книги / Прочность конструкций при малоцикловом нагружении

известной последовательности режимов нагружения, длительно сти режимов, соответствующих им эквивалентных циклов (тца). общее время работы т на данном i-режиме и числе циклов

будет определяться как

Для этого времени должны устанавливаться характеристики Овг> \[\ и Время для режима г + 1 тогда составит

Аналогично следует использовать время нагружения на каж­ дом из режимов при построении изохронных кривых деформиро­ вания.

Влияние переменных температур цикла можно учесть через коэффициент снижения долговечности

начиная с которых проявляются температурно-временные эффек­ ты. Тогда долговечность (АД в условиях переменных температур

Методика уточненной оценки сопротивления длительному циклическому нагружению приведена в гл. 11.

§ 4. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

На стадии проектирования расчетно-экспериментальное определе­ ние прочности и ресурса атомных реакторов осуществляется по двум основным направлениям [2, 4—7, 15]:

— определение напряженно-деформированных состояний с учетом выбираемых конструктивных форм и условий нагруже­ ния;

— определение характеристик сопротивления конструкцион­ ных материалов деформированию и разрушению с учетом условий эксплуатации.

При решении краевых задач о напряженно-деформированном состоянии несущих элементов в соответствии с нормами (5, 8] используются аналитические методы теории пластин и оболочек, многочисленные справочные данные о концентрации напряжений в типовых элементах реакторов (отверстия, патрубки, переходы жесткостей, пазы, резьбы и т. д.). Для сложных узлов (наклон-

'Л

ные патрубки, толстостенные патрубки, узлы главного разъема, зоны соединения разнородных металлов и контактных взаимодей­ ствий) на стадии проектирования важное место занимают [1,5 — 7] экспериментальные методы фотоупругости для определения напряжений на моделях из оптически чувствительных материалов. В этом случае представляется возможным получить информацию о распределении напряжений, коэффициентах концентрации и градиентах напряжений, об остаточных и термических напряжениях (в том числе и в зонах антикоррозионных наплавок). Методы фо­

в атомных реакторах интенсивно развиваются вычислительные методы с использованием ЭВМ [4, 7, 11 и др.]. Это в первую очередь относится к матричному методу теории пластин и оболо­ чек, методу конечных элементов (МКЭ), методу конечных разно­ стей (МКР). Первый из указанных методов позволяет достаточно точно и быстро рассматривать корпусные осесимметричные кон­ струкции (зоны фланцев, днищ, крышек, нажимных колец) с широкой вариацией условий механического и теплового нагру­ жения и выходом в неупругую область деформаций. Метод конеч­ ных разностей использовался для решения контактных задач в области главного разъема корпусов ВВЭР. Наибольшее распро­ странение в инженерной практике в СССР и за рубежом получает метод конечных элементов. Этот метод является достаточно уни­ версальным как для зон с относительно невысокой неоднород­ ностью термомеханических напряжений, так и для зон с высокой концентрацией напряжений (в том числе щелевые сварные швы и дефекты типа трещин). В методе конечных элементов получает от­ ражение одновременное решение тепловой задачи и задачи о на­ пряженно-деформированном состоянии. Наиболее эффективно при­ менение МКЭ для плоского и осесимметричного случая, когда в расчет может быть введена неоднородность механических свойств и стадия неупругого деформирования. Решение трехмерных задач методом конечных элементов сводится в основном к анализу про­ странственных относительно тонкостенных конструкций, а также к рассмотрению объемных напряженных состояний в ограничен­ ных по размерам зонах (например, зона присоединения толсто­ стенного патрубка к толстостенному корпусу).

Программы расчетов по указанным выше вычислительным ме­ тодам, как правило, дополняются выделением основных категорий напряжений по нормам [5, 8] и построением расчетных циклов.

Для выбранных и обоснованных конструктивных решений в ряде ответственных случаев применяется моделирование крупных узлов и целых корпусов реакторов (включая сам корпус, крышку, нажимные кольца, шпильки главного разъема) и паро­ генераторов [1, 6, 7]. При этом важные данные о распределении усилий между элементами реакторов и о напряжениях в наиболее опасных зонах получают на моделях из низкомодульных материа-

42

лов (оргстекло) с применением электротензометрии. Кроме этого, для исследования напряженно-деформированных состояний в об­ ласти повышенных температур с учетом тепловых и механических нагрузок используются металлические модели и стенды (в масшта­ бах от 1 : 5 до 1 : 1). Такие модели испытывались в связи с созда­ нием реакторов ВВЭР, РБМК и БН [1, 6, 7].

На стадии пуска наиболее сложными и одновременно наиболее точными являются натурные исследования усилий, деформаций, напряжений и температур на атомных реакторах при их предпус­ ковых испытаниях — с воспроизведением режимов гидроиспыта­ ний, пусков, стационарных режимов, срабатывания систем защи­ ты, расхолаживания и разуплотнения [6,7]. В качестве примера на рис. 2.7 приведены данные об изменении напряжений и темпера­ тур в верхней части реактора ВВЭР [7]. Изменение напряжений вызвано изменением температур при энергопуске, когда давление в корпусе составляло 100 кГ/см2 (10 МПа), разогрев осуществлял­ ся со скоростью 277ч, охлаждение — 407 ч. При разогреве напряжения на наружной поверхности увеличиваются, достигая к концу разогрева максимальных значений (в разные моменты времени для разных элементов). При выходе на стационарный режим напряжения несколько снижаются; при расхолаживании снижение напряжений происходит более интенсивно с последую­ щим их повышением к концу расхолаживания. Приведенные на рис. 2.7 данные показывают на сложность формы цикла напряже­ ний при выраженной нестационарности температур для режима разогрев — расхолаживание. Аналогичные данные о реальной нагруженности атомных реакторов при всех эксплуатационных режимах могут быть введены в расчеты по уравнениям (см. § 3)

для определения допускаемых амплитуд напряжений [о*] и дол­ говечностей [ЛЧ.

Указанные выше результаты расчетного и модельного иссле­ дования напряжений входят в обоснование исходного ресурса на стадии проектирования, а данные натурных тензометрических исследований являются исходными для уточненного определения прочности и исходного ресурса при пуске реакторов в эксплуата­ цию.

При расчетах циклической и длительной циклической прочно­ сти на стадии проектирования и пуска атомных реакторов в соот­ ветствии с данными § 3 используются характеристики механиче­ ских свойств применяемых конструкционных материалов, гаран­ тируемые соответствующими техническими условиями и стандар­

тельная пластичность ф* (или 6*), определяемые из опытов на длительную прочность и ползучесть. Дополнительными характе­ ристиками материалов являются показатели степени кривой

43

Рис. 2.7. Напряжения и температуры в корпусе реактора при энергопуске (разогрев и расхолаживание)

малоциклового разрушения т, mt, те и параметр диаграммы циклического деформирования А.

Для уточненного определения малоцикловой прочности и ре­ сурса могут быть использованы экспериментальные кривые мало­ цикловой усталости при жестком (заданные амплитуды деформа­ ций) и мягком (заданные амплитуды напряжений) нагружении [4, 5, 8, 14, 15]. Это имеет важное значение при использовании в атомных реакторах новых материалов (основной металл, металл швов и наплавок), а также при изменении режимов термообработ­ ки.

Дальнейшее уточнение сопротивления деформациям и разру­ шению достигается при проведении испытаний на малоцикловую

уточненного определения действующих циклических напряжений и построения расчетных кривых малоциклового разрушения с использованием запасов по амплитудам условных упругих на­ пряжений па и долговечности п^, численные значения которых содержатся в нормах [5, 8] и приведены в § 3.

Снижение запасов прочности допускается [5, 8] при обоснова­ нии малоцикловой прочности и долговечности результатами испы­ таний натурных элементов конструкций и их моделей, спроекти­ рованных и изготовленных в соответствии с требованиями, предъ­ являемыми к штатным конструкциям. При этом режимы испытаний по нагрузкам и температурам должны соответствовать условиям эксплуатации. Степень снижения запасов п0 и nN устанавли­ вается в зависимости от объема модельных и натурных испыта­ ний (см. гл. 11); однако их величины (определенные по моменту возникновения трещин) даже при циклических испытаниях на­ турных конструкций или полномасштабных моделей должны быть не ниже 1,25 и 3 соответственно [5].

Опыт определения и обоснования малоцикловой прочности и ресурса атомных реакторов, так же как и авиационных конструк­ ций (см. гл. 4 и 5), получает применение при решении задач проч­ ности в других отраслях машиностроения, новой техники и строи­ тельства, использующих сосуды давления, роторные конструкции, трубопроводы, листовые и стержневые конструкции.

46

Литература к главе 2

1.Петросъянц А . М. Атомная энергетика. М.: Наука, 1976, с. 318.

2.Мельников Н. Л. Конструктивные формы и методы расчета ядерных реак­

торов. М.: Атомиздат, 1972, с. 550.

3.Mager Т. R., Riccardella Р. С. Practical Application of Fracture to Pres­ sure Vessels Technology. London, SW1, 1971, p. 276.

4. Сервисен C. R., Шнейдерович P. M ., Гусенков А . П. и др. Прочность

при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1975, с. 285.

5.Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследо­ вательских ядерных реакторов и установок. М.: Металлургия, 1973,

10.Fischdick Н. Preprints of the First International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology. Berlin: BAM, 1971, p. 1—8.

12.Махутов Н. А., Гаденин М. М., Гохфельд Д. А . и др. Уравнения состоя­

ния при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1981, с. 244.

13.Махутов Н. А . Деформационные критерии разрушения и расчет элемен­

тов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981, с. 272.

14.Филатов В. М. Предельные состояния и образование макротрещин.—

Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика и техника ядерных реакторов», вып. 1 (21) 42, 1978.

15.Махутов Н. А., Филатов В. М., Зеленский В. Г. Расчеты малоцикловой

прочности энергетических конструкций.— В кн.: III Всесоюз. симпоз. «Малоцикловая усталость элементов конструкций»: Тез. докл. и сообщ. Вильнюс: Редакционно-издательский совет Минвуза Литовской ССР, 1979, вып. 2, с. 20—29,

16.Баландин Ю. Ф., Малыгин А . Ф., Туляков Г. А ., Плеханов В. А . Термо-

цнклическая прочность элементов энергетических конструкций.— В кн.: III Всесоюз. симпоз. «Малоцикловая усталость элементов кон­ струкций»: Тез. докл. и сообщ. Вильнюс: Редакционно-издательский совет Минвуза Литовской ССР, 1979, вып. 2, с. 12—19.

17.Махутов Н.А. Кинетика развития малоциклового разрушения при

повышенных температурах.— В кн.: Исследования малоцикловой проч­ ности при высоких температурах. М.: Наука, 1975, с. 99—123.

18.Гусенков А . Л. Прочность при изотермическом и неизотермическом

малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1979, с. 295.

47

Глава 3

НАПРЯЖЕНИЯ И ПРОЧНОСТЬ КОРПУСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

§1. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ИДЕЙСТВУЮЩИЕ НАГРУЗКИ

Одной из основных причин преждевременного разрушения корпус­ ных деталей паровых турбин, работающих в нестационарных теп­ ловых условиях, является малоцикловая термическая усталость. По приближенной оценке [1], ресурс длительной циклической прочности металла корпусов паровых турбин может быть исчер­ пан после сравнительно небольшого количества теплосмен (500 —

1000).

Цикличность температурных напряжений в корпусных деталях паровых турбин в значительной мере зависит от колебаний элек­ трической нагрузки энергосистем. Известно, что неравномерность суточного и недельного графиков электропотребления растет по­ стоянно (рис. 3.1).

Для покрытия переменной части графика электрической на­ грузки все больше привлекаются энергоблоки мощностью 160, 200 и 300 МВт [2] и в перспективе блоки мощностью 800 МВт. Существуют разные способы покрытия переменной части трафика нагрузок. Чаще других для этой цели используют разгрузку энергоблоков или останов их в резерв на время резкого снижения нагрузки. При разгрузке энергоблоков вплоть до технического минимума (30—70% от номинальной мощности) параметры остро­ го пара остаются практически неизменными. Образующиеся прп нестационарных режимах эксплуатации температурные неравно­ мерности приводят к возникновению температурных напряжений. Величина реализуемого размаха напряжений в корпусах цилинд­ ров высокого давления (ЦВД) в Цикле разгрузка — восстановле­ ние относительно невелика, однако число таких циклов за год может быть весьма незначительным.

В последние годы все шире практикуются остановы энергобло­ ков во время снижения нагрузки ночью и в выходные дни. Это связано с тем, что глубокая разгрузка блоков приводит к ухуд­ шению их технико-экономических показателей. Как видно из исследований, проведенных у нас и за рубежом [2, 3J, останов части блоков станции в резерв на время снижения нагрузки может оказаться экономически более выгодным, так как остальные блоки получают возможность работать в нормальном для них режиме. Так, например [2], количество остановов в резерв энергоблоков мощностью 160—300 МВт за 1971—1974 гг. объединенной энер-

48

Рис. 3.1. Типичный график электрической нагрузки энергосистемы

гетической системы Центра, Северо-Запада и Юга европейской зоны СССР при переводе их на переменные режимы работы в тече­ ние 3—4 лет увеличилось в 2—3 раза. Эксплуатационные режимы паровых турбин, определяющие циклическую нагруженность корпусных деталей, отличаются большим разнообразием. Однако по характеру теплового состояния корпусов, скорости изменения температур, величине возникающих при этом в стенках корпусов температурных разностей и напряжений эксплуатационные режи­ мы, представляющие интерес для анализа напряженного состоя­ ния и оценки циклической прочности, можно разделить на следую­ щие группы:

—режимы с резкими изменениями параметров пара (открытие главной паровой задвижки, толчок роторов, впрыск питательной воды, аварийный останов, сброс нагрузки и т. д.);

—пусковые режимы (предтолчковый прогрев трубопроводов

икорпуса стопорного клапана, набор оборотов и холостой ход, набор нагрузки);

—режимы остановов турбины (с принудительным расхолажи­ ванием, естественное остывание);

—работа турбины на номинальной или частичной нагрузке. На рис. 3.2 приведены графики изменения температуры (t) и

давления (р) в корпусе ЦВД турбины К-200-130, полученные при натурных тензометрических исследованиях и отражающие харак­ тер нагруженности корпусных деталей паровых турбин в процессе эксплуатации.

Типичными режимами для циклической нагруженности корпу­ сов паровых турбин являются режимы пуска (набора электриче­ ской нагрузки) и останова турбины. Напряженно-деформирован­ ное состояние, возникающее при этом в стенках корпусов, обус-

49

Рис. 3.2. Характер нагруженности корпусов паровых турбин при эксплуата­ ции

ловливается как тепловыми нагрузками из-за градиентов темпера­ тур по толщине стенки, осевых и кольцевых перепадов темпера­ тур, так и механическими нагрузками (внутреннее давление, осевые силы и др.). Таким образом, в цикле «пуск — останов» турбины имеют место режимы, создающие условия нагружения,

расхолаживания корпусов цикл изменения напряжений будет близким к симметричному, например для корпуса ЦВД турбины К-200-130. При обычном останове напряжения в корпусных дета­ лях, как правило, значительно ниже по абсолютной величине, чем при пуске, и цикл будет асимметричным.

При расчетах на прочность при малоцикловом нагружении обычно ограничивались рассмотрением НДС, возникающим при режимах пуск — останов турбины. Однако, как показали исследо­ вания [41, существенный вклад в повреждаемость могут вносить нагрузки, возникающие при других, быстропротекающих режи­ мах эксплуатации, в частности при толчке роторов, сбросах на­ грузки и др. При проведении таких режимов на внутренних по­ верхностях ряда корпусов реализуется тепловой удар и изменение температур и деформаций на внутренней поверхности носит «им­ пульсный» характер (рис. 3.3),

При толчке роторов в результате резкого «захолаживания» части внутренней поверхности корпуса ЦВД в тонком слое стенки возникают растягивающие напряжения, причем величина механи­ ческой деформации при фактически полном стеснении свободного теплового расширения практически равна величине температур­ ной деформации. Этот режим можно рассматривать как случай жесткого нагружения при пульсирующем цикле деформаций.

При интенсивном тепловом ударе, возникающем при толчке роторов (при пуске из холодного состояния), целесообразно при оценке повреждаемости рассматривать цикл «толчок роторов — набор электрической нагрузки», так как размах напряжений в этом

50