Приложение 1. Методические указания по оценке ресурса металла барабана

Приложение 1

Методические указания по оценке ресурса металла барабана

Условные обозначения:

- амплитуда напряжений, МПа;

- перепад температуры, °С;

- коэффициент линейного расширения, ;

- модуль упругости при температуре Т, МПа;

- предел прочности при температуре Т, МПа;

- относительное сужение при температуре Т, %;

D - паропроизводительность котла, кг/ч;

m - величина непрерывной продувки котловой воды;

- водяной объем котла, ;

- удельный объем кипящей воды, ;

- частота термоциклирования барабана на стационарном режиме, ;

N - число циклов до разрушения для заданного циклического режима;

r - коэффициент асимметрии цикла.

1. Общие положения

1.1. Настоящие Методические указания (МУ) определяют схему, основные этапы и исходные данные для оценки ресурса металла барабана в условиях нестационарного эксплуатационного нагружения.

1.2. Основным фактором исчерпания ресурса металла барабана и накопления повреждений, образования и развития трещин является развитие процесса коррозионной усталости в зонах конструктивных концентраторов напряжений, определяемое спектром служебных циклических нагрузок, воздействием коррозионной среды, наличием дефектов, состоянием и изменением прочностных и пластических свойств металла в процессе эксплуатации, а также конструктивными особенностями и условиями эксплуатации конкретного барабана.

1.3. Цель применения настоящей методики заключается в определении состояния барабана по уровню накопленной повреждаемости металла (НПМ) и оценки стадии процесса накопления и развития повреждений: докритической (стадии зарождения трещин) или износовой (стадии массового образования трещин).

1.4. Расчет величины НПМ для критической (по уровню действующих напряжений и влияния коррозионной среды) зоны с учетом комплекса конструктивных и эксплуатационных факторов является базой для определения возможности и условий дальнейшей эксплуатации барабана и его дополнительного служебного ресурса.

2. Дифференциация нестационарных режимов и расчет величины циклических напряжений

2.1. В качестве основных циклических режимов работы котельных барабанов, обуславливающих НПМ от воздействия коррозионной усталости, принимаются:

- тепловые удары;

- гидравлические испытания и опрессовки котла при рабочем давлении;

- гидравлические испытания при давлении 1,25 рабочего;

- температурные колебания стенки барабана при работе котла на стационарном режиме.

2.2. Под тепловым ударом понимаются режимы со скачкообразным изменением температуры среды в барабане (например, разрыв экранной трубы, заполнение водой неостывшего барабана или заполнение холодного барабана водой через экономайзер), которое характеризуется быстрым изменением температуры стенки барабана.

2.3. При необходимости должны выделяться дополнительные группы режимов, требующие совместного учета нагружающих факторов (например, при разрыве экранной трубы от совместного действия температурных напряжений и напряжений от внутреннего давления в конкретном временном интервале).

2.4. Количество пусков-остановов, тепловых ударов и гидроиспытаний при давлении 1,25 рабочего, а также других циклических режимов устанавливается по эксплуатационной документации. При отсутствии данных по количеству тепловых ударов и гидравлических испытаний (опрессовок) при рабочем давлении оно принимается равным соответственно 0,08 и 1,0 от числа пусков-остановов.

2.5. Частота термоциклирования барабана в период работы котла на стационарном режиме определяется перемешиванием в барабане котловой и питательной воды и связывается с параметром интенсивности смены воды в котле:

. (1)

Для основных типов энергетических барабанных котлов изменяется в пределах: 2,9...11,4 .

Помимо этого необходим учет термических колебаний среды в барабане в период его пуска, число которых при отсутствии конкретных данных может быть принято равным 40 за один пуск.

2.6. Амплитуда действующих при пуске-останове котла и его гидроиспытаниях напряжений вычисляется согласно нормативным документам, при этом необходим учет конкретных скоростей нагрева (охлаждения) барабана при пуске-останове, а также условий суммирования температурных напряжений и напряжений от внутреннего давления. При отсутствии конкретных данных скорость нагрева (охлаждения) барабана принимается равной 5,0°С/мин.

2.7. Амплитуда напряжений при тепловом ударе определяется по формуле

. (2)

Аналогичным образом вычисляется и амплитуда напряжений при термоциклировании барабана в условиях пуска котла и при его работе на номинальных параметрах.

2.8. При отсутствии данных для тепловых ударов перепад температуры среды, омывающей стенку барабана, принимается равным 100°С, а при термоциклировании - 20°С.

3. Расчет усталостных характеристик металла

3.1. Характеристики усталостной долговечности металла барабана определяются в диапазоне чисел циклов нагружения по соотношению

, (3)

где n - коэффициент запаса;

и - характеристики материала;

r - коэффициент асимметрии нагружения;

А и В - константы, определяемые механическими свойствами материала.

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

3.3. Константы А и В уравнения (3) определяются соотношениями:

; (4)

. (5)

3.4. Характеристики материала барабана и определяются как:

;

.

3.5. Наименьшее значение коэффициента запаса n принимается для барабанов из сталей 22К и 16ГНМА равным 2, а для барабанов из стали 16ГНМ - равным 3. Интенсивное влияние коррозионной среды на усталостную прочность металла барабана может быть учтено увеличением коэффициента запаса до 3 - для барабанов из стали 22К и 16ГНМА и до 4 - для барабанов из стали 16ГНМ.

3.6. Значения и должны учитывать изменение свойств металла барабана в процессе эксплуатации. В случае отсутствия данных о механических свойствах металла барабана при условии соответствия уровня твердости требованиям раздела 5 настоящей Инструкции для температуры стенки барабана до 350°С принимаются следующие значения механических характеристик:

- для стали 22К: МПа, ;

- для стали 16ГНМА: МПа, ;

- для стали 16ГНМ: МПа, .

Для этого уровня механических свойств металла на рис. П1, П2 и П3 приведены усталостные кривые для сталей 22К, 16ГНМА и 16ГНМ, учитывающие изменение коэффициента r в пределах 0,5-0,8.

4. Расчет накопленной повреждаемости металла и критерии определения дополнительного ресурса эксплуатации барабана

4.1. Суммарная величина НПМ для различных нестационарных режимов составляет:

, (6)

где k - общее число нестационарных режимов;

- общее число циклов i-того режима за время эксплуатации;

- допустимое число циклов для i-того режима по уравнению (3).

4.2. С учетом пп. 2.4 и 2.5 уравнение (6) может быть записано в виде:

, (7)

где - число пусков-остановов барабана;

, , , - число циклов N по уравнению (3) или по соответствующим кривым усталости (рис. П1.1-П1.3) для режимов пусков-остановов, теплового удара, гидроиспытаний и температурных колебаний соответственно.

4.3. При расчете N по уравнению (3) для циклических режимов, связанных с перепадами давления и изменениями других силовых факторов, необходимо учитывать эффективный коэффициент концентрации напряжений для рассматриваемой конструктивной зоны барабана. Он должен оцениваться согласно рекомендациям и для зоны отверстий водоопускных труб может быть принят равным 3.

4.4. Если при расчете по соотношению (6) А < 1, то стадия НПМ является докритической и в связи с конкретным значением параметра А имеется возможность продления ресурса барабана при его эксплуатации с прогнозируемой интенсивностью основных циклических режимов следующим образом:

- при А < 0,8, - до 50,0 тыс. ч дополнительно;

- при 0,8 < А < 1 - до 25,0 тыс. ч дополнительно.