ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 127
1996 N r kol. 1350
J a n CZEPELAK
In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechnika Śląska, Gliwice
OCENA WPŁYWU SPO SO BU EKSPLOATACJI KOTŁÓW N A TRWAŁOŚĆ ELEMENTÓW CIŚNIENIOWYCH
S tr e sz c z e n ie . W pracy przeprowadzono analizę wpływu różnych param etrów pracy kotłów n a trw ałość jego elementów ciśnieniowych pracujących w w arun k ach pełzania. Jak o podstawowe param etry pracy elem entu przyjęto ciśnienie czynnika w ew nątrz oraz tem peraturę m e
talu . Jak o podstawowy p a ra m etr charakteryzujący proces rozruchu (odstaw iania) przyjęto szybkość nagrzew ania się (chłodzenia) metalu.
INFLUENC E ESTIM ATION OF METHOD OF BOILER
EXPLOITATION ON THE LIFE TIME OF PR ESSU R E ELEMENTS
S u m m ary. The paper presen ts an analysis of th e influence of various operational p aram eters of the boilers on th e durability of its elem ents. The pressure of th e in n er medium and th e m etal tem perature have been assum ed as basic operational p aram eters of th e element. The he a tin g (cooling) velocity of th e elem ent has been assum ed as the m ost im p o rta n t p a ra m ete r of its u n stead y state.
DIE AUSW ERTUNG DES EIN FL U SSE S D E R BETRIEBSW EISE VON K ESSELN AU F DIE LEBENSD AU ER D ER DRUCKELEMENTE
Z u sa m m en fa ssu n g . Die A rbeit e n th ä lt eine Analyse des Einflusses von A rb eitsparam eter des K raftwerksblockes a u f die Lebensdauer der Elem ente. D er D ruck von Innenm edium u n d die M etalltem peratur sind als die G ru n d arb eitsp aram eter des B estandteiles angenommen wor
den. Als der w ichtigste P aram eter des unbeständigen Zustands des E lem entes ist die Geschwindigkeit der E rw ärm ung (Kühlung).
206 Jan Czepelak
1. W stęp
E lem enty ciśnieniowe kotłów energetycznych w trak cie eksploatacji podle
g ają procesom zużyw ania się. Procesam i powodującymi zużyw anie się ele
m entów eksploatow anych w te m p e ra tu ra c h powyżej te m p e ra tu ry granicznej są: pełzanie, zjaw iska zmęczeniowe (zarówno m echaniczne, ja k i cieplne), korozja, a dla powierzchni ogrzew alnych dodatkowo erozja popiołowa. Najczę
ściej m am y do czynienia z sum arycznym działaniem w ielu procesów, przy dom inacji jednego z nich, najczęściej zjaw iska pełzania. Często duży udział m ają procesy niskocyklicznego zm ęczenia - dotyczy to w szczególności ele
m entów grubościennych ty p u kom ory zbiorcze, kolektory, trójniki itp.
P ra ca elem entów ciśnieniowych w m aszynach i urządzeniach energetycz
nych przebiega przy stałym i zm iennym obciążeniu. K onsekwencją tego są sta łe oraz zm ienne w czasie nap rężen ia w m ateriale. W przypadku obciążeń stałych zachodzi pełzanie m ateriału . W przypadku cyklicznie zm iennych ob
ciążeń pow stają zm ienne odkształcenia e(t) o am plitudzie Ae. Po długotrwałej eksploatacji elem ent ciśnieniowy kotła osiąga s ta n graniczny w sk utek zmę
czenia niskocyklicznego, procesu pełzania, zm ian własności m ate ria łu i ubyt
ków korozyjno-erozyjnych.
Z agadnienie optym alizacji procesów eksploatacyjnych kotłów z p u n k tu wi
dzenia ich trw ałości n ab ie ra w ostatn ich lata ch coraz większego znaczenia.
