книги / Прочность конструкций при малоцикловом нагружении

Рис. 3.9. Измеиение температуры t и главных напряжений <зх и с2 в корпусе

стопорного клапана турбины К-160-130 после подачи питательной воды в ко­ тел

Рис. 3.10. Типичный график изменения температур t, перепадов температур Ai и максимальных главных напряжений на наружной поверхности стопор­ ных клапанов при пуске турбины

на рис. 3.10. В отличие от корпусов ЦВД, где максимальные на­ пряжения при пуске наблюдаются в начальный период при тем­ пературах 250—350° С (пуск из неостывшего состояния), для кор­ пусов СК характерно образование максимума в конечной стадии пуска при температурах 400—500° G. Это объясняется тем, что одним из определяющих факторов в термонапряженном состоянии корпусов GK является осевой перепад температур, который до­ стигает своей максимальной величины в конце пуска турбины.

На величине напряжений при пуске также сказывается началь­ ное тепловое состояние корпуса СК: чем ниже температура метал-

61

Таблица 3.1

Начальная температура 1, °С

395

335

150

Наибольшие напряжения, МПа
осевые		60	85	160
кольцевые		40	53	115
	Таблица 3.2
Решим	Прогрев	Холостой ход		Набор нагрузки
	трубопроводов
СКВ	55/40		35/40	62/82
РК	120/95		90/75	160/145
СКС	95/65		50/25	175/108

ла корпуса, тем больше величина напряжений, возникающих в корпусе при пуске. В табл. 3.1 приведены данные для СК тур­ бины К-300-240.

В корпусах стопорных клапанов высокого и среднего давления (СКВ и СКС соответственно) и регулирующего клапана (РК) паровых турбин мощностью 800 МВт (К-800-240) значительные напряжения образуются уже на этапе прогрева трубопроводов. Ниже (табл. 3.2) приведены данные по максимальным напряже­ ниям (в числителе — о 15 в знаменателе — а2 в МПа) на наружных поверхностях СКВ, СКС и РК для различных режимов пуска.

Вряде случаев изменение напряжений в корпусах СК и РК,

атакже ЦВД при пуске турбины и других эксплуатационных режимах имеет двухчастотный характер. Показательны в этом

планеданные натурной тензометрии корпуса РК турбины К-800-240, изменение напряжений на наружной поверхности этого корпуса приведено на рис. 3.11.

Барабаны котлов. Эксплуатационные повреждения котлов связаны с различными воздействующими факторами и в значитель­ ной степени с малоцикловыми нагрузками, обусловленными режи­ мами растопка — останов.

Максимальные напряжения в стенках барабанов котлов воз­ никают от давления при гидроопрессовках и работе турбины под номинальной нагрузкой. Для барабана котла ТП-80 уровень но­ минальных напряжений достигает 270 МПа (кольцевые), а местные условные упругие напряжения на кромках отверстий, найденные экспериментально, могут достигать 400 МПа и превышать предел текучести для корпусной стали 16ГНМ, равный 280—460 МПа.

На режимах растопка — останов котла в стенках барабанов возникают температурные напряжения, зависящие от перепадов температур по толщине стенки, по окружности и вдоль оси, а так­ же от местных температурных перепадов в зоне очков водоопуск-

62

Рис. 3.11.	Напряжение	# МПа
в корпусе	регулирующего	’

клапана (К-800-240) при 600 пуске

Рис. 3.12. Схема изменено-	200
ния напряжений в стенке
барабана при растопке кот­	д
ла и выходе на номиналь-
ный режим
	-200
	-Ш

ных труб. Значительные температурные напряжения возникают на ускоренных растопках и аварийных остановах. На конечном этапе растопки и на номинальном режиме значительные темпера­ турные напряжения имеют место только в зоне очков водоопуск­ ных труб. Результаты тензометрических и термометрических исследований барабанов котлов показали, что наиболее нагруже­ на при эксплуатации внутренняя поверхность барабана. Важно отметить, что пульсации температур в зоне очков водоопускных труб (см. рис. 3.4) вызывают на внутренней поверхности барабана циклические растягивающие напряжения. Возникновение их обус­ ловливается периодическим омыванием нагретой внутренней по­ верхности менее нагретой водой. При этом на начальном этапе растопки (р = 1,5 МПа) внутренняя поверхность нагружена

63

в основном циклическими температурными напряжениями, а при выходе котла на номинальный режим эти напряжения суммируют­ ся с напряжениями от давления.

