Практическое значение проблемы
Проблема расчета прочности трубопроводов энергетических установок с учетом температурных напряжений, возникающих при нестационарных режимах работы, весьма актуальна. Это обусловлено, прежде всего, стремлением сократить время и затраты на прогрев трубопроводов и обеспечить надежность их при пусках энергоустановок «из неостывшего состояния». Следует отметить расширяющееся применение в энергоустановках толстостенных трубопроводов. Так, толщина стенки главного паропровода некоторых энергоблоков превышает 100 мм. При нестационарных режимах в стенках таких трубопроводов возникают большие температурные напряжения от радиальных градиентов температуры.
Особенно актуальна задача учета нестационарных режимов для стареющих ТЭС, паропроводы которых выработали или почти выработали парковый ресурс и для которых имело место большое число циклов пуск-останов за время их эксплуатации.
В мировой энергетике имели место случаи разрушения трубопроводов от воздействия температурных нагрузок при нестационарных режимах эксплуатации. В частности, анализ 47 повреждений паропроводов из стали с 0,07% С и 0,5% Мо на шести электростанциях США показал, что 37 повреждений произошли из-за повышенных напряжений при переменных режимах, когда к ночи температура пара в паропроводе снижалась от 488 до 250 °C, а утром резко повышалась до 488 °C, а часто и до 540 °C.
Состояние проблемы
Научная разработка проблемы началась с решения задачи о нестационарной теплопроводности в трубах. Задача эта в математической форме формулируется следующим образом. Требуется решить дифференциальное уравнение теплопроводности при заданном начальном распределении температуры и граничных условиях (третьего рода). Аналитическое решение этой задачи в общей постановке встречает значительные трудности. Поэтому в ряде работ решение строилось с введением некоторых упрощающих предположений. Наиболее просто задача решается, если исходить из схемы так называемого квазистационарного температурного режима. Под последним понимается такое температурное состояние, которое устанавливается в прогреваемом изнутри трубопроводе спустя некоторое время после начала прогрева при выполнении следующих условий:
- температура обогревающей среды изменяется по линейному закону;
- коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности и теплофизические свойства материала постоянны; отсутствует теплообмен на наружной поверхности.
Экспериментальными исследованиями было установлено, однако, что в действительности в трубопроводах энергетических установок при прогреве и расхолаживании квазистационарный режим не реализуется. Было показано также, что расчет допустимых скоростей прогрева и расхолаживания по схеме квазистационарного режима приводит к заниженным значениям этих скоростей.
Следует отметить разноречивость имеющихся рекомендаций по критерию прочности трубопроводов при учете нестационарных температурных напряжений.
В связи с этим, более достоверной представляется следующая методика расчета. Температура обогревающей среды может изменяться во времени по произвольному графику. Учитывается теплообмен с окружающей средой. Коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях также могут изменяться во времени по произвольному графику. Задачи теплопроводности и напряженно-деформированного состояния решаются в едином комплексе, что способствует построению рациональной программы расчета.
Для решения первой задачи применяется метод элементарных тепловых балансов, а для решения второй — способ дискретизации. Это позволяет учесть изменение теплофизических и механических параметров материала по толщине стенки.
Допускается нагружение за предел упругости, учитываются деформации ползучести. Как показал опыт практического использования такой методики, она оказалась эффективным средством решения разнообразных практических задач по эксплуатации трубопроводов (определение скоростей прогрева и расхолаживания, расчет прочности при температурных ударах, оптимизация режимов прогрева и т. д.).
Критерии прочности при этом основываются на результатах исследования малоцикловой усталости металлов.
Закономерности циклического деформирования трубопровода при воздействии нестационарной температурной нагрузки
Работа энергетического оборудования включает как периоды установившихся режимов, так и периоды не установившихся (переходных) режимов (пуски, остановы). Поэтому нагружение трубопроводов энергоустановок в процессе эксплуатации является циклическим. Каждый цикл нагружения трубопровода делится на этапы прогрева (I), установившегося режима (II) и расхолаживания (III).
При не установившихся режимах в трубопроводе возникают дополнительные напряжения от температурного перепада по толщине стенки.
Суммарные напряжения от температурного перепада по толщине стенки и других нагружающих факторов при нестационарном режиме могут превышать напряжения, соответствующие стационарному режиму.
В дальнейшем нагрузка от нестационарного перепада температуры по толщине стенки именуется температурной нагрузкой, а совокупность нагрузок от компенсации температурных расширений, весового фактора, давления, усилий опор — механической нагрузкой.
Рассматриваемые циклы деформирования трубопровода отличаются наличием «надстройки», обусловленной температурной нагрузкой. При этом принимается, что циклическое деформирование является жестким, и величина полной деформации достаточно точно определяется расчетом трубопровода по «упругой» схеме.
Качественный анализ деформирования относится к точке, характеризуемой наибольшей напряженностью. Принятая идеализация процесса позволяет исключить из рассмотрения влияние пластического деформирования в других точках трубопровода. Предполагается также, что напряженно- деформированное состояние трубопровода на этапах прогрева и расхолаживания вполне определяется средней температурой стенки.
