автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Пульсации температур и напряжений и их влияние на ресурс труб поверхности нагрева перспективных парогенераторов

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ им. И. И. ПОЛЗУНОВА (НПО ЦКТИ)

На правах рукописи УДК 621.181.61 : 536.24

словцов

Сергей Владимирович

ПУЛЬСАЦИИ ТЕМПЕРАТУР И НАПРЯЖЕНИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РЕСУРС ТРУБ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.14.03 — Ядерные энергетические

установки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползупова (НПО ЦКТИ).

Научный руководитель — кандидат технических наук, старший научный сотрудник А. В. Судаков.

Научный консультант — доктор технических наук, профессор П. А. Андреев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. С. Трофимов',

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б. С. Фокин.

Ведущее предприятие—ПО «Ижорский завод».

Защита состоится , -<<¿¿¿2Л-199^г. в -ч

на заседании специализированного совета НПО ЦКТИ Д 145.01.02 по адресу: 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., д. 24, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ЦКТИ.

Автореферат разослан . /-¿Г^-1ЭЭ^г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре просим направить в адрес специализированного совета НПО ЦКТИ: 193167, С.-Петербург, ул. Красных электриков, д. 3.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Г. А. Лучин

Ш-з-

0Б1ЦЛЯ лАРАКТЕРИС'ТШСА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Концепция создания АЭС нового поколения на основе ядерных энергетических установок повышенной безопасности в сочетании с требованиями уменьшения материалоемкости и габаритов конструкций привела к разработке проектов серийных- АЭС с реакторами типа ЕГОР мощностью 500 - 600 и 1000 - 1200 1Шг, которые до.т;ы составить основу развития ядерной энергетики на последующем этапе. Для блоков с реакторами типа ВВЗР большой единичной мощности наиболее перспективны вертикальные парогенераторы, и особенно прямоточные. В последние годы интерес этому типу конструкций парогенераторов значительно возрос из-за массового выхода из строя горизонтальных парогенераторов на блоках с реакторами ВЮР-1000 из-за повреждения "холодных" коллекторов после наработки (10-50)*1О3часов.

При проектировании и создании компактных высоконадежных прямоточных парогенераторов первостепенное значение приобретают вопросы обеспечения благоприятного режима поверхности нагрева, при котором гарантировалась бы длительная безаварийная работа аппарата.

При работе прямоточного парогенерирущего канала по всей его длине наблюдаются пульсации температуры стенки. Причины их возникновения и интенсивность неодинаковы для различных зон канала. В зоне перехода к ухудшенному теплообмену пульсации являются следствием попеременного омывакия поверхности теплообмена пленкой жидкости или паром, другой причиной может быть колебание границы перехода пленки жидкости в пар вследствие небольших колебаний расхода. Пульсации температур создают дополнительные температурные напряжения, переменные во времени, которые могут вызвать поврелщення парогенерирующей поверхности в виде усталостных тревин или ускоренной коррозии и привести к потере работоспособности аппарата.

Для обеспечения надежной работы парогенерирующих поверхностей теплообменного оборудования АЭС необходимо иметь возможность определять характеристики температурного режима поверхности нагрева на стадии проектирования аппарата. Необходимо тага® располагать методами оценки влияния пульсаций температур на прочность и ресурс парогенерирукщих груб.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование температурного режима парогепе-рирущик труб при кипении в межтрубном пространстве на крупномасштабных моделях и расчетное определение ресурса парогене-рируюшлх труб, подверженных пульсациям температур, о разработкой рекомендаций по увеличению надежности и долговечности парогенерируювдх труб.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Получен новый экспериментальный материал по температурному режиму поверхностей нагрева однотрубных и многотрубных моделей парогенераторов, в том числе из витых натурных труб, при кипении в дажгрубноы пространстве. Опыты проведены в широком диапазоне изменения режимных параметров. Выполнен статистический анализ пульсаций температур и показана связь характеристик пульсаций с определяющими режимными параметрами.

Предложены новые методики и программы расчета нестационарных случайных температурных напряжений при пульсациях температуры поверхности. С целью апробации предложенных расчетных моделей проведены экспериментальные исследования напряжений при локальных пульсациях температур. Впервые с гомовфю оригинальной методики удалось воспроизвести локальные температурные пульсации в теплоносителе и произвести измерения пульсаций температур и температурных напряжений в опытном образце.

