Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Режимы работы и эксплуатация ТЭС - файл Температурные напряжения.doc


Лекции - Режимы работы и эксплуатация ТЭС
скачать (2015.1 kb.)

Доступные файлы (19):

Tema5_2008.doc484kb.07.01.2010 20:17скачать
ВОПРОСЫ2009о.doc34kb.04.01.2010 14:28скачать
дополнение к теме1_05 ПерсоналТЭС.doc232kb.04.01.2010 17:14скачать
Напряжения в элементах при работе под нагрузкой.doc90kb.07.01.2010 20:10скачать
ПВД_ПНДЭкспплуатация_требования.doc125kb.19.09.2004 01:41скачать
Работа вспомогательного обрудования на частичных нагрузках.doc351kb.04.01.2010 20:12скачать
Сопловое и Дроссельное.doc302kb.04.01.2010 19:38скачать
Тема1_05.doc448kb.17.01.2010 21:22скачать
Тема 10 ДР.doc324kb.07.01.2009 17:35скачать
Тема2_2008.doc53kb.05.01.2009 13:54скачать
Тема3_2008.doc480kb.07.01.2010 20:14скачать
Тема6_2009.doc144kb.05.01.2009 19:44скачать
Тема7_2009.DOC51kb.05.01.2009 19:53скачать
Тема8_2009.doc73kb.07.01.2009 13:43скачать
Тема9.DOC231kb.07.01.2009 16:33скачать
Тема_переменные_ режимы.doc195kb.07.01.2009 18:59скачать
Температурные напряжения.doc192kb.04.01.2010 16:57скачать
Типовые задачи.doc107kb.16.01.2010 19:06скачать
Энергетические характеристики.doc269kb.07.01.2009 18:47скачать

Температурные напряжения.doc

1.7 Температурные напряжения в металле энергооборудования.
Главу, посвященную маневренности энергооборудования ТЭС целесообразно начать с температурных напряжений , как одного из важнейших факторов, ограничивающих маневренность блоков, скорость их пуска и останова.

Температурные напряжения в стенках оборудования возникают лишь в переходных режимах – при прогреве и при охлаждении.

Детали энергооборудования могут иметь сложную форму, но многие из них имеют вид полого цилиндра, К ним относятся трубы, барабаны, коллекторы, камеры, корпуса теплообменников, расширителей, сепараторов.

При возникновении температурных напряжений большую роль играет характер температурного режима. Здесь мы ограничимся рассмотрением только одного режима прогрева и охлаждения при постоянной скорости изменения температуры контактирующей среды  град / мин ( рис. 1.7 ).

Лишь кратко упомянем ещё об одном характерном температурном режиме - тепловом ударе или скачкообразном изменении температуры среды ( рис. 2.7 ).

Начнём с простейшего случая плоской стенки ( рис. 3.7 ), и когда температура греющей среды изменяется ( нарастает ) с постоянной скоростью .

Среда омывает правую поверхность стенки, а левая имеет идеальную тепловую золяцию.

Температура стенки по толщине в этом случае изменяется по параболическому закону ( рис. 3.7 ):

( 1.7 )

где 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.

Максимальная разность температур в стенке между внутренней и
наружной поверхностями определяется по формуле :

( 2.7 )

где  - толщина стенки, м.

Температурное напряжение в стенке в этом случае распределяется т
акже по параболическому закону :

( 3.7 )

где t – коэффициент температурного удлинения материала стенки, град-1;

E - модуль упругости материала, МПа.

Соответствующий график распределения температурных напряжений в плоской стенке изображен на рис.4.7.

Пунктирная линия относится к прогреву, сплошная – к охлаждению.

В случае нагрева у наружной поверхности возникает растягивающее н
апряжение с величиной :

( 4.7 )

У внутренней поверхности стенки в этом случае напряжение б
удет сжимающим:

( 5.7 )

Следует заметить, что у внутренней поверхности , соприкасающейся со средой, абсолютное значение температурного напряжения в стенке вдвое больше, чем у наружной.

В случае охлаждения среды парабола переворачивается и в этом случае напряжение у внутренней поверхности будет растягивающим и по-прежнему вдвое больше, чем у наружной поверхности.

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

По этой причине нельзя допускать «захолаживания» нагретых деталей энергооборудования, что иногда наблюдается у паровых турбин при пусках из неостывшего состояния.

