Приложение Г. Методические рекомендации по расчету циклической долговечности барабанов котлов

Приложение Г

Методические рекомендации по расчету циклической долговечности барабанов котлов

Настоящие Методические рекомендации распространяются на барабаны котлов высокого давления, изготовленные из углеродистых сталей (20, 20Б, 15К, 18K, 20К и 22К) и низколегированных сталей (15М, 16М, 15ГСМФ, 16ГНМ и 16ГНМА). Расчет циклической долговечности барабанов, изготовленных из сталей иностранных марок, должен выполняться экспертной организацией.

1. Основные условные обозначения

	-	расчетная амплитуда напряжений, МПа;
	-	главные условно-упругие напряжения в расчетной точке (i = 1, 2, 3), МПа;
			-	эквивалентные напряжения (i, j = 1, 2, 3), МПа;
			-	размах эквивалентных напряжений, МПа;
	-	перепад температур, °С;
	-	коэффициент линейного расширения, ,
	-	модуль упругости при расчетной температуре T, МПа;
р	-	давление в барабане, МПа;
	-	наружный диаметр барабана, мм;
	-	внутренний диаметр барабана, мм;
s	-	толщина стенки барабана, мм;
	-	коэффициент температуропроводности, ;
	-	предел прочности материала при расчетной температуре T, МПа;
	-	относительное сужение материала при расчетной температуре T, %;
W	-	паропроизводительность котла, кг/ч;
	-	параметр непрерывной продувки котловой воды;
	-	водяной объем котла, ;
	-	удельный объем кипящей воды, ;
	-	частота циклирования нагрузки, ;
	-	число циклов нагружения в i-м режиме;
	-	допускаемое число циклов нагружения для i-го режима;
r	-	коэффициент асимметрии цикла;
	-	наработка барабана, ч;
a	-	накопленное усталостное повреждение металла.

2. Общие положения

2.1. Настоящие Методические рекомендации определяют алгоритм расчета циклической долговечности (циклического ресурса) металла барабана в условиях нестационарного нагружения.

2.2. Оценка циклического ресурса металла барабана производится по критерию предельного значения накопленного усталостного повреждения от действия всего спектра нестационарных режимов в процессе эксплуатации котла.

2.3. Возможность, условия и срок продления эксплуатации барабана определяются путем сопоставления расчетного значения накопленного целостного повреждения металла с критериальным его значением.

2.4. Для двухбарабанных котлов расчет допускается проводить только для большого барабана, имеющегося более высокий уровень циклических нагрузок. Расчет выполняется для нижней части барабана, так как эта зона характеризуется наиболее высокими скоростями изменения температуры стенки.

2.5. При расчете циклического ресурса барабана допускается использовать иные методические подходы при условии согласования таких методик с экспертной организацией в установленном порядке.

3. Анализ режимов нагружения и расчет условно-упругих амплитуд напряжений

3.1. При расчете на циклическую прочность рассматриваются следующие режимы эксплуатации:

I. Режим пуска-останова котла.

II. Стационарный режим.

III. Гидравлические испытания, в том числе заполнение водой перед гидроиспытанием.

IV. Аварийные режимы - тепловые удары (нарушение условий нормальной эксплуатации).

V. Колебания температуры, вызываемые перемешиванием питательной и котловой воды.

Последний из указанных режимов в приведенной группе действует как в непосредственном виде при стационарной работе котла, так и в сочетании с первым из указанных режимов, т.е. накладываясь на режим пуска-останова. В последнем случае циклические термические напряжения от колебания температуры накладываются на напряжения основного цикла, вызываемые подъемом внутреннего давления и температуры с постоянной скоростью.

3.2. Под тепловым ударом понимается нестационарный режим, характеризуемый резким (скачкообразным) изменением температуры среды в барабане и соответствующим изменением температуры стенки барабана, например, в следующих нештатных ситуациях:

- разрыв экранной трубы;

- заполнение питательной водой неостывшего барабана;

- заполнение холодного барабана водой через экономайзер и др.

3.3. При необходимости, связанной с наличием в процессе эксплуатации котла нетиповых циклических нагрузок в барабане, следует учесть эти нагрузки в сочетании с одновременно действующими другими нагружающими факторами, выделить их в отдельную (дополнительную по отношению к п. 3.1 настоящих Методических рекомендаций) группу нестационарного режима и учесть в последующем расчете циклической прочности барабана.

3.4. Количество пусков-остановов и гидроиспытаний котла, а также число циклов других возможных нестационарных режимов, включая тепловые удары, устанавливается по производственной документации электростанции. При отсутствии нарушений режимов эксплуатации котла, т.е. ситуаций, приводящих к возникновению тепловых ударов в барабане, допускается такой режим циклического нагружения не учитывать в расчетах, если по результатам штатного контроля барабана на протяжении всего срока эксплуатации не обнаруживались трещины в зонах отверстий труб водяного объема. В противном случае количество тепловых ударов в барабане следует принимать равным 0,08-0,10 от числа пусков котла.

3.5. Количество колебаний температуры в процессе пусков, вызываемое перемешиванием котловой и питательной воды, следует принимать равным 30-40 за каждый пуск котла.

Количество колебаний температуры за счет перемешивания котловой и питательной воды, соответствующее периоду работы котла на стационарном режиме, определяется через частоту термоциклирования барабана , которая связана с параметрами интенсивности смены воды в котле соотношением

. (1)

Для основных типов энергетических барабанных котлов значение изменяется в интервале - 11,4-22,9 .

Примечание - При отсутствии достоверных исходных данных для расчета частоты термоциклирования барабана по формуле (1) допускается в расчетах не учитывать колебания температуры вследствие перемешивания питательной и котловой воды при стационарном режиме работы котла. В этом случае количество колебаний температуры в процессе каждого пуска следует принимать равным 50.

3.6. Расчет действующих напряжений от различных силовых и температурных факторов производится для наиболее нагруженной зоны барабана, которой является кромка отверстий в водяном объеме барабана. Для указанной зоны определяют три главных нормальных напряжения , и , представляющих собой алгебраическую сумму действующих в одном направлении напряжений от всех приложенных в данный момент нагрузок с учетом концентрации напряжений. Для барабана в первом приближении в качестве главных напряжений могут использоваться напряжения в окружном (окружные напряжения ), осевом (меридиональные напряжения ) и радиальном (радиальные напряжения ) направлениях.

3.7. Для цикла "пуск - останов" главные напряжения определяются суммарным действием трех факторов:

- напряжений от внутреннего давления в барабане ;

- температурных напряжений от перепада температуры по толщине стенки ;

- напряжений от температурного перепада между верхней и нижней образующими и напряжений от температурного перепада по ниже# барабана (если имеются соответствующие данные по разнице температур) .

3.8. Внутреннее давление в барабане, соответствующее моменту начала растопки котла, принимают равным 10% рабочего давления, т.е. ( - давление в начале растопки, - давление в конце растопки; ).

Напряжения на внутренней поверхности барабана в зоне отверстий от действия внутреннего давления определяют по формулам

;

; (2)

,

где и - коэффициенты концентрации напряжений: ;

; .

При наличии выборок на контуре отверстий барабана значение коэффициента концентрации напряжений может увеличиваться до 8. При этом конкретное значение коэффициента концентрации напряжений определяется расчетом в зависимости от соотношения диаметра отверстия с выборкой и геометрических характеристик собственно выборки (или выборок).

3.9. Температурные напряжения на внутренней поверхности барабана, вызываемые стационарным изменением температуры при пуске-останове, для условий плавного изменения температуры протекающей среды (квазистационарный режим) определяются по формуле

, (3)

где - скорость изменения температуры на внутренней поверхности барабана, °С/мин.

Концентрация температурных напряжений на кромке отверстия учитывается коэффициентом концентрации .

Скорость прогрева (охлаждения) барабана принимается по данным службы эксплуатации КТЦ, но не менее 5°С/мин.

Безразмерный коэффициент формы Ф определяется из соотношения

, (4)

где , а коэффициент, характеризующий свойства материала,

вычисляется по формуле

, (5)

где - коэффициент Пуассона.

Квазистационарное распределение температур определяется выполнением условия (линейное изменение температуры):

- интервал времени линейного изменения температуры среды, предшествующий моменту, для которого определяются напряжения, должен удовлетворять соотношению

; при этом: ,

где - критерий Фурье, принимаемый в зависимости от значения критерия Био Bi.

3.10. Напряжения от температурного перепада между верхней и нижней образующими определяются выражениями

- по нижней образующей ; (6)

- по верхней образующей , (7)

где - перепад температуры между верхней и нижней образующими обечайки.

3.11. Напряжения от температурного перепада по длине барабана определяются по формулам

- при условии, что длина переходной зоны :

; (8)

- при условии, что длина переходной зоны :

; (9)

,

где D - средний диаметр, мм;

- температурный перепад по длине образующей.

Допускается не учитывать напряжения от температурного перепада по длине барабана при подтверждении фактическими данными линейного закона изменения температуры по оси барабана, тогда все составляющие напряжений от этого фактора равны нулю . При выполнении расчета по оценке напряжений от перепада температуры по длине барабана рекомендуется закон изменения температуры аппроксимировать квадратичной функцией.

З.12. Напряжения, вызываемые колебаниями температуры вследствие перемешивания котловой и питательной воды, а также при тепловом ударе (должно выполняться условие - равномерный прогрев наружной и внутренней поверхности стенки барабана) вычисляются по формуле

, (10)

где - разница температур до и после теплового удара;

- коэффициент Пуассона;

Bi* - критерий Био, принимаемый в зависимости от соотношения диаметров

,

где - коэффициент теплоотдачи;

- коэффициент теплопроводности.

Концентрация температурных напряжений на кромке отверстия учитывается коэффициентом концентрации .

3.13. Максимальный размах колебания температуры при смешивании воды в барабане допускается принимать равным .

При отсутствии данных по разности температур для тепловых ударов (если таковые учитываются в расчете) максимальный перепад температуры принимают равным .

3.14. Суммарные напряжения на внутренней поверхности барабана составляют:

- в начале пуска

; ; ; (11)

- в конце пуска

; ; . (12)

3.15. Эквивалентные напряжения вычисляются следующим образом:

- в начале пуска

;

; (13)

;

- в конце пуска

;

; (14)

.

3.16 Размах эквивалентных напряжений в барабане по основному циклу "пуск-останов" определяют соотношением

, (i = 1, 2, 3). (15)

Амплитуду напряжений, соответствующую основному циклу "пуск-останов", определяют по формуле:

, (16)

где коэффициент концентрации

, (17)

- предел текучести материала при расчетной температуре;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений.

3.17. При наличии наплавок расчетная амплитуда напряжений определяется с учетом коэффициента снижения циклической прочности наплавки

, (18)

где - принимается для наплавок барабанов из стали 22К (20К...) - 0,8; из стали 16ГНМ (16ГНМА) - 0,7.

3.18, Амплитуду напряжений для цикла колебаний температуры определяют из соотношения

, (19)

а для цикла термических ударов из соотношения

, (20)

где - для углеродистой стали и 1,04 - для низколегированной стали.

4. Расчет допускаемого числа циклов

4.1. Допускаемое число циклов нагружения [N] для металла барабанов определяется из соотношения

, (21)

где А и В - константы, определяемые механическими свойствами материала;

- коэффициент запаса;

и - характеристики материала;

r - коэффициент асимметрии цикла нагружения.

4.2. Коэффициент асимметрии цикла определяется для каждой группы нестационарных режимов; если r > 1 или r < -1, то в расчете принимается r = -1.

4.3. Константы А и Б в формуле (21) определяют из следующих соотношений

; . (22)

4.4. Характеристики материала барабана и составляют

; . (23)

4.5. Значения характеристик и определяются с учетом изменения свойств металла барабана в процессе длительной эксплуатации. В случае отсутствия данных о фактических механических свойствах металла барабана допускается принимать, при условии соблюдения требований п. 9.8 настоящей Инструкции (в части допустимого уровня твердости металла), следующие значения характеристик:

- для стали 20, 20К и 22К МПа; ;

- для стали 16ГНМ МПа; ;

- для стали 16ГНМА МПа; .

4.6. Коэффициент запаса принимается равным 2 независимо от марки стали барабана.

Интенсивное влияние коррозионного фактора на усталостную прочность металла барабанов, связанное с нарушениями водного режима или консервацией котлов, допускается учитывать увеличением коэффициента запаса до 3 - для барабанов из сталей 20, 15К, 18К, 20К, 22К и 16ГНМА и до 4 - для барабанов из сталей 16ГНМ, 15М, 16М и 20Б.

4.7. Для определения допускаемого числа циклов по расчетным амплитудам напряжений можно использовать кривые малоцикловой усталости (рисунки 5.2 и 5.3), приведенные в п. 5.1.5 [2]. В этом случае оценку допускаемого числа циклов производят с помощью соответствующей кривой малоцикловой усталости (рисунок 5.2 - для углеродистой стали и сталей 15М, 16М; рисунок 5.3 - для сталей 16ГНМ и 16ГНМА) непосредственно по расчетной амплитуде напряжений.

В случае интенсивного проявления коррозионного фактора (см. п. 4.6 настоящих Методических рекомендаций) оценку допускаемого числа циклов по соответствующей кривой малоцикловой усталости производят через условные значения амплитуд напряжений:

- 1,5 для стали 20, 15К, 18К, 20К, 22К и 16ГНМА;

- 2,0 для стали 16ГНМ, 15М, 16М и 20Б.

4.8. Наложение колебаний температуры на равномерную скорость ее подъема при пуске котла следует учитывать путем корректировки допускаемого число циклов по режиму "пуск-останов" котла согласно следующему соотношению

, (24)

где - допускаемое число циклов в режиме нагружения "пуск-останов";

- допускаемое число пусков в режиме "пуск-останов" с учетом наложения колебаний второй частоты;

- коэффициент влияния двухчастотности нагружения .

Коэффициент определяется из следующего выражения

, (25)

где - частота наложенных колебаний;

- частота основного цикла;

- коэффициент, зависящий от свойств материала: .

5. Оценка накопленного усталостного повреждения металла

5.1. Условие циклической прочности при наличии группы нестационарных режимов (циклических нагрузок) определяется выражением

, (26)

где - накопленное усталостное повреждение, предельное значение которого ;

- число циклов i-го режима за время эксплуатации;

- допускаемое число циклов i-го режима по уравнению (13) или по кривой малоцикловой усталости;

k - общее число нестационарных режимов.

5.2. С учетом пп. 2.4, 2.5 и 3.8 настоящих Методических рекомендаций условие циклической прочности может быть представлено в виде:

или

, (27)

где - число - пусков-остановов барабана;

, , и - допускаемое число циклов для режимов нагружения: "пуск-останов", колебания температуры, термический удар и гидроиспытание соответственно.

Примечание - Если колебания температуры вследствие перемешивания котловой и питательной воды при стационарном режиме работы котла не учитываются в расчетах (см. примечание к п. 3.5 настоящих Методических рекомендаций), второе слагаемое в формуле (27) исключается, а само условие циклической прочности приобретает вид

. (28)

5.3. Если полученное значение накопленного усталостного повреждения , условие циклической прочности металла барабана выполняется. В этом случае имеются основания для продления ресурса барабана при условии, что его эксплуатация будет вестись с соблюдением установленных действующей производственно-технической документацией штатных режимов при пусках, остановах и при стационарной работе котла. При этом, если допускается продление ресурса барабана на 50 тыс. ч, а если допускается продление ресурса барабана не более, чем на 30 тыс. ч.

5.4. При а > 1 ресурс барабана может быть продлен решением экспертной организации на срок не более 25 тыс. ч.