Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. ОСНОШЫЕ ПРОБЛЕШ И МЕТОДО ОЦЕНКИ ТЕШО-УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ РОТОРОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН 5 9
1.1. Образование трещин от термической усталости в роторах мощных паровых турбин 9
1.2. Малоцикловне деформационные и прочностные характеристики турбинных материалов 16
1.3. Влияние концентрации напряжений 22
1.4. Расчет долговечности и суммирование повреждений при термоусталости 25
1.5. Проблемы эксплуатационного контроля повреждений деталей паровых турбин г; 35
1.6. Цели и задачи работы t ї ,. *? 42
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ РОТОРНЫХ СТАЛЕЙ ШИ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР В ДИАПАЗОНЕ 100-50000 ЦИКЛОВ ДО РАЗРУШЕНИЯ
2.1. Экспериментальное оборудование 44
2.2. Методика проведения испытаний 50
2.3. Методика обработки экспериментальных данных 51
2.4. Программа испытаний 56
2.5. Результаты исследования малоцикловой усталости стали ЭИ-415 .60
2.6 Результаты исследования малоцикловой усталости стали Р2М І . .72
2.7 Обобщение характеристик малоцикловой усталости сталей Р2М и ЭИ-415 85
2.8. Выводы .90
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕЮДЙКЙ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ ПАРОВЫХ ТУРБИН НА ТЕРМОУСТАЛОСТЬ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ПО ДОЛГОВЕЧНОСТИ 91
3.1. Цели, методы и программа исследования 91
3.2. Экспериментальное оборудование и методика проведения экспериментов 94
3.3. Методика обработки экспериментальных данных 102
3.4. Оценка точности расчета концентрации напряжений в моделях.
3.5 Экспериментальная проверка методики на дисковых моделях. П8
3.6. Выводы 126
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ ПЕЙНЕРЕГУЛЯРНОМ НАГРУЖЕНИИ 127
4.It Феноменологическая теория деформирования и разрушения материала при нерегулярном упру го-пластическом деформировании. 127
4.2; Методика и программа испытаний 137
4.3. Исследование поведения роторных сталей при нерегулярном натрушений ; 142
4.4. Исследование термической усталости при нерегулярном нагружении дисковых моделей. 152
4.5. Выводы 166
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПАРОВЫХ ТУРБИН НА ПОВРЕВДЕННОСТЬ РОТОРОВ 168
5.1 Задачи и методы исследования 168
5.2. Автоматизированное построение диаграшш деформирования и расчет повреждений . 175
5.3. Долговечность роторов турбины К-300-240 при переменных режимах работы . 180
5.4. Выводы 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 195
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 197
- Образование трещин от термической усталости в роторах мощных паровых турбин
- Экспериментальное оборудование
- Цели, методы и программа исследования
- Феноменологическая теория деформирования и разрушения материала при нерегулярном упру го-пластическом деформировании.
- Задачи и методы исследования
Образование трещин от термической усталости в роторах мощных паровых турбин
Анализ имеющихся литературных данных показывает, что образование трещин термоусталостного происхождения в роторах мощных паровых турбин стало массовым явлением. Так, например, в работе /6/ отмечается, что за двадцать лет с 1954 гі по 1974 г. около 9% высокотемпературных роторов паровых турбин фирмы Дженерал Электрик имели трещины термоусталостного происхождения (рис.І.І)і В работе /7/ приведены данные о десяти турбинах фирмы Вестингаув, в роторах которых также были обнаружены термоусталостные трещины, причем эти турбины в течение примерно 5 лет работали в переменных режимах. Трещины обнаруживались в зоне концентрации напряжений.
В работе /8 /лриводятся данные о 12 случаях появления трещин в тепловых канавках и придисковых галтелях высокотемпературной части ротора турбин мощностью 200 МВт. Среднее число пусков для этой группы турбин, работавших в энергосистемах ПНР, составляло 305.
Аналогичные явления возникали и в относительно небольших турбинах в ФРГ /9/, причем исследования показали, что трещины в сварных роторах являются следствием термических напряжений, возникающих при луско-остановочном режиме работы.
В настоящее время сведения об образовании термоусталостных трещин в роторах энергетических паровых турбин имеются в основном в зарубежных источниках. Так в работе /8/ приводятся данные о появлении трещин термической усталости в придисковых галтелях первых ступеней и тепловых канавках диафрагменных уплотнений в роторе совмещенных ОДЦ и ЦСД паровых турбин мощностью 125 МВт на начальные параметры пара 12;7 МИа/538С. Например, в роторе одной из таких турбин после 70 тыс. часов работы и 369 пусков трещины занимали от 1/4 до полной дуги окружности (рис, 1.2; 1.3) а для их удаления потребовалось снять поврежденный слой металла глубиной I мм с увеличением радиуса тепловых канавок. Важно при этом отметить, что турбины указанного типа, а также все остальные мощностью до 175 МВт и часть турбин мощностью до 350 МВт работают в Японии с ежедневными остановами турбины мощностью до 600 МВт подвергаются еженедельным остановам, а блоки до 1000 МВт разгружаются ежесуточно до технического минимума .
Экспериментальное оборудование
Испытания роторных сталей на малоцикловую усталость осуществлялись на спроектированной и изготовленной в МЭИ экспериментальной установке, которая получила название машины программного нагружения (ШШ) .-./69/
МШ предназначена для изучения закономерностей деформирования и разрушения материалов при растяжении-сжатии в условиях нормальных и повышенных температур; Испытания осуществляются на специальных образцах, изготовленных из исследуемого материала /20/ (рис.2.1ауб)!; Основным типом использованных в ходе описываемых испытаний образцов явились тонкостенные трубчатые образцы с резьбовыми головками, изображенные на рис,2.1а, Такая конструкция обеспечивает устойчивость образца при сжатии и одновременно отличается относительно небольшой площадью поперечного сечения рабочей части, что является существенным с точки зрения ограниченного усилия, развиваемого машиной в процессе нагружения ( 30 КН). Наличие галтели при .переходе от рабочей части образца к резьбовой головке чревато возникновением концентрации напряжений в случае неправильно выполненного радиуса округления. Это обстоятельство при контроле образцов, предназначенных для испытаний учитывалось.
По кинематическому принципу МШ относится к испытательным машинам рычажного типа с подвижным нижним захватом (рис«!2)« Рабочий рычаг (Р) перемещается в нужном направлении с помощью мотора-редуктора (MP) постоянного тока, а направление и величина перемещения определяется системой автоматического управления (САУ); Рычаг шарнирно соединен с нижним захватом (НЗ), который и играет роль нагружающего элемента. Верхний захват (ВЗ) неподвижно закреплен на станине машины, В конструкцию верхнего захвата включен динамометр для измерения развиваемого на образце усилия. Оба захвата представляют собой массивные металлические траверсы, которые могут перемещаться по двум направляющим колоннам. Такая конструкция обеспечивает необходимую жесткость и сводит к минимуму возможные перекосы образца, в результате которых могут появиться дополнительные изгибные напряжения.
МЛН может использоваться для испытания материалов при повышенных температурах. Нагрев образцов в этом случае осуществляется за счет пропускания через них электрического тока от сварочного трансформатора. Контроль за температурой рабочей части образца производится при помощи хромель-алюмелевой термопары, приваренной контактной сваркой к наружной поверхности образца. Сигнал от термопары поступает на регулирующий потенциометр; Поддержание необходимой температуры с точностью І5С /20/ осуществляется путем периодического отключения греющего тока. Отличительной особенностью такой схемы нагрева является наличие градиентов температур по длине образца, что связано с оттоком тепла в относительно холодные захваты; Поэтому в качестве прибора, регистрирующего деформацию образца в ходе испытаний, в МЛН использован фотоэлектронный экстензометр ФЭТ-80 /70/. Главной отличительной особенностью такого метода измерений является возможность по
Цели, методы и программа исследования
В настоящей главе излагаются результаты экспериментальной проверки методики расчета деталей паровых турбин на термическую усталостью Особое внимание при этом уделялось тому, чтобы охватить возможно больший диапазон по долговечности, а, в частности, области, наиболее характерные для работы деталей турбин ( 105циклов),
При проведении экспериментов ставилась задача попытаться воспроизвести основные факторы, характерные для условий работы материала в реальной детали. К ним прежде всего относятся наличие концентрации напряжений и неизотермичность нагружения в заданном интервале температур. Кроме этого, испытания, разумеется; проводились на моделях, изготовленных из турбинных материалов В целях обеспечения указанных выше условий для проведения экспериментов были выбраны модели в виде плоских дисков толщиной 8 мм с наружным диаметром 200 мм и внутренней расточкой диаметром 60 мм (рис.3.1) По периферии моделей путем фрезерования с последующей шлифовкой были выполнены 10 одинаковых концентраторов, расположенных равномерно по окружности. Концентраторы представляют собой 17-образную выточку глубиной 8 мм с радиусом корня 1,5 мм; Таким образом, геометрия концентраторов аналогична геометрии тепловых канавок в ушютнаниях крупных отечественных паровых турбин, а диаметры моделей сравнимы с наружным диаметром и диаметром внутренней расточки вала ротора турбины.
Дисковые модели из стали ЭИ-415 изготавливались из кованых втулок той же партии, что применялась при изготовлении образцов для МЛН (партия 2, табл.2.1). Как уже отмечалось в главе 2, этот материал соответствует техническим условиям, а сами втулки прошли полный цикл термообработки и ковки вместе с ротором одной из турбин.
В ходе испытания модели подвергались циклическому нагреву с периферии токами высокой частоты (см. рис.3.2), а затем охлаждались потоком воздуха. Возникающие термические циклические напряжения приводили к образованию трещин в корне концентраторов.
Составление программы испытаний опиралось на анализ работы реальных паровых турбин. В частности, поскольку максимальная температура пара в проточной части в зоне первых наиболее горячих ступеней находится на уровне 500С (для турбин с начальной температурой 540С); это значение и было выбрано в качестве максимальной температуры цикла Тмякрю
Феноменологическая теория деформирования и разрушения материала при нерегулярном упру го-пластическом деформировании
Под нерегулярным упруго-пластическим нагруженном понимается процесс циклического нагружения с переменными амплитудами напряжений и деформаций, которые могут многократно меняться в течение всей истории деформирования» Если в изменении амплитуд деформаций и напряжений наблюдается некоторая периодичность, то можно говорить о блочном нагружении.
Основные положения рассматриваемого подхода к учету нерегулярности нагружения материала разработаны в работах А.Г.Костюка /54,55/; Суть их сводится к тому, что при, сложной программе пластического деформирования влияние истории нагружения учитывается путем введения ряда структурных параметров, значения которых однозначно определяют сопротивление материала деформированию и разрушению. Если в рассматриваемой модели не учитывать влияние ползучести, то в качестве одного из структурных параметров можно принять величину удельной энергии, рассеянной в материале вследствие кратковременной пластической деформации: где интегрирование производится по всему пути деформирования; Є - напряжения; 6 - пластическая деформация»
В качестве второго структурного параметра можно принять повреждение материала ft ,- величина KOfoporo равняетоя нулю в начале нагружения и единице при разрушении. Степень повреждения V можно интерпретировать как ослабление сечения вследствие накопления дефектов.
Введение двух указанных структурных параметров подразумевает наличие связи между ними, которая может описываться соотношением
Условие (4.2) предполагает, что повреждение материала вызывается необратимыми деформациями, а скорость накопления повреждений пропорциональна скорости рассеяния энергии при пластическом деформировании Очевидно, что величина гЬ должна зависеть от величин, определяющих режим нагружения и состояние материала в любой момент времени-; т.е. гь есть функция от 6Г , it ж №% Для дальнейших рассуждений материал предполагается структурно стабильным.
С учетом всего вышеизложенного, система уравнений , описывающих поведение материала; будет иметь следующий вид: где величина ВТ1 является пластическим модулем и определяется диаграммой деформирования материала; которая в дифференциальном виде записывается следующим образом: а после интегрирования приводится к соотношению (І.І).
Задачи и методы исследования
В соответствии с общими задачами настоящей работы, сформулированными в 1.6, необходимо создать эффективные методы расчета термоусталостной прочности роторов паровых турбин, которые основывались бы на положениях и выводах общей методики расчета деталей на термоусталость в условиях нерегулярного нагружения, сформулированных ранее на основе проведенного экспериментально-теоретического анализа. Как отмечалось в разделе I, наиболее эффективным способом реализации указанных методов явилось бы создание программ для цифровой ЭВМ, работа которой должна обеспечить расчет напряженного-деформированного состояния металла ротора в наиболее опасных участках и определение степени исчерпания малоциклового ресурса. Постановка задачи требует, чтобы при проведении расчетов учитывались такие важные особенности работы материала, как повышенные температуры, наличие концентраторов напряжений в виде тепловых . канавок и придисковых галтелей в роторах, а также наличие эффекта циклического упруго-пластического деформирования.
Строгое решение поставленных задач программными средствами связано с очень большими вычислительными трудностями, а возможный объем оперативной памяти, необходимой для реализации таких программ, весьма велик, что требует применения больших быстродействующих ЭВМ. К таким программам относятся например программы решения задач по определению полей напряжений и деформаций методом конечных элементов (МКЭ).
Задача усложняется также тем обстоятельством, что режим наг-ружения заранее неизвестен, а зависит от конкретного режима работы паровой турбины, который, в свою очередь, определяется большим числом технико-экономических параметров. Это означает, что создаваемая программа должна учитывать сложный нерегулярный характер нагружения материала в зоне концентрации.
Все сказанное выше имеет существенное значение при разработке программы, так как предполагается ее использование непосредственно в эксплуатационных условиях электростанции в сочетаний с упоминавшимися в разделе I устройством для контроля за прогревом роторов (УКПР). Это означает, что указанная программа должна отличаться быстродействием и занимать малый объем памяти ЭВМ, чтобы быть пригодной для работы в составе счетчика ресурса, а кроме того, она должна использовать в качестве исходных данных информацию, получаемую на входе УКПР.
В связи с изложенными соображениями, был разработан алгоритм со программы, в соответствии с которым ротор турбины моделируется полым цилиндром бесконечной длины с неравномерным по радиусу температурным полем (рис.5.1). Это означает, что, по существу, решается одномерная задача нестационарной теплопроводности, а расчет номинальных напряжений сводится к задаче о плоеной деформации. Введение такой модели связано с определенными погрешностями, однако значительно упрощает и ускоряет ход решения, а во многих случаях дает вполне удовлетворительный результат /88/
Использование одномерной модели позволило применить для решения задачи теплопроводности конечно-разностный метод с неявной схемой расчета. При этом радиус ротора разбивался на достаточно большое число участков, причем эта же сетка использовалась для определения номинальных напряжений без учета концентрации.
Рассчитанное в каждый момент времени температурное поле использовалось для определения компонент тензора напряжений и деформаций для любой точки по радиусу ротора: QZH (осевые), &ен (окружные), бън (радиальные напряжения соответствующих деформаций. При этом при расчете учитывается зависимость модуля упругости Е и коэффициента линейного расширения ОС от температуры. Полученные значения позволили получить интенсивности номинальных напряжений він и деформаций Сін для любой точки по радиусу.
