ГЛАВА ВОСЬМАЯ
КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ
РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ
ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОБЛОКОВ
Одним из важных звеньев обеспечения эксплуатационной надежности оборудования, кроме правильного выбора материала и технологии его изготовления, является конструкционная прочность этого оборудования, определяемая выбранной конструкцией и методами расчета на прочность.
В СССР основные методы и требования по расчетам на прочность тепломеханического оборудования тепловых электростанций изложены в действующих нормах [8-1]. Расчеты элементов, не включенных в ’[8-1] (фланцевые соединения, трубопроводы, опоры и др.), выполняются в соответствии с требованиями нормалей, руководящих указаний и справочной литературы [8-2—8-4], которые в определенной степени дополняют нормы.
В основу принятых в [8-1] методов расчета деталей тепломеханического оборудования электростанций положен принцип оценки прочности по несущей способности, обеспечивающий достаточно полное использование механических свойств материалов и надежность работы деталей при условии соблюдения требований Правил Госгортехнадзора к материалам и сварным соединениям.
При разработке норм [8-1] был учтен отечественный и зарубежный опыт проектирования, производства и эксплуатации энергооборудования. В связи с этим нормы, принятые в СССР, по запасу прочности, по точности и методам оценки приведенных напряжений находятся на уровне зарубежных.
Например, основные расчетные формулы американского кода несколько отличаются от норм, принятых в СССР. Однако результаты расчетов примерно одинаковы, поскольку принципы оценки прочности деталей по несущей способности одни и те же. Так, оценка прочности труб паропроводов острого пара и промежуточного перегрева энергоблоков 300—800 МВт по советским нормам производится по формуле [8-1]
а по американскому коду по формуле [8-5]
где s — толщина стенки трубы; р — давление; оДОп — допускаемые напряжения; сиу — коэффициенты, разница между которыми составляет 3—5 %.
Однако особенность кода состоит в том, что даже для однотипных деталей (барабанов, труб и др.) в зависимости от соотношения диаметров, толщины стенки и марки стали соотношения отдельных величин и коэффициенты, входящие в расчетные формулы, даются дифференцированно. Для расчета барабанов, например, имеются три разновидности формул, для труб — две; коэффициент у для аустенитных сталей принимается равным 0,4, а для перлитных и ферритных 0,7. Эго несколько затрудняет выполнение расчетов, но повышает точность результатов.
Критерии прочности, принятые в советских и зарубежных нормах, идентичны. Запас прочности по пределам текучести и длительной прочности в советских нормах и в нормалях ФРГ принят равным 1,5. В американском коде он больше: 1.6—1,65. Запасы по пределу прочности в нормах СССР 2,6, США 3. Допустимые напряжения для однотипных сталей в нормах США, ФРГ и других зарубежных стран до 1971 г. были меньше, чем в отечественных, на 10—20%. В одних случаях это объясняется большим значением коэффициента запаса прочности, а в других — тем, что не учитывается упрочнение сталей термообработкой. В 1971 г. допустимые напряжения для основных котельных сталей в СССР уменьшены примерно на 20% и находятся на уровне зарубежных норм. Однако такое решение представляется неоптимальным, и задача разработки научно обоснованных нормативных материалов для выбора допустимых напряжений, а также обеспечение их гарантии представляют в настоящее время серьезную проблему.
В новых нормах, утвержденных Госгортехнадзором в 1975 г., учтен многолетний опыт изготовления и эксплуатации оборудования энергетических блоков и внесен ряд изменений и дополнений. Так, наряду с уточненными значениями допускаемых напряжений при базе 100 тыс. ч даются их значения при 200 тыс. ч; уточнены коэффициенты прочности сварных соединений и оболочек, ослабленных двумя отверстиями; в расчетные формулы для гибов введены дополнительные коэффициенты для учета овальности; приведена методика оценки ресурса работы оборудования с учетом переменного графика температур; впервые введены требования в части выполнения поверочных расчетов камер, труб поверхностей нагрева и трубопроводов с учетом дополнительных нагрузок; добавлены другие положения, направленные на повышение надежности энергоустановок.
На основе новых норм разработан и одобрен стандарт для стран СЭВ по расчету котлов на прочность [8-6], введение которого будет способствовать унификации и стандартизации деталей энергетического оборудования в социалистических странах.
Несмотря на прогрессивный характер. новых норм, в качественном плане их, так же как и в первую часть кода ASME, можно отнести к первому поколению нормативных материалов, регламентирующему выбор основных элементов оборудования без учета нестационарных режимов его эксплуатации. Это обусловлено отсутствием надежных данных о циклической прочности и механике разрушения материалов в области высоких температур. В этом направлении за рубежом и в СССР ведутся интенсивные исследования. Имеются также руководящие материалы, направленные на введение единых методов расчетной оценки долговечности высокотемпературных элементов оборудования энергетических установок с учетом нестационарных режимов их нагружения [8-7 и др.]. Однако рекомендуемые в этих материалах критерии прочности и методы расчетов требуют доработки и дополнительной проверки в лабораторных и промышленных условиях.
В конце 1974 г. в СССР были введены новые нормы для расчета на прочность оборудования АЭС [8-5]. В них наряду с расчетами на статическую прочность предусмотрены поверочные расчеты с анализом напряженного состояния по категориям напряжений, а также расчеты на циклическую прочность и склонность к хрупким разрушениям в интервале температур до 360°С для углеродистых сталей и до 450°С для нержавеющих. Аналогичные нормы для расчетов оборудования, работающего при умеренных температурах, имеются и за рубежом. Опыт применения этих нормативов свидетельствует о высокой их эффективности и подтверждает широкие возможности рекомендуемых в них методов в части выбора оптимальных режимов эксплуатации оборудования и прогнозирования его долговечности с учетом действующих нагрузок.
Эти нормы условно можно отнести ко второму поколению нормативных материалов, которые предопределяют качественно новую ступень расчетов промышленного оборудования на прочность на основе широкого использования теории упругости, строительной механики и современной вычислительной техники. В настоящее время также интенсивно ведутся исследования в направлении разработки методов расчетов оценки допускаемых дефектов и хрупкой прочности различных конструкций [8-8 и др.]. Практическое применение этих методов будет способствовать дальнейшему прогрессу энергомашиностроения.
