книги / Прочность конструкций при малоцикловом нагружении
..pdf//0 /00 700ТЧ
Рис. 3.3. Изменение деформаций (а), температур (б) на внутренней поверхно сти и распределение температур по толщине стенки корпуса при толчке ро торов (в)
гf
/,Ч
4/0
Ш
Рис. 3.4. Циклические изменения температур в стенках корпусов ЦВД (а) и барабанов котлов (б) при пусках
цикле может получиться наибольшим, а цикл близким к симметрич ному. При этом на этапе набора электрической нагрузки на внут ренней поверхности корпуса ЦВД образуются деформации сжатия.
Резкое изменение температуры внутренней поверхности корпу са ЦВД может возникать и при других, быстропротекаюших ре жимах, например при сбросах электрической нагрузки.
При толчках роторов изменение температуры внутренней по верхности 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 тем ператур меньше пусковых изменений температур, но частота их значительно выше и протекают они на фоне этих пусковых измене ний температур, создавая двухчастотный спектр тепловых нагру зок.
Определенное значение для оценки повреждаемости корпусов представляют также режимы работы турбины на номинальной или частичной электрической нагрузке. При этом работа турбины
51
часто характеризуется нестационарным режимом, создающим в стенках корпусов циклически изменяющиеся перепады темпе ратур (рис. 3.5).
Характерным типом повреждений корпусных элементов па ровых турбин является коробление корпусов ЦВД и ЦСД, вызы вающее утечку пара — пропаривание через внутренний уплотняю щий 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 дефор мации фланцев горизонтального разъема. В результате поверх ность 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
вряде случаев развивается со скоростью 2—5 мм за 104 ч [2]. Распространенным типом повреждений корпусных деталей
паровых турбин, которые связывают с нестационарными тепловыми процессами, являются трещины. Причиной образования трещин могут являться температурные напряжения, возникающие при пусках турбины и других переходных режимах. Например, в США и Англии было отмечено заметное увеличение числа трещин в свя зи с переводом турбин на ряде электростанций на работу в режиме частых остановов и пусков [3]. Так, у турбин, выпущенных в 50-е годы, число поврежденных корпусов достигло 50—60%, в 60-е годы — 20%, в 70-е годы — 10% [2]. Зависимость повреждае мости трещинами барабанов котлов, выполненных из различных сталей, от числа пусков — остановов турбины [1] приведена на рис. 3.6.
При эксплуатационных проверках корпусов турбин трещины обнаруживались на внутренних поверхностях корпусных деталей. Чаще всего они возникают в зоне отверстий на радиусных перехо дах, в подфланцевых зонах, в подприбыльных местах, кольцевых выточках под обойму, т. е. в тех местах, где в той или иной мере имеет место концентрация напряжений. Однако трещины отмеча лись и на гладких поверхностях, что, вероятно, связано с началь ными технологическими дефектами. На рис. 3.7 [6] показаны зоны расположения трещин в паровой коробке ЦСД (а) и ЦВД (б).
Характерные случаи трещинообразования [1] в корпусных деталях стопорных клапанов, котлах и трубопроводах связаны с циклическими температурными напряжениями из-за нестационарности режимов работы. Например, периодически возникающие при пуске турбины перепады температур в одном из корпусов стопорного клапана, где были обнаружены трещины, по данным измерения [1], составили 200° С. Анализ [1] расположения трещин около отверстий в барабанах котлов показал, что при сравнитель но низком давлении (10 МПа) равномерное образование трещин от контура отверстия связывается с многократными колебаниями
52
Ряс. 3.5. Изменение тем ператур (t) и перепадов температур (At) в стен ке корпуса при режиме частичной нагрузи;
Рис. 3.6. Зависимость повреждаемости бара банов котлов от числа пусков турбины
Рис. 3.7. Расположение трещин в паровой коробке ЦСД (а) и ЦВД (б)
температуры при попадании холодной воды на нагретую стенку барабана. При повышении давления (до 14 МПа) трещины обра зуются в зоне очков водоопускных труб в диаметрально противо положных зонах под воздействием местных циклически меняю щихся перепадов температур и кольцевых напряжений от давле ния. При удалении от контура отверстия интенсивность таких трещин снижается.
Обнаруживаемые в эксплуатации трещины условно разделяют на две группы. К первой группе относятся поверхностные трещи ны с глубиной, не превышающей 10% толщины стенки детали. Обычно при ремонте после выборки таких трещин не требуется подвара. Во многих случаях в этих местах при последующей эксплуатации повторные трещины не возникают. К другой груп пе относятся трещины, после выборки которых требуется заварка. Глубина и размеры их могут быть значительными.
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.
Основным методом устранения трещин на тепловых электро станциях является выборка с последующей заваркой. Существуют различные способы реализации такого метода при ремонтных ра ботах с применением как перлитных электродов, так и высокони келевых электродов, с предварительным местным подогревом газо выми горелками и без этого. В ряде случаев, как показано в [6], эффективным оказывается комбинированный метод заварки вы бранных мест. Сущность этого метода заключается в том, что сна чала на поверхность выборки наносят облицовочный слой углеро дистыми электродами, а остальную часть разделки заполняют легированными электродами. Заварка производится с предвари тельным нагревом до 300—350° С без последующей термообработ ки. Такой способ способствует повышению пластичности металла на границе перехода от шва к основному металлу.
Усталостные повреждения корпусных деталей, будучи незна чительными, могут развиваться до сквозных трещин, создавая опасность разрушения. В связи с этим неразрушающие методы контроля металлов на тепловых электростанциях приобрели весь ма важное значение. Существующие методы неразрушающего контроля можно классифицировать следующим образом: тепловые методы с помощью инфракрасной аппаратуры, магнитные и элек тромагнитные методы, акустические методы (ультразвуковая де фектоскопия и метод акустической эмиссии), радиационные методы (радиография, ксерорадиография), метод проникающих жидкостей, метод травления химическими реактивами, гидравлические испытания и испытания сжатым газом.
Эти методы, каждый из которых имеет свои достоинства, допол няют друг друга и продолжают развиваться. Перспективными для теплоэнергетики, например, представляются бесконтактные методы ультразвуковой дефектоскопии, позволяющие приводить
54
контроль в процессе ее эксплуатации при повышенных температу рах. К ним, например, относится метод возбуждения упругих волн с помощью лазера. Важное значение приобретает [метод акустической эмиссии. В отличие от других методов он позволяет не только обнаружить трещину, но и проследить за ее возникнове нием и развитием в процессе эксплуатации. Разрабатываются так же косвенные методы контроля состояния металла, например виброакустические, позволяющие по изменению спектра и ампли туды вибраций обнаружить трещину и наблюдать за ее развитием по изменению жесткости.
§ 2. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
Применяемые в теплоэнергетике корпусные конструкции пред ставляют собой, как правило, сложные пространственные оболо чечные конструкции со стенками переменной толщины, с участ ками сопряжений оболочек разной формы, мощными фланцами горизонтального и вертикального разъема, патрубками, прилива ми и другими геометрическими особенностями (см. рис. 3.7). Основными факторами, определяющими напряженно-деформи рованное состояние в процессе эксплуатации таких корпусов, являются переменные температуры и внутреннее давление, воз действующие на фоне весьма высоких температур (до 540° С).
