Системний аналіз і прогнозування ресурсу промислового трубопровідного гідротранспорту

Для всебічного дослідження процесів, що віддзеркалюють вплив твердих включень гідросуміші, було розроблено уніфікований стенд для дослідження гідроабразивного зношування. Потрібні умови дослідів забезпечуються сталістю протягом експерименту таких основних параметрів гідросуміші: гранулометричного складу, щільності, подачі і швидкості, температури, тиску, хімічної активності, що досягається безперервним або періодичним контролем і відновленням параметрів гідросуміші, застосуванням зносостійкого стендового обладнання, що зберігає свої параметри протягом всього експерименту.

Для проведення експериментальних досліджень корозійного зношування обладнання гідротранспортних систем використовувалася лабораторна установка, за допомогою якої швидкість корозійного зношення обчислювалася гравіметричним методом з використанням розчину солей хлору і сульфат-іонів, подібного за концентрацією до реального хімічного складу рідкої фази гідросумішей та еквівалентного пасиватора - пероксид водню.

На підставі проведених експериментів отримано такі апроксимуючі залежності електрохімічної корозії для випадку нормальної роботи гідросистем (з заповненням гідросумішшю) де - безрозмірна концентрація перекису водню в розчині; - безрозмірна концентрація хлорів-іонів у розчині.

І відповідно у випадку форсованого режиму корозії під впливом пристінної плівки рідкої фази гідросуміші (при спорожнюванні гідросистеми) де - безрозмірна концентрація сульфат-іонів у розчині.

Порівняння показників швидкості корозії, отриманих згідно з (10, 11, 12), з реальними швидкостями корозії в нейтральному, слабокислому середовищі, а також корозії насосно-компресорних труб, дало відносну похибку, що не перевищує 13%. Це свідчить про те, що перераховані вище залежності можуть бути рекомендовані як розрахункові формули при визначенні корозійного зносу в реально працюючих ГТС.

Лабораторна установка для дослідження гідроерозійного зношування є набором криволінійних ділянок трубопроводу, у яких установлюється досліджуваний зразок з різних матеріалів (сталь, титан, латунь). Як джерело гідродинамічної енергії використовується об'ємний гідронасос, який може забезпечувати швидкість руху суспензії більше 25 м/с, що обумовлює відчутне гідроерозійне зношування.

Для емпіричних досліджень кавітаційної ерозії було створено дві стендові установки: перша - для вивчення процесів кавітації у поршневих помпах, друга - у відцентрових. Обидві вони виготовлені на основі натурних насосів, обладнаних системами управління, допоміжною арматурою та вимірювальними пристроями і забезпечують потрібні режими дослідів та можливість реєстрування їх результатів включно з візуалізацією наявності кавітаційних каверн.

На підставі методики обробки дослідних даних з урахуванням похибок застосовуваної вимірювальної апаратури на різних стендах була отримана загальна похибка виміру тривалості роботи гідротранспортного обладнання.

При перевірці математичних моделей кавітаційного, гідроерозійного, корозійного і гідроабразивного зношень, а також моделі розрахунку довговічності обладнання ПГТ за критерієм Фішера дослідні значення цього параметра не перевищують табличних, що свідчить про адекватність розроблених моделей і можливість застосовування для подальших обчислень.

У сьомому розділі представлено метод визначення ресурсу гідротранспортного обладнання. Визначено та позначено вихідні дані для початку розрахунку. Приведено основні залежності для розрахунку проміжних параметрів оцінки роботи гідросистеми, знайдені з використанням отриманих раніше залежностей для обчислення швидкості гідроабразивного, гідроерозійного, кавітаційного і корозійного видів зношування. Приведено алгоритм у виді блок-схеми для розрахунку тривалості роботи різного обладнання ПГТ. Виконано перевірку адекватності розрахунків експериментальних даних для різних умов експлуатації. Проведено оцінку домінуючого виду зношування, і на основі заданих конструктивних розмірів запірної арматури, насосів і фасонних частин трубопроводів ГТС визначено терміни служби даного обладнання. Розрахована похибка обчислень становить від 7 до 11 %.

Представлено апробовану методику розрахунку економічної ефективності від упровадження методики прогнозування довговічності обладнання ПГТ.

Економічний ефект від впровадження даного методу визначення ресурсу гідротранспортного обладнання і відповідної програми розрахунку на вітчизняних підприємствах становив 870 тис. гривень на рік.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну проблему прогнозування ресурсу промислового трубопровідного гідротранспорту, що дозволяє визначити оптимальні терміни технічного обслуговування та ремонту обладнання ПГТ.