W ynika to z faktu, że coraz więcej elem entów bloków energetycznych osiąga obliczeniowy czas pracy lub zbliża się do niego. Isto tne zatem staje się określe
nie teoretycznego i rzeczywistego poziomu ub ytku trw ałości elem entów kon
strukcyjnych po wieloletniej eksploatacji w w aru nk ach obciążeń niskocyklicz- nych, wywołanych zm iennym i obciążeniam i cieplnymi i m echanicznym i oraz pełzaniem m ateriału , a tak że dokonanie oceny możliwego jeszcze okresu dal
szej eksploatacji urządzeń, aby zaplanować rem onty, m odernizacje lub wy
m ianę elem entów n a nowe.
2. C el p ra cy
Celem pracy je s t przeprow adzenie analizy wpływu param etrów pracy na trw ałość elem entu ciśnieniowego n a podstaw ie przedstaw ionego modelu w zależności od cech konstrukcyjnych, param etrów pracy, liczby rozruchów i param etró w rozruchowych kotła.
Ja k o podstaw owe p a ra m etry pracy elem entu przyjęto ciśnienie czynnika w ew nątrz oraz te m p e ra tu rę m etalu. Ja k o podstawowy p a ra m e tr charak tery
zujący proces rozruchu (odstaw iania) przyjęto szybkość nagrzew ania się (chło
dzenia) m etalu.
Ocena wpływu sposobu eksploatacji. 207
3. Z a ło żen ia m o d elu do o k r e śle n ia stop n ia z u ż y c ia e le m e n tu c iś n ie n io w e g o
1. W przypadku kotłów przez cykl pracy rozum ie się przebieg zm ian obciąże
n ia od m om entu uruchom ienia poprzez ru ch ustalony do m om entu o d sta
w ienia. Cykl pracy elem entów określany je s t poprzez w artości p a ra m e trów: ciśnienia (p), tem p e ra tu ry (T), oraz n aprężenia (o) w sta n a c h sk ra j
nych:
- dolnym pd, Td, a d,
— górnym pg, Te, a g.
W pracy rozw ażane są 3 podstawowe w arianty obciążenia cyklicznego (cykle pracy).
a) O - P - O b ) 0 - R - N - S - 0 c ) N - S - G - R - N gdzie:
O - s ta n zim ny (określony przez tem p e ra tu rę T = 20°C i nadciśnienie p = 0 MPa),
P - próba ciśnieniowa (ciśnienie p = 1,25 p zn),
R — rozruch ze stan u zimnego do nominalnego ze stałą szybkością wzro
stu tem p e ra tu ry m etalu v K/min,
G - rozruch ze sta n u gorącej rezerw y z szybkością w zrostu tem p e ra tu ry m etalu v, (stan gorącej rezerw y określa tem p eratu ra 20°C <
Td < Tzn i ciśnienie 0 < p < pzn),
S — schładzanie ze s ta łą szybkością zarówno do stanu rezerw y gorącej, ja k i do sta n u zimnego,
N - sta n pracy ustalony.
2. W cyklu pracy pom ija się zm iany obciążeń spowodowane w ahaniam i ciś
n ień i tem p eratu ry , których w artości n aprężeń nie przekraczają granicy zmęczenia.
3. Całkowite zużycie się m ateriału rozpatryw anego elem entu wyznacza się zgodnie z zasad ą liniowej akum ulacji defektów przez zsumowanie ubytków trw ałości [1],
4. Z uw agi n a to, że w metodzie obliczeniowej uwzględnia się rzeczyw istą grubość ścianki, pom ija się wpływ ubytków erozyjno-korozyjnych.
5. Zm ianę własności m echanicznych m ateriału w trakcie eksploatacji określa się w sposób uproszczony przyjm ując wytrzymałość n a pełzanie RZ/T/t skorygow aną do 0,8 wartości norm atyw nej [2].
208 Jan Czepelak
4. A lg o ry tm o b lic z e ń
Zużycie m ate ria łu badanego elem entu wyznacza się jako sum ę wskaźników u b y tk u trw ałości od zm ęczenia niskocyklicznego ew i pełzania ez.
e — ew + ez
J e s t to obliczenie bardzo uproszczone. B rak je s t jed n a k wyników bad ań skom
plikow anego procesu obciążenia, złożonego z kom binacji pełzania i zmęczenia małocyklicznego stali, które rozstrzygnęłyby, czy słuszne je st sum ow anie czą
stkow ych współczynników ubytków trw ałości.
