Статьи
English version
О компании
История
Руководство
Сотрудники
Разработки
Объекты
Наши публикации
Наши патенты
Контакты
Обратная связь


Анализ причин, влияющих на процесс образования трещин в шпангоутном катодном кожухе.

С.Н.Ахмедов, В.В.Тихомиров, Б.С.Громов, Р.В.Пак, А.И.Огурцов

Опыт промышленной эксплуатации металлоконструкций шпангоутных катодных кожухов на алюминиевых заводах выявил некоторые закономерности, связанные с нарушением их целостности. На конструктивных элементах металлоконструкций характерно появление трещин, которые можно классифицировать по двум основным типам:

- трещины на ребрах шпангоутов;

- трещины на корпусе обечайки по продольным сторонам и торцевым сторонам.

Вид трещин на ребрах шпангоутовВид трещин на корпусе кожуха

Образование трещин на металлоконструкциях не приводят к аварийной остановке электролизера или немедленному снижению технико-экономических показателей работы электролизера. Однако, характер и условия образования трещин могут дать информацию о состоянии футеровки катодного устройства, условиях монтажа и эффективности заложенных конструктивных решений.

Натурные наблюдения за образованием трещин на металлоконструкциях катодных шпангоутных кожухов дают основания к поиску расчетных методов анализа причин их образования. Нами моделировались условия трещинообразования на примере цельносварного катодного кожуха шпангоутного типа для электролизера с обожженными анодами на силу тока 130 кА.

В качестве возможных причин возникновения и распространения трещин рассматривались следующие причины:

 

1. изменение температуры окружающего воздуха в диапазоне от минус 350°С до плюс 250°С;

2. протечки расплава, попадающие на внутренние стороны продольных стенок кожуха в районе скругления ребер шпангоутов (температура расплава принималась равной 960°С);

3. условия закрепления катодного кожуха на строительных конструкциях.

Влияние каждого из перечисленных факторов анализировалось по отдельности. Во всех случаях в качестве объекта исследования использовалась одна и та же "базовая" модель кожуха.

Результаты численного моделирования, отражающие изменения напряженно-деформированного состояния отдельных элементов модели, вызванные варьированием температуры внешней среды, приведены в таблице 1. В качестве параметров, оценивающих прочностные свойства металлоконструкции, применялись параметры, введенные в работе [1]: мера пластичности µσ, определяющая долю областей (в процентном отношении) данного элемента кожуха, подверженных пластической деформации, и максимальная интенсивность пластических деформаций εimax, характеризующая вероятность разрушения этого элемента.

Приведенные в таблице данные позволяют сделать ряд выводов. Прежде всего, обращает на себя внимание достаточно слабая зависимость от температуры окружающей среды прочностных параметров элементов кожуха (стенок, полок торцевых поясов, ребер опор и др.). Вместе с тем, условия эксплуатации катодного кожуха при отрицательных внешних температурах являются более жесткими, поскольку приводят к некоторому возрастанию оценочных параметров для этих элементов конструкции. Так, при повышении температуры воздуха от - 350С до +250С мера пластичности обечайки, а также стенок ванны, убывает всего на 3,1%, а максимальная интенсивность пластических деформаций при этом колеблется в пределах 11%. При температуре окружающего воздуха минус 350°С на ребрах шпангоутов максимум интенсивности напряжений (параметр Мизеса) превышает аналогичную величину при температуре воздуха +250°С, только на 6%. Поэтому сезонные колебания температуры внешней среды вряд ли могут существенно влиять на процесс образования трещин в катодном кожухе.

Исследуя вопрос о причинах образования трещин, наиболее часто наблюдаемых на практике в местах внутренних скруглений ребер шпангоутов, следует иметь в виду, что рассматриваемые области шпангоутов в силу малости радиусов кривизны скруглений представляют собой концентраторы напряжений. Это подтверждается и расчетным путем при комплексном моделировании напряженно-деформированного состояния катодного устройства в целом [2] в условиях его идеальной работы (без протечек). Резкое возрастание термических нагрузок при протечках расплава, должно приводить к еще большему уровню напряжений и деформаций в указанных областях. Принимая во внимание, что материал в зонах внутренних скруглений ребер шпангоутов находится в условиях растяжения, наличие протечек будет способствовать образованию и распространению в нем трещин нормального разрыва.