На підставі проведеного системного аналізу і дослідження процесів кавітаційного, гідроабразивного, гідроерозійного і корозійного зношування з урахуванням режимів роботи, фізичних і хімічних властивостей гідросуміші, геометричних, міцнісних і фізико-механічних характеристик матеріалів поверхні деталей розроблено нові й уточнено існуючі математичні моделі; отримано закономірності досліджуваних видів зношування як складової інтегральної моделі швидкості зношування, що лягли в основу створення адаптованого до промислових умов методу прогнозування ресурсу обладнання ПГТ.

1. Аналіз стану питання прогнозування ресурсу обладнання промислового трубопровідного гідротранспорту показав, що існуючі розрахункові залежності в основному носять напівемпіричний характер, мають вузьку область застосування, не враховують усі види зношування і не забезпечують необхідну точність прогнозування ресурсу обладнання промислового трубопровідного гідротранспорту.

2. Встановлено, що при розробці фізичних схем взаємодії абразивних потоків з робочими елементами гідротранспортної системи необхідно враховувати вплив розмірів виступів твердої частки і пружно-пластичної деформації матеріалу поверхні обладнання. Отримано аналітичні вирази для енергій пружної і пластичної деформації абразиву і, відповідно, поверхні, що зношується.

3. Одержала подальшого розвитку теорія і розроблений спосіб оцінки результатів відповідних ерозійних процесів за масштабним фактором, що дозволяє оцінити домінуючі фактори впливу та визначити комплекс умов, що обумовлюють переважаючий вплив гідроабразивного, гідроерозійного, кавітаційного і корозійного зношувань або їхніх сполучень. Встановлено, що при значеннях 1,3 має місце гідроерозійне, при 1,3 26 - гідроабразивне з одним фрикційним зв'язком, при 26 - гідроабразивне зношування з багатьма фрикційними зв'язками частки з поверхнею.

4. Розроблено інтегральну модель зношування поверхонь гідротранспортного обладнання, визначено інтегральну швидкість і тривалість кожного виду зношування поверхонь. Розроблено модель структури процесу ерозійного впливу гідросуміші, яка, на відміну від існуючих, враховує визначальні фактори класифікації, а також режимні параметри потоку гідросуміші, її швидкість і кут атаки.

5. На основі уточнення фізичної моделі взаємодії часток твердої фази суміші з поверхнями, що зношуються, отримані їхні траєкторії контактування при різних початкових і граничних умовах, що відповідають різним елементам ГТС, обчислені реальні кути атаки стосовно поверхонь, що зношуються. Виконано математичне моделювання процесу локальної деформації ділянок поверхні, що взаємодіє з твердими частками та реалізація отриманої математичної моделі, що дало можливість прив'язати величину кута атаки до відповідного виду деформацій: при нормальних ( 90⁰) гідроабразивне руйнування можливе внаслідок багатоциклової утоми від пружних і пластичних деформацій; при косих (10⁰< <85⁰) переважає втомне руйнування при пружному стиску, при ковзних (0< <10⁰) ерозія виникає переважно від пружно-пластичних деформацій зрушення.

6. Вперше розроблено і реалізовано математичну модель процесу гідроерозійного зношування на підставі оригінальної фізичної моделі взаємодії суспензії і поверхні, що зношується, яка базується на ефекті вихроутворення в пристінному шарі, а також враховує фізичні та режимні характеристики робочого середовища і фізико-механічні показники поверхні. Аналіз отриманої залежності показав, що найбільш істотними факторами впливу на швидкість зношування поверхні є швидкість потоку (у п'ятому ступені), сили тертя об стінки (ступінь 2,5), щільність рідини і фізико-механічні характеристики поверхні (другий ступінь).

7. На підставі теоретичних досліджень частотних характеристик газового пухирця в усмоктувальних і нагнітальній частинах поршневого насоса ГТС встановлено, що для даного елемента обладнання характерна зміна радіуса газової каверни в діапазоні, що виключає присутність кавітації. Саме це дозволило не розглядати надалі явища такої категорії в аспекті кавітаційного зношування.

