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

Научная статья

УДК 624.9:624.04:69.059.4

ГРНТИ: 30.19.53: Прочность строительных конструкций; 67: Строительство. Архитектура ВАК: 2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения; 2.1.9. Строительная механика doi:10.51608/26867818_2022_4_67

РАЗВИТИЕ КРЕНА РЕГЕНЕРАТОРА ВОЗДУХА СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ

СИНЕВА Нина Федоровна

доктор технических наук, профессор, кафедра «Строительные материалы, конструкции и технологии»

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (Россия, Саратов, e-mail: sinevanf@mail.ru)

ИНОЗЕМЦЕВ Вячеслав Константинович

доктор технических наук, профессор, кафедра «Строительные материалы, конструкции и технологии»

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (Россия, Саратов, e-mail: aditi2003@mail.ru)

ЯФАРОВ Рустам Кязырович

аспирант, кафедра «Строительные материалы, конструкции и технологии» Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (Россия, Саратов, e-mail: murta@bk.ru)

Аннотация. Рассматривается критерий устойчивости исходного вертикального проектного положения регенератора воздуха стекловаренной печи. Критерий позволяет оценить устойчивость исходного вертикального положения регенератора воздуха стекловаренной печи в условиях развития реологического процесса деформирования его грунтового основания в процессе эксплуатации. Развитие реологического процесса обусловлено техногенным воздействием производственного процесса стекловаренной печи (обводнение грунтового основания фундаментов в период «холодного» ремонта и последующий разогрев грунта основания после окончания ремонта при запуске печи). Скорость протекания реологического процесса в грунте основания оценивалась на основе результатов выполненного геодезического мониторинга. В результате неравномерно развивающихся в основании сооружения процессов возникает и увеличивается в процессе эксплуатации крен регенератора воздуха, как у сооружения с высоко расположенным центром тяжести. Получена оценка критического времени эксплуатации до наступления стадии прогрессирующего развития осадок грунтового основания и последующего развития деформаций крена регенератора, приводящего к необходимости остановки печи для предотвращения аварийного состояния конструкции. В основу методологии положена реологическая модель, учитывающая несбалансированность скоростей деформирования структурных элементов, что порождает начальное несовершенство модели, развивающееся в крен.

Ключевые слова: инженерное сооружение с высокорасположенным центром тяжести, сложные производственные условия эксплуатации, устойчивость вертикального положения высокого сооружения, развитие деформаций крена высокого сооружения, реологические свойства оснований под технологическими сооружениями, строительная отрасль, строительная механика, строительство

Для цитирования: Синева Н.Ф., Иноземцев В.К., Яфаров Р.К. Развитие крена регенератора воздуха стекловаренной печи // Эксперт: теория и практика. 2022. № 4(19). С. 67-73. doi:10.51608/26867818_2022_4_67.

© Авторы 2022 SPIN: 4201-2463 AuthorID: 435845

SPIN: 8384-7039 AuthorID: 331934

Original article

AIR REGENERATOR ROLL DEVELOPMENT OF GLASS MELTING FURNACE

© The Author(s) 2022 SINEVA Nina Fyodorovna

Dr. of Technical, Prof.

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin (Russia, Saratov, e-mail: sinevanf@mail.ru)

INOZEMTSEV Vyacheslav Konstantinovich

Dr. of Technical, Prof.

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin (Russia, Saratov, aditi2003@mail.ru)

YAFAROV Rustem Kyazimovich

postgraduate student

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin (Russia, Saratov, e-mail: murta@bk.ru)

Annotation. The paper considers the criterion of stability of the initial vertical design position of the air regenerator of the glass melting furnace. The criterion makes it possible to evaluate the stability of the initial vertical position of the glass furnace air regenerator under the conditions of the development of the rheological process of deformation of its soil base during operation. The development of the rheological process is due to the technogenic impact of the production process of the glass melting furnace (flooding of the soil base of foundations during the period of "cold" repair and subsequent heating of the base soil after the repair is completed when the furnace is started). The rate of the rheological process in the foundation soil was estimated based on the results of the geodetic monitoring performed. As a result of unevenly developing processes at the base of the structure, the roll of the air regenerator arises and increases during operation, as in a structure with a high center of gravity. An estimate of the critical time of operation before the onset of the stage of progressive development of sedimentation of the soil base and the subsequent development of the roll deformation of the regenerator, leading to the need to stop the furnace to prevent an emergency state of the structure, is obtained. The methodology is based on a rheological model that takes into account the imbalance in the strain rates of structural elements, which gives rise to the initial imperfection of the model, which develops into roll.

