ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Напряжения и прочность корпусных элементов тепловых энергоустановок прп малоцикловом нагружении из "Прочность конструкций при малоцикловом нагружении " Одной из основных причин преждевременного разрушения корпусных деталей паровых турбин, работаюш их в нестационарных тепловых условиях, является мапоцикповая термическая усталость. По приближенной оценке [1], ресурс длительной циклической прочности металла корпусов паровых турбин может быть исчерпан после сравнительно небольшого количества теплосмен (500 — 1000). [c.48] Цикличность температурных напряжений в корпусных деталях паровых турбин в значительной мере зависит от колебаний электрической нагрузки энергосистем. Известно, что неравномерность суточного и недельного графиков электропотребления растет постоянно (рис. 3.1). [c.48] Для покрытия переменной части графика электрической нагрузки все больше привлекаются энергоблоки мош ностью 160, 200 и 300 МВт [2] и в перспективе блоки мощностью 800 МВт. Существуют разные способы покрытия переменной части графика нагрузок. Чаще других для этой цели используют разгрузку энергоблоков или останов их в резерв на время резкого снижения нагрузки. При разгрузке энергоблоков вплоть до технического мини.мума (30—70% от номинальной мощности) параметры острого пара остаются практически неизменными. Образующиеся при нестационарных режимах эксплуатации температурные неравномерности приводят к возникновению температурных напряжений. Величина реализуемого размаха напряжений в корпусах цилиндров высокого давления (ЦВД) в цикле разгрузка — восстановление относительно невелика, однако число таких циклов за год может быть весьма незначительным. [c.48] В случае останова турбины с проведением принудительного расхолаживания корпусов цикл изменения напряжений будет близким к симметричному, например для корпуса ЦВД турбины К-200-130. При обычном останове напряжения в корпусных деталях, как правило, значительно ниже по абсолютной величине, чем при пуске, и цикл будет асимметричным. [c.50] При расчетах на прочность при малоцикловом нагружении обычно ограничивались рассмотрением НДС, возникающим при режимах пуск — останов турбины. Однако, как показали исследования [4], существенный вклад в повреждаемость могут вносить нагрузки, возникающие при других, быстропротекающих режимах эксплуатации, в частности при толчке роторов, сбросах нагрузки и др. При проведении таких режимов на внутренних поверхностях ряда корпусов реализуется тепловой удар и изменение температур и деформаций на внутренней поверхности носит импульсный характер (рис. 3.3). [c.50] При толчке роторов в результате резкого захолаживания части внутренней поверхности корпуса ЦВД в тонком слое стенки возникают растягивающие напряжения, причем величина механической деформации при фактически полном стеснении свободного теплового расширения практически равна величине температурной деформации. Этот режим можно рассматривать как случай жесткого нагружения при пульсирующем цикле деформаций. [c.50] Резкое изменение температуры внутренней поверхности корпуса ЦВД может возникать и при других, быстропротекающих режимах, например при сбросах электрической нагрузки. [c.51] При толчках роторов изменение температуры внутренней поверхности корпуса ЦВД может носить циклический характер (рис. 3.4). Подобные циклические изменения температур были также обнаружены при исследованиях [5] в стенке барабана котла (рис. 3.4). Следует отметить, что амплитуда таких колебаний температур меньше пусковых изменений температур, но частота их значительно выше и протекают они на фоне этих пусковых изменений температур, создавая двухчастотный спектр тепловых нагрузок. [c.51] Характерным типом повреждений корпусных элементов паровых турбин является коробление корпусов ЦВД и ЦСД, вызывающее утечку пара — пропаривание через внутренний уплотняющий поясок и фланцы горизонтального разъема при эксплуатации. Как показали исследования [2], одним из основных факторов, влияющих на коробление корпусов, являются высокие пусковые температурные напряжения, вызывающие пластические деформации фланцев горизонтального разъема. В результате поверхность такого разъема имеет, как правило, волнообразную форму с наибольшим зазором, достигающим 2 мм. Особенно опасен такой тип повреждений для турбин АЭС, работающих при относительно низких температурах. Протечки влажного пара через неплотности разъема могут вызвать так называемую тепловую эрозию, которая в ряде случаев развивается со скоростью 2—5 мм за 10 ч [2]. [c.52] При эксплуатационных проверках корпусов турбин трещины обнаруживались на внутренних поверхностях корпусных деталей. Чаще всего они возникают в зоне отверстий на радиусных переходах, в подфланцевых зонах, в поднрибыльных местах, кольцевых выточках под обойму, т. е. в тех местах, где в той или иной мере имеет место концентрация