4.1. P e łz a n ie
Obliczeniowy w spółczynnik ub ytku trw ałości w procesie p ełzan ia ez w roz
p atryw anym okresie eksploatacji je s t sum ą w artości Aez, które wyznaczane są dla poszczególnych k las te m p e ra tu r (ew entualnie tak że ciśnień):
e z = X h e z
przy czym:
2 Z B/T /p
Zakres w artości param etrów pracy dzieli się n a odpowiednie klasy ciśnie
n ia p i te m p e ra tu ry T. D la każdej z klas znajduje się n a podstaw ie danych eksploatacyjnych czas pracy elem entu Zt/p i wyznacza się obliczeniową trw a łość elem entu dla tych w artości p i T. Obliczeniowy sposób określenia trw ało
ści elem entu ZB/T/p dla param etrów pracy T, p polega n a określeniu napręże
n ia a w elem encie ciśnieniowym, a n astęp n ie odniesieniu do własności wy
trzym ałościowych m ate ria łu Rj/r/t w określonej tem p eratu rze pracy. N apręże
nie w ściance elem entu wyznacza się jako śred nią w artość n a grubości ścianki z uw zględnieniem współczynnika wytrzymałościowego Zw (uwzględniającego obecność otworów i spoin) z zależności [8]:
p[Dz - ( 2 - Z w)s]
° B ~ 2Zws
4.2. Z m ę c ze n ie n is k o c y k lic z n e
Podobnie ja k dla pełzania w skaźnik u b y tku trw ałości w sk u tek zmęczenia niskocyklicznego wyznacza się:
Ocena wpływu sposobu eksploatacji... 2 0 9
ew - X Aew
Liczbę zm ian obciążeń (cykli rozruch - odstaw ienie) dzieli się na k lasy w zależności od am plitudy oscylacji n aprężeń 2 a a będącej wynikiem różnicy te m p e ra tu ry AT n a grubości ścianki powstającej w trakcie procesu nagrzew a
n ia czy schładzania. Każdej takiej klasie odpowiada rzeczywista liczba zm ian obciążenia N. N astępnie wyznacza się w artości granicznej liczby cykli dla poszczególnych klas 2oa. Do w yznaczania Ngr wykorzystuje się empirycznie wyznaczone charakterystyki małocyklicznej wytrzymałości zmęczeniowej [3, 4].
C h a rak tery sty k i te uzależniają liczbę cykli zm ian obciążenia N do uszkodze
n ia (pęknięcia) od am plitudy zm ian naprężeń 2oa w czasie cyklu oraz średniej te m p e ra tu ry cyklu. Ja k o tem p e ra tu rę śred n ią cyklu (służącą do wyznaczania wielkości m ateriałow ych zależnych od tem peratu ry ) przyjmuje się w artość określoną w następujący sposób [3, 4]:
gdzie Tmax, Tmin — m aksym alna i m inim alna te m p e ra tu ra cyklu.
A m plitudę n ap rężeń Ao wyznacza się jako różnicę naprężeń na początku schładzania (odstaw iania) oraz n a początku rozruchu:
Aby skorzystać z doświadczalnej ch arak tery sty ki zmęczeniowej, należy wy
znaczoną w artość Ao skorygować w zależności od zakresu zmienności [3]:
- dla Ao < 2Re(t)
T = 0,75Tmax + 0,25T,m m
(i)
2 o a = A o f-
( 2 R m(2 0 ))2 ( 2 R e(T) Ao)2 dla Ao > 2Re(t)
przy czym f uzależnione je s t od rodzaju m ateriału:
1,0 jeżeli Re(20) < 360 MPa f = 1,2 jeżeli Re(20) = 360 -s- 600 MPa
1,4 jeżeli Re(2o, > 600 M Pa
210 Jan Czepelak
N aprężenia, o których mowa w zależności (1), stanow ią sum ę naprężen ia od ciśnienia w ew nętrznego op i nap rężen ia term icznego <3t w m iejscu najw ię
kszego w ytężenia m ateriału , to je s t n a kraw ędziach otworów, gdzie w ystępuje k oncentracja naprężeń.