Усовершенствована методика и создана программа оценки ресурса парогенерируювдх труб, подверженных температурным пульсациям, при усеченном рэлеевском законе распределения амплитуд напряжений и кусочно-линейной аппроксимации усталостных характеристик материалов,полученных в условиях максимально прибли-гйнньи к натурным.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЕ Разработаны расчетная методика и программа расчета нестационарных температур и температурных напряжений при любых (в том числе произвольных и случайных ) законах изменения температур.

Подученные в работе опытные данные и методика оценки ресурса труб при случайных температурных воздействиях использованы для расчетов ресурса парогенерируювдх труб как действующих так и проектируемых парогенераторов АЭС и других теплооб-«енных аппаратов.

Результаты работы использовав«

1. В проектах вертикальных парогенераторов мощностью 250 МВт и 50Q МВт (ПГБП-Е50 и ПГБ-500), выполненных ЗиО, НПО ИКТИ, ЕИ1ИАИ, ВТИ;

2. При продлении ресурса испарителя парогенератора установки ЕН-600 Б АЭС;

3. При расчете ресурса труб парогенераторов для установок Bf1-800 и EH-15GQ;

4. При модернизации привода СУЗ реактора ВЮР-440 и разработке рекомендаций по повышению его ресурса;

5. При обосновании надежности поверхности нагрева прямоточного парогенерирующего комплекса НВГ-10;

6. При расчетно-зкелериыентальном обосновании напряженного состояния и ресурса элементов судових ЯЗУ при нестационарных силовых и температурных воздействиях.

Результаты работы использованы при составлении следующих нормативных технических-материалов:

ОСТ 5.9839-79. Стали и сплавы конструкций атомных энергетических установок. Термическая усталость и формоизменение при теплоло-сменах, Методы испытаний.

РТМ 108.031. 05.-84. Оборудование теплообменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический.

РТМ 108.302.03-85. Парогенераторы АЭС. Расчет вибраций геидооб-менных труб.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Экспериментальные данные по пульсациям температур поверхностей нагрева парогенераторов при кипении в меитрубном пространстве, в зоне перехода к ухудшенному теплообмену.

2. Методику и программу расчета нестационарных случайных температур и температурных напряжений при произвольных < в том числе и случайных) изменениях температуры.

3. Экспериментальные данные по температурным напряжениям при .по кальных температурных пульсациях,

4. Усовершенствованную методику и программу расчета ресурса парогенерируюших труб.подвертенных- воздействию пульсаций температур.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы работы докладывались и обсуждались на VII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энер-г гетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1985г.), на научно -технической конференции "Безопасность и надежность эксплуатации АЭС с реакторами на быстрых нейтронах" (пос. Заречный, 1982г.), на заседании ЛО Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" (Ленинград, 1983г.), на научно-технических семинарах и заседаниях секции атомной энергетики научно-технического совета НПО ДКТИ, на третьей научно-технической конференции молодых специалистов Ыинэнергомаша (Ленинград, 1884г.), на научно-технических конференциях молодых специалистов и аспирантов НПО ЦКТЙ им. И. И. Ползунова (Ленинград, 1980, 1982г.), на XI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ИТТФ АН УССР (г.Киев, 1980г.), на XIII конференции молодых исследователей ИТФ СО АН СССР (Г. Новосибирск, 1980г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 статей и выпущено 20 научно-технических отчетов.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глаЕ, ваключения, приложений и изложена на 205 страницах, включая 87 рисунков, список литературы из 120 наименований и £5 страниц приложений. .

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований и показана практическая ценность работы.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена обзору и анализу советских и зарубежных исследований температурных .пульсаций ларогенерируювдх каналов в зоне перехода к ухудшенному теплообмену. Показано, что пульсации температуры в переходной области играют существенную роль при оценке надежности прямоточного парогенератора Они вызывают дополнительные напряжения, что в сочетании с коррозионным воздействием среды может вызвать преждевременное разрушение конструкции.

Самым надежным методом определения долговечности являются

ресурсные испытания в натурных условиях. Однако, применительно к элементам эпергообсрудования, рассчитанным на длительную эксплуатацию, этот метод практически непригоден, так гак при большой стоимости таких испытаний их результатов пришлось бы ждать несколько лет. Из-за отсутствия сегодня технических возможностей измерения температурных напряжений при локальных термопульсациях единственно приемлемым способом решения задачи определения ресурса энергооборудования является его расчетная оценка по результатам замеров пульсаций температур. Показано, что исследование пульсаций температур не только помогает изучить процессы, происходящие в парогенераторе, но и дает исходный материал для прочностных расчетов.

Из приведенного обзора сделан вывод, что исследований температурных пульсаций в зоне перехода к ухудшенному теплообмену при кипении в меягрубном пространстве практически не проводилось. Исходя из изложенного задачи диссертационной работы сформулированы следующим образом:

1. Определение границ ухудшенного теплообмена на натурных трубах при натурных параметрах применительно к прямоточному вертикальному парогенератору.

2. Определение характеристик температурных пульсаций в натурных конструкциях с учетом работы на различных режимах с постоянным и пульсирующим расходом.

3. Совершенствование методов и программ расчета напряженно-деформированного состояния труб при пульсациях температур и определение статистических характеристик температурных напряжений.

4. Экспериментальные исследования напряженного состояния при пульсациях температуры и апрбация расчетных моделей.

5. Совершенствование методик расчета ресурса.

6. Расчетно-экепериментальный анализ температурного режима, напряженного состояния и ресурса труб перспективных конструкций парогенераторов и разработка рекомендаций по повышению надежности поверхности нагрева.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальному исследованию пульсаций температур парогенерирующей поверхности применитель-

но к рассыатрпваемаи конструкциям парогенераторов. В этой главе приведены описания экспериментальных установок и конструкций опытных участков, методик проведения опытов и обработки экспериментальных дачных, выподшена оценка погрешностей, приведены результаты исследований и сделано обобщение экспериментальных данных, приведен алгоритм определения статистических характеристик пульсаций.

Опыты проводились на трех моделях: однотрубной с прямой трубой, однотрубной с витой трубой и трехтрубной из витых труб натурной геометрии при натурных параметрах на подо-водяном стенде высокого давления (пгв-юоо) лаборатории прошшюшх испытаний отдела теплотехнических процессов и проектирования энергооборудования НТО ЦКТИ. Схема экспериментальной установки позволяет проводить опыты на моделях прямоточных парогенераторов мощностью до 1 МВт.

Кризис теплоотдачи фиксировался по возникновению пульсаций температур, регистрируем термопарами, установленными непосредственно на парогенерирующей поверхности.

Температурный режим поверхности нагрева исследовался в диапазонах давлений 4,0-7,5 Ша, массовых скоростей 20-550 кГ/ У'С), температурных напоров от 2? до £5°С, критических тепловых потоков от 100 до 500 кйг/м2. Исследование температурного режима на частичных нагрузках было проведено в диапазоне изменения расхода питательной воды от 25 до 100%,кроме того исследовалось влияние вынужденных пульсаций расхода на температурный режим.

Для определения количественных характеристик пульсаций температур выполнялась их статистическая обработка. Из рассмотрения результатов статистической обработки можно ааилючить:

1. Пульсации температур имеют плотность распределения,близкую по характеру к нормальному закону. Автокорреляционная функция и спектральная плотность имеют экспоненциальный вид,характерный для узкополосных гауссовских случайных процессов.

2. Частоты пульсаций лежат в диапазоне 0-5 Гц, причем основная энергия переносится на частотах 0-2 Гц (эффективный период в диапазоне 0,4-1,5 с). Интенсивность пульсаций пропорциональна температурному напору и на режиме близком к номинальному

составляет 7,7°С. С ростом массовой скорости интенсивность снижается. В исследованном диапазоне характеристики пульсаций слабо зависят от давления и »кассовой скорости. Обобщение экспериментальных данных по пульсациям температур для исследуемых конструкций представлено на рисунках 1 и 2. Приведенные зависимости справедливы для давлений 4-8 МПа и массовых скоростей 20-225 кР/(м^с).В диапазоне частот 0,1-1,0 герц и амплитуд 10% вынужденных колебаний расхода на обнаружено влияний возмущений на температурный режим'поверхности нагрева.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ дан раочетньй анализ температурного режима стенки труб при колебаниях коэффициента теплоотдачи. Лля этой цели разработана программа, решающая методом конечных разностей одномерное уравнение теплопроводности с граничными условиями третьего рода.

На основании выполненных по программе расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Модель с гармоническим изменением коэффициента теплоотдачи плохо описывает физическую картину перехода к ухудшенному теплообмену и не мояет быть использована для определения "предельной" амплитуды температурных напряжений при пульсациях температур.

2. Модель со скачкообразным изменением коэффициента теплоотдачи достаточно хорошо описывает явление перехода к ухудшенному теплообмену и может быть использована для определения "предельной" амплитуды температурных напряжений.

3. Максимальный размах й Тпах колебаний температуры равен ее изменению при переходе от режима развитого кипения к режиму ухудшенного теплообмена.

4. Максимальный размах температурных напряжений может быть определен как тепловой удар при изменении температуры на величину й Тггах.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвяиэна инженерным методикам расчета распределений температур и температурных напряжений при пульсациях. Даны обзор и анализ метолоЕ определения нестационарных полей температур. Решена задача расчета переменной составляющей температурных напряжений на поверхности плоской стенки при произвольном законе изменения ее температуры и теплообмене по

& X /6

/г в

4 о

✓

У С«Р л' 0

А во° щ о 0° 0

со , & • ГГ)

1 1 1 1 0

о ю го зо «о 50 . 60 а^п/С

Рис.1. Зависимость интенсивности пульсаций от температурного капора.^ = 20 - 225 кг/м с ; Р, = 4,1 - 7,8 Ш1а • - 1ШГ-Ь00;О- 11ГШ1-250. I - граничная кривая максимальных интенсивнрстей,

1е,е

12 0,8

м

я 8 я

о

с • 93 о 0 о о-сГ

10

го ¿о

40

50

£0 °С

Рис.2., Вависииость эффективного периода ох температурного капора.£и/= - ¿2.5 кг/и с ; Рг = 4,1 - 7,8 МПа.»- 1ШГ-Ь£>0;0- ВГвП-£50. 1 - граничная кривая максимальных э^еигивкых периодов.

- и г

закону Ньютона на второй поверхности.

Рассмотрим уравнение теплопроводности с начальным и граничными условиями:

= © , г>0> о^г^ц (1) Ц =-Л(Гн-тпг) ,

Г = П(?г) * / ; о , ;

где Т<СР), ТигСС) - температуры поверхностей стенки; Тц - температура греющего теплоносителя;г - - толщина

стенки, х - координата по толщине стенки, $ -<<'ЫХ - число Био. Решив систему (1) в изображениях с использованием преобразования Лапласа получим:

Тер - Тн • Щ + Тгг2-Фг - (2)

Здесь - . фг -

здесь ур(урсА7р+ЗМУр' * 1/?(УрсАуР+]55Ш)

точные трансцендентные передаточные функции по температуре теплоносителя и поверхности соответственно. Структура функций достаточно сложна,и переход во временную область затруднителен. С помощью аппроксимации, основанной на анализе характеристик мнимых частот, построенных для исследуемых передаточных функций,были получены простые дробно-рациональные второго, порядка приближенные передаточные функции:

гле а - ЯШ + О. №. Ь - с - О ! ■

ГДе 3 0,0098 0,оШ'

л . ., - _ . т ,

0,0034 ' оТШГ

Подставляя (3) в (2) и испольгуя операцию свертки.перейдем к оригиналам:

с т .

о о

ГД6

РГРГ3^ рГ'РГ' 2 ^ТГРГ1

и рг - корни уравнения рг + _ар + Ь - 0. После двукратного дифференцирования выражения (4) получим дифференициальное уравнение второго порядка

которое приведем к системе обыкновенных ди№ренциальных уравнений первого порядка

-фк* Я >

+ * + + , <в>

где Тср(Х)-, уд- <ЗТер(Т)/йТ - й^/сИУ.

Проинтегрировав систему дифференциальных уравнений (б) по методу Рунге-Кутта подучим среднеинтегральную температуру при произвольном ваконе изменения температуры поверхности.

Для определения переменной составляющей температурных . напряжений на поверхности плоской стенки воспользуемся известным в теории упругости выражением:

к

<э(х-Ь,0) - ^-[-^Тимх - ТЫ-Ь.О)]- . (6)

о

где еС* -коэффициент линейного расширения, 1/°С;

V -коэффициент Пуассона;Е -модуль Юнга, кГс/мм*. Как показали расчеты в условиях реальных пульсаций температур "плоская" модель (6) не вносит существенных ошибок в результаты расчета амплитуды колебаний напряжений по сравнению с моделью полого цилиндра.

По приведенной схеме создана программа на языке Фортран-4 для ЭВМ ЕС-1052, ЕС-1061 с операционной системой ОС 6.1. При

тестировании программы были выполнены расчеты температурных напряжений при гармоническом и линейном законах изменения температуры. Сравнение полученных решений с точными (аналитическими) показало, что погрешность расчета не превышает 5%.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ описано экспериментальное исследование температурных напряжений при локальных пульсациях температур и приведено сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетов по описанной в главе 4 модели.

С помощью оригинальной методики, основанной на использовании модельного теплоносителя удалось впервые воспроизвести локальные температурные пульсации в теплоносителе и произвести измерения пульсаций температур и напряжений в опытном образце.

Установка для экспериментального исследования температурных напряжений при локальных пульсациях температур состоит иа цилиндрического корпуса с днищем. Корпус разделен в среднем сечении перегородкой с отверстием, внутрь которого вставлен образец. В нижней части корпуса помещен обогреватель, в верхней - охладитель. Полость корпуса заполнена теплоносителем -диэлектриком (трансформаторным шелом). Применение такого теплоносителя дает возможность использовать миниатюрные тензоре-аисторы без защиты от среды. В перегородке рядом с образцом выточен канал с размером поперечного сечения.10x5 мм. При разогреве теплоносителя в нижней части установки и охлаждении -в верхней в результате конвекции черев канал, внутри этого канала возникают колебания температуры теплоносителя, которые вызывают соответствующие пульсации температур поверхности и температурные напряжения.

Для измерения температуры поверхности устанавливались термопары ХА с диаметром электрода 0,2 мм. Эти термопары приваривались к поверхности образца в непосредственной близости от тензорезисторов (3 мм). В опытах использовались фольговые тен-зорезисторы ККП1 Киевского заюда автоматов ПО "Веда" с базой 1 мм. Сигналы от термопар и тенаорезисторов через соответствующие блоки выведены на осциллограф. Осциллограммы обрабатывались на полуавтоматическом преобразователе графиков Ф018, после чего данные поступали в ЭВМ для анализа и расчетов.

Было приведено несколько десятков опытов и сделано сопос-

тавление расчетных и экспериментальных данных. Сравнивались динамические составляющие напряжений эксперимента и расчета,а также результаты их статистической обработки,в том числе: графики автокорреляционной функции,плотности распределения вероятностей и спектральной плотности,значения интенсивности и эф- ■ фективного периода. Результаты расчета и эксперимента достаточно хорошо согласуются.

Проведенное сопоставление позволяет констатировать, что разработанные расчетные модели позволяют с приемлемой для практики точностью подучить значения температурных напряжений при таких локальных воздействиях как пульсации температур.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ приведен обзор экспериментальных исследований ресурса труб при колебаниях температуры. Даны анализ факторов, влияющих на долговечность,и анализ методов оценки долговечности. Уточнена методика оценки ресурса при термопульсациях.

Широкое применение для расчета ресурса нашел метод В. В. Болотина, разработанный для конструкций, подверженных случайным механическим воздействиям,в котором расчетные формулы получены для рзлеевского закона распределения амплитуд напряжений. Практика расчетов ресурса элементов применительно к температурным напряжениям показала, что формулы В. В. Болотина даст заниженную оценку ресурса,так как принципиально размах напряжений при пульсациях температур не может превзойти уровня, определяемого максимальным располагаемым перепадом температур. Анализ формул В. В. Болотина показал, что занижение ресурса происходит за счет учета вероятности появления выбросов большой (в пределе - бесконечной) амплитуды. Усечение рзлеевского закона позволило ограничить напряжения уровнем максимального перепада температур. Плотность распределения вероятностей амплитуд для усеченного закона Рэлея описывается выражением:

где ба - амплитуда напряжений; батлх- максимальная амплитуда; £(Г - среднее квадратическое отклонение напряжений; 6 - параметр усечения.

Наиболее общее выражение для кривой усталости материала, дает аппроксимация ломаной линией в виде двух наклонных участков:

^ Н^б'^/б'а Г" При

Ш)- -

[ адб^/бй. )т* ПРИ (5Я. с 6-Х >

где М^ - точка перегиба кривой усталости; <5^- истинный предел выносливости; - коэффициенты, характериеувдие наклон

участков кривой усталости.

Для приведенных р(«0 и М(6) автором получена формула расчета ресурса

о &с,-0}1

где - математическое ожидание напряжений; коэффициент зависящий от соотношения между пределами выносливости при симметричном и пульсационном циклах; !?о -

Для удобства инженерных расчетов интегрирование в (7) сведем к протабулированным функциям:

мь Г*-«*>(-_

П'О "Ч * ПгО

где А - Р( иг-п+2); В -

С - Р( - функции X1 распределения Пирсона,

Г(т<>а ,п) - Гамма-функции, число сочетаний из т1>г по п.

Из формул (7), (8) легко получить более простые для других видов кривой усталости. Так,для стали при наличии истинного предела выносливости следует положить Ши-оо.а для кривой усталости без перегиба п^- т2.Для симметричного процесса (математическое ожидание напряжений равно нулю) формулы также упрощаются. Для неусеченного рэлэевского закона ( 5 - оо)полученные выражения упрошдются и переходят в известные формулы В. В. Болотина.

Формулы для вычисления долговечности при амплитудах напряжений, распределенных по закону Рзлея

¡г,........ • Долговечность

Вид кривой усталости напряжения Оер Усеченный закон с параметром Неусечгиный закон «>)

Ъ Ф 0 адк

ли.- "•(—Г при > М-мприаииО,) *.(р( т—л-г 2] —/>(5», и-л+2)|

/V, [1-мр<-г'2)1С

ж 2[Р(4 я + 2) - я + 2)

«члЮ

\ При Л-«0

ЛГ,<,(|-е«р<-»'В)|»Г'+-

— + -й1 л,-Г»)-/>(!».«.,+2)] ■с-^(-^х1-)!' - ясг. «.**>] + .

«ср*0

¿С" -/>(>.'. и-п+ЗД п-С.

В таблице 1 представлены подученные расчетные формули для рассмотренных трех ендов кривей усталости при усеченном и неу-сеченком рэлеевских законах распределения вероятностей.

Яа рис. За представлена связь относительного ресурса с относительной интенсивностью напряжений для симметричного процесса. Привал § = оо соответствует формуле В. В. Болотина. На рис. 36 приведены аналогичные зависимости, но для несимметричного процесса. На рис. 4а представлены номограммы для расчета относительного ресурса при рассмотренных трех видах кривой усталости, симметричном цикле и различных значениях параметра усечения 5. Как следует из рисунка, вид кривой усталости оказывает существенное влияние на ресурс, особенно при малой интенсивности переменных напряжений (больших значениях Хо). Отсюда осо-' беипо важно знание усталостных характеристик при больших базах. На рис. 46 показано влияние асимметрии цикла на относительный ресурс при параметре усечения & = 3. Как следует из рисунка, наличие асимметрии значительно снижает ресурс. Это снижзние может достигать нескольких порядков и определяется видом кривой усталости и значением 33«.

По предлагаемой методике разработана программа расчета ресурса оборудования, работающего при пульсациях температур. В этой главе выполнена оценка погрешности расчетов, даны рекомендации по выбору характеристик усталости материала.

В СЕДЬМОЙ ГЛАВЕ выполнены расчеты ресурса труб прямоточного парогенератора ППГ-БОО и парогенератора перегретого пара ПГВП-250. Расчеты выполнены в соответствии с рекомендациям! и по формулам, данным в главе б. Расчеты выполнены для двух видов кривой усталости, соответствующим максимальной и минимальной долговечности, и для двух значений вероятности разрушения О и 50%. В расчетах использовались характеристики натурного материала - стали 08X14МФ при температуре 350°С.

Результаты расчета ресурса труб парогенератора ППГ-500 приведены в таблице 2.

ю'

Ю'

Ю> ИГ'

и'

>0° яг\ 1Г!

О)

<¡1

Рис. 3- Зпииспмость итиос||тсЛ!|ЦоГ| долговечности от беаразмсрно/! интенспткхтн напряжения усеченного рэлсеисиого закола при л1|>»5, /лэ»»«; д — при еммметрнчион процессе: /-6-1,5: 1-6-2-, 3 — в-З; V — б»4: 6— 6-5: 6 — в- <ю (соответствует формуле В. В. Болотина): б —при аснииетрнчнои процессе: 0-2 (сплошные лнпни) и &~5 (пунктир): I и С—х,-0: 2 н 7 - к,-0,5; а II 3 - Х1-1: 4 н ^ — «1 — 1,5; 6 и 10— К|-2

ш

Ю »

I 1 1 \ 1 ' ! /

1 1 / 1 // //

/ \ «1 2 N 4 Л Л

Г "' 1 ■ / 1 /1 'Г.

