На основании проведенных расчетов были сделаны следующие выводы:
целесообразен расчет напряженно-деформированного состояния на четырехугольной сетке конечных элементов в связи с необходимостью нахождения среднего арифметического для соседних элементов при треугольной сетке;
наиболее нагруженными по абсолютным величинам напряжений являются элементы 308, 332, однако амплитуды напряжений в них малы, что позволяет считать их неопасными;
наибольшие амплитуды напряжений наблюдаются в первых трех слева сечениях во внутренних аргументах, что позволяет считать их наиболее опасными и оценивать ресурс конструкции по НДС в этих элементах.
В процессе расчетов варьировались температурные перепады по диаметру тора (ΔΤ) и амплитуды температурных колебаний во времени. Расчеты дали следующие результаты:
наибольшие напряжения наблюдаются в крайнем левом и правом сечениях;
наибольшая амплитуда напряжений наблюдается в крайнем левом сечении;
колебания напряжений хорошо согласуются с колебаниями температур;
наибольшие амплитуды напряжений наблюдаются в местах наибольших амплитуд температур;
внутреннее давление оказывает влияние на решающий вклад в напряжение;
стационарный температурный перепад дает около половины реальных напряжений;
на долговечность конструкции в основном влияют А1σ и σмах.
Попытка расчета долговечности по формулам для многоцикловой усталости показала, что они иногда неприменимы из-за ограничения по числу циклов N ≤106.
Таким образом, существующие формулы не дают возможности точного определения ресурса изделия. Однако получены результаты, которые необходимы для расчета ресурса при появлении необходимой формулы или при построении усталостной кривой для стали 12Х18Н10Т.
Кризис кипения приводит к возникновению пульсаций температур теплопередающей стенки с частотой 0,5—2 Гц. Их происхождение объясняется высыханием в зоне кризиса пленки жидкости на стенке. При этом сначала появляется перемещающееся сухое пятно, затем число этих пятен увеличивается. Стенка начинает омываться попеременно то паром, то водой. Вследствие различного коэффициента теплоотдачи между водой и стенкой, паром и стенкой теплообмен локально то улучшается, то ухудшается. Возникают пульсации температуры поверхности теплообмена.
В змеевиковом ПГ на возникновение кризиса кипения влияет еще и центробежная сила, возникающая вследствие изгиба трубки. Она зависит от массовой скорости теплоносителя в трубке и радиуса ее навивки.
Под действием центробежной силы происходит сепарация, вода отбрасывается к наружной образующей трубки, оттесняя пар к внутренней.
Как показывают многочисленные исследования, кризис теплообмена возникает в разных сечениях по длине трубки на ее наружной и внутренней образующих. При расчетах было сделано предположение, что в зоне ухудшенного теплообмена внутренняя образующая омывается в основном паром, имеющим меньший коэффициент теплоотдачи, чем вода. Поэтому поверхность внутренней образующей прогревается до более высокой температуры, чем внутренняя поверхность наружной стенки, омываемая водой. Возникает температурный перепад по диаметру теплообменной трубки.
Смоделированная тепловая картина в змеевике имеет сложный характер, так как в зоне кризиса на возникающие здесь температурные пульсации накладывается средний стационарный температурный перепад по диаметру трубки, причем параметры обоих этих явлений изменяются по длине зоны кризиса.
Колебания температуры стенки трубки парогенератора вызывают возникновение переменных во времени температурных напряжений, что влияет на ресурс ПГ.
Как видно, проблема оценки долговечности такого объекта, как змеевиковый ПГ, является комплексной и требует либо всестороннего аналитического подхода с точки зрения гидравлики, теплофизики, прочности, либо исследования поведения конструкции в реальных условиях, поэтому необходимы долговременные и дорогостоящие эксперименты. Математическая модель реакции змеевика на внешнее воздействие осуществлялась на основе метода конечных элементов.
Тепловая картина представляется следующим образом: часть проходного сечения змеевика омывается водой, имеющей температуру насыщения (ТS = 342°C, р = 15 МПа). Температура стенки, омываемой водой, постоянна (= 350° С). На остальной части внутреннего периметра, омываемого то водой, то паром, температура стенки пульсирует с частотой 1 Гц. Среднее во времени значение температуры стенки линейно возрастает к внутренней образующей. В результате существует температурный переход по диаметру трубки [ΔТ=f(l)]. Амплитуда колебаний температуры линейно возрастает по периметру к внутренней образующей [Ат = f(l)].
В результате расчетов, проведенных на ЭВМ ЕС-1045, было получено НДС для шести вариантов теплового нагружения. Варьировались ΔТ и Ат.
Основными параметрами, характеризующими долговечность, являются максимальное значение напряжений в цикле и их амплитуда. Поэтому для выяснения влияния на ресурс параметров теплового воздействия были исследованы зависимости:
Анализ позволил сделать вывод, что увеличение ΔТ, т. е. возрастание средней температуры внутренней стенки при неизменной амплитуде температурных колебаний, улучшает условия работы, потому что уменьшаются напряжения, так как колебания температуры происходят на фоне меньшего температурного перепада между наружной и внутренней стенками в опасном сечении.
Был просчитан вариант с нулевым температурным перепадом по диаметру. По всему внутреннему периметру принимались одинаковая температура и амплитуда температуры (соответствующие максимальным значениям, т. е. значениям для опасной точки, для 1-го варианта). Средняя температура поверхности стенки была принята 390° С — на 40° С больше (при Ts = 342° С для р = 15 МПа).
Проведенные расчеты показывают, что неучет температурного перепада
(ΔТ= 40:100° С) по периметру трубки (внутренней и наружной образующих) приводит к занижению напряжений примерно на 4—7%. Поэтому ресурс, рассчитанный на основе напряжений, полученных без учета изменения по периметру средней температуры, будет завышенным, что может привести к уменьшению оценки долговечности в 4—7 раз [63].
При оценках долговечности необходимо учитывать также технологические дефекты (разностенность, овальность, трещины и т. д.) и при изготовлении змеевика, особенно змеевика с малым радиусом гиба: D/d ≥5:6.
