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.

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:

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 µ_σ, определяющая долю областей (в процентном отношении) данного элемента кожуха, подверженных пластической деформации, и максимальная интенсивность пластических деформаций ε_imax, 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.

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.

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:

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

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 (µ_σ) и максимальной интенсивности пластических деформаций (ε_imax) для отдельных элементов катодного кожуха, на основании которых детализируется влияние способов закрепления опор на напряженно-деформированное состояние металлоконструкции.

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 µ_σ и ε_imax 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.

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:

Список литературы:

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.