Анализ напряженно-деформированного состояния барабанов котлов показывает, что характер изменения напряжений в зоне очков водоопускных и пароотводящих труб на внутренней поверх­ ности в процессе растопки можно представить в виде, показанном на рис. 3.12 [5] (здесь о2 — размах суммарных напряжений, воз­ никающих на кромке очков; at — температурные напряжения изза разностей температур в стенке барабана; <г0ст — остаточные напряжения после гидроопрессовки при р = 19,4 МПа; ар — напряжения от внутреннего давления, р = 15,5 МПа при номи­ нальном режиме; 1 — в зоне отверстий водоопускных труб; 2 — пароотводящих труб).

Напряжения с размахом о2 = 700—850 МПа повторяются с периодичностью пусков турбины (20 и более раз в год). Следует обратить внимание на двухчастотный характер нагрузки в стенке барабана на режиме растопка — останов, обусловленный пуль­ сацией температур, вызванной процессами неодновременного достижения устойчивой циркуляции из-за разного прогрева труб экранной системы.

При обычных остановах котла пульсаций температурной среды

вбарабане не наблюдается. Невелики также перепады температур

встенках. Остановы, имитирующие аварийные разрывы экранной

трубы или труб пароперегревателя, вызывают значительно боль­ шие температурные неравномерности, в особенности в нижней части барабана. При этом величина номинальных растягивающих напряжений может достигать 250—270 МПа.

Таким образом, анализ напряженно-деформированного состоя­ ния барабанов котлов показывает, что наиболее характерные и распространенные повреждения барабанов котлов (см. § 1) свя­ заны с резким охлаждением нагретой стенки, растягивающими механическими напряжениями ар и накладываемыми на них циклическими температурными напряжениями at.

§3. МЕТОДЫ МОДЕЛЬНЫХ

ИНАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОРПУСОВ

ИКОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА

При создании новых конструкций тепловых энергетических уста­ новок на стадиях проектирования, пуско-наладочных работ и испытаний в процессе эксплуатации широкое применение нашли методы модельных и натурных исследований деформаций, напря­

жений и температур. Изучение	напряжений	и перемещений
в основных зонах конструкции	для решения	задач, связанных

с проектированием и последующими натурными исследованиями, весьма эффективно выполняется на упругих моделях из материала с низким модулем упругости с применением тензометрии и на

моделях из оптически-чувствительных материалов с применением поляризационно-оптического метода.

Метод тензометрических моделей из материала с низким моду­ лем упругости обладает известными достоинствами и примени­ тельно к конструкции паровых турбин позволяет:

—определить общие и местные напряжения в корпусах обо­ рудования при действии внутреннего давления и затяга узлов фланцевого разъема;

—сопоставить по условиям прочности и жесткости варианты конструкций при проектировании и создать оптимальные формы деталей и узлов;

—уточнить исследуемые зоны конструкций и выбрать схему размещения измерительных точек для натурной тензометрии;

— выявить зависимость между деформациями и усилиями в деталях в связи с определением нагрузок на натурной конструк­ ции при эксплуатации.

Исследования на тензометрических моделях в сочетании с ре­ зультатами натурной тензометрии позволяют раздельно оценить температурные напряжения и напряжения от внутреннего давле­ ния, возникающие в конструкции при эксплуатации.

Поляризационно-оптический метод (который также широко применяется при исследованиях корпусов и других узлов паровых турбин) по имеющимся расчетным или измеренным температур­ ным полям для соответствующих эксплуатационных режимов поз­ воляет определить температурные напряжения в любой точке поверхности и по объему детали, включая зоны концентрации на­ пряжений. При исследовании напряжений в сложных конструк­ циях с использованием моделей наибольшая эффективность до­ стигается при комплексном решении задач, т. е. при правильном сочетании возможностей этих двух методов.

Для определения действительных величин напряжений в точ­ ках на внутренних и наружных поверхностях корпусов паровых турбин и котлов в условиях эксплуатации используется метод натурной тензометрии, который в настоящее время получил широ­ кое распространение и развитие во многих отраслях машинострое­ ния. Натурную тензометрию корпусов паровых турбин отличают высокие температуры (до 540° С) и давление (до 24 МПа), воздей­ ствующие на элементы тензоизмерительной и защитной системы, а также нестационарные условия протекания рабочих процессов, которые, создавая особые трудности проведения измерений де­ формаций, вместе с тем представляют наибольший интерес для рценки циклической прочности корпусов при нестационарных режимах эксплуатации.