a sc = a sp + <Ą = o t k p g ^ + a T A 0 S
o rc = a rp + o ^ = a kpd U + a T ^ A0r
Przy założeniu, że w ystępujące podczas rozruchu czy odstaw iania przebiegi n agrzew an ia i schładzania elem entu ciśnieniowego m ają c h a ra k te r ą u a si- stacjonarn y (szybkość zm ian te m p e ra tu ry je s t ustalona), różnicę tem p eratu ry w ściance wyznacza się z zależności:
ATr = — vrs 2
ATS = — vss2 ELj'
W spółczynnik koncentracji nap rężeń od ciśnienia a k m ożna określić z [4, 5], a dla w spółczynnika koncentracji n aprężeń term icznych przyjm uje się w ar
tość rów ną 2 [5]. Poniżej podano zależności do w yznaczenia pozostałych wiel
kości w ystępujących w powyższych wzorach.
Ocena wpływu sposobu eksploatacji. 211
5. A n a liza w p ły w u p a ra m etró w ek sp loatacyjn ych n a tr w a ło ść
Analizę wpływu rozpatrywanych w pracy param etrów n a trwałość przeprowa
dzono na przykładzie kilku grubościennych elementów ciśnieniowych kotła:
— kom ory wylotowej końcowego stopnia przegrzew acza pary pierwotnej kotła OP 650,
— kom ory wylotowej końcowego stopnia przegrzew acza pary wtórnej kotła OP 650,
— wężownic obu powyżej wymienionych przegrzewaczy.
E lem enty te p racują w wysokich tem p eratu rach , ale przy różnych ciśnie
niach, a zatem charak tery zu ją się znaczną różnicą grubości ścianki. Poniżej w tab e li podano dane przyjęte do obliczeń, a n a rysunkach 1 i 2 pokazano przekroje kom ór oraz schem at owierceń otworów n a króćce. Wyniki obliczeń przedstaw iono n a rysunkach 3 h- 6. N a ich podstaw ie można przeprowadzić analizę wpływu rozw ażanych czynników n a ubytek trwałości.
T a b lic a 1
Wielkość O zna
czenie
Jednostka
Przegrzewacz pary pierwotnej
Przegrzewacz p ary wtórnej kom ora
wylotowa
wężow- nica
komora wylotowa
wężow- nica
M ateriał 10H2M 10H2M 10H2M 10H2M
Ś rednica zew nętrzna Dz mm 508 31,8 558 57
Ś rednica w ew nętrzna D„ mm 308 17,6 498 49
M inim alna grubość
ścianki s mm 100 7,1 30 4,0
Ś rednica otworu
króćca d mm 17,6 - 49 -
S tosunek średnic u = D /D w - 1,649 1,809 1,120 1,163
T em p eratu ra
znamionowa Tzn °C 540 540 540 540
C iśnienie znamionowe Pzn M Pa 13,8 13,8 2,45 2,45
W sp.koncentracji
n ap rę żeń od ciśnienia 0lk - 2,55 1 3,20 1
Wsp.
wytrzymałościowy Zw - 0,958 1 0,591 1
212 Jan Czepelak
5.1. W pływ p a r a m etr ó w e k sp lo a ta c y jn y c h n a tr w a ło ść w p r o c e sie p e łz a n ia
W pływ p aram etró w pracy dla kom ór wylotowych przegrzew aczy p a ry na obliczeniowy ubytek trw ałości w procesie pełzania ez pokazują ry su nk i 4 i 6.
Rys. 1. Przekrój oraz schem at owierceń komory (j) 508 x 100
Fig. 1. Cross-section an d layout of drill-holes of th e collector ó 508 x 100
Ocena wpływu sposobu eksploatacji. 213
Rys. 2. Przekrój oraz schem at owierceń komory ę 558 x 30
Fig. 2. Cross-section and layout of drill-holes of th e collector $ 558 x 30
a) W pływ c iś n ie n ia c z y n n ik a w e w n ę tr z n e g o
N a ry su nk u 4 przedstaw iono wpływ ciśnienia dla komory wylotowej prze- grzew acza p a ry pierwotnej. Oprócz krzywych dla ciśnienia p = 13,8 M Pa w rysowano dwie krzywe dla w artości mniejszej i większej o 0,5 MPa ( 13,3 i 14,3 MPa). Z wykresu wynika, że zmiana ciśnienia rzędu 3,7% wpływa n a wartość ubytku trwałości ez o 14 16% (w rozpatrywanym zakresie temperatur).
