Skip Navigation Links

Pomiar sprężystej owalizacji płaszcza

WPROWADZENIE

Jednym z podstawowych elementów typowego walczaka obrotowego jest jego płaszcz. Posiada on formę cienkościennej rury stalowej. Powłoka (blacha) tejże rury narażona jest na odkształcenia sprężyste, które generowane są niezależnie od występujących odkształceń trwałych i mogą przybierać postacie:
  • wygięcia osi walczaka (rury),
  • skręcenia płaszcza (rury),
  • promieniowych deformacji poszczególnych przekrojów płaszcza (rury).
Szczególnie niebezpieczną formą tych odkształceń jest ostatnia z wyżej wymienionych. Ma ona bowiem charakter ewidentnie cykliczny a okres cyklu pokrywa się z czasem trwania pojedynczego obrotu obiektu. Owa cykliczność jest niekorzystna zarówno z punktu widzenia trwałości zmęczeniowej materiału płaszcza (stali), jak również z punktu widzenia trwałości wykładziny wewnętrznej walczaka (wymurówki, wylewki), przy czym problem wykładziny dotyczy przede wszystkim obiektów typu piece obrotowe.
Na promieniowe odkształcenia przekroju najbardziej narażone są fragmenty płaszcza w miejscach jego podparcia. Tam bowiem na skutek ciężaru własnego blachy płaszcza oraz obciążeń zewnętrznych, pochodzących od np. masy wewnątrz zainstalowanej wykładziny, przekrój rury walczaka ulega sprężystym deformacjom próbując dopasować się do kształtu osadzonego z luzem na płaszczu usztywniającego pierścienia biegowego /1/.
Oznacza to, że podczas obrotu obiektu, dowolny punkt związany z powierzchnią płaszcza wędruje nie po idealnym okręgu, ale po zniekształconym zarysie, którego promień krzywizny przybiera odmienną wartość dla każdej kolejnej obwodowej pozycji tego punktu. Względne zmiany tego promienia można zobrazować w funkcji kąta obrotu obiektu /2/. Fakt występowania zmian wartości promienia oznacza, że blacha płaszcza ulega cyklicznemu zginaniu, a ze wzrostem amplitudy tych zmian rośnie ryzyko pojawienia się zmęczeniowych pęknięć stalowej powłoki walczaka.
Cykliczne zmiany promienia blachy płaszcza mają również wpływ na trwałość wewnętrznej wykładziny obiektu. Wpływ ten najlepiej zobrazować na przykładzie wymurówki w formie klinowych kształtek. W sytuacji gdy powłoka walczaka ulega deformacji na wymurówkę naprzemiennie działają siły rozciągające i ściskające /3/.
Owe zmienne siły mogą w konsekwencji doprowadzać do wypadania kształtek lub ich częściowego wykruszania się. Przykładowe mechanizmy degradacji wymurówki zaprezentowano na rysunku /3/. Schemat /3a/ przedstawia stan idealny, tj. gdy płaszcz nie jest zdeformowany, a kształtki prawidłowo przylegają do siebie. Rozkład sił na ich styku jest wówczas równomierny. Na rysunku /3b/ zaprezentowano sytuację, w której dochodzi do nadmiernego wzrostu promienia krzywizny, naciski na powierzchniach kształtek maleją, a nawet dochodzi do zwiększenia szczelin pomiędzy nimi. Przy odpowiednio dużej wartości promienia płaszcza, kształtki mogą się wysunąć /3c/ lub nawet całkowicie wypaść. Wypadnięcie kształtki inicjuje poluzowanie się sąsiednich, a więc w konsekwencji może spowodować bardziej rozległe ubytki w wymurówce, narażając tym samym stalowy płaszcz walczaka na działanie wysokiej temperatury. Jeżeli poluzowana kształtka nie zdąży wypaść i pozostanie na swoim miejscu /3c/, to w momencie zmiany obwodowej pozycji obiektu i na skutek zmniejszenia się promienia krzywizny zostanie ona poddana ściskaniu w stanie wysuniętym. Sytuacja taka może doprowadzić do pęknięcia wysuniętej kształtki w przekroju ściskanym przez krawędzie kształtek sąsiednich i wypadnięcia jej znacznej części. Część pozostała zajmuje swoją pierwotną pozycję, ale wykładzina w tym miejscu jest już znacznie cieńsza /3d/. W przypadku mniejszych zmian promieni i/lub większego spasowania kształtek (mniejszego luzu wstępnego przy ich montażu), wysuwanie kształtek jest ograniczone, nie mniej jednak również można zaobserwować ich wykruszanie się. W tym przypadku jest ono spowodowane mikroubytkami w miejscach lokalnych spiętrzeń nacisków - na ich krawędziach /3e/.

Reasumując, zjawisko cyklicznej zmiany promienia krzywizny w przekroju płaszcza wpływa niekorzystnie zarówno na żywotność blachy, jak i na trwałość wewnętrznego wyłożenia walczaka. Odkształcenia te, chociażby ze względu na bardzo często występujące, konstrukcyjnie wymuszone, luźne pasowanie pomiędzy zewnętrzną średnicą płaszcza a wewnętrzną pierścienia, są niestety nieuniknione. Okresowy monitoring i utrzymanie ich na możliwie najniższym poziomie jest więc jedynym sposobem na wydłużenie czasu bezawaryjnej eksploatacji walczaka w tym obszarze.

METODA OCENY

Najbardziej popularnym estymatorem służącym do oceny poziomu sprężystych odkształceń przekroju płaszcza jest parametr zwanym stopniem sprężystej owalizacji płaszcza ω0. Okazuje się bowiem, że w wystarczającym przybliżeniu zdeformowany poprzeczny przekrój płaszcza można aproksymować elipsą tj. szczególnym przypadkiem owalu. Stopień spłaszczenia elipsy (jej owalizacji) określa się wówczas wzorem:
, gdzie:
a - długość dłuższej półosi elipsy;
b - długość krótszej półosi elipsy;
r - średni promień elipsy /4/.

W praktyce do zaprezentowanego wzoru za a i b podstawia się odpowiednio największy i najmniejszy promień krzywizny, stwierdzony w danym przekroju, tj. rmax i rmin /1/. Wówczas podana zależność przyjmuje postać:
, gdzie:
d - nominalna średnica płaszcza w analizowanym przekroju.

Wartością poszukiwaną jest więc maksymalna różnica promieni, czyli maksymalny zakres zmian promienia przekroju płaszcza.
Okazuje się, że na ruchu obiektu najprościej jest określić nie bezwzględne wartości poszukiwanych promieni, ale właśnie względną ich zmianę. Można to przeprowadzić metodą pośrednią poprzez pomiar zmiany odległości pomiędzy obrysem przekroju a cięciwą o stałej długości L - łączącą wybrane dwa punkty A i B - zlokalizowane na obwodzie badanego przekroju /5/.
Wówczas to, w przypadku wzorcowej elipsy minimalne i maksymalne wartości mierzonej odległości przypadają odpowiednio dla pionowego i poziomego położenia cięciwy. Schemat takiego sposobu pomiaru zaprezentowano na szkicu /5/. Przy tak obranej metodzie pomiaru stopień sprężystej owalizacji płaszcza określa się z uproszczonej zależności:
Zależność ta stanowi przybliżoną tożsamość w stosunku do wcześniej podanego wzoru - bazującego na maksymalnym i minimalnym promieniu.

SHELLTESTER, zasada działania

Urzeczywistnieniem opisanej metody jest urządzenie, popularnie zwane Shelltester'em. Składa się ono z jednometrowej długości belki, zakończonej magnetycznymi nogami, umożliwiającymi montaż na płaszczu walczaka oraz elektronicznego czujnika, zlokalizowanego po środku długości belki, mierzącego względną zmianę strzałki krzywizny płaszcza, w trakcie obrotu obiektu /6/.
Urządzenie takowe, zaprojektowane, wykonane i wdrożone do użytkowania przez inżynierów ZMP, umożliwia automatyczne zbieranie danych oraz ich gromadzenie w pamięci urządzenia przy jednoczesnej transmisji wyników drogą radiową do komputera, gdzie podlegają one stosownej analizie /7/, /8/.

RUTYNOWY PROGRAM BADAŃ

Rutynowy program badań obejmuje pomiary na wszystkich podporach walczaka - przeprowadzane w każdym przypadku w dwóch przekrojach płaszcza - wlotowym i wylotowym - tuż przed i tuż za pierścieniem biegowym. W każdym przekroju pozyskiwane są dane z trzech miejsc na obwodzie (A, B i C) - równomiernie rozmieszczonych co 120o.
Od powyższego programu standardowego mogą zaistnieć odstępstwa, uwarunkowane ograniczeniami w montażu przyrządu w danym miejscu płaszcza i/lub świadomymi decyzjami odbiorcy usługi - skonsultowanymi ze specjalistą wykonującym pomiary. W trakcie pomiarów standardowo określane są także:
  • temperatura płaszcza i pierścienia biegowego,
  • obwodowa migracja pierścienia względem podporowego segmentu płaszcza,
  • luz podpierścieniowy.

Dane te są zawsze mocno skorelowane z wynikami sprężystej owalizacji płaszcza i stanowią niezbędne dopełnienie analizy odkształceń powłoki walczaka.

MOŻLIWOŚCI DIAGNOSTYCZNE

Podstawowym parametrem uzyskiwanym w trakcie pomiaru Shelltester'em jest stopień sprężystej owalizacji przekroju płaszcza. Przyrównanie zmierzonej wartości tego parametru do poziomu dopuszczalnego, jak również wzajemne porównanie wyników z poszczególnych podpór walczaka, dają podstawowy pogląd na temat ryzyka występowania pęknięć zmęczeniowych powłoki walczaka i/lub na temat przewidywanej trwałości wewnętrznego wyłożenia, jeżeli takowe obiekt posiada.
Określenie dopuszczalnego poziomu, szczególnie w kontekście trwałości zmęczeniowej stalowej blachy płaszcza, nie jest jednak rzeczą prostą. Trudno jest bowiem bez przeprowadzenia szczegółowych obliczeń wytrzymałościowych określić jaki poziom naprężeń generowany jest w płaszczu z tytułu zginania osi geometrycznej płaszcza (zginania rury), a jaki z tytułu skręcania. Trudno jest więc tym samym określić na jaką wartość dodatkowych, pozostałych naprężeń można sobie pozwolić z powodu zniekształcenia samego profilu przekroju - jego owalizacji. Nie mniej jednak, czyniąc pewne założenia, pokusić się można o sformułowanie ogólnych standardów, dzięki którym takowe wartości dopuszczalne można oszacować.
Jeżeli przyjmiemy w uproszczeniu, że dopuszczalna wartość naprężeń cyklicznie zmiennych (naprzemiennie tętniących) dla typowych materiałów stalowych stosowanych do produkcji płaszcza wynosi 40MPa, oraz, że 50% ogółu naprężeń pochodzi od zginania osi rury, a 50% od zniekształcenia jej przekroju poprzecznego, a naprężenia od skręcania są pomijalnie małe, to można uznać, że sprężysta owalizacja nie powinna być większa od wartości, dla których naprężenia osiągają z tego tytułu 20MPa.
Dla takiego warunku, można wyznaczyć zakres wartości dopuszczalnej owalizacji w funkcji wewnętrznej średnicy płaszcza /9/, przy czym górne ograniczenie dla tak powstałego kanału wartości dopuszczalnych odpowiada minimalnym typowym grubościom podporowych sekcji płaszcza, a dolne - maksymalnym. Typowe grubości płaszcza dla danych średnic podano w nawiasach /9/.
Z przedstawionego wykresu /9/ wynika, że np. dla średnicy 5000mm owalizacja winna być nie większa niż 0,35% - w przypadku blachy płaszcza o grubości 80mm i ok. 0,80% - w przypadku blachy płaszcza o grubości 36mm.

W odniesieniu do wewnętrznej wykładziny płaszcza o poziom wartości dopuszczalnych odkształceń przekroju należy wypytywać jej dostawcę (gwaranta i/lub producenta). Bardzo zgrubnie można przyjąć, że stopień owalizacji (wyrażony w procentach) nie powinien przekraczać jednej dziesiątej części średnicy płaszcza (wyrażonej w metrach). Przykładowo dla średnicy 3600mm, przybliżoną, dopuszczalną wartość stopnia sprężystej owalizacji przekroju płaszcza można przyjąć na poziomie 0,36% (jako wynik kalkulacji: 0,1 x 3,6m).

ANALIZA WYKRESÓW

Dodatkowe, użyteczne informacje można uzyskać na podstawie oceny kształtu wykresów stanowiących zobrazowanie zmiany promienia krzywizny przekroju w funkcji kąta obrotu walczaka. Wykresy dają bowiem pogląd na ewentualną przyczynę podwyższonej wartości owalizacji.

W przypadku rutynowego programu badań pomiary na pojedynczej podporze realizowane są dla 6 miejsc instalacji Shelltester'a (2 przekroje x 3 pozycje A, B i C). Z każdego z tych miejsc uzyskujemy indywidualną krzywą. Zarówno każda z tych krzywych z osobna, jak i ich wzajemne porównanie, stanowią niezwykle cenne dodatkowe źródło informacji diagnostycznej.

W przypadku gdyby odkształcenia płaszcza nie występowały, krzywa - uzyskiwana w kartezjańskim układzie współrzędnych - miałaby charakter linii prostej (co oznacza brak zmian wskazań czujnika). Sytuacja takowa jednak nigdy nie ma miejsca, albowiem odkształcenia występują zawsze i nawet gdy płaszcz jest ciasno osadzony w pierścieniu biegowym, to urządzenie odwzorowuje wówczas odkształcenia odpowiadające zmianie jego promienia. Oczywiście są one niewielkie, ale w większości przypadków walczaków wyraźnie dostrzegalne i odwzorowujące charakterystyczne punkty na obwodzie obiektu. Punkty te, odpowiadające ekstremom wartości promienia krzywizny płaszcza (w tym przypadku również i pierścienia), wskazano na rysunku /10a/.
Z krzywej tam zaprezentowanej wyraźnie widać, że płaszcz (pierścień) ulega prostowaniu (zwiększa się promień krzywizny) w miejscu kontaktu z rolkami oraz w pozycji zenitalnej.
Przyjmijmy, że zachowanie się płaszcza pieca zgodne z krzywą ze szkicu /10a/ można uznać za prawidłowe. Krzywa ta nie zawsze jest jednak ideałem. Klasyczne odstępstwa od przyjętego wzorca zaprezentowano na wykresach od /10b/ do /10h/. Obrazują one zmiany kształtu krzywej w zależności od rodzaju mankamentu, jakim obarczony jest dany obiekt - dana podpora.




Są to przykładowo:
  • nadmierne obciążenie pierścienia i/lub jego niedowymiarowanie /10b/,
  • nadmierny luz podpierścieniowy /10c/,
  • niedociążenie pierścienia i/lub jego przewymiarowanie /10d/,
  • wykorbienie osi geometrycznej płaszcza /10e/,
  • brak liniowości w zakresie osi układu nośnego - w płaszczyźnie poziomej /10f/,
  • pęknięcie płaszcza /10g/,
  • błędne pochylenie rolek (i pierścienia biegowego) w stosunku do lokalnego pochylenia osi obrotu /10h/.
Oczywiście w rzeczywistości mankamenty występują w większych bądź mniejszych ilościach i w mniejszym bądź większym nasileniu, powodując, że faktycznie uzyskiwane krzywe nie zawsze mają tak jednoznaczny charakter.
Mimo ewentualnych trudności, krzywe te dają jednak dodatkową możliwość jakościowej ogólnej oceny stanu technicznego walczaka obrotowego, a w przypadku wzbogacenia analizy o elementy obliczeń wytrzymałościowych można się nawet pokusić o ilościowe oszacowanie wychwyconych tym sposobem mankamentów.

WARUNKI POMIARU

  • prędkość obrotowa obiektu: 0.5 - 3.5 obr/min
    (zalecana 2.5 obr/min),
  • maksymalna temperatura płaszcza: < 350oC,
  • temperatura otoczenia: 0 - 40oC,
  • bezpieczny dostęp do mierzonych przekrojów
    (może wymagać chwilowego zatrzymania obiektu),
  • możliwość montażu jedynie na ferromagnetycznym materiale.

Strefa klienta