Рассматриваемый здесь метод натурной тензометрии корпусов паровых турбин [7] основывается на применении разработанных в ИМАШ АН СССР высокотемпературных тензорезисторов с ре­ шеткой из никель-молибденового сплава, обладающего наиболее высокой критической температурой из известных отечественных и зарубежных сплавов с низким температурным коэффициентом

3 Прочность конструкций

65

сопротивления [10]. Привариваемая подложка, к которой с по­ мощью органосиликатного связующего крепится решетка, выпол­ няется из нихрома, имеющего коэффициент линейного расшире­ ния, близкий к коэффициентам линейного расширения перлитных корпусных сталей. Это сводит к минимуму погрешность, возни­ кающую из-за разности коэффициентов линейного расширения детали и подложки тензорезистора.

Метод предполагает применение схемной компенсации темпе­ ратурного приращения сопротивления тензорезистора, учитывая, что рабочие температуры существенно превышают критическую для данного типа сплава. При этом производится тщательный под­ бор в пары тензорезисторов (рабочего — компенсационного) по номинальным сопротивлениям, температурным характеристикам, дрейфу действительного и начального сопротивления. Для оценки и учета погрешности из-за неполной температурной компенсации, обусловленной разностью коэффициентов линейного расширения, используются специальные «тензорезисторы-свидетели», устанав­ ливаемые в необходимом количестве на натурном объекте на сво­ бодно деформирующихся пластинках. Таким образом, в процессе измерений непосредственно получается температурная поправка, которая программным путем аппроксимируется соответствующей зависимостью и автоматически вводится при обработке в резуль­ тат измерений.

Для повышения надежности натурной тензометрии дублируют­ ся основные измерительные точки на натурной конструкции и повторяются режимы нагружения для определения дрейфа на­ чальных сопротивлений тензорезисторов, который учитывается при обработке результатов измерений.

Наибольшие трудности возникают при натурной тензометрии внутренних поверхностей корпусов, особенно при быстроизменяющихся деформациях, связанных с режимами резкого изменения параметров рабочей среды. При этом в зонах установки тензорези­ сторов с защитными устройствами (рис. 3.13) возникают местные напряжения, связанные с экранирующим влиянием системы «тензорезистор — защитное устройство» на стенку корпуса. Неинфор­ мативная составляющая измеряемого сигнала тензорезистора, обусловленная этими местными напряжениями, зависит от скоро­ сти изменения температуры стенки и может быть соизмеримой с величиной полезного сигнала. Увеличение скорости изменения температур от 0 до 100° в минуту приводит к уменьшению отноше­ ния измеренной деформации к действительной от 1,0 до 0,15 при­ мерно по гиперболическому закону. Для защитных устройств, имеющих цилиндрическую форму, разработана методика учета этой составляющей, в соответствии с которой влияние защитного устройства может быть оценено по формуле

До = cEaht,

(3.3)

где Дt — вносимое защитным устройством изменение температур на базе тензорезистора; с — эмпирический коэффициент.

66

Рис. 3.13. Система защиты тензорезисторов

1 — тснзорезистор; 2 — защитные устройства; з — соединительные провода; 4, 12 — защитные трубки; 5 — скоба; б—9 — элементы гермопровода; 10, 11— элементы уплот­ нительного концевика; 13, 14 — переходник

Для измерения деформаций при быстропротекающих режимах типа теплового удара (толчок роторов, сброс электрической нагрузки и др.) применяют специальные гермотензодатчики с ма­ лой тепловой инерционностью без дополнительной защиты (рис. 3.14). Установка гермотензодатчиков осуществляется с по­ мощью контактной сварки. Метрологические характеристики гер­ мотензодатчиков определяются по той же методике, что и для обычных высокотемпературных тензорезисторов [10]. Чувстви­ тельность гермотензодатчиков составляет 1,7, а температурная характеристика близка к характеристике высокотемпературного тензорезистора без защиты.

Опыт проведения натурных тензометрических исследований корпусов паровых турбин при эксплуатации показывает, что эф­ фективность и надежность исследований значительно возрастают при применении в процессе испытаний информационно-измери­ тельных систем. На рис. 3.15 приведена блок-схема передвижной информационно-измерительной системы, применяемой ИМАШ АН СССР для исследований напряжений в узлах энергетического оборудования.

67

3*

Рис. 3.14. Схема гермотензодатчика

г — термопара; 2 — крышка; 3 — подложка; 4 — решетка тензорезистора; 5 — шарики сплавления; 6 — стеклоткань; 7 — сварка контактная точечная, а — сварка контактная герметичным швом; 9 — защитная трубка; го — провода

Рис. 3.15. Блок-схема передвижной информационно-измерительной системы

Г — коммутатор; 2 — пульт управления; 3 , 4 — аналоговая и цифровая аппаратура; s — отметчик времени; в — преобразователь; 7 — клеммник; 8 — тенэорезисторы; 9 — объект измерений; го — передвижная тензолаборатория

Основной измерительной аппаратурой системы являются спе­ циальный многоточечный тензометрический комплекс для измере­ ний деформаций и температур [И] и серийные регистрирующие приборы типа КС. В систему также входит ЭВМ вместе с допол­ нительными устройствами для оперативной обработки результа­ тов измерений в процессе натурного эксперимента.

