Оценка влияния влажно-паровой среды на кинетику трещин в сосудах энергооборудования

УДК 539.3

И. И. Мележик, П. П. Гонтаровский, Н. Г. Шульженко

Институт проблем машиностроения A.H.Подгорного HAH Украины, г.Харьков, Украина

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНО-ПАРОВОЙ СРЕДЫ НА КИНЕТИКУ ТРЕЩИН В СОСУДАХ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ

Разработанная ранее методика расчётной оценки живучести высокотемпературных элементов энергетического оборудования развита на случай учета влияния влажно-паровой среды. Диаграммы циклической трещиностойкости задаются по значениям в отдельных точках для учета их сложной формы. Приводятся результаты расчётной оценки кинетики поверхностной трещины в стенке цилиндрической части барботажного бака на воздухе и во влажно-паровой среде энергоблока мощностью 1000 МВт. Результаты свидетельствуют о значительном влиянии влажно-паровой среды на живучесть элементов конструкции.

Ключеые слова: трещина, коэффициент интенсивности напряжений, живучесть, влажно-паровая среда, сосуд энергооборудования.

Расчетная оценка живучести элементов энергетического оборудования в настоящее время актуальна, так как является составной частью процедуры продления их индивидуального ресурса (например, корпусов паровых турбин) [1]. Она позволяет корректировать сроки межремонтного контроля при оценке времени подрастания гипотетических трещин до критических размеров, которые по тем или иным причинам могли быть не выявлены при осмотрах.

Существующие методики расчетной оценки живучести элементов конструкций нуждаются в дальнейшем развитии. Так в [2 - 4] исследуется кинетика трещины при многорежимном характере нагружения, но не учитывается изменение полуосей эллиптической трещины при ее подрастании и релаксация напряжений при ползучести. Учет этих факторов может существенно сказаться на времени живучести конструкции [5].

Развитая ранее методика [5, 6], в отличие от других [2 — 4], позволяет учитывать такие эксплуатационные факторы, как асимметрия цикла нагружения, зависимость характеристик материала от температуры, изменение их во времени и другие факторы. Она развита на случай сложного напряженного состояния в окрестности вершины трещины, в этом случае коэффициент интенсивности напряжений (КИН) определяется с использованием метода конечных элементов [7]. Однако в этих методиках не учитывается влияние влажно-паровой среды.

Решение данного вопроса может быть осуществлено на основе развития методики [5, 6], которая основана на численном интегрировании уравнений роста трещины от начального размера

до критического при многорежимном статическом и циклическом нагружениях. При этом используется принцип линейного суммирования скоростей роста трещины на всех режимах нагру-жения

V = £ Vciti +Е VnjNJ , i=1

j=1

где V — усредненная скорость распространения трещины на всех режимах работы, вычисленная в точке А и точке В на фронте эллиптической трещины (рис. 1);

VCi— скорость роста трещины на ьтом статическом режиме;

^ — относительное время работы на ьтом статическом режиме;

VNJ• — скорость роста трещины на ^том циклическом режиме;

N — количество циклов нагружения на •-том циклическом режиме.

Скорость роста трещины определяется уравнениями П.Пэриса при циклическом нагруже-нии [8]

VNj =

dl dNj

= c

Nj

f "\nNj

' AKJL R;

и аналогичными уравнениями при ползучести материала [2]

Vci = dt = Cci (Kei) ПС

© И. И. Мележик, П. П. Гонтаровский, Н. Г. Шульженко, 2011

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011

где 1 — глубина трещины;

АКе- — размах эквивалентного КИН на --том циклическом режиме;

Я- — коэффициент асимметрии цикла на-гружения на --том циклическом режиме;

К£| — эквивалентный КИН на ьтом статическом режиме;

С,

С1' ПС1' С—

С

экспериментальные

характеристики материала на статических и циклических режимах нагружения.

У'

ауак = f (аК6,Я, Ю,Т ), ш/л = ^ (ке, ю,т ),

тывается влажно-паровая среда, и на внешней поверхности. Начальные размеры поверхностной полуэллиптической трещины составили 1 = 2 мм, с =10 мм, наружный диаметр — 2,5 м, толщина корпуса — 20мм, материал — сталь 08Х18Н10Т. Базовые диаграммы циклической трещиностой-кости стали 08Х18Н10Т приводятся на рис. 2 [9].

Рис. 1. Сечение элемента в плоскости трещины

В элементах энергетического оборудования влажно-паровая среда может существенно влиять на скорость распространения усталостных трещин. Для ее учета в [5, 6] используются диаграммы коррозионной трещиностойкости материала, которые можно описать зависимостями:

где w — частота нагружения;

Т — температура.