Обычно в принятых расчетных методиках корпусные детали турбин рассматриваются как составные осесимметричные оболоч ки переменной толщины, находящиеся в температурном поле, меняющемся вдоль оси и по радиусу оболочки. С применением таких расчетных методов был проведен анализ температурных напряжений в корпусах стопорных и регулирующих клапанов, а также ЦВД и ЦСД турбин типа К-200-130 [2]. Напряжения оп ределялись по температурным полям, полученным термометрированием корпусов при эксплуатации турбины. Полученные резуль таты дали общую картину термонапряженного состояния этих корпусов. Они показали, что максимальные напряжения в корпу се стопорного клапана имеют место в подфланцевой зоне, а в кор пусах регулирующих клапанов — в месте их приварки к цилинд ру и что наиболее термонапряженной зоной корпуса ЦВД являет ся внутренняя поверхность стенки в зоне регулирующей ступени. Однако отсутствие учета влияния фланцев и других особенностей конструкции в этих расчетах приводит к тому, что полученные результаты не всегда, даже качественно, могут характеризовать термонапряженное состояние корпусов. В связи с этим предла гаются упрощенные методики учета влияния фланцев, в частности основанные на уравнениях для напряженного состояния при пло ской деформации; влияние фланца горизонтального разъема ЦВД часто оценивают по теории стержней. Для оценки кольце вых напряжений решается плоская задача при форме контура, соответствующей форме поперечного сечения. При этом рассматри-
55
вается изгиб фланца (в плоскости поперечного сечения относи тельно горизонтальной оси корпуса из-за разности температур по ширине фланца) и, как следствие, возникновение изгибающего момента в стенке корпуса.
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 темпера тур по ширине фланца. Для расчетной оценки таких напряжений корпус моделируется системой сопряженных между собой ребри стых оболочек разного типа [9].
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 сто порных клапанов при этом предполагается свободным, а регули рующих клапанов — защемленным в месте соединения пароот водящего патрубка с корпусом турбины.
Точность оболочечных моделей для расчета напряженно-де формированного состояния с учетом влияния фланцев примени тельно к корпусам паровых турбин в настоящее время остается недостаточной (в частности, из-за невозможности учета таких факторов, как патрубки, приливы, отверстия, расточки, отклоне ния фактических размеров от проектных и т. д.). Кроме того, не удается учесть также местные особенности температурных полей и нагрузок в стенке корпусов.
Вместе с тем имеются возможности для дальнейшего развития оболочечных расчетных схем. Целесообразно также использова ние других методов расчета с привлечением, в частности, разност ных и вариационно-разностных методов, например метода конеч ных элементов в трехмерной постановке.
Оценка несущей способности корпусов, являющихся одним из наиболее ответственных узлов паровых турбин, и разработка ре комендаций по повышению их надежности требуют знания действи тельных величин напряжений и температур, возникающих в ус ловиях 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.
Корпуса цилиндров высокого давления. Рассмотрим напря женно-деформированное состояние одностенного корпуса ЦВД турбины К-200-130, являющейся весьма распространенным типом турбины в энергетике и эксплуатируемой в настоящее время в ре жиме частых пусков — остановов.
Рис. 3.8. Изменение напряжений в корпусе ЦВД при пуске из неостывшего состояния и останове турбины
р р
Яв и яв, ан и он — экспериментальные и расчетные напряжения на внутренней и наруж ной поверхности; Л(]_з и Д(2_3 — перепады температур по толщинестенки;|;, 2 , 3 — точки измерений
Одним из основных факторов, влияющих на прочность таких конструкций при малоцикловом нагружении, являются так называемые «пусковые» напряжения, возникающие в стенках корпусов при режимах пуска турбины (см. § 1). Натурные исследо вания подтверждают вывод расчетного анализа о том, что макси мальные напряжения в корпусе ЦВД при пуске турбины возни кают на внутренней поверхности в зоне регулирующей ступени.
Кинетика напряженно-деформируемого состояния корпуса ЦВД в процессе пуска представлена на рис. 3.8. Достигая своего пикового значения через 15—20 мин после начала набора электри ческой нагрузки, напряжения на внутренней поверхности в даль нейшем интенсивно снижаются, в то время как на наружной по верхности снижение напряжений протекает значительно медлен-
57
нее. Это объясняется возникновением напряжений от внутреннего давления. Максимальная величина напряжений в корпусе при пуске достигает 180—200 МПа. Поэтому в эксплуатации стремят ся снизить довольно высокий уровень указанных напряжений путем предварительного прогрева мощных фланцев горизонталь ного разъема. Величина сжимающих напряжений при таком пуске получается меньше. Однако вместе с тем в процессе прогрева флан ца на внутренней поверхности в той же зоне корпуса возникают дополнительные растягивающие напряжения и полный размах напряжений практически не меняется.
Циклическое изменение температурных напряжений имеет место также при пуске турбины из «горячего» состояния (после 8-часового простоя турбины в резерве). При атом растягивающие напряжения на внутренней поверхности возникают из-за сниже ния температуры на режимах набора оборотов и холостого хода турбины, а сжимающие — при наборе электрической нагрузки. В этом случае размах номинальных напряжений может достигать 300 МПа. Снижение температуры стенки при наборе оборотов и холостом ходе, являясь причиной образования растягивающих напряжений на внутренней поверхности, одновременно объясняет причину высоких сжимающих напряжений: чем ниже температу ра стенки перед ее разогревом, тем больше температурные раз ности могут в ней реализоваться при разогреве.
В общем случае напряженное состояние корпуса ЦВД при пуске является функцией внутреннего давления р и температур ных разностей по толщине стенки Atc, вдоль оси корпуса At0,
между стенкой и фланцем At: |
|
а = fl(Atc, Atо, Atcm$, р)- |
(3.1) |
Определяющим фактором при этом является перепад темпера тур по толщине стенки. Это подтверждается данными натурных тензометрических исследований [4], когда был проведен пуск с повышенными скоростями разогрева стенки и с интенсивным прогревом фланцев горизонтального разъема, при котором к ми нимуму было сведено влияние разности температур между флан цем и стенкой.
Наличие фланцев горизонтального разъема приводит к доволь но сложной картине распределения температурных напряжений в корпусе ЦВД, зависящей от перепада температур между стенкой и фланцем. Как показали натурные тензометрические исследова ния, вдали от фланца напряжения носят преимущественно изгибный характер. По мере приближения к фланцу напряжения на внутренней поверхности возрастают, на наружной — меняют знак и вблизи фланца становятся сжимающими или растягивающи ми в зависимости от знака Atc-$. Характер изменения напряже ний в стенке корпуса ЦВД от действия А^с-ф по данным экспе римента рассмотрен в [8].
Проведенные тензометрические исследования корпусных дета лей [4] показали, что в эксплуатации паровых турбин имеются
58
режимы, при которых на внутренних поверхностях корпусов мо гут возникать значительные растягивающие температурные на пряжения, обратные по знаку напряжениям при наборе нагруз ки. К таким режимам относятся толчки роторов, частичные и пол ные сбросы нагрузки и др. Измерения температур в процессе таких режимов выявили возможность резкого кратковременного снижения температуры внутренней поверхности корпуса ЦВД в зоне за регулирующей ступенью (см. рис. 3.3). Это явление, по-видимому, связано с попаданием воды в проточную часть тур бины в момент толчка роторов или с дросселированием пара в мо мент закрытия регулирующих клапанов при сбросах нагрузки. Измеренные при этом деформации соответствуют величинам, возникающим при тепловом ударе. Характерным для теплового удара получается и распределение температур по толщине стенки (см. рис. 3.3). Оценку температурных напряжений при таких режимах можно выполнить по формуле
а, = 0,8 |
ЕаМ |
(3.2) |
|
1 — (1 |
|
где At — изменение температуры внутренней поверхности стенки при проведении режима; Е, а, ц — модуль упругости, коэффи циент линейного расширения и коэффициент Пуассона соответ ственно.