По этой же причине заполнение неостывших барабанов паровых котлов с естественной циркуляцией перед растопкой разрешается производить водой с температурой не менее 90 оС , а процесс заполнения барабана продолжается не менее 1– 1.5 часа.

Температурная задача в случае цилиндрической стенки сложнее, чем для плоской. Для решения этой задачи используются функции Бесселя.

Ограничимся здесь только визуальным рассмотрением температурного графика и поля напряжений.

Теоретически задача о температурных напряжениях в полом толстостенном цилиндре впервые была решена Лоренцем в 1907 году. Применительно к прогреву паропроводов внутренней средой с постоянной скоростью  задача была решена в 1968 году В.М. Вигаком и С. В. Фальковским в Южном отделении ОРГРЭС ( город Львов ). Температурное поле в стенке полого цилиндра ( в паропроводе ) в этом случае определяется формулой :


( 6.7 )

где  = r / rн - относительная радиальная координата поперечного сечения цилиндра;

rн - наружный радиус стенки;

a – коэффициент температуропроводности материала.

В этом случае в стенке полого цилиндра возникает сложно-напряженное состояние, характеризующееся тремя главными нормальными напряжениями:

t –тангенциальным ( окружным ),

z –аксиальным (вдоль оси цилиндра ),

r – радиальным.

На рис. 5.7 изображен полый цилиндр и вырезка из него элемента. Слева на рис. 5.7 этот элемент изображен отдельно и на нём векторами показаны эти три главные нормальные напряжения.

На рис. 6.7 изображен график изменения температуры в стенке в радиальном направлении для случая её прогрева греющей средой, находящейся внутри цилиндра в соответствии с выше приведенной формулой. Этот график близок к параболическому.

Ниже приводятся формулы Вигака и Фальковского для трёх главных нормальных напряжений в этой задаче:

t=F,

где, F=B(4 ln  - 3 2 +A/2 + A + 5 )

z = G,

где, G = 2 B  ( 4 ln  - 2 2 + A + 3 ) ( 7.7 )

r = H,

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


В этих формулах


и

где αt - коэффициент температуропроводности материала цилиндра, м2/сек;

 = r / rнар – текущая безразмерная радиальная координата поперечного сечения цилиндра ( трубопровода );

к = rвн / rнар ;  - коэффициент Пуассона ( = 0.3);

E - модуль упругости стали, МПа.

Распределение этих трёх главных нормальных напряжений по толщине стенки трубы при прогреве изображено на рис. 7.7.

Радиальное напряжение r у 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 хуже, 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 является одним из наиболее тяжелых для оборудования переходных температурных режимов.Он характеризуется внезапным скачкообразным изменением температуры среды ( рис. 2.7 ).

Здесь t= t2 - t1 - величина скачка температуры среды : различают нагревающий и охлаждающий 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. Тепловой удар возникает также 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.

Задача о напряжениях в трубопроводах при тепловом ударе рассматривалась в ВТИ Ратнером А. В. в 60-е годы. Более точно с использованием функций Бесселя эта задача решалась в МЭИ Д. П. Елизаровым в 70-е годы.

Картина распределения напряжений теплового удара по толщине стенки паропровода внешне похожа на уже приведенный график ( рис. 7.7 ), но соотношение тангенциальных и аксиальных напряжений между внутренней и наружной поверхностями трубопровода здесь значительно больше и может превышать пятикратное соотношение.

Явление теплового удара в паропроводах подробно рассмотрено в книге Елизарова Д. П. «Паропроводы тепловых электростанций» М. «Энергия», 1980 г.

Эксплуатационный контроль температурных напряжений в элементах основного оборудования ТЭС осуществляется путём измерения разностей температур в них.

На барабанах котлов контролируется разность температур по толщине стенки, между верхом и низом барабана, между его серединой и торцами.

На коллекторах и паропроводах контролируется разность температур между верхом и низом и по длине.

На корпусах турбин контролируется разность температур между верхом и низом, между верхним и нижним фланцами горизонтального разъёма, между фланцами и шпильками.

В паропроводах ТЭС во время эксплуатации возникают и другие виды напряжений : от внутреннего давления ( основной нагружающий фактор ), от самокомпенсации температурных удлинений, от весовой нагрузки.

