Fatigue analysis of rotary kiln
Oja, Mikko (2021)
Diplomityö
Oja, Mikko
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021110854294
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021110854294
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä selvitetään toiminnalliset olosuhteet ja hitsatut liitosgeometriatyypit, jotka vaikuttavat merkittävimmin meesauunin vaipan väsymiskestävyyteen tai ovat erityisen vaarallisia aiheuttamaan vaipan väsymisäröilyä. Meesauunin mitoitus on tähän mennessä tehty käyttämällä hyväksi havaittuja raja-arvoja, mutta tämän työn tulosten pohjalta on tarkoitus integroida nykyisiin suunnittelu- ja mitoitusmenetelmiin myös väsymismitoitus.
Tutkimusongelmaa lähdettiin ratkomaan FE-analyysin avulla, millä tutkittiin vaipan nimellisiä jännitystiloja erilaisissa toiminallisissa olosuhteissa kuten dynaamisten kuormien vaikutuksessa ja eri tukirenkaan ja vaipan välys-etäisyyksillä. Nimellisen jännityksen menetelmän avulla pystyttiin arvioimaan vaipan hitsattujen varustelu- ja voimaliitosten väsymiskestävyyttä meridiaani ja tangentin suuntaisessa jännitystilassa. Tämän lisäksi vaipan erilaisten varusteluliitoksien lovijännitystiloja tutkittiin tehollisen lovijännityksen menetelmällä. Tangentiaalisen jännitystilan huomattiin olevan kriittisempi aiheuttamaan vaipan säröilyä nimellisen- ja lovijännitysmenetelmän mukaan. Välysvaikutusanalyysin ja tulosten regressioanalyysin perusteella tangentiaalinen jännitystila ja vaipan ovalisoituminen on voimakkaasti riippuvainen välyksen arvosta ja tällöin välyksellä on myös huomattava vaikutus vaipan epäjatkuvuuskohtien väsymiskestävyyteen. Muodostetun matemaattisen laskentamallin ja nimellisen jännityksen menetelmän mukaan hitsatun varusteluliitoksen väsymiskestävyys laskee noin 61 %, kun välys kaksinkertaistuu 4 mm:stä 8 mm:n. Väsymisanalyysin tuloksen perusteella väsymiskestävyys laskee jopa 70 – 90 %, kun hitsatun varusteluliitoksen pituus tai jäykkyys kasvavat. Dynaamisten kuormien ei havaittu aiheuttavan niin merkittävää vaikutusta. Väsymisanalyysin tulos kestävyyden suhteen on liian alhainen verrattuna usean vuosikymmenen havaintoihin, mikä haastaa laskennan luotettavuutta tangentiaalisen jännitystilan ja käytettyjen menetelmien suhteen. Tulevaisuudessa tangentiaalista jännitystilaa tulisi tutkia lisää vertailevilla menetelmillä, joiden avulla voidaan poissulkea tuloksiin liittyvät epävarmuudet. In this thesis is investigated operational conditions and welded joint types which affect most significantly rotary lime kiln shell fatigue life or are especially critical to cause shell fatigue cracking. Nowadays kiln shell design and dimensioning is done by using limit values found to be effective and reliable. From the result of this thesis, it is purpose to integrate for existing methods also fatigue perspective.
Research problem was approached by FE-analysis, which was used to investigate nominal stress levels in different operating conditions, where dynamic forces are involved and clearance distances variates between riding ring and shell. With nominal stress method, shell load- and non-load carrying joints fatigue life was estimated in meridional and tangential stress state. In addition to that non-load carrying attachment fatigue life was investigated by effective notch stress method. Nominal tangential stress direction was noticed to be more critical to cause fatigue cracking according to nominal- and effective notch stress methods. Based to clearance effect analysis and regression analysis, tangential stress and ovality is strongly depended on clearance, whereby the effect on shell discontinuities fatigue life is also significant. Formed mathematical model for tangential stress and nominal stress methods shows that fatigue life of non-load carrying attachment decreases 61 % when clearance doubles from 4 mm to 8 mm. According to both fatigue analysis method results, fatigue life decreases 70 – 90 % when welded length of joint or stiffness is increased. Dynamic loads were not found to have such a significant effect. The fatigue analysis overall result of discontinues fatigue life is too low compared to observations of several decade, which challenges the reliability of the calculation with respect to the tangential stress state and the fatigue analysis methods used. In the future, the tangential stress state should be further investigated by comparative methods to rule out uncertainties related to the results.