Температура
воздуха

Прочностные
параметры

Элементы
кожуха

Стенки
кожуха

Бортовой
лист

Торцевые
пояса

Полки
поясов

Ребра
опор

Торцевые
стойки

-35°C

µσ(%)

15.5

26.8

0.76

15.5

14.6

1.38

εimax(%)

0.588

0.376

0.0051

0.180

0.531

0.074

-15°C

µσ(%)

15.3

24.6

1.39

15.0

14.7

2.12

εimax(%)

0.566

0.291

0.011

0.166

0.612

0.099

5°C

µσ(%)

15.2

23.5

2.20

14.3

15.1

23.1

εimax(%)

0.552

0.237

0.021

0.157

0.684

0.12

25°C

µσ(%)

15.0

20.2

2.54

13.9

15.5

2.78

εimax(%)

0.520

0.138

0.034

0.140

0.764

0.15



Для моделирования такой аварийной ситуации использовалась следующая упрощенная схема расчета. В математической модели протечка расплава имитировалась приложением дополнительного поля температуры, локализованного в области скругления продольной стенки кожуха. Предполагалось, что это тепловое пятно имеет постоянное значение температуры, равное 960°С, и располагается симметричным образом относительно центрального шпангоута. Иными словами, для катодного кожуха шпангоутного типа решалась стационарная термоупругопластическая задача, в которой температурное поле имеет ярко выраженный локальный максимум температуры, обусловленный протечкой металла и электролита.

Образование области текучести стали на ребре центрального шпангоута в зоне протечки расплава

Результаты модельного анализа показывают, что изменение напряженно-деформированного состояния, возникающее в результате протечки расплава, носит локальный характер, т.е. проявляется, в основном, в области попадания протечки на поверхность обечайки, а также в достаточно малой ее окрестности. В этой локальной зоне происходит резкое возрастание уровня напряжений и деформаций. На ребре шпангоута, расположенном в зоне протечки расплава, сталь переходит в пластическое состояние (рисунок 2), даже если в условиях безаварийной ситуации уровень напряжений в этой части ребра был относительно низким и не достигал предела текучести. Возникающие при этом пластические деформации имеют абсолютный максимум интенсивности для всей металлоконструкции в целом. Отсюда вытекает, что протечки металла и электролита значительно ухудшают прочностные качества элементов катодного кожуха и тем самым способствуют образованию трещин.

Систематические наблюдения за промышленной эксплуатацией шпангоутных кожухов дают основание полагать, что трещины, образующиеся на металлоконструкции кожуха, возникают не только из-за температурных перегрузок при протечках металла и электролита. Достаточно часто отдельные части корпусов металлоконструкций, которые раскалялись до малинового цвета при протечках металла и электролита не имели трещин при последующем охлаждении. Напротив, при отсутствии видимых признаков повышения температуры металлоконструкций спонтанно возникали трещины в характерных областях кожухов.

Исходя из общих принципов работы кожуха в напряженно-деформированном состоянии, можно полагать, что ограничения в свободном перемещении отдельных частей металлоконструкции приводят к дополнительно возникающим в них усилиям. Нами было высказано предположение о влиянии на напряженно-деформированное состояние условий закрепления опор катодного кожуха на подкатодных балках. Рассматривались несколько вариантов закрепления катодного кожуха:

 

1. свободное опирание кожуха на четырех торцевых опорных площадках, при котором фиксировались вертикальные перемещения этих площадок;

2. жесткое закрепление кожуха на четырех торцевых опорных площадках, при котором фиксировались перемещения этих площадок в трех направлениях (условия жесткой заделки);

3. закрепление путем сварки центральных шпангоутов кожуха на двух подкатодных балках (по ширине полок балок) при жесткой заделке четырех торцевых опорных площадок на строительных конструкциях;

4. закрепление путем сварки третьих шпангоутов кожуха (от поперечной оси симметрии) на двух подкатодных балках (по ширине полок балок) при жесткой заделке четырех торцевых опорных площадок на строительных конструкциях.

Расчетные значения перемещений контрольных точек кожуха для рассматриваемых случаев его закрепления представлены в таблице 2.

 № 

Способ закрепления
кожуха

Перемещения контрольных точек

U1 (мм)

U2 (мм)

U3 (мм)

1

Свободное опирание кожуха на четырех опорных площадках

16,0

13,8

16,1

2

Жесткая заделка торцевых опорных площадок

17,5

13,9

18,0

3

Закрепление центральных шпангоутов

14,9

13,8

9,4*

4

Закрепление третьих от поперечной оси симметрии шпангоутов

16,0

13,6

10,8



Здесь U1 и U2 - максимальные прогибы торцевой продольной стенок соответственно на уровне середины борта; U3 - максимальный прогиб днища в его центре; звездочкой отмечен максимальный прогиб днища на уровне третьего шпангоута.

Приведенные данные показывают, что максимальный прогиб продольной стенки не зависит от способа закрепления опор металлоконструкции. Деформация торцевых стенок металлоконструкции в большей степени зависит от способа закрепления опор металлоконструкции. Так, судя по параметру U1, жесткая заделка торцовых опорных площадок (вариант 2) приводит к наибольшей деформации торцевых стенок. Для вариантов 1 и 3 перемещения торцевых стенок одинаковы.

Анализ поведения контрольных точек на днище свидетельствует о максимальном перемещении днища при жесткой заделке опор (вариант 2) и предсказуемых малых перемещениях днища в случае закрепления шпангоутов в центральной части металлоконструкции (варианты 3 и 4).