Эти диаграммы являются основными при проведении расчетов на долговечность элементов конструкций энергетического оборудования. Они определяются экспериментально для конкретных значений температуры, асимметрии цикла и частоты нагружения. Зачастую диаграммы коррозионной трещиностойкости имеют сложный вид. Описать произвольный закон (4, 5) предложенными в литературе аналитичными зависимостями сложно. Поэтому в данной методике для каждого режима нагружения предлагается задавать диаграмму в отдельных точках. Промежуточные значения определяются с помощью линейной или квадратичной интерполяции, затем вычисляется скорость развития трещины.

Исследуется кинетика трещины в стенке цилиндрической части барботажного бака. Барбо-тажный бак предназначенного для сброса избыточной пара из компенсатора объема с целью снижения давления в первом контуре реакторной установки [8]. Трещины рассматриваются на внутренней части поверхности, при этом учи-

Рис. 2. Базовые диаграммы для стали 08Х18Н10Т: 1 — в агрессивной среде, 2 — в воздухе

Рассматривались следующие режимы работы бака [8]:

1) гидроиспытание (давление Р=1МПа, температура Т=20 °С, число циклов нагружения N = 3 циклов за время эксплуатации);

2) гидроиспытание (Р = 0,8МПа, Т=20 °С, N = 27);

3) срабатывание основного клапана (Р = 0,3 МПа, Т = 100 °С, перепад температур АТ = 80 °С, N = 260);

4) срабатывание предохранительного клапана (Р = 0,3 МПа, Т = 70 °С, АТ = 50 °С, N = 390);

5) разрыв предохранительной мембраны (Р = 0,68 МПа, Т = 179 °С, АТ = 159 °С, N = 18).

Время службы рассматриваемого барботажно-го бака составляет 30 лет.

В таблице 1 приведены значения напряжений ст2 по толщине стенки на разных эксплуатационных режимах.

Таблица 1

Максимальные (над чертой) и минимальные (под чертой) значения напряжений ст2, МПа

Режим Коо эдината толщины стенки, м

0 0,005 0,01 0,015 0,02

1 49,6 0 49,4 0 49,2 0 49,0 0 48,8 0

2 62,0 0 61,7 0 61,5 0 61,3 0 61,0 0

3 18,6 -162,7 18,5 -71,5 18,9 0 108,7 0 197,7 0

4 18,6 -94,7 18,5 -37,7 18,8 0 74,8 0 130,4 0

5 42,2 -318,2 42,0 -137,0 42,8 0 221,1 0 397,9 0

На рис. 3 и 4 приводятся результаты оценки живучести трещины, расположенной на внутренней поверхности стенки бака, во влажно-паровой среде и в воздухе. Результаты представлены в виде зависимости глубины трещины 1, ширины с, КИН от отношения полученного числа циклов N от эксплуатационного числа циклов нагружения

Как следует из расчетов, трещина в начальный момент времени развивается при разрыве предохранительной мембраны (режим 5) в точках А, В и срабатывании основного клапана (режим 3) в точке В. Влияние всех эксплуатационных режимов на процесс развития трещины заметно при ее значительных размерах.

составило 129 103тыс .часов, конструкция разрушились вследствие прорастания трещины насквозь. Размеры трещины перед разрушением составили 1=20 мм, с = 50 мм.

Исследовалось развитие трещины, расположенной на наружной поверхности стенки бака. В этом случае отсутствует влияние влажно-паровой среды. На рис. 5 показаны результаты оценки живучести наружной трещины. Разрушение стенки при наличии трещины на наружной поверхности произойдет через 83,4-103тыс.часов в результате долома на режиме разрыва предохранительной мембраны, при этом размеры трещины перед разрушением составили 1=19 мм, с = 50 мм.

Рис. 3 Зависимость глубины 1 (сплошная линия) и ширины с трещины (пунктирная линия) от N7 1 — во влажно-паровой среде, 2 — в воздухе

100

^ 80 св

§ 60 40

М

20

1 I ........:......

* #1

У-' .У ----Л д

«•-Г „к-" .......'.......ч 1

1 1 1

100

200 300 N/N3

400 500

Рис. 4 Зависимость КИН в точке А (сплошная линия) и в точке В (пунктирная линия) от N7 1 — во влажно-паровой среде, 2 — в воздухе

Разрушение стенки бака при действии влажно-паровой среды произойдет через 33,2-103 тыс. часов в результате прорастания трещины насквозь и достижения КИН критического значения

АКн=100МПал/М на режиме работы 5. В случае развития трещины в воздухе время живучести

Рис. 5 Зависимость КИН и размеров наружной трещины от N7 N

Данный пример показывает, что влияние влажно-паровой среды почти в четыре раза уменьшает время живучести конструкции. Как следует из результатов расчета наружная трещина будет развиваться в 1,5 раза быстрее чем аналогичная внутренняя при развитии ее в воздухе вследствие больших растягивающих напряжений на наружной поверхности, вызванных температурным перепадом.