В процессе эксплуатации эти напряжения циклически изменяются в соответствии с пусками и остановами оборудования, приводя металл к усталостным явлениям.

В паропроводах и в других элементах оборудования при рабочей температуре выше 450 оС возникает явление ползучести.

Всё это в совокупности приводит металл теплоэнергетического оборудования электростанций к разрушению.

Ползучесть паропроводов периодически контролируется в процессе эксплуатации путём измерения прироста их диаметра.

Компенсационные усилия и напряжения в паропроводах контролируются при пусках энергоблоков по перемещению в пространстве контрольных точек с помощью реперов, снабженных координатниками. Измеряя перемещения паропровода при прогреве и сопоставляя их с расчётными перемещениями, судят об наличии в трассе паропровода защемлений, которые надо без промедления ликвидировать, поскольку они приводят к перегрузке паропровода компенсационными усилиями.

Работа металла энергооборудования на ТЭС характеризуется цикличностью нагружения, связанной с периодическими пусками и остановами блоков по режиму. Это может приводить металл к усталостному разрушению.

Общее число циклов нагружения элементов энергооборудования за весь расчётный период эксплуатации ( приблизительно 200.000 часов ) обычно не превышает 104 . Но и такое сравнительно ограниченное количество циклов нагружения металла может приводить к разрушению изделий, если это сопровождается знакопеременным пластическим

деформированием.

Это явление называется малоцикловой усталостью металла. Для обеспечения надёжности эксплуатации теплоэнергетического оборудования ТЭС важно прогнозировать ресурс его работоспособности.

Циклическое нагружение металла энергооборудования ТЭС сопровождается его разупрочнением за счёт ползучести.

Для прогнозирования ресурса работоспособности металла на ТЭС важно учитывать совместно усталостные явления с его повреждаемостью от ползучести.

Метод совместного учёта этих видов повреждаемости был предложен д.т.н. Костюком А.Г. и д.т.н. Трухнием А.Д. в МЭИ на кафедре Паровых и газовых турбин.

Другой метод учёта совместной повреждаемости металла был разработан в институте ЦНИИТМАШ д.т.н. Туляковым Г. А.





Рис.1.7 График температуры греющей среды при постоянной скорости её изменения во времени.  - скорость прогрева.



Рис. 2.7 График температуры греющей среды при нагревающем тепловом ударе. t1 - начальная температура среды ; t2 - температура среды после скачка ; t - величина скачка температуры среды при тепловом ударе.





Рис. 3.7 Температурное поле в плоской стенке при прогреве с постоянной cкоростью  повышения температуры греющей среды.

tв - температура стенки у внутренней поверхности ; tн - то же у наружной поверхности;

q - тепловой поток от греющей среды к стенке ;  - коэффициент теплоотдачи;

 - толщина стенки.



Рис. 4.7 График температурных напряжений в плоской стенке при изменении температуры греющей среды с постоянной скоростью.

вн –напряжение у внутренней поверхности;

нар-то же у наружной поверхности, покрытой идеальной тепловой изоляцией;

q - тепловой поток от греющей среды.




Рис. 5.7 Составляющие главных нормальных напряжений в цилиндрической стенке ( в трубе ) при сложно напряженном состоянии.

t – тангенциальное ( окружное ) напряжение;

z - аксиальное ( осевое ) напряжение ;

r - радиальное напряжение.

Слева изображен элемент, вырезанный из цилиндра, на котором векторами показаны эти три главные нормальные напряжения.


Рис. 6.7 Температурное поле в стенке полого толстостенного цилиндра ( в трубе ) при прогреве средой изнутри при постоянной скорости  повышения её температуры.

rвн – внутренний радиус цилиндра;

rнар- наружный радиус;

s - толщина стенки;

r –текущий радиус сечения стенки;

x - текущая радиальная координата стенки;

tнар - температура стенки у наружной поверхности;

t - текущая температура стенки.



Рис. 7.7 Эпюры температурных напряжений в стенке полого толстостенного цилиндра при прогреве внутренней средой c постоянной скоростью её повышения:

слева внутренняя поверхность стенки.

t - тангенциальное нормальное напряжение;

z - аксиальное напряжение;

r - радиальное напряжение.

Вверх – растяжение;

вниз – сжатие.


Скачать файл (2015.1 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации