Гибы труб — один из наиболее повреждаемых элементов теплоэнергетического оборудования. Разрушения трубопроводов большого диаметра на энергоблоках 500 и 800 МВт следует считать особенно опасными. Поэтому оценка работоспособности гибов таких трубопроводов — вопрос очень актуальный.
Согласно принятой в настоящее время методике расчета по предельным нагрузкам, положенной в основу действующих норм расчета на прочность, толщина стенок прямых и криволинейных паропроводных труб отличается весьма незначительно. На этом основании прямые и гнутые участки изготавливаются из труб с одинаковой толщиной стенки. Однако это справедливо при статическом нагружении и высокой пластичности материала, поскольку дополнительные напряжения, вызванные, например, искажением формы поперечного сечения трубы, пропадают при переходе металла к предельному состоянию. В тех же случаях, когда ресурс пластичности стали недостаточен или разрушение труб происходит вследствие ползучести или усталости, влияние дополнительных напряжений на разрушение может быть весьма значительным. Поэтому примерно равным запасам прочности по предельным нагрузкам могут соответствовать существенно отличающиеся запасы по ползучести, выносливости или сопротивлению хрупкому разрушению, а потому и оказывается неодинаковой надежность прямых труб и гибов, эксплуатируемых при одних и тех же рабочих параметрах среды. Одной из главных причин различия напряженного состояния гиба и трубы является искажение поперечного сечения трубы при гнутье: из кругового оно переходит в эллиптическое или принимает еще более сложную форму — искаженный эллипс, сплющенный с внешней (растянутой) части и вытянутой с внутренней (сжатой) части гиба. Искажение формы поперечного сечения приводит к тому, что напряжения, вызываемые внутренним давлением, перераспределяются по контуру сечения, на внутренней стенке нейтральной части и на внешней стенке растянутой части гиба возникают дополнительные окружные растягивающие напряжения, складывающиеся с основными (мембранными), которые действуют в трубе кругового сечения при ее нагружении внутренним давлением. При подсчете суммарных эксплуатационных напряжений следует учитывать также напряжения, обусловленные утонением стенки на растянутой части гиба, и дополнительные напряжения от внешних изгибающих моментов вследствие самокомпенсации температурных расширений трубопроводов. Наличие в металле гибов металлургических дефектов типа рисок, закатов и задиров резко усиливает действие напряжений.
При умеренных рабочих температурах (примерно до 370°С для труб из углеродистой и низколегированной стали) основным видом повреждений являются коррозионно-усталостные трещины в нейтральной зоне гиба. При температурах, при которых заметно проявляется ползучесть, разрушения происходят вследствие исчерпания длительной прочности либо длительной пластичности материала гибов. Наиболее распространенный вид повреждений таких гибов — трещины в районе их внешней образующей, развивающиеся с наружной поверхности внутрь трубы. В ряде случаев, особенно при частых пусках котлов, наряду с этим наблюдается растрескивание металла внутри трубы в районе нейтральной образующей, при этом трещины развиваются изнутри к наружной поверхности.
По внешнему виду разрушения делятся на «хрупкие» с сохранением исходной формы поперечного сечения гиба и «вязкие» со значительным раскрытием трещин и заметным утонением стенки. Во всех этих случаях значительную, а часто и решающую роль играют неучитываемые при обычных расчетах на прочность дополнительные напряжения, обусловленные неправильной формой поперечного сечения изогнутой трубы.
Приближенная оценка дополнительных напряжений, возникающих при изгибе стенки трубы под действием внутреннего давления, возможна по овальности сечения. Максимальные эквивалентные дополнительные напряжения от внутреннего давления в гибах с правильным эллиптическим поперечным сечением могут быть вычислены по формуле (8-14)
где р — давление; DH — наружный диаметр; s — толщина стенки; «о — начальная·1 эллиптичность колена; ут — коэффициент интенсификации окружных напряжений (определяется по номограмме РТМ 24.038.08-72); λ — параметр колена:
R — средний радиус гиба трубы; г — средний радиус сечения трубы.
Так, в результате расчета дополнительных напряжений для гибов главного паропровода 465X Х75 мм и магистралей горячего промперегрева 630X25 мм энергоблока 800 МВт при рабочем давлении и исходной овальности 8% получены следующие значения: 15,0 и 14,0 кгс/мм2 соответственно.
Для более точного определения напряжений надо знать действительную форму сечения и толщину стенки трубы в разных точках периметра.
Наиболее тангенциальное неизогнутой трубы с овальностью а, %', при циклическом нагружении ее внутренним давлением, может быть вычислено по формуле (8-15)
(8-17)
где σΠρ — приведенное напряжение, соответствующее номинальным размерам трубы; Д)—коэффициент пересчета приведенного напряжения в напряжение на поверхности стенки гиба с сечением круговой формы; Дг — коэффициент пересчета приведенного напряжения в дополнительные изгибные напряжения на поверхности изогнутой трубы эллипсного сечения; Д8 — поправка на разностенность; у — поправка на выправление формы сечения под действием давления; Дз — коэффициент, учитывающий возможное увеличение напряжений из-за отклонения действительной формы сечения от эллипсной.
Рекомендуемые в [8-15] значения коэффициента Дз получены путем статистической обработки результатов обмера большого числа гибов труб диаметрами 32 и 108 мм. С учетом того, что форма сечения изогнутой трубы зависит от размеров трубы и технологии гнутья, приемлемость· полученных значений Д3 для гибов труб большого диаметра требует подтверждения. То же относится и к коэффициенту Дз в формуле (8-17).
Данные о форме сечения гибов труб большого диаметра весьма ограничены. На таких трубопроводах гибы все чаще заменяются штампосварными коленами, .сведения о форме сечения которых отсутствуют. Для накопления данных о форме сечения гибов труб большого диаметра надо располагать удобным способом ее определения. При небольших диаметрах форма сечения измеряется при помощи охватывающего трубу базового кольца точной круговой формы. Положение точки на поверхности трубы определяется ее расстоянием от базового кольца и угловой координатой. Для трубопроводов большого диаметра этот способ неудобен. Кольцо получается тяжелым и громоздким. Для измерений непосредственно на трубопроводе кольцо должно быть разъемным, что еще более усложняет задачу обеспечения достаточной жесткости кольца при сохранении приемлемой массы. Применяемые иногда цепные устройства, взаимное положение звеньев которых фиксируется после наложения их на трубу, также имеют большую массу. Кроме того, они позволяют лишь перенести форму сечения на бумагу,'но не измерить ее.
Более удобно вести измерения с помощью радиусомера (рис. 8-4), используя в качестве базы отсчета поверхность измеряемой трубы. Такой способ был в свое время предложен Кильпи. Более совершенный способ, позволяющий по результатам измерений сразу вычислить отклонение контура сечения от окружности нулевых моментов, разработан в УралВТИ (рис. 8-5).
При обмере одних и тех же сечений данным способом и с помощью базового кольца разница в максимальных отклонениях профиля от окружности нулевых моментов была не более 10%.
С помощью радиусомера были измерены гибы труб 377X60 мм главного паропровода и штампосварные колена горячего паропровода промперегрева блока мощностью 500 МВт Троицкой ГРЭС. Начальная овальность гибов 3,6—3,8, овальность колен 0,2—1,2%'.
Вычислив наибольшие изгибные напряжения, возникающие в стенке трубы под действием внутреннего давления, по формуле [8-16]
где w — отклонение контура от окружности радиуса г, и сопоставив их с дополнительными напряжениями, определяемыми вторым слагаемым формулы (8-17), можно найти коэффициент Кз-
Рис. 8-4. Радиусомер.
Рис. 8-5. Схема измерения формы сечения трубы; 1, 2, 3, ..., я — участии разметки.
Полученные результаты представлены на рис. 8-6 вместе с известными данными для гибов других трубопроводов диаметром 245— 550 мм.
Точки, характеризующие гибы большого диаметра, располагаются в основном ниже линии регрессии, полученной по данным измерений гибов труб небольшого диаметра. Однако до подтверждения этого положения достаточно большим количеством измерений следует из осторожности ориентироваться при расчетах на верхнюю границу доверительного интервала, которая аппроксимируется выражением
Для штампосварных колен Кг не превышает 2,1.
Рис. 8-6. Зависимость коэффициента Кг от овальности сечения а (нейтральная зона гиба).
А — линия регрессии для гибов труб диаметром 32X4 и 108X4,5 мм; Б — верхняя граница 99%-ного доверительного интервала для тех же гибов; тибы труб; 1 — наружный диаметр 273 мм; 2 — 325 x 30 мм; 5 — 426X17; 4 — 245X25; 5 — 377X60; б— 740X35, Л=1000 (штампосварные колена); 7 — 550X25 мм.
Если качество изготовления штампосварных колен холодного паропровода промперегрева такое же, как и горячего, то амплитуда местных напряжений в них, обусловленных циклическим изменением давления среды, при пусках и остановах составляет лишь 4 кгс/мм2. Это гарантирует отсутствие усталостных напряжений. Однако следует отметить, что вывод этот получен без учета разностенности колена (данных о которой нет) и пониженной прочности сварного соединения.
Более точные расчеты напряженного состояния с учетом действительной формы поперечного сечения гиба могут быть выполнены на цифровых ЭВМ 18-14]. Расчеты двух натурных гибов 426X17 мм с учетом действительной формы их поперечного сечения дали следующие результаты максимальных эквивалентных напряжений от действия рабочего внутреннего давления (р = 40 кгс/см2): 22,0 кгс/мм2 для трубы, близкой к эллиптической при α=4,4% [8-17], и 16,7 кгс/мм2 для трубы с овальностью, близкой к нулю [8-14].
При высоких температурах форма сечения гиба в результате ползучести постепенно приближается к круговой 1[8-18], а дополнительные напряжения уменьшаются. Если усреднить (по времени) значение местного напряжения в наиболее нагруженной точке сечения, то по кривой длительной прочности для данного материала можно оценить срок службы гиба. Максимальное напряжение на наружной поверхности трубы овального сечения в установившейся стадии ползучести может быть определено по формуле
(8-18)
где т — показатель ползучести; С — коэффициент, зависящий от т и β.
Коэффициент С выражается через корни характеристического уравнения Ху уу уз и постоянные Су С% С3, Су входящие в дополнительную функцию напряжений и определяемые из граничных условий. Вычисленные значения коэффициента С приведены на рис. 8-7.
Усредненное по времени напряжение с достаточной точностью можно получить, если в формулу (8-18) подставить среднее значение отклонения контура от окружности нулевых моментов
где w — максимальное отклонение контура к концу рассматриваемого интервала времени; но'о — условное начальное отклонение с учетом изменения формы сечения в неустановившейся стадии ползучести.
Рис. 8-7. Коэффициент С к формуле (8-18).
Способ вычисления w и w'0 по начальному отклонению wо указан в '[8-18]. Сопоставление расчетной и фактической долговечности разрушившихся гибов паропроводов, изготовленных из стали 12Х1МФ и работавших при температуре 540°С, подтвердило, надежность описанного метода расчета.
Средние напряжения для гибов главного паропровода блока мощностью 500 МВт, рассчитанные на базе 100 тыс. ч с учетом формы сечения гиба и справочных характеристик ползучести, оказались равными 7,4 кгс/мм2. При начальной овальности гиба 8% они увеличиваются до 8,5 кгс/мм2, что значительно ниже предела длительной прочности стали (11,2 кгс/мм2).
Гибы труб 550X25 мм горячего паропровода промперегрева имеют овальность 5,3—6,2'%‘, что соответствует усредненным напряжениям 9,6 кгс/мм2. Для гибов с овальностью 8% усредненные напряжения достигают предела длительной прочности. Усредненные напряжения для штампосварных колен составляют 6,2—6,7 кгс/мм2
Таким образом, срок службы гибов основных паропроводов и штампосварных колен энергоблока мощностью 500 МВт Троицкой ГРЭС по расчету составляет не менее 100 тыс. ч, т. е. гибы можно считать вполне работоспособными. Работоспособность гибов труб большого диаметра других установок следует оценивать с учетом их фактических размеров и качества изготовления. Опыт эксплуатации показывает, что в случае некачественного изготовления ресурс этих гибов может быть значительно меньше расчетного.
Работоспособность высокотемпературных гибов зависит также от деформационной способности материала. Из расчетного анализа прочности паропроводных гибов с учетом деформационной способности материала i[8-19] следует, что относительная прочность овальной трубы возрастает при увеличении пластичности материала и уменьшении овальности в исходном состоянии. Таким образом, при обеспечении необходимого уровня длительной пластичности гиб становится практически равнопрочен круглой трубе с толщиной стенки, равной наименьшей толщине стенки гиба.