Поглиблене фізико-математичне моделювання процесу кавітації, характерного для обтікання потоком гідросуміші профілів лопаток робочого колеса відцентрового насоса ГТС з урахуванням стохастичного характеру явищ, що відбуваються при цьому, дозволило одержати якісну оцінку інтенсивності кавітаційної ерозії в залежності від чисел подоби швидкості потоку і характерного лінійного розміру елемента. Однак через підвищену складність і багатопараметричність розглянутого процесу, неможливість теоретичного урахування всього набору істотних факторів впливу, дані залежності уточнені введенням поправочної чотирифакторної аналітичної функції, отриманої за результатами експериментальних досліджень.

8. Для визначення швидкості корозійного зношення матеріалу елементів ГТС розроблено методику дослідження корозійного процесу, характерного для роботи обладнання. При цьому режими функціонування і, відповідно, процеси корозії були позиціоновані у виді двох типів: нормальний робочий режим - із заповненням водних порожнин обладнання гідросумішшю; і форсований, котрий здійснюється при осушенні зазначених порожнин і характеризується наявністю на внутрішніх поверхнях обладнання ПГТ тонкої плівки рідкої фази гідросуміші. Як показав аналіз хімічного складу існуючих гідросумішей, основними факторами впливу на протікання процесу корозії в першому випадку варто вважати іони (депасиватор) і пасиватори, що можуть бути еквівалентно замінені перекисом водню у відповідній концентрації, у другому випадку - іони і кислотний залишок . У результаті проведення хімічних експериментів швидкість корозії отримана у функції кількісних співвідношень зазначених факторів впливу у виді полінома. Порівняльний аналіз аналітичних залежностей з результатами відомих інтегральних показників, що характеризують швидкість корозійного зношення для різних середовищ, показав їхню адекватність, коректність і застосовність для практичних розрахунків зносу в реальних ГТС.

9. Розроблено стенди, методики проведення експериментальних досліджень та обробки дослідних даних, що забезпечили проведення дослідів з визначення результатів гідроабразивного, гідроерозійного, кавітаційного і корозійного видів зношення, які дозволили уточнити отримані математичні моделі і підтвердили з достатньою точністю їхню адекватність.

10. Вперше розроблено і впроваджено метод прогнозування ресурсу обладнання промислового трубопровідного гідротранспорту, що враховує усі види ерозії, і на його основі складено комп'ютерну програму розрахунку терміну служби насосів, запірної арматури й іншого обладнання, що працює на абразивних гідросумішах.

11. Наукові і практичні результати впроваджені на промислових підприємствах, НВО НДІПКІ “Вуглезбагачення” при створенні гірничошахтного обладнання, у ЗАТ ГЗФ “Луганська”, ЗАТ “Криворізька”, ГЗФ “Білоріченська” ВО “Вуглепереробка”, ТЕС “Луганська”, ВАТ “Хімтекстильмаш” для прогнозування міжремонтних термінів технологічного обладнання, а також використовуються в навчальному процесі, курсовому і дипломному проектуванні науково-дослідних роботах студентів за спеціальностями 8.100403 “Організація перевезень і управління на транспорті” (за видами), 8.100402 - “Транспортні системи” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, що підтверджується відповідними актами впровадження. Економічний ефект від застосування запропонованих рішень на вищенаведених підприємствах становив 870 тис. грн на рік.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чернецька Н.Б. Довговічність трубопроводів систем гідравлічного транспорту твердих матеріалів: Монографія. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2003 - 112 с. рос. мовою.

2. Чернецкая Н.Б., Сорока С.И., Варакута Е.А. Методика определения долговечности оборудования и трубопроводов гидротранспортных систем: - Луганск: Изд-во ВНУ им. В.Даля, 2005. - 28 с., рос. мовою.

3. Сорока С.И., Чернецкая Н.Б. Взаимовлияние различных видов изнашивания гидротранспортных трубопроводов: - Луганск: Изд-во ВНУ им. В.Даля, 2005. - 34 с., рос. мовою.

4. Сорока С.И., Чернецкая Н.Б. Кавитация в водоугольных суспензиях: - Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2005. -33 с.

5. Сорока С.И., Чернецкая Н.Б. Взаимодействие частиц гидросмеси с элементами гидротранспортных систем. - Луганск: Изд-во ВНУ им. В.Даля, 2005. - 33 с.

6. Лещинский В.М., Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б., Лебедь И.Г. Долговечность гидротранспортных трубопроводов // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. - К.: УТУ, ТАУ, 1998. - с. 28 - 32.

7. Лещинский В.М., Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б. Деформационно-волновая модель изнашивания и прогнозирования долговечности гидротранспортных трубопроводов // Вісник Східноукраїнського державного університету. Серія “Промисловий транспорт”, 1999. -2. с.89 - 93.