Полученные в результате тензометрических исследований дан ные о растягивающих напряжениях при режимах толчка роторов, сброса нагрузки, планового и аварийного остановов турбины позволяют оценить размахи деформаций и напряжений, возникаю щих в стенке ЦВД турбины в процессе ее работы. Следует отме тить, что штатная система контроля температурного состояния турбины пока не позволяет фиксировать такие изменения темпера тур, так как они протекают весьма быстро и реализуются в тонком слое металла у внутренней поверхности.
С учетом приведенных выше данных для корпуса ЦВД может быть построен график изменения соответствующих компонентов номинальных и местных напряжений при характерных режимах эксплуатации турбины (см. гл. 2 и 12). Этот график используется при расчетах малоцикловой прочности и ресурса.
Напряжения от действия переменного внутреннего давления с достаточной точностью могут быть определены с помощью тен зометрических моделей. По данным таких исследований, для корпуса Д ВД турбины К-200-130 при действии внутреннего дав ления наиболее напряженной зоной является торообразная часть стенки за последней ступенью. Характерной особенностью рас пределения напряжений в этой зоне является наличие изгиба стенки, который увеличивает растягивающие напряжения на внутренней поверхности и соответственно уменьшает их на наруж ной. Наибольшие напряжения на внутренней поверхности здесь достигают 105 МПа. В зоне регулирующей ступени, там, где тем
59
пературные напряжения при пуске турбины максимальны, напря жения от давления не превышают 75 МПа.
Следует отметить, что указанные циклически изменяющиеся напряжения от внутреннего давления в зоне перехода стенки во фланец действуют на фоне растягивающих напряжений от затяга фланцев (наружная поверхность). Суммарная величина напряже ний при этом достигает 175 МПа.
Если полученные при натурных тензометрических исследова ниях корпусов ЦВД напряжения являются номинальными, то для определения местных напряжений следует учесть эффекты концентрации. При этом необходимо иметь в виду, что величина коэффициента концентрации существенно зависит от формы кри вой распределения напряжений по толщине стенки. Для режимов нагружения турбины типа останова с принудительным расхолажи ванием или естественным остыванием характерно плавное распре деление напряжений по толщине стенки. Для этого случая по экспериментальным данным [4] теоретический коэффициент кон центрации ос<у в галтели расточки на внутренней поверхности корпуса ЦВД оценивается величиной 1,8—2,0. На режимах, сопровождающихся резким изменением температуры тонкого слоя металла внутренней поверхности (тепловой удар), концен трация напряжений практически отсутствует. К таким режимам следует отнести толчок роторов и резкий сброс нагрузки. В мень шей степени градиент напряжений в стенке ЦВД выражен при отключении турбогенератора от сети; в этом случае величина аа (учитывая действительное распределение температур по толщине стенки) составляет 1,2—1,3. Указанные величины коэффициентов концентрации были определены поляризационно-оптическим методом.
Корпуса регулирующих и стопорных клапанов. Так же как и в корпусах ЦВД, напряженно-деформированное состояние кор пусов стопорных (СК) и регулирующих (РК) клапанов характе ризуется циклическим изменением напряжений, связанным с ре жимами пусков и остановов турбины.
На внутренней поверхности корпусов стопорных клапанов значительные температурные напряжения могут возникать уже на режимах пуска, предшествующих набору нагрузки. При откры тии главной паровой задвижки в результате резкого повышения температуры на внутренней поверхности корпуса СК могут воз никать сжимающие напряжения величиной до 350 МПа. При изменениях теплового состояния корпуса СК, связанных с подачей питательной воды в котел, на внутренней поверхности, наоборот, возникают растягивающие напряжения. Величины таких напря жений в корпусе СК турбины К-160-130 достигают 280 МПа (рис. 3.9).
Значительные растягивающие напряжения (до 160 МПа) возникают также на наружной поверхности корпусов стопорных и регулирующих клапанов. Типичный график изменения «пуско вых» напряжений на наружной поверхности корпуса СК приведен
60