напряжений. Однако трещины отмечались и на гладких поверхностях, что, вероятно, связано с начальными технологическими дефектами. На рис. 3.7 [6] показаны зоны расположения трещин в паровой коробке ЦСД (а) и ЦВД (б). [c.52] В настоящее время на электростанциях применяют следующие методы восстановительных работ зашлифовка трещин без заварки, выборка и заварка трещин, засверловка концов трещин и замена поврежденных деталей. [c.54] Основным методом устранения трещин на тепловых электростанциях является выборка с последующей заваркой. Существуют различные способы реализации такого метода при ремонтных работах с применением как перлитных электродов, так и высоконикелевых электродов, с предварительным местным подогревом газовыми горелками и без этого. В ряде случаев, как показано в [6], эффективным оказывается комбинированный метод заварки выбранных мест. Сущность этого метода заключается в том, что сначала на поверхность выборки наносят облицовочный слой углеродистыми электродами, а остальную часть разделки заполняют легированными электродами. Заварка производится с предварительным нагревом до 300—350° С без последующей термообработки. Такой способ способствует повышению пластичности металла на границе перехода от шва к основному металлу. [c.54] Усталостные повреждения корпусных деталей, будучи незначительными, могут развиваться до сквозных трещин, создавая опасность разрушения. В связи с этим неразрушающие методы контроля металлов на тепловых электростанциях приобрели весьма важное значение. Существующие методы неразрушающего контроля можно классифицировать следующим образом тепловые методы с помощью инфракрасной аппаратуры, магнитные и электромагнитные методы, акустические методы (ультразвуковая дефектоскопия и метод акустической эмиссии), радиационные методы (радиография, ксерорадиография), метод проникающих жидкостей, метод травления химическими реактивами, гидравлические испытания и испытания сжатым газом. [c.54] Применяемые в теплоэнергетике корпусные конструкции представляют собой, как правило, сложные пространственные оболочечные конструкции со стенками переменной толщины, с участками сопряжений оболочек разной формы, мощными фланцами горизонтального и вертикального разъема, патрубками, приливами и другими геометрическими особенностями (см. рис. 3.7). Основными факторами, определяющими напряженно-деформированное состояние в процессе эксплуатации таких корпусов, являются переменные температуры и внутреннее давление, воздействующие на фоне весьма высоких температур (до 540° С). [c.55] Более точную оценку температурных напряжений в стенке корпуса ЦВД дает расчетная модель, учитывающая податливость стенки не только из-за деформаций в срединной поверхности, но и из-за изгиба [8]. Весьма существенными оказываются напряжения, возникающие в стенке корпуса ЦВД в результате изгиба фланца в горизонтальной плоскости, обусловленного градиентом температур по ширине фланца. Для расчетной оценки таких напряжений корпус моделируется системой сопряженных между собой ребристых оболочек разного типа [9]. [c.56] Для оценки влияния фланцев (и крышек) на напряженно-де-формируемое состояние корпусов стопорных и регулирующих клапанов обычно применяют расчетную схему, в которой влияние разности температур фланца и стенки, а также жесткости крышки учитывается моментом и поперечной силой, определяемыми из условий совместности деформаций. Нижний торец корпусов стопорных клапанов при этом предполагается свободным, а регулирующих клапанов — защемленным в месте соединения пароотводящего патрубка с корпусом турбины. [c.56] Точность оболочечных моделей для расчета напряженно-деформированного состояния с учетом влияния фланцев применительно к корпусам паровых турбин в настоящее время остается недостаточной (в частности, из-за невозможности учета таких факторов, как патрубки, приливы, отверстия, расточки, отклонения фактических размеров от проектных и т. д.). Кроме того, не удается учесть также местные особенности температурных полей и нагрузок в стенке корпусов. [c.56] Вместе с тем имеются возможности для дальнейшего развития оболочечных расчетных схем. Целесообразно также использование других методов расчета с привлечением, в частности, разностных и вариационно-разностных методов, например метода конечных элементов в трехмерной постановке. [c.56] Оценка несущей способности корпусов, являющихся одним из наиболее ответственных узлов паровых турбин, и разработка рекомендаций по повышению их надежности требуют знания действительных величин напряжений и температур, возникающих в условиях эксплуатации. Ниже приводятся результаты натурных тензометрических исследований типичных для теплоэнергетики корпусных деталей — корпусов ЦВД, стопорных и регулирующих клапанов, а также барабанов котлов, для которых характерны циклические изменения напряжений в процессе эксплуатации. [c.56] Вернуться к основной статье