1 1 1 / // Г' ■г

1 1 1 А •'А

1 лм''

/ ' п,'^, • с«3 —*---

/ /

//

/

1 »

1 * «

Рис. Заннсрмость относительно Л долговечности от вида кривой усталости при различны* значениях параметра усеченнч и асимметрии цикла:

Л ~ ПГ11 К1-1* .1. 4. У - 6-г, г. б - при 6-3: I, 7 — К|-0:1.1. « — К|*1.

а, е.

Таблица 2

1 ■■ ■ ..... .....'1 | Вероятность разрушения | 1 0 | ... ( Вероятность разрушения | БОХ I

1 1 | Минимальная | Максимальная | 1 Минимальная I Максимальная |

| долговечность) долговечность | долговечность I долговечность|

| час | час | час | 1 час |

| 0,9-Ю5 | 1 I 1,6-Ю7 | 1 ...... 1 4,9* 10й | ) оо | . . 1

Как следует из приведенной оценки, дате при самой неблагоприятной кривой усталости (которая маловероятна) минимальный срок до образования трещин составит 105часов. Исходя из изложенного можно констатировать, что в парогенераторе ППГ-500 не будет преждевременного разрушения труб от термопульсаций.

Расчетная оценка долговечности поверхности парогенератора ПГВП-250 была выполнена для основных эксплуатационных режимов его работы. Результаты расчета долговечности сведены в таблицу.

Таблица 3

I 1 1 1 (Величины | 1 1 1 1 Обозначение Нагрузка, ......1 % 1

30 I 1 50 1 1 70 | 1 100 |

1 1 (Интенсивность | 1 напряжений, кГс/мм21 1 1 1,11 1 1 1 1.26 1 1 1 1,39 | 1 1,62 |

) , 1 (Эффективный период | (напряжений, с | 1 1 ¡■ее- 0,3 1 1 1 0,3 1 1 1 0,3 | 1 0,3 |

1 i |ресурс труб, час . | | | Ь . оо 1 | СО ! ю'. 8,3-10 ( ........1 2,5-10в | , I

Выполненные расчеты показали, что температурные пульсации в парогенераторе ПГВП-250 не вызовут превдевременного разрушения теплообменных труб, а ресурс груб равен его минимальному значению 2,5* 10®часов.

Разработанная методика использовалась при расчетно-зкспе-риыентаиьном исследовании пульсаций температур в приводе"1137". Опьгг эксплуатации приводов на АЭС "Ловииса" подтвердил выполненные расчетные оценки. В.ШР-8? на внутренней поверхности охладителя одного из 9 забракованных с подозрением на трещины приводов, была обнаружена сетка трещин. Трещины квалифицировались как коррозионно-усталостные, вызванные переменными тепловыми нагрузками. Аналогичные трещины имелись и на других приводах.

. Методика была использована тага® при расчете ресурса теплообменных труб блока очистки и расхолаживания судовой энергоустановки, работавши в условиях пульсаций температур, при обосновании надежности поверхности нагрева прямоточного парогенерирующэго комплекса КВГ-IQ и других элементов энергооборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Проведен анализ имеющихся данных по температурному режиму парогенерирущих труб в зоне перехода к ухудшенному теплообмену при кипении в межгрубшм пространстве.

2. Выполнены экспериментальные исследования критического паро-содержания и температурного режима на трех моделях применительно к конструкциям вертикальных парогенераторов ППГ-500 и ПГВП-250 в следующих диапазонах изменения режимных параметров:

4,6 МПа<р<=7,5 Ша; 100 к1Чм*с/< ÇWnP <550 кГ/(мгф

100 кйг/м^о^сбОО кВт/мг. Исследования показали, что значение хкр не менее 0,9. Не зафиксировано нарушения устойчивой работы в диапазоне нагрузок 25 - 100%.

3. Пульсации температур парогенерируюшдх труб в зоне перехода к ухудшенному теплообмену носят случайный характер, поэтому при их исследовании необходимо использовать статистический анализ.

4. Статистический анализ пульсаций температур показал, что час-юты пульсаций лежат в диапазоне 0 - 5 Гц, причем основная энергия переносится на частотах 0 - 2 Гц (эффективный период лежит в'диапазоне 0,4 - 1,5 с-). Интенсивность пульсаций про-

порциональна температурному напору и на р в «те, близком к номинальному, составляет 7,7°С. В исследованном диапазоне характеристики пульсаций слабо зависят от давления и массовой скорости. Автокорреляционная функция и спектральная плотность имеют экспоненциальный характер.

5. Разработаны новая методика и программа расчета нестационарных температур и температурных напряжений при произвольном (в том числе, и случайном) изменении температуры.Сравнене-ние расчетов по программе с точными решениями при гармоническом и линейном законах показало хорошее согласование.

6. Проведены экспериментальные исследования температурных напряжений при локальных пульсациях температур.

7. Сопоставление значений напряжений,полученных по предложенной методике,с экспериментальными данными показало их достаточно хорошее согласование,что позволяет рекомендовать ее к применению в прочностных расчетах и при диагностике оборудования.

8. Усовершенствована методика оценки долговечности парогенери-ругацих труб при пульсациях температур. Разработаны программы расчета ресурса для ЕС ЭВМ и для персональных компьютеров.

9. Проанализированы погрешности разработанных моделей и показано, что для получения наиболее точных результатов следует пользоваться специально полученными в условиях максимально приближенных к натурным, кривы),ni усталости материала.

10. Проведенные оценки ресурса парогенерируших труб парогенераторов ШР-БОО и ПГВП-250 показали, что в этих парогенераторах не будет преждевременного разрушения труб от термопульсаций.

11. Разработанные модели применялись, и могут найти дальнейшее применение в расчетных прогнозах ресурса и задачах диагностики энергооборудогания.

Основное содержанке диссертации опубликовано в работах:

1.Словцов C.B. .Судаков А. в.Исследование полей температур в образцах при испытаниях на термическую усталость и формоизменение -в средах. Труды ЦКТИ, 1980, вып. 175, с. 33-36.

2. Словцов С. В. , Судаков А. В. Надежность элементов энергетического оборудования при случайных напряжениях, вызванных пульсациями температур. Труды ЦКТМ, Л. ,1982, вып. 192, с. 71-79.

3.Словцов С. В. .Судаков А. Е.Надежность и долговечность элементов

парогенераторов в условиях пульсаций температур. Труды ЩШ5, & , 1982, вш. 193, с. 84-92.

4.. Словцов С. В. , Судаков А. В. Долговечность энергооборудования при пульсации температур. В кн. : Теплопередача и прикладная гидродинамика. Киев, Наукова лунка., 1983, с. 176-182.

5.Словцов С.R .Красноухов 10.В. .Шскарь Б. Л. .Судаков A.B. Исследование теплоотдачи к оценка долговечности парогенераторов. Труды ЦКГИ, Л., 1983, вып.202, с. 117-126.

6. Словцов C.B. .Судаков А. В.К оценке долговечности труб парогенераторов. Прикладная механика. АН УССР.

Киев, Наукова думка, 1983, т. XIX, 114, с. 74-78.

7.Кудрявцев И.О. ,Даскарь Б. Л. .Судаков Л. В. .Словцов С.В.Исследование температурного режима и теплогидравлических характеристик при кипении воды в межгрубном пространстве. Энергомашиностроение, 1985, N3, С. 35-38.

8. Пйвеиь Л В., Словцов С. Е , Судаков А, В. Влияние пульсаций температур на ресурс прямоточного парогенератора АЗС. Труды ЦКГИ, JL , 1985, выл. 219, С.51-56.

9. Козлов Б. IL .Судаков А. В., Словцов С. В. Исследование нестационарных температурных шлей прямоточного парогенератора при . колебаниях расхода. Тезисы доклада VI3 Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах". JL ,1985, т. 2, с. 393-394.

10.Красноухов ¡0.В. .Словцов С.В.Расчет температурных шлей трубной доски парогенератора ВН-600 в условиях заброса влаги . Труды ЦКТИ, Л, 1986, вып. 232, с. 76-83.

11.Судаков A.B. .Словцов С. В. .Пивень JL В.Расчет температурных полей и напряжений s элементах энергетического оборудования при произвольном изменении температуры среды. Труды ЦКТИ.Л. ,1989, выл. 254, с. 3-8.

12. Судаков А. В. .Словцов С. В. Ресурс элементов энергооборудова-ния.работаюшх в условиях пульсирующей температуры. Тяжлов машиностроение, М. , 1980, N3, с. 8-11.

13. Судаков А. В., Словцов С. В. Инженерные расчеты нестационарных температур и температурных напряжений.

Тяжелое машиностроение, М., 1991, N8, с. 9-11,38.