8. Свитлый Ю.Г., Козыряцкий Л.Н., Чернецкая Н.Б. Переработка шламонакопителей// Технічні науки (промисловий транспорт, машинобудування, автоматизація, безпека життєдіяльності). -Луганськ: СУДУ, 1999. -с. 56-60.

9. Башкатова И.Н., Власов Ю.Ф., Филатов В.В., Чернецкая Н.Б. Некоторые особенности высококонцентрированных водоугольных суспензий // Вісник Східноукраїнського державного університету, 2000, -Вып. № 1.-с. 139-145.

10. Брагин Б.Ф., Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б. Проблемы износа оборудования трубопроводных транспортных систем гидросмесями и суспензиями //Вісник інженерної академії України, 2000. - №2. - с. 90-94.

11. Власов Ю.Ф., Свитлый Ю.Г., Макаревич А.Ю., Чернецкая Н.Б. Экспериментальные исследования параметров гидротранспорта водоугольного топлива// Вісник Східноукраїнського державного університету. Випуск №1 2000-с. 135-139.

12. Стеценко Э.Г., Никитин В.И., Трейнер Н.Б., Чернецкая Н.Б. Создание высокоэкономичного насоса ЦНСШ 300-720 для шахтного водоотлива.// Вісник Східноукраїнського державного університету. Випуск №3 2000.-с.240-242.

13. Чальцев М.Н., Чернецкая Н.Б. Быстродействующие затворы для малогабаритных камер питателей. // Вісник Східноукраїнського державного університету. Випуск №7 2000.-с. 218-221.

14. Маркунтович Ф.Д., Недужко В.Н., Чернецкая Н.Б. Закономерности изнашивания лопасти рабочего колеса пульпового центробежного насоса. // Вісник Східноукраїнського національного університету №6. 2001 р. С. 141-144.

15. Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б, Самарская Л.А. Закономерности гидроабразивного изнашивания цилиндра поршневого насоса. // Вісник Східноукраїнського національного університету №11. 2001р. с. 155-159.

16. Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б. Изнашивание поверхности гидроабразивным потоком // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля.2002 № 2, с. 271-275.

17. Чернецкая Н.Б. Методы испытаний на гидроабразивное изнашивание // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. 2002. - № 8 - с. 231-234.

18. Чернецкая Н.Б., Голубенко А.Л., Маркунтович Ф.Д. Гидроабразивное изнашивание поверхности нормальным потоком// Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: зб. наук. пр - Луганськ: вид-во СНУ ім.. В.Даля, 2002. - с.101-105.

19. Чернецкая Н.Б., Маркунтович Ф.Д. Факторы изнашивания поверхности мелкодисперсной гидросмесью// Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. 2002. № 6, с. 144-147

20. Чернецька Н.Б., Голубенко О.Л., Маркунтович Ф.Д., Лебідь І.Г. Гідроерозійне зношування обладнання трубопровідного транспорту // Вісник національного транспортного університету та Транспортної академії України. - К.: 2002. Вип. 7, с. 237-243.

21. Чернецкая Н.Б. Гидроабразивный износ нагруженных внутренним давлением труб // Вісник інженерної академії України, 2003. - №2 - с. 42-45.

22. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Анализ влияния конструктивных характеристик и режимов работы на процесс гидроабразивного изнашивания контактных поверхностей пульповых задвижек.// Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля.2003 № 9(67), с. 219-222.

23. Чернецкая Н.Б., Маркунтович Ф.Д. Свойства твердых частиц и абразивность гидросмесей промышленных гидротранспортных систем // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, 2003. № 9 (67).- с. 126-131.

24. Чернецкая Н.Б., Маркунтович Ф.Д., Варакута Е.А. Скорости потоков и интенсивность изнашивания трубопроводов в системах гидравлического транспорта.// Вісник Сумського державного університету №12(58) 2003, с.171-173.

25. Чернецкая Н.Б., Несмиянов К.Л. Факторы изнашивания просеивающих поверхностей грохотов. // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб.наук. пр.В 2-х ч. Ч.1 - Луганськ:вид-во СНУ ім. В.Даля, 2003. -с.149-154.

26. Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б. Энергия и критерии усталостной деформации при взаимодействии гидросмесей с поверхностями гидротранспортных систем // Зб. доп. міжнародної наук.-технічної конференції “Сталий розвиток гірнічно-металургійної промисловості”. - Кривий Ріг: Вид-во Криворізського техніч. університету, 2004. - т.2. - с. 128 - 131.

27. Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б. Энергия и критерии усталостной деформации при взаимодействии гидросмесей с поверхностями гидротранспортных систем//“Приводная техника” технико-аналитический информационный журнал, изд-во “ОБРИС”, Москва, №4(50), август 2004г., с. 47-51.

28. Чернецкая Н.Б. Закономерности гидроабразивного изнашивания гильз поршневых машин.// Збірник наукових праць. Випуск 57. Харьков: вид-во Української державної академії залізничного транспорту, 2004. -с. 202-206.

29. Чернецкая Н.Б., Маркунтович Ф.Д. Влияние параметров шероховатости на процесс изнашивания поверхности гидросмесью// Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. 2004 № 8(78), с. 150-153.

30. Чернецкая Н.Б., Маркунтович Ф.Д. Классификация процессов изнашивания поверхностей гидросмесями// Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. 2004 № 7(77), с. 127-131.

31. Чернецкая Н.Б. Напряжения на поверхностях каналов оборудования при гидротранспорте суспензий // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля № 10 (92). 2005. с. 225-228.

32. Чернецкая Н.Б., Дуденко И.И. Особенности изнашивания гидротранспортного оборудования суспензиями//Уголь Украины, №7 (583). К: Техніка. 2005.-с. 24-26.

33. Чернецкая Н.Б. Интегральная модель процесса изнашивания поверхности гидросмесью// )// Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля №11. 2005. с. 137-140.

34. Чернецкая Н.Б. Прогнозирование долговечности оборудования гидротранспортных систем (ГТС)// Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля № 8(90). 2005 р. с. 213-216.

35. Чернецкая Н.Б. Экспериментальные исследования закономерностей изнашивания элементов гидротранспортных систем // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля № 9 (91). 2005 р. с. 213-216.

36. Чернецкая Н.Б., Сорока С.И., Кашуба В.И. Частотный анализ характеристик рабочих жидкостей транспортных систем//"Залізничний транспорт України" №3/1.-К.: 2005. 175-178 с.

37. Чернецкая Н.Б. Развитие технических основ изнашивания гидросмесью машин и аппаратов трубопроводного транспорта// Збірник доповідей 3 Міжнародної науково-практичної конференції „Ринок послуг комплексних транспортних систем та прикладні проблеми логістики” Київ, 2001.- с. 213-217.

38. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Влияние внутреннего давления и ширины контакта частицы на процесс изнашивания труб гидросмесями. Матеріали II Міжнародної науково-практичної конференції „Динаміка наукових досліджень 2003”. Том 36. Технічні науки. -Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. с. 30-32.

39. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Повышение достоверности прогнозирования ресурса контактного контура задвижек трубопроводной арматуры. Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління: Тези доп. першої наук.-практ. конф.-К.: КУЕТТ, 2003. с. 73-74.

40. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Прогнозирование ресурса систем гидротранспорта твердых материалов. Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції „Україна наукова 2003”. Том 29. Технічні науки. -Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. с. 37-39.

41. Чернецкая Н.Б. Оценка гидроабразивного износа поверхности с учетом накопления пластических остаточных деформаций // PRENUMERATA ROCZNA "OBRУDRI PLASTYCZNEJ METALI"-Poznaс.-2004.-c. 61-64.

42. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Влияние гидродинамических процессов на износ контактных поверхностей запорной арматуры// "Технологія і техніка друкарства" збірник наукових праць. Вип. 2-3 (4-5)-К. 2004.- с.85-87.

43. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Факторы изнашивания пульповых задвижек гидротранспортных систем. „Техника для химволокон”: Сборник докладов III Международной научно-практической конференции. -Чернигов: ОАО „Химтекстильмаш”, 2004. - с. 353-354.

44. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Экспериментальные исследования для определения углов атаки на контактных поверхностях пульповой запорной арматуры. Матеріали VII Міжнародної науково-практичної конференції „Наука і освіта 2004”. Том 36. Технічні науки. -Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. с. 30-32.

45. Чернецкая Наталия Процессы изнашивания гидросмесью машин трубопроводного гидротранспорта//сб. докл. XIV научна конференция с международно участие "Транспорт 2004". София: 2004.- с. 275-278.

46. Брагин Б.Ф., Маркунтович Ф.Д., Чернецкая Н.Б. Проектирование сооружений и систем трубопроводного и других видов промышленного транспорта: Учебное пособие.-Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2004.-208 с.

Размещено на Allbest.ru