Отметим, что за время эксплуатации на рассмотренных режимах работы на рост трещины существенно влияет деградация свойств материала во времени, а не только циклические нагрузки. Поэтому для учета изменения свойств материала во времени необходимы дополнительные экспериментальные данные по трещинос-тойкости материала с учетом его деградации.

Перечень ссылок

1. РД 34.17.440-96. Методические указания о порядке проведения работ при оценке индивидуального ресурса паровых турбин и продления срока их эксплуатации сверх паркового ресурса. - М., 1996. - 153 с.

2. О ресурсе высокотемпературных роторов паровых турбин / В.С. Балина, Е.Д. Консон // Теплоенергетика. - 1988. - №7. - С. 21 - 24.

ЮЗЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011

- 177 -

3. Оценка полного и межремонтного ресурсов модернизированных корпусов ЦВД турбин К-200-130-3 ЛМЗ по критериям малоцикловой усталости и трещиностойкости / В.И. Берлянд, A.A. Глядя, B.C. Балина, Е.Д. Консон, М.Г. Ка-белевский, Л.И.Столярова // Теплоэнергетика. - 1991. - №8. - С. 54 - 60.

4. Степаненко С.М. К вопросу о прочности дисков ГТД с учетом стадии развития усталостных трещин / С.М.Степаненко // Совершенствование турбоустановок методами мат. и физ. моделирования: тр. междунар. науч.-техн. конф. / Институт проблем машиностроения им.АН.Подгор-ного HAH Украины. - X., 1997. - С. 537 - 539.

5. Шульженко Н.Г. Оценка живучести высокотемпературных элементов турбомашин с трещинами / Н.Г. Шульженко, П.П.Гонтаровский, И.И.Мележик // Вестник НТУ «ХПИ». Сб. научных трудов. Тематический выпуск: Динамика и прочность машин / НТУ «ХПИ». - X., 2004. -Вып.19. - C. 153 - 160.

6. Шульженко Н.Г. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергетических аг-

регатов: монография / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, Б.Ф.Зайцев — Х.: ХНАДУ, 2011 — 444 с.

7. Шульженко Н.Г. Расчет трещино-стойкости элементов конструкций методом конечных элементов / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, И.И. Мележик // Вестник НТУ «ХПИ». Сб. научных трудов. Тематический выпуск: Динамика и прочность машин / НТУ «ХПИ». — Х., 2005.-№21. - С. 127 — 132.

8. Механжа руйнування та мщшсть матерь ал1в: доввдниковий пошбник. / Пвд заг. ред. В.В. Панасюка. Том 7: Надштсть та довгов1чтсть елеменпв конструкцш теплоенергетичного устат-кування / 1.М. Дмитрах, А.Б. Вайнман, М.Г. Ста-щук, Л.Тот. Щц ред. ГМ.Дмитраха. — Кшв: ВД «Академперюдика», 2005. — 378с.

9. Гетман А.Ф. Ресурс эксплуатации сосудов и трубопроводов АЭС / А.Ф.Гетман. — М.: Энерго-атомиздат, 2000. — 427 с.

Поступила в редакцию 20.06.2011

I.I. Мележик, П. П.Гонтаровський, М.Г. Шульженко. Оцшка впливу волого-парового середовища на юнетику трщин в посудинах енергообладнання

Розроблена ранше методика розрахунковог оценки живучост^ високотемпературних еле-Menmie енергетичного обладнаннярозвинута на випадок врахування впливу волого-парового середовища. Дiаграми ци^чно1 mрiщиносmiйкосmi задаютъся за значеннями в окремих точках для врахування ¿хнъог складног форми. Наводятъсярезулътати розрахунковог оцш-ки тнетики поверхневог трщини в стшщ цилшдрично! частини барботажного баку в повimрi й у волого-паровому сeрeдовищi енергоблоку потужшстъ 100 МВт. Резулътати свiдчаmъ про значний вплив волого-парового середовища на живучстъ елемента конструкции.

Ключов1 слова: трщина, коефщюнт iнmeнсиeносmi напруженъ, живучстъ, волого-парове середовище, посудина енергообладнання.

I.I. MelezhyK, P. P. Gontarovsky, M. G.Shulzhenko. Estimation of influence of wet-steam environment on cracks cinetics in energy equipment vessels

Earlier developed calculation estimation technique of survivability of power equipment high-temperature elements advanced on a case of the account of influence of wet-steam environment. Cyclic crack resistance diagrams are set on value in separate points that allow taking into account their complex shape. Results of surface crack kinetics estimation calculation in the wall of bubble vessel cylindrical part a forecastle in air and in wet-steam environment of energetic block with power 100 MW of are given. The results are evidence of considerable influence of wet-steam environment on structural element survivability.

Key words: crack,stress intensity factor,survivability, wet-steam environment, energy equipment vessel.