Keywords: engineering structure with a high center of gravity, difficult operating conditions, stability of the vertical position of a high structure, development of roll deformations of a high structure, rheological properties of foundations under technological structures, building sector, building

For citation: Sineva N.F., Inozemtsev V.K., Yafarov R.K. Air regenerator roll development of glass melting furnace // Expert: theory and practice. 2022. № 4 (19). Pp. 67-73. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2022_4_67.

Введение: актуальность, подход и цели

Регенераторы воздуха - это теплообменники периодического действия. Могут быть вертикального и горизонтального исполнения. Регенераторы воздуха стекловаренной печи вертикального исполнения представляют собой шахты (порядка 10 м. глубиной), заполненные насадками из огнеупорных кирпичей, в насадке проложены каналы для прохода разогреваемого до высоких температур воздуха. Насадки регенераторов по высоте печи разогреваются неравномерно. Разогревается грунтовое основание печи, в нем развиваются деформационные процессы, приводящие к осадкам, и как следствие этого, происходят деформации крена регенератора. Деформации крена вызывают разрушение конструкции «влета» горелки камеры регенератора, через которую раскаленный газ поступает в ванну расплава стекломассы стекловаренной печи (рис. 1, рис. 2).

При эксплуатации сооружения имеют место нелинейные реологические процессы деформирования упруговязкопластических тел, грунтов и материалов, вместе с этим - нелинейные процессы деформирования сложных строительных конструкций, взаимодействующих с такими основаниями.

Рис.1. Общий вид участка реконструкции и схематический поперечный разрез стекловаренной печи ЛТФ-1

период ремонта печи и последующий разогрев грунта после окончания ремонта и запуска печи. Регенератор воздуха имеет высоко расположенный центр тяжести и достаточно узок в поперечном сечении.

Реологический процесс уплотнения водона-сыщенных и глинистых грунтов представляется сложным. Развитие этого процесса во времени связано с особенностями физико-механических свойств грунтов под действием различных факторов. В данном случае нагрузка (собственный вес) регенератора не меняется. Актуальность обусловлена стремлением к увеличению производительности современных действующих стекловаренных печей.

Таблица ниже показывает возможное увеличение производительности м2/час стекла современных печей.

Повышение производительности печи неминуемо приводит к повышению нагрузок, к повышенным эксплуатационным температурам, к интенсив-

Возможное увеличение производительности м2/час стекла современных печей

Модель Максимальная площадь за.рузки (ММ) Минимальный размер ;текла(мм) Толщина [Мш} Прошесдетео (м2 Трансформатор 14} (кВА)

СНГ 2010х2.а-16 2000*1000 200*100 2SS 204 -IOCOKVA

СНГ 2012x3.2-20 2000*1300 250x100 3 2-3 321 1400KVA

СНГ 7513*3.2-36- 2500*1300 250*100 3 2-12 470 2000KVA

СНГ 3020x4.0-30 3000*1300 300*300 10-19 050 2500KVA

жет происходить и без увеличения вертикальной нагрузки с течением времени, а в связи с реологическими процессами, протекающими грунтовой среде основания под действием постоянных нагрузок («длительная устойчивость»).

Характерной особенностью здесь является возможность потери длительной устойчивости во времени (как в классических задачах потери устойчивости - при возрастающей нагрузке).

Для описания деформирования сложных реологических сред есть ряд уравнений состояния, базирующихся на механических моделях упругого, вязкого, пластического тел и их комбинаций в виде структурных моделей упруговязкопластических тел. Для более точного отображения свойств реальных тел есть комбинированные и сложные многоэлементные модели.

Сложная реологическая грунтовая среда оснований фундаментов характерна для промышленных сооружений, которые подвержены техногенным воздействиям технологических процессов. Здесь это -обводнение грунтового основания фундаментов в

Рис. 2. Поперечный разрез печи ЛТФ-1 с температурными полями в основании фундаментных плит

В качестве модели в исследовании принята система «объект с высокорасположенным центром тяжести - грунтовое основание». Особенностью является склонность к потере устойчивости исходного вертикального положения равновесия при увеличении вертикальной нагрузки и развитие деформаций крена. Потеря устойчивости высотного объекта мо-

ному развитию эксплуатационных повреждений, что требует оценок их долговечности и устойчивости при эксплуатации, особое значение имеет устойчивость вертикального положения регенератора.

Методика и обоснование подхода

Сложные среды и процесс их деформирования описываются с помощью механистической интерпретация и с помощью механистических моделей, на рис. 3 показан ряд таких моделей. Они учитывают а) упругость, б) ползучесть, в) сопротивление внутреннего трения. Разные комбинации этих элементов описывают разные среды (рис. 4).

1 1 1

а) б) в)

Рис. 3. Механистические модели-символы

• г

р2)] n;(i = 1,2;),

Рис. 4. Механистическая интерпретация процессов деформирования сложных сред с помощью механистических моделей

Механистическую интерпретацию процесса деформирования можно предложить для систем с высокорасположенным центром тяжести, склонным к потере устойчивости (рис. 5). Исходный процесс соответствует вертикальному перемещению рычажного элемента (рис. 5а). Потеря устойчивости исходного процесса деформирования - появление ненулевого поворота рычажного элемента (рис. 5, б) [4].

Р1 характеризует несбалансированность скоростей деформирования.

Для описания нелинейного характера деградации деформационных свойств используем функцию «накопления повреждений» ш, предложенную

Ю.Н. Работновым [1]: ш = [(р^а).

ц.ап

Pi =■

■[1±W]:

Р?(1 -П = Л(Р1-Р2), (1 = 1,2;)

Для смещения W примем, что при ! = 0 функция W = Wo, где Wo - малое начальное несовершенство. При к = 0 уравнение описывает возмущенный процесс деформирования без учета деградации свойств структурных элементов, а при к > 0 и ш <1 - процесс деформирования в условиях деградации физико-механических свойств сложной реологиче-

P

I

P2I

Pi

JIp

а) б)

Рис. 5. Модель потери устойчивости процесса деформирования

Рис. 6. Исходный и возмущенный процесс деформирования

Здесь, наряду с исходным процессом деформирования, при котором горизонтальное смещение W отсутствует, есть смежный, возмущенный процесс деформирования, с отклонением W вершины стойки от вертикали (рис. 6).

Несбалансированность скоростей деформирования структурных элементов реологической модели порождает начальное несовершенство:

ской среды. Для функции деградации^можно добавить в систему кинетическое уравнение, предложенное Ю.Н. Работновым [1]: ш = ^ д .Параметры

должны быть определены по данным экспериментальных исследований. При Ь= 0 функция ш = 0. Вводя функцию и, как некоторый инвариант скоростей, получим:

U =

P1+P2 2

[1+Л(-1У+1(р1-р2)]

Тогда возмущенный процесс деформирования механистической модели будет описываться системой следующих нелинейных кинетических уравнений:

U =

2(1-ш)к

2

2U + ßW

2

(1 + W)n +

2

2U - ßW

W =

ß(1-^)h

2U + ßW

(1 + wy

2

2U -ßW

(1 - wy

(1 - wy

Здесь р,ш,т,п,к - параметры, учитывающие уровень напряжений, момент наступления Шстадии (рис 7в) и характер нелинейности процесса деформирования во времени. Значения параметров ш,т,п,к определяют по результатам анализа процесса деформирования реальных сред.

внутреннего объема кирпичной кладкой («насадка») [2-4]. Грунтовая среда основания фундамента регенератора является сложной реологической средой, которая подвергаются высокотемпературным техногенным воздействиям (рис. 7б).

Для описания уплотнения грунтовых сред необходимы модели, отображающие фильтрационные процессы, сдвиговую ползучесть, структурные процессы в грунтах при деформировании (рис. 7в). На рис. 7в стадии: I -затухающей (неустановившейся) ползучести; II - установившегося течения; III -прогрессирующего развития микротрещин, нарастания деформаций и заканчивается разрушением. Анализ показывает, что после холодного ремонта грунтовое основание работает в условиях разогрева до двух лет.

Результаты и обсуждение

Скорость осадок в данном исследовании оценивалась из геодезического мониторинга [2], результаты выведены на рис. 8. Для учета деформаций ползучести между действующим напряжением и скоростью ползучести экспериментальные данные позволяют принять степенную зависимость:

о а а а

в)

Рис. 7. Конструкция регенератора, температурные поля в основании и развитие процесса сдвиговой ползучести во времени

Высокое расположение центра тяжести регенератора (рис. 7а) обусловлено заполнением его

Рис. 8. Графики изменения скорости осадок и осадок фундаментной плиты по результатам геодезического мониторинга

п

п

m

m

п

m

m

Проблема определения деформации крена высотного сооружения представляет собой нелинейную задачу общей устойчивости [5]. Статическая нелинейность задачи вошла в критическую нагрузку общей устойчивости.

hr

<p = -[ß2-e1] =

h,.

а2

qr

E« En

-МГ + а,

Здесь: ф - угол поворота вертикальной оси; Ео - модуль деформаций грунта основания; Ьс - мощность несущего слоя подфундаментной плитой; a -ширина сооружения регенератора. Скорость развития деформации крена регенератора с1ф/сИ), (или ф) зависит от дисбаланса скоростей осадок.

Осадки основания фундаментной плиты определяются комплексом воздействий факторов эксплуатации (режима эксплуатации, периодическими холодными ремонтами, осадочными свойствами данного грунта).

Приведенные на рис. 8 данные мониторинга позволяют определить / и m - постоянные грунтового основания (т=3; /=100 кН/мм2/мес) (рис. 9).

б)

Рис. 9. Результаты расчета и развитие деформаций крена за 5 лет

Срок эксплуатации стекловаренной печи до холодного ремонта (в зависимости от ее текущего технического состояния) от 6 до 9 лет. Максимальная осадка фундаментной плиты с учетом затухания скорости ожидается до 50 мм.

По результатам видно, что развитие деформаций крена (угол поворота вертикальной оси), возрастает с увеличением угла поворота. При сроке эксплуатации регенератора 11 лет, скорость деформаций

Рис. 10. Развитие деформаций крена между холодными ремонтами печи

крена стремится к бесконечности: регенератор теряет устойчивость в условиях ползучести грунтового основания. Представляет интерес величина крена регенератора W за срок эксплуатации, равный периоду между холодными ремонтами печи. График зависимости на рис. 10 показывает, что крен может достичь 30- 50 мм. В кирпичной кладке конструкции «влета» регенератора при деформациях растяжения, вызванных осадками крена, начнется процесс растрескивания, что подтверждается дефектами в предыдущий период эксплуатации. Деформации крена регенератора, достигнут 30-50 мм в течение 5 лет эксплуатации и спровоцируют процесс деструкции конструкции «влета» регенератора.

Заключение и выводы

Ремонтно-восстановительные работы необходимо планировать после 4 лет эксплуатации. Опасность дефектов «влета» регенератора: «вырыв» пламени в виде струи смеси воздуха с газом; быстрый разогрев нижнего пояса ферм покрытия цеха; обрушение ферм покрытия на ванну расплава жидкого стекла при температуре +700 С; разрушение стен ванны расплава и перелив стекломассы на главные балки днища ванны расплава; обрушение всех связей жесткости несущего каркаса ванны «расплава» так как вес стекломассы с ванной расплава 10000 тонн.

Библиографический список

1. Работнов Ю. Н. Введение в механику разрушения. 2-е изд. — М.: Либроком, 2009. — 82 с.

2. Техническое заключение. Расчет температурных полей под фундаментной плитой печи ЛТФ-1 в осях А-Г, 63-66 производства №45 ОАО «Саратовстройстекло» / НППЦ «Стройкомплекс» СГТУ, 2003.

3. Техническое заключение. Выполнение проектных работ по ремонту фундамента печи ЛТФ-1 в осях А-Г, 63-66 производства № 45 ОАО «Саратовстройстекло» / НППЦ «Стройкомплекс» СГТУ. 2003.

4. Иноземцев, В.К. Термическое воздействие на основные несущие конструкции стекловаренной печи как фактор снижения их эксплуатационной надёжности / В.К.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Иноземцев, М.Р. Муртазин, К.О. Волков [и др.] // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии. XXI международная научно-техническая конференция: Сборник материалов. - Тула: ТулГУ, 2020. С. 95-97.

5. Иноземцев, В. К. Математическая модель деформирования геомассивов применительно к деформационным процессам в основаниях сооружений / В. К. Иноземцев, В. И. Редков. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. - 412 с. - ISBN 5-7433-1580-9. - EDN QNLVIZ.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 03.09.2022; одобрена после рецензирования 07.11.2022; принята к публикации 15.11.2022.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 03.09.2022; approved after reviewing 07.11.2022; accepted for publication 15.11.2022.