CC BY
33
УДК
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТОРООБРАЗНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ИЗ АРМИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРОВ
Ю.Г. Воронина, P.C. Зиновьев, Ю.М. Хищенко
Приведены результаты технологической и экспериментально-расчетной отработки коллекторной системы в виде двух торообразных оболочек, свидетельствующие о возможности и целесообразности замены традиционных материалов полимерными композитами для трубопроводных систем сернокислотного производства.
Более 45 лет назад советская аэрокосмическая техника обратила внимание на композиционные материалы (КМ), без использования которых не было бы тех достижений, которые вывели нашу страну в передовые державы мира. Сегодня, когда многое раскрыто с целью конверсионного использования, стало ясно, что во многих случаях конструкции из КМ превосходят аналогичные из традиционных металлов. Однако психологическая инерция нынешнего инженерного корпуса сопротивляется широкому внедрению КМ в практику, а те, в чьих руках находятся инвестиционные возможности, нуждаются порой в убеждающих примерах. Попытаемся убедить еще раз.
Суть решаемой проблемы сводится к обоснованию целесообразности замены свинцовых труб коллекторной системы охлаждения промывной башни (рис. 1) сернокислотного цеха на технологичные конструкции из полимерного композиционного материала (ПКМ).
Башня предназначена для промывки и охлаждения диоксида серы, поступающего в башню из отделения отжига через люк 2. Поднимаясь вверх к выпускному отверстию в крышке башни, газ охлаждается за счет орошения его встречным потоком охлаждающей жидкости (35%-ным раствором серной кислоты) с температурой 64 °С и расходом до 200 м3/ч. В коллекторную систему жидкость подается под давлением до 1МПа и отсюда разводится к форсункам орошения, смонтированным на внутренней поверхности крышки промывной башни.
Величина расхода и плотность компоновки коллекторов в пределах площади поверхности крышки башни определяют геометрию и конструктивное исполнение коллекторной системы - это две концен-трично расположенные торообразные оболочки - большой и малый коллектор (рис. 2). Каждый из коллекторов имеет по
два ввода рабочей жидкости (фланцы 3) и Рис. 1. Промывная башня:
по четыре патрубка для подачи раствора I ~ колле1сторная система; , „ „
„ . гг 2- подача высоко нагретого газа (1=270
серной кислоты к форсункам орошения. з _ выход охлаЖде„ного газа (1=70 °С);
4 - форсунки орошения
С);
На цинковом заводе коллекторы выполнены из труб диаметром 220x10 мм, изготовленных из свинцового листа марки С1. Патрубки для распределения рабочей жидкости по форсункам - из свинцовых труб диаметром 80x5 мм. Соединение образующих коллектор элементов выполнено посредством пайки кислородно-водородным пламенем. Большое количество паяных соединений усложняет изготовление и монтаж, а невысокая прочность пайки снижает надежность системы. Практика свидетельствует, что срок службы такой системы составляет 5 лет, а масса ее превышает две тонны.
Между тем на российском рынке появились новые химически стойкие полиэфирные и эпоксивинилэфирные смолы, есть опыт изготовления стеклопластиковых конструкций на основе аналогичных смол, так что проблема замены свинцовых коллекторов на конструкции из ПКМ на основе смол, стойких к воздействию агрессивных сред, представляется вполне разрешимой и экономически целесообразной.
Из функционального назначения коллекторной системы и описанной выше специфики условий ее эксплуатации становится понятной последовательность действий в процессе создания альтернативной конструкции из ПКМ (рис. 3).
Рис. 3, Последовательность действий в процессе создания конструкции из ПКМ
3 3
Рис. 2. Коллекторная система (вид сверху): 1 - большой коллектор; 2 - малый коллектор; 3 - патрубки ввода рабочей жидкости; 4 - патрубки раздачи рабочей жидкости
Опыт и производственные возможности определяют многое на пути обоснования ее конструктивно-технологической схемы, а требование эффективности дает оценку совершенству предлагаемой конструкции, зависящему от выбранных исходных материалов и уровня технологичности процесса изготовления. Остановимся на трех основных этапах.
1. Стойкость коллектора к воздействию рабочей среды. Послойная структура стенки торообразной оболочки позволяет выделить ее силовую часть, которой совсем не обязательно быть кислотостойкой. Функциональное назначение этой части - прочность, и она обеспечивается уже оправдавшими себя наполнителем и связующим (табл. 1). А вот снаружи и изнутри необходимо иметь кислотостойкую защиту в виде наружного (НБС) и внутреннего (ВБС) «барьерных» слоев, толщина которых определяется предполагаемым сроком эксплуатации. Здесь и используются новые связующие: химически стойкая эпоксивинилэфирная смола Dion 9100 (для ВБС) и полиэфирная смола Dion 6694, отличающаяся химической стойкостью в температурном диапазоне до 145 °С (для НБС). Толщина наружного «барьерного» слоя принята меньшей из условия необходимости обеспечения стойкости коллекторов к кратковременному воздействию агрессивной среды, например, при случайном проливе. Типичное время гелеобразования этих смол представлено в табл. 2.
Таблица 1
Структурные параметры материала коллекторов
Схема армирования
Наполнители слоев по схеме армирования
Связующее слоев
г-1
ШС[
сос
стс
ВБС
-Ґ-Ґ-
-X—
-Ж-
-X-
lri.
'Т
л]
- стеклосетка ССНП-31;
- стекломат М601300;
- стеклолента ЛЭС [90°];
■ стеклоткань Т-10-80 [0°]
Принятые сокращения:
СОС - силовой осевой слой; СТС - силовой тангенциальный слой
Для НБС:
• полиэфирная смола Dion 6694;
• ускоритель нафтенат кобальта;
• катализатор ПМЭК (пероксид №1);
• ингибитор 9853.
Для СОС:
• эпоксидная смола ЭД-20;
• пластификатор Лапроксид 301;
• отвердитель полиэтиленполиамин. Для СТС (ФФЭ-70):
• эпоксидная смола ЭД-20;
• лак бакелитовый ЛБС-4;
• ацетон.
Для ВБС:
• винилэфирная смола Dion 9100;
• ускоритель нафтенат кобальта;
• катализатор ПМЭК (пероксид №1)
Время гелеобразования для смол Dion 9100 и Dion 6694
Таблица 2
Dion 9100 100 100 100 100
Ускоритель 9802Р 3 3 2 2
Ускоритель 9826 - - 0,5 0,5
Ингибитор 9853 - 0,2 - -
Пероксид №11 2 2 2 -
Время гелеобразования при 23 °С, ч 26 43 24 22
Dion 6694 100 100 100 100
Ускоритель 9802Р 5 5 5 5
Ускоритель 9826 1,5 1,5 1,5 1,5
Ингибитор 9853 0,2 0,3 0,5 0,5
Пероксид №1 1 1 1 1
Время гелеобразования при 23 °С, ч 20 30 50 45
2. Технологичность изготовления конструкции. В данном случае предлагается членение конструкции на следующие элементы: полуторы (рис. 4) - с целью обеспечения простоты транспортировки коллекторов к месту монтажа на промывной башне и снижения трудоемкости окончательной сборки.
Рис. 4. Коллекторная система, выполненная из стеклопластика:
1 - большой коллектор; 2 - малый коллектор; 3,4, 5,6 - полуторы
Полуторы делятся на отдельные секторы (рис. 5), что обеспечивает расширение фронта работ, простоту и удобство для выполнения операций по изготовлению этих сборочных единиц. Особенно тех из них, которые имеют фланцы подачи и патрубки отвода рабочей жидкости. Наличие последних предопределяет целесообразность разделения секторов на отдельно изготовляемые «скорлупки» (рис. 6). Это дает возможность использовать качественно освоенные технические приемы выкладки по шаблону, обеспечивает качество внутренней поверхности ВБС с шероховатостью в пределах 10... 15 микрометров, наконец, сборка двух «скорлупок» дает оправку для последующего набора силового слоя коллектора.
Рис. 5 Схема деления коллекторов на секторы: 1Б...13Б - секторы большого коллектора; 1М...13М - секторы малого коллектора
в)
д)
Рис. 6. «Скорлупки»: а - верхняя «скорлупка» сектора 1Б; б - нижняя «скорлупка» сектора 1Б; в - верхние «скорлупки» секторов 2Б...8Б, 10Б...13Б; г - нижние «скорлупки» секторов ЗБ, 4Б, 6Б, 7Б, 9Б, 10Б, 11Б, 13Б; д- верхняя «скорлупка» сектора 9Б; е - нижние «скорлупки» секторов 2Б, 5Б, 8Б, 12Б
В результате цепочка взаимосвязанных и взаимообусловленных технологических операций, обеспечивающих весь комплекс требуемых качеств коллектора, складывается в следующую последовательность:
• изготовление «скорлупок» из стеклопластика на основе химически стойкой смолы Dion 9100;
• сборка «скорлупок» в секторы (рис. 7) - получение оправок для последующей намотки силового слоя (СТС) стеклолентой, пропитанной связующим горячего отверждения;
• изготовление (сборка) полуколлекторов на сборочном стапеле с обеспечением осевой прочности силовым слоем СОС, образуемом методом выкладки стекловолокнистого наполнителя основой по криволинейной оси полутора (рис. 8);
• образование НБС методом выкладки стеклонаполнителей, пропитанных смолой Dion 6694.
Рис. 7. Изготовление секторов
Рис. 8. Схема соединения секторов:
1,3- секторы, 2 - центрирующая втулка
Эта последовательность может быть представлена в виде конструкторско-технологической схемы (рис. 9).
Рис. 9. Конструкторско-технологическая схема изготовления большого коллектора
3. Схема армирования силовых слоев. Как видим, на втором этапе было учтено требование обеспечения прочности коллектора при действии давления подачи рабочей жидкости. Оно сказывается на выборе схемы армирования силовых слоев. Дело в том, что торовая оболочка коллектора по отношению диаметров 210/2680 мм (и тем более 210/3680 мм) при действии внутреннего давления своим напряженным состоянием близка к безмоментному напряженному состоянию цилиндра. Последнее характеризуется двукратным превышением окружных (кольцевых) напряжений над осевыми (меридиональными). Следовательно, схема армирования секторов должна быть кольцевой, а сборки их в полугоры (полуколлекторы) - осевой (вдоль криволинейной оси тора). Соотношение толщин СТС и СОС 4,5:1,5 объясняется понятной подстраховкой в новой конструкции, претендующей на конкурентоспособность.
При изготовлении секторов использован метод кольцевой намотки стеклонаполнителя, пропитанного эпоксифенолформальдегидным связующим. Формование СТС методом «викелевки» и отверждение при температуре 180°С обеспечивает высокие прочностные и упругие характеристики отвержденного материала. Расчетный запас прочности секторных оболочек контролировался испытаниями кольцевых образцов, вырезанных из опытного коллектора, чем обеспечивалась идентичность структурных и технологических параметров материала натуры и образца.
Схема нагружения образцов и необходимая для этого оснастка представлены на рис. 10 и 11.
Рис. 10. Схема нагружения кольцевых образцов:
1, 2 -технологические полукольца; Рис-11- Оснастка для проведения испытании
3 - образец
Испытания подтвердили десятикратный запас прочности стенок коллектора. Естественно, этот запас будет ниже в местах проявления краевого эффекта. Все эти места были промоделированы и обсчитаны методом конечных элементов с помощью прикладного пакета ANSYS 5.3. Полученный минимальный запас прочности 4,5 достаточен для конструкции подобного рода.
Изготовленный из КМ коллектор оказался в 5 раз легче свинцового. Применение КМ позволило снизить трудоемкость изготовления, повысить надежность системы и увеличить срок ее эксплуатации в 3 раза (расчетный срок эксплуатации конструкции составляет 15 лет).
Литература
1. Руководство по продукции NORPOL DION. Виншэфирные и бесфенольные смолы. - Изд. фирма Reichhold, 1999. -27 с.
2. Тарнополъский Ю.М., Кинукс Т.Я. Методы статистических испытаний армированных пластиков. - 3-е изд. - М.: Химия, 1981. - 272 с.
