5. Температурные напряжения в конструктивных элементах энергетических агрегатов. Причины их вызывающие. Влияние режимов работы на температурные напряжения.

Причины

Температурные напряжения в стенках оборудования возникают при переходных режимах – при прогреве и при охлаждении. При возникновении температурных напряжений большую роль играет характер температурного режима.

← Температурное поле при прогреве

Температура стенки по толщине в этом случае изменяется по параболическому закону

разность температур в стенке

Где скорость град / мин,a = / ( c) - коэффициент температуропроводности материала стенки м2/сек;  - коэффициент теплопроводности, Вт / ( м.град); с – удельная теплоёмкость материала стенки Вт.сек / (кг.град) ; - плотность материала, кг / м3 ; x – текущая координата по толщине стенки, м.

также по параболическому закону : где _t – коэффициент температурного удлинения материала стенки, град-1

←график распределения температурных напряжений в плоской стенке

Пунктирная линия относится к прогреву, сплошная – к охлаждению. нагрев - растягивающее напряжение у наружной, сжимающее у внутреней

Растягивающее напряжение для материала ( металла ), как правило, опаснее, чем сжимающее. Поэтому режим расхолаживания стенки более тяжелый, чем режим прогрева.

← Векторы напряжений в полом цилиндре.

_t –тангенциальное (окружное), _z –аксиальное (вдоль

оси цилиндра) и _r – радиальное.

_t = F, гдеF = B (4 ln - 3 2 +A / 2 + A + 5 ),

_z = G, где G = 2 B  ( 4 ln  - 2 2 + A + 3 ),

_r = H, где H = B  ( 4 ln  - 2 - A / 2 + A + 1 ),

В этих формулах

где a - коэффициент температуропроводности материала цилиндра, м2/сек ;  = r / r_нар – текущая безразмерная радиальная координата поперечного сечения цилиндра ( трубопровода );к = r_вн / r_нар ;  - коэффициент Пуассона ( = 0.3 ) ;E - модуль упругости стали, МПа.

← Распределение термических напряжений в цилиндрической стенке ПРИ ПРОГРЕВЕ.

Радиальное напряжение _rу внутренней и у наружной поверхности cтенки равно нулю, а в промежуточных точках оно сжимающее и на порядок меньше, чем _t и _z.

У внутренней и у наружной поверхности стенки _t = _z, а в промежуточных точках сечения _t немного больше, чем _z.

В режимах прогрева _t и _z у внутренней поверхности сжимающие, а у наружной- растягивающие. По абсолютному значению _t и _z у внутренней поверхности приблизительно втрое больше, чем у наружной поверхности: у плоской стенки это соотношение было равно двум.

Таким образом, у цилиндрической стенки ситуация с температурными напряжениями у внутренней поверхности более тяжелая, чем у плоской стенки.

При расхолаживании паропровода графики температурных напряжений в стенке становятся зеркально противоположными.

Теперь у внутренней поверхности стенки, соприкасающейся со средой, напряжения становятся растягивающими, то есть наиболее опасными.

Тепловой удар – скачкообразное изменение температуры на большую величину, является одним из наиболее тяжелых для оборудования переходных температурных режимов.

←Температурный скачок (тепловой удар).

Интенсивность теплового удара определяется величиной скачка температуры среды и зависит также от коэффициента теплоотдачи между средой и стенкой.

Тепловой удар возникает при забросе холодной воды в горячий паропровод, при подаче в холодный паропровод перегретого пара избыточного давления в начале его прогрева, в питательном трубопроводе тепловой удар может возникнуть при срабатывании защиты ПВД и их внезапном отключении, когда в горячую питательную магистраль поступает более холодная вода из деаэратора.