Tutkimusongelmaa lähdettiin ratkomaan FE-analyysin avulla, millä tutkittiin vaipan nimellisiä jännitystiloja erilaisissa toiminallisissa olosuhteissa kuten dynaamisten kuormien vaikutuksessa ja eri tukirenkaan ja vaipan välys-etäisyyksillä. Nimellisen jännityksen menetelmän avulla pystyttiin arvioimaan vaipan hitsattujen varustelu- ja voimaliitosten väsymiskestävyyttä meridiaani ja tangentin suuntaisessa jännitystilassa. Tämän lisäksi vaipan erilaisten varusteluliitoksien lovijännitystiloja tutkittiin tehollisen lovijännityksen menetelmällä. Tangentiaalisen jännitystilan huomattiin olevan kriittisempi aiheuttamaan vaipan säröilyä nimellisen- ja lovijännitysmenetelmän mukaan. Välysvaikutusanalyysin ja tulosten regressioanalyysin perusteella tangentiaalinen jännitystila ja vaipan ovalisoituminen on voimakkaasti riippuvainen välyksen arvosta ja tällöin välyksellä on myös huomattava vaikutus vaipan epäjatkuvuuskohtien väsymiskestävyyteen. Muodostetun matemaattisen laskentamallin ja nimellisen jännityksen menetelmän mukaan hitsatun varusteluliitoksen väsymiskestävyys laskee noin 61 %, kun välys kaksinkertaistuu 4 mm:stä 8 mm:n. Väsymisanalyysin tuloksen perusteella väsymiskestävyys laskee jopa 70 – 90 %, kun hitsatun varusteluliitoksen pituus tai jäykkyys kasvavat. Dynaamisten kuormien ei havaittu aiheuttavan niin merkittävää vaikutusta. Väsymisanalyysin tulos kestävyyden suhteen on liian alhainen verrattuna usean vuosikymmenen havaintoihin, mikä haastaa laskennan luotettavuutta tangentiaalisen jännitystilan ja käytettyjen menetelmien suhteen. Tulevaisuudessa tangentiaalista jännitystilaa tulisi tutkia lisää vertailevilla menetelmillä, joiden avulla voidaan poissulkea tuloksiin liittyvät epävarmuudet.
Research problem was approached by FE-analysis, which was used to investigate nominal stress levels in different operating conditions, where dynamic forces are involved and clearance distances variates between riding ring and shell. With nominal stress method, shell load- and non-load carrying joints fatigue life was estimated in meridional and tangential stress state. In addition to that non-load carrying attachment fatigue life was investigated by effective notch stress method. Nominal tangential stress direction was noticed to be more critical to cause fatigue cracking according to nominal- and effective notch stress methods. Based to clearance effect analysis and regression analysis, tangential stress and ovality is strongly depended on clearance, whereby the effect on shell discontinuities fatigue life is also significant. Formed mathematical model for tangential stress and nominal stress methods shows that fatigue life of non-load carrying attachment decreases 61 % when clearance doubles from 4 mm to 8 mm. According to both fatigue analysis method results, fatigue life decreases 70 – 90 % when welded length of joint or stiffness is increased. Dynamic loads were not found to have such a significant effect. The fatigue analysis overall result of discontinues fatigue life is too low compared to observations of several decade, which challenges the reliability of the calculation with respect to the tangential stress state and the fatigue analysis methods used. In the future, the tangential stress state should be further investigated by comparative methods to rule out uncertainties related to the results.