Данные таблицы 2 дают лишь предварительную информацию о влиянии способов закрепления опор на напряженно-деформированное состояние кожуха.

В таблице 3 представлены значения меры пластичности (µσ) и максимальной интенсивности пластических деформаций (εimax) для отдельных элементов катодного кожуха, на основании которых детализируется влияние способов закрепления опор на напряженно-деформированное состояние металлоконструкции.

Номер
варианта

Прочностные
параметры

Элементы
кожуха

Стенки
кожуха

Бортовой
лист

Торцевые
пояса

Полки
поясов

Ребра
опор

Торцевые
стойки

1

µσ(%)

15,2

0,0

23,5

2,20

14,3

15,1

εimax(%)

0,552

0,0

0,237

0,021

0,157

0,684

2

µσ(%)

15,3

0,0

26,3

3,69

23,3

18,1

εimax(%)

0,565

0,0

0,304

0,036

0,175

0,960

3

µσ(%)

26,1

3,34

20,4

2,20

21,2

27,2

εimax(%)

0,558

0,652

0,181

0,014

0,166

0,350

4

µσ(%)

22,2

3,42

23,5

2,20

19,4

26,3

εimax(%)

0,548

0,718

0,148

0,0099

0,161

0,343


Представленные результаты показывают, что в случае свободного опирания кожуха на четыре опорных площадки (вариант 1) параметры ms и eimax имеют наименьшие значения.

При фиксации всех перемещений в точках опорных площадок (вариант 2) параметры µσ и εimax несколько возрастают для всех элементов кожуха. Особенно заметный рост наблюдается на полках торцевых коробчатых балок. На стенках кожуха изменение способа закрепления опор (в вариантах 1 и 2) металлоконструкции сказывается крайне незначительно. Ребра шпангоутов в рамках модели катодного кожуха с задаваемыми нагрузками [2] "работают" в области упругих деформаций.

Распределение зон пластического течения в катодном кожухе при закреплении центрального шпангоута и жесткой заделке торцовых опорных площадок

Картина меняется при закреплении шпангоутов кожуха с помощью сварки на подкатодных балках (варианты 3 и 4). В этих случаях происходит резкое возрастание областей пластического течения на стенках ванны, наиболее заметное в варианте приваривания центральных шпангоутов (рисунок 3). Кроме того, при этом на ребрах шпангоутов в местах сварки возникают зоны, интенсивность пластических деформаций в которых будет максимальной для всего кожуха в целом.

Совместный анализ таблиц 2 и 3 позволяет сделать вывод, что вариант свободного опирания кожуха на четыре опоры (вариант 1) позволяет избежать дополнительных усилий в металлоконструкции кожуха, которые возникают при ограничении перемещений кожуха в случае закрепления его опор (варианты 2, 3, 4).

На заводах транспортировка катодных устройств из цехов капитального ремонта в корпуса электролиза производится вместе с подкатодными балками. Чтобы осуществить перегрузку и установку подкатодных балок большой массы монтажники приваривают их к металлоконструкциям кожухов, как правило, по торцевым опорным площадкам (вариант 2) или в районе центральных шпангоутов (варианты 3, 4). После установки катодных устройств в корпусе электролиза временная приварка должна быть устранена. Нарушение этого правила, т.е. фактическое закрепление катодных кожухов, как показывают приведенные расчеты, негативно сказывается на напряженно-деформированном состоянии и способствует образованию трещин на корпусе шпангоутного кожуха.

Выводы:

 

1. Важным фактором, влияющим на процесс образования трещин на ребрах шпангоутов катодного кожуха, являются протечки расплавленного алюминия и электролита в футеровке катодного устройства.

2. Существенную роль в возникновении трещин на корпусе шпангоутного кожуха играют закрепления путем сварки опорных площадок или центральных шпангоутов на подкатодных балках.


Список литературы:

 

1. В.В.Тихомиров, С.Н.Ахмедов, Б.С.Громов, Р.В.Пак, Ю.В.Борисоглебский. Выбор параметров в прочностных расчетах катодных кожухов алюминиевых электролизеров. //Цветные металлы, №1, 2003, стр. ____.

2. В.В.Тихомиров, С.Н.Ахмедов, Б.С.Громов, Р.В.Пак. Обзор методов расчета прочностных характеристик катодных устройств алюминиевых электролизеров. // Цветные металлы, №2, 2003, стр. ____.



РЕФЕРАТ

Определено влияния температуры окружающего воздуха, протечек электролита и металла в футеровку, условий закрепления катодного кожуха на подкатодных балках на процесс образования трещин в шпангоутном кожухе. Установлено, что на процесс трещинообразования влияют в основном протечки электролита и металла, а также жесткое крепление шпангоутов и опор к подкатодной балке.




designed by

Sagitta


ALCORUS ENGINEERING Ltd,
Copyright ©  2004-2019