214 Jan Czepelak
V [ K/min ]
Rys. 3. Wpływ p aram etrów pracy n a ubytek trwałości komory (|) 508 x 100 w skutek zmęcze
n ia niskocyklicznego. Liczbę cykli pracy przyjęto N = 1000
Fig. 3. Influence of th e operational p aram eters on th e durability loss for th e collector (J> 508 x 100 caused by th e low-cycle fatigue. N um ber of cycles N = 1000
Podobnie n a ry su n k u 6 przedstaw iono wpływ ciśnienia dla kom ory wyloto
wej przegrzew acza p ary wtórnej. Dla ciśnień 2,0, 2,45 i 2,9 M Pa (zm iana ciśnienia ok. 20% ) różnica ez je s t około 100%. Zatem m ożna stwierdzić, że wpływ zm ian ciśnienia je s t tego samego rzędu (obie komory są w ykonane z tego samego m ateriału).
Ocena wpływu sposobu eksploatacji. 215
T [ ° C J
Rys. 4. Wpływ param etrów pracy n a ubytek trw ałości komory <j) 508 x 100 w sk u tek pełzania Fig. 4. Influence of th e operational p aram eters on th e durability loss for th e collector
<|> 508 x 100 caused by th e creep
b) W pływ tem p e r a tu ry śc ia n k i
N a podstaw ie licznych b ad ań oraz analizy przepływu pary przez wężownice m ożna stw ierdzić [6], że w ystępuje istotne zróżnicowanie te m p e ra tu ry pary wypływającej z poszczególnych wężownic przegrzewacza. O czasie bezpiecznej eksploatacji decyduje odcinek, który pracuje w najwyższej tem peraturze. Do
d a tn ia nadw yżka tem p e ra tu ry n a wylocie z wężownic bardzo często przekra
cza w artość śred nią za stopniem o ponad 20°C.
216 Jan Czepelak
10 20 30 40
V CK/ m in ] Rys. 5. Wpływ param etrów pracy n a ubytek trw ałości komory <|> 558 x 30 w sk u tek zmęcze
n ia niskocyklicznego. Liczbę cykli pracy przyjęto N = 1000
Fig. 5. Influence of th e operational p aram eters on th e durability loss for th e collector 4> 558 x 30 caused by th e low-cycle fatigue. N um ber of cycles N = 1000
W ykresy 4 i 6 w ykonano dla zak resu te m p e ra tu ry ścianki elem entu ciśnie
niowego 520 - 585°C (w tak im zakresie te m p e ra tu r stosow ana je s t sta l 10H2M). Wpływ tem p eratu ry , w jakiej pracuje elem ent w w aru n k ach pełza
nia, ja k widoczne je s t to n a w ykresach, je s t znaczny. Zwiększenie te m p e ra tu ry o 10°C powoduje dw ukrotny wzrost ubytku trwałości. I ta k dla p = 13,8 M Pa w zrost tem p e ra tu ry z 540°C do 550°C powoduje w zrost ez z 0,035 do
Ocena wpływu sposobu eksploatacji.. 217
T [»CI
Rys. 6. Wpływ param etrów pracy n a ubytek trwałości komory (|> 558 x 30 w skutek pełzania Fig. 6. Influence of the operational param eters on th e durability loss for the collector (j) 558 x
30 caused by th e creep
0,0733. Podobnie dla drugiej rozpatryw anej komory. Odpowiednie w artości ez dla tych sam ych te m p e ra tu r wynoszą 0,078 oraz 0,162.
D la wężownic przegrzew aczy pary w ykonanych ze stali 10H2M ubytek trw ałości je s t zbliżony do w artości uzyskanych dla komór. Również wpływ ciśnienia i te m p e ra tu r ścianki n a wartość ez m a podobny charakter.
218 Jan Czepelak
Zagadnienie wpływu innych czynników, tak ich ja k naprężeń term icznych, obecności osadów n a powierzchniach ru r czy nierów nom iernych obciążeń cie
plnych istotnych dla trw ałości wężownic omówiono szerzej w [9 —11], 5.2. W pływ p a r a m etr ó w e k sp lo a ta c y jn y c h n a tr w a ło ść w p r o c e sie
z m ę c z e n ia n is k o c y k lic z n e g o
W pływ param etrów pracy dla kom ór wylotowych przegrzew aczy p ary na obliczeniowy u bytek trw ałości dla obciążeń zm iennych ew pokazują rysunki 3 i 5. Przy w yznaczaniu ew przyjęto liczbę zm ian (cykli) rów ną 1000 oraz przyjęto założenie, że szybkości nagrzew ania i schładzania w cyklu są równe.
a) W pływ c iś n ie n ia
Zarówno w przypadku rozruchów ze s ta n u zimnego, ja k i ze sta n u gorącej rezerw y wpływ ciśnienia pgje s t niew ielki. Przykładowo w zrost ciśnienia p g z 13,8 M Pa do 14,3 M Pa (rys. 3) daje w zrost ew z 0,087 do 0,09 (dla Tg = 540°C i v = 3 K/min) czyli o 3,4%. Podobnego rzędu wpływ ciśnienia obserwuje się dla drugiej rozpatryw anej komory. A zatem wpływ ciśnienia n a ew je s t m niejszy niż dla u b y tku w procesie pełzania.
b) W pływ te m p e r a tu r y
Wpływ te m p e ra tu ry Tg je s t dużo większy niż ciśnienia. Przy czym dla cykli z rozruchem ze s ta n u gorącej rezerw y (gorących) wpływ je s t m inim alnie większy. Znacznie większy je s t wpływ tem p e ra tu ry Td. D la przykładu przy szybkości v = 3 K/m in i tem p eratu rze Tg = 560°C dla cykli „gorących” (tem pe
r a tu r a Td = 350°C) ubytek trw ałości ew = 0,316 a dla cykli „zimnych” (Td = 20°C) ew = 0,114 (dla kom ory (]) 508 x 100). Podobne różnice w ystępują w przypadku kom ory (() 558 x 30. W ynika to z fak tu, że dla cyklu „gorącego” przy takiej sam ej w artości Tg wyższa je s t te m p e ra tu ra średnia cyklu.
c) W pływ s z y b k o śc i zm ia n te m p e r a tu r y
Szybkość zm ian tem p e ra tu ry ścianki w trakcie rozruchu i odstaw iania m a tym w iększy wpływ n a ubytek trw ałości, im grubsza je s t ścianka elem entu - w artość n ap rężeń cieplnych je s t zależna od grubości ścianki w kw adracie.
Dlatego też szybkość zm ian tem p e ra tu ry v odpowiadająca tej sam ej w artości ew dla kom ory wylotowej przegrzew acza p ary w tórnej je s t przeciętnie o rząd wielkości w iększa niż dla komory przegrzew acza p a ry pierw otnej. Przy czym dla cykli z rozruchem ze s ta n u gorącej rezerw y wpływ je s t większy — ten sam przy rost w artości ew uzyskuje się przy niższych przyrostych prędkości zm ian te m p e ra tu ry ścianki.
d) W pływ p rób c iś n ie n io w y c h n a tr w a ło ść
Cykle ty p u próba ciśnieniow a m ają pom ijalnie m ały udział w u bytku trw a łości w w yniku działania obciążeń zmiennych. W ynika to przede wszystkim
Ocena wptywu sposobu eksploatacji. 219
z b rak u n aprężeń term icznych i niskiej średniej tem p eratu ry cyklu. Napręże
nia, które pow stają n a kraw ędzi otworów pod działaniem podwyższonego ciśnienia (bez udziału innych czynników), przyjm ują tak ie w artości, że pod
wójnej am plitudzie zm ian naprