Модели для оценки несущей способности кожуха

Низкая надежность кожухов шахт ДП отчасти связана с методами их проектирования, при которых основной акцент ставился на оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) и выборе марок стали для изготовления конструкции. Расчет НДС производиться методами теории оболочек, представляя стенки ДП в виде многослойного усеченного конуса или цилиндра, испытывающее воздействие внутреннего давления и температуры. Величины рассчитанных напряжений зависят от множества факторов и физических величин. Поэтому диапазон возможных кольцевых и меридиональных напряжений весьма широк. Подобный подход в детерминированной статической постановке малоэффективен для прогнозирования работы конструкций.

В указанном аспекте для обоснования несущей способности кожуха ДП принята модель, традиционно используемая для металлоконструкций: проверяется возможность разрушения от однократного нагружения путем сравнения эквивалентных (по соответствующей гипотезе прочности) напряжений с расчетным сопротивлением для конкретной марки стали. Действующие напряжения вычисляются при максимальных параметрах доменного процесса. Учитываются также нештатные ситуации, такие как обрыв шихты после ее подвисания, подрыв настыли. Это приводит, соответственно, к колебаниям кожуха и коэффициенту динамичности в пределах от 2 до 3, а также к локальному 2-х- 4-х –кратному превышению напряжений [24]. Подобный статический поход для кожухов металлургических агрегатов является условным, поскольку потеря их работоспособности связана с иными процесами.

При этом также оказывается увеличенной толщина кожуха (до 100 мм для крупных ДП), что ведет к увеличению его жесткости, снижению деформируемости трубопроводных систем при их нагреве, расстройству узлов сопряжений элементов доменного комплекса. В связи с этим для крупных ДП рекомендовано применять высокопрочные легированные стали с карбонитритным упрочнением, обеспечивающим по нормативным рассчетам толщину кожуха 30-60 мм, что считается приемлемым. С внедрением высокопрочных сталей, имеющих повышенный предел выносливости, предполагалась экономия металла для изготовления конструкций доменного комплекса. Однако в полной мере это не произошло, поскольку эффективность от снижения материалоемкости, достигнутая при изготовлении, уменьшалась при эксплуатации в результате ненадежности кожуха.

Реально материал кожуха, пребывая в сложном напряженном состоянии, подвергается циклическим деформациям. К этому приводят технологические нужды: именение режимов плавки, выпуски чугуна, если они сопровождаются падением давления и т.п. Происходят колебания величины внутреннего давления и температуры. Вклад температуры в напряженное состояние кожуха более весомый, потому цикличность также связана с изменением состояния футеровки и системы охлаждения. В материале кожуха накапливаются усталостные повреждения, приводящие к появлению и развитию трещин. Считается, что кожух работает в области малоцикловой усталости [24, 25]. Это справедливо, если отталкиваться от среднесуточной частоты циклосмен напряжений, равной 5-6 цикл./сут., которая обусловливает требуемую долговечность в 2∙10⁴…5∙10⁴ циклов за кампанию печи в 12-30 лет. Критерии малоцикловой усталости позволяют установить долговечность кожуха до появления трещины величиной 1-2 мм. Для кожуха ДП среднего объема из стали В ст.3сп в местах концентрации напряжений (с их коэффициентом 2,5…3,5) при стационарных напряжениях на уровне расчетных сопротивлений, изменяющихся с довольно высокой асимметрией цикла (ее коэффициент 0,82), долговечность составила 8∙10⁴ циклов. При сравнительно ритмичном производственном процессе, создающем частоту нагружений f =2цикл./сут., это составляет 12 лет [25]. Такой же результат (при иных параметрах нагружения) получен для кожуха ДП объемом 2700 м³ [24]. Интенсификация доменного процесса в современных условиях сопровождается, как правило, ростом частоты циклосмен и размахов напряжений, в результате чего требуемая долговечность, прогнозируемая по данным критериям, может быть не обеспечена.

С конца ХХ ст. для расчетной оценки несущей способности кожухов ДП начали использовать модели трещиностойкости. Они позволяют застраховать кожух от хрупкого разрушения при наличии в нем дефектов. Наиболее обоснована модель разрушения на основе энергетических критериев [26]. Она учитывает жесткость напряженно-деформированного состояния и пригодна для любых марок сталей. Однако, в ней рассматривается случай однократного нагружения, оставляя открытым вопрос о спектре действующих нагрузок, что не дает возможности оценить надежность. Кроме этого, вывод о работоспособности кожуха осуществляется при сравнении действующей температуры и критической температуры вязко-хрупкого перехода, что не вполне обычно для конструкций, подвергающихся циклическому нагружению. Расчеты живучести кожухов в детерминированном аспекте показали, что этот период, по меньшей мере, занимает 30% от долговечности до появления трещины [24].

Использование широко распространенных моделей линейной механики разрушения для определения критических размеров трещин [24] пригодны в основном для кожухов, изготовленных из стали В ст. 3 сп. Кожуха из сталей других марок, которые являются высокотрещиностойкими, нуждаются в моделях нелинейной механики разрушения, поскольку при этом перед вершиной трещины образуется пластическая зона значительных размеров.

Первые расчеты надежности кожухов выполнены в прочностной постановке на момент начала эксплуатации [24]. Вид функции надежности (ее изменение при эксплуатации) для кожухов ДП не исследован.

Для оценки текущего состояния кожуха разработан метод микропроб, при котором устанавливается степень деградации материала [22, 23] при этом прогнозирование технического состояния собственно конструкции невозможно.