени предшествующий приближению к критическому моменту потери устойчивости.

Деформации крена регенератора достигнут 30мм в течение 5 лет эксплуатации и спровоцируют процесс деструкции конструкции «влета» регенератора.

Список источников

1. Shanley F.R. Inelactic column theory // Journal Aeronautical Sciences. 1947, Vol. 14, No. 5. P. 281 - 287.

2. Shanley F.R. Weight-Strength analysis of aircraft structures. - NY - London: McGraw-Hill Book Co., Inc, 1952.

3. Gerard G. A creep buckling hypothesis // Journal Aeronautical Sciences, 1956, Vol.23, No 9. P.879-882/

4. Экспертиза и мониторинг урбанизированных территорий и строительных объектов / В.К. Иноземцев, В.И. Редков. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2017. 472 с.

5. Математическая модель деформирования геомассивов применительно к деформационным процессам в основаниях сооружений / В.К. Иноземцев, В.И. Редков. -Саратов: СГТУ, 2005. 412 с.

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила в редакцию 01.03.2022; одобрена после рецензирования 22.03.2022; принята к публикации 22.03.2022.

Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.

The article was submitted 01.03.2022; approved after reviewing 22.03.2022; accepted for publication 22.03.2022.