В условиях эксплуатации на тепловых электростанциях значи­ тельную часть своего времени корпусные детали паровых турбин

68

Рис. 3.16. Схема контроля за температурным состоянием корпуса турбнньг

работают в нестационарных условиях, отличающихся от номи­ нальных, принятых при расчетах длительной прочности этих конструкций. Накопленная малоцикловая термоусталостная повреждаемость, связанная с возникающими действительными не­ стационарными температурными напряжениями, суммируясь с поврежденностью от ползучести, может приводить к трещинообразованию в корпусах задолго до исчерпания расчетного ресурса. Существующие методы прямого контроля за эксплуатационной поврежденностью (см. § 1) позволяют обнаружить возникшие трещины при ремонтных работах со вскрытием турбин, произво­ димых с периодичностью 4, а в перспективе — 6 и более лет. Прог­ нозирование появления трещин на основе накопления данных, полученных с помощью этих методов, является весьма сложной задачей.

В связи с этим все более широкое применение находят расчет­ но-экспериментальные методы оценки повреждений. На их основе по измеренным температурам рассчитывают поля температур и напряженно-деформированные состояния и определяют накопле­ ние повреждаемости в рассматриваемых элементах теплоэнергети­ ческого оборудования в процессе эксплуатации. По такому прин­ ципу, например, работают счетчики исчерпания ресурса корпу­ сов и роторов паровых турбин фирмы «Крафтверкунион» [12]. В этом устройстве может рассчитываться удельная повреждае­ мость как от ползучести, так и от малоцикловой усталости метал­ ла. В качестве первичных используются датчики давления, с по­ мощью которых оцениваются силовые напряжения, и термопары, устанавливаемые в специальном зонде, в котором моделируется наиболее характерный для данного корпуса градиент температур. Например, для корпусов ЦВД таким определяющим термонапря­ женное состояние градиентом является градиент температур по

69

толщине стенки. В этом случае термозонд представляет собой «пробку» длиной, равной толщине стенки корпуса S, ввернутой в специальное гнездо (рис. 3.16). Термозонд контролирует «эф­ фективную» разность температур At, примерно равную разности температуры наружной поверхности и среднеинтегральной тем­ пературы (для наиболее характерных режимов можно определить точку в термозонде, где температура близка к среднеинтегральной). Вычислительное устройство по наибольшему и наименьшему зна­ чению «эффективной» разности At за каждый цикл рассчитывает размахи разностей и соответствующие им размахи эквивалент­ ных упругих деформаций (или напряжений). Число циклов до начала трещинообразования рассчитывается по уравнениям кри­ вых усталости при циклическом нагружении (см. гл. 2, 12).

В блок-схему определения накопления повреждаемости по данным о реальной эксплуатационной нагруженности включают мини-ЭВМ (см. рис. 3.15). ЭВМ содержит центральный процессор с программой обработки входной информации и оценки накопле­ ния повреждаемости на каждом режиме.

При пуско-наладочных работах, испытаниях и в начальный период эксплуатации длительность получения непосредственной информации о накопленных повреждениях определяется долго­ вечностью тензорезисторов. При дальнейшей эксплуатации с помощью штатного термоконтроля и контроля давления можно идентифицировать текущие режимы исходным, исследованным с помощью тензорезисторов, и таким образом суммировать на­ копление поврежденности по режимам.

Для ряда корпусных деталей в процессе натурных тензометри­ ческих испытаний турбин для характерных режимов эксплуата­ ции оценка номинальных приведенных или местных условных упругих напряжений возможно по зависимостям типа (3.1):

о* = 25 А ^ { + Вр,

(3.4)

где At, — характерные определяющие разности температур в кор­ пусе; р — внутреннее давление; A t и В — эмпирические коэф­ фициенты.

Если речь идет о режимах типа теплового удара, то с учетом (3.2) и (3.3)

о* = с

(3.5)

где At — скачок температур на обогреваемой поверхности; с — эмпирический коэффициент.

Определив при испытаниях коэффициенты А ,, В а с , в даль­ нейшей эксплуатации для нахождения размахов напряжений до­ статочно вести контроль по термопарам, установленным на внут­ ренней и наружной поверхности корпуса в реперных точках. На­ пример, для корпуса ЦВД турбины К-200-130 такие испытания были проведены, коэффициенты определены и по данным [2] и

70