Участок разделения расплавов хлоридов – комплекс конструкций и оборудования, предназначенных для осуществления процедуры разделения смеси хлоридов.

Материал, из которого изготовлены элементы участка разделения хлоридов – трубопроводы, колонны и т.д. – должен обладать необходимым набором механических и физических свойств, позволяющим конструкциям выдерживать нагрузки как при монтаже и пусковых тестах, так и при длительной эксплуатации. Именно поэтому подбор основного материала, в котором будут выполнены конструкции, является важным начальным шагом к долгому и успешному функционированию всей производственной системы. Последующим, но от того не менее важным, шагом является поверочный расчёт конструкций, который позволяет сделать обобщённое заключение о прочности исследуемых объектов, рассмотрев все возможные режимы нагружения и учтя особенности работы каждого из них. Набор расчётов, которые необходимо провести, определяется для каждой конструкции индивидуально, исходя из особенностей её работы, однако можно выделить основные из них:

• расчёт на статическую прочность;
• расчёт на циклическую прочность;
• расчёт на трещиностойкость;
• расчёт на вибропрочность;
• расчёт на прогрессирующее формоизменение.

После проведения поверочного расчёта становится возможным сделать заключение о прочности конструкций.

Нормативной базой для проведения расчётов выбран ПНАЭ Г-7-002-86.

Рисунок 1 – Участок разделения расплавов хлоридов (Изображение сгенерировано нейросетью)

Используемый хромоникелевый сплав и его свойства

Подходящим материалом может стать один из линейки хромоникелевых сплавов. Данные материалы обладают подходящими физико-механическими свойствами, а также, что особенно важно в случае контакта с агрессивной средой, являются корозионностойкими.

Рисунок 2 – Хромоникелевый сплав (Изображение сгенерировано нейросетью)

Обзор исследуемых объектов

Объектами дальнейшего исследования являются трубопроводы участка разделения хлоридов.

Трубопроводы предназначены для передачи расплавов между установками участка разделения хлоридов и представляют собой набор регулярных участков труб, компенсаторов, фланцевых соединений, а также встраиваемых в общую трассу трубопровода элементов, таких как шаровые краны и тройники. Трубопроводы по всей длине покрыты электрообогревом для обеспечения необходимого температурного режима работы и снабжены наборами опор и противовесов для компенсации весовых нагрузок.

Результаты расчётов

Широкий спектр расчётов исследуемых объектов позволил комплексно оценить их прочность.

В рамках исследования сделаны расчёты на статическую прочность. Главной расчётной величиной в данном типе расчётов являются приведённые напряжения, рассчитанные согласно третьей теории прочности. Максимальные расчётные значений напряжений в различных зонах конструкций сравниваются с допускаемыми значениями, на основании чего делается вывод о статической прочности конструкций.

Рисунок 3 – Результаты расчёта

Для оценки долговечности конструкций проведены расчёты на циклическую прочность с использованием заложенных для сроков эксплуатации программ нагружения. Главной расчётной величиной в данном типе расчётов является значение накопленной повреждённости, показывающее расход ресурса конструкции. Для безопасной эксплуатации конструкций значение данной величины, полученное в результате расчётов, должно быть меньше единицы.

В рамках оценки трещиностойкости конструкций проведены расчёты на определение максимальных допустимых коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Расчёты проведены путём программного внедрения в наиболее нагруженные участки конструкций эллиптической трещины и дальнейшего исследования распределений значений КИН по фронту трещин. Исследование проведено для различных длин внедряемых трещин. Целью проведения расчёта является получение критических значений КИН в зависимости от длины потенциальной трещины – на основании полученных данных сделаны выводы относительно допустимых для эксплуатации конструкций параметров трещин.

Рисунок 4 – Расчёт трещиностойкости

Для исследования вибропрочности трубопроводов проведено CFD (Computational Fluid Dynamics) моделирование течения расплава хлоридов с заданными параметрами расхода жидкости. Целью проведения такого расчёта является исследование частотных характеристик пульсаций давления жидкости, текущей в трубопроводах.

Проведение CFD моделирования течения расплавов хлоридов

Для моделирования течения расплавов хлоридов в исследуемых трубопроводах использован вычислительный пакет ANSYS Fluent.

Для исследования частотных характеристик пульсаций давления жидкости использован следующий алгоритм:

• проведение гидродинамического CFD расчёта течения жидкости внутри трубопровода;
• анализ поля полного давления;
• анализ относительной величины пульсационной составляющей скорости течения жидкости с помощью исследования величины интенсивности турбулентности.
• локализация мест (точек) для анализа в них истории изменения давления за расчётное время задачи гидродинамики;
• проведение быстрого преобразования Фурье историй изменения давления в локализованных точках с целью расчёта в них частот пульсации давления;
• анализ полученных результатов и заключение о присутствии, характере и величине пульсаций давления, вызванных течением жидкости по трубопроводу.

Рисунок 5 – Результат CFD моделирования

Рисунок 6 – Частотные характеристики давления пульсации

Данный подход позволил исследовать частотные характеристики пульсаций давления жидкости и сделать заключение о безопасности для вибропрочности конструкций возникающих пульсаций.

Заключение

Комплекс проведённых расчётов позволил исследовать прочностные свойства трубопроводов и дать заключение о возможности применения новейшего хромоникелевого сплава при изготовлении новых экземпляров конструкций участка разделения хлоридов.

В результате анализа напряжённо-деформированного состояния исследуемых объектов выданы рекомендации по доработке конструкций с целью уменьшения напряжений в наиболее нагруженных зонах.

В результате проведения расчётов на определение максимально допустимых КИН исследованы критические параметры трещин в исследуемых объектах.

Проведённое CFD моделирование течения расплавов хлоридов в трубопроводах позволило сделать комплексную оценку вибропрочности исследуемых объектов.

Рассмотренный при расчётах хромоникелевый сплав рекомендуем к использованию в конструкциях участка разделения хлоридов при выполнении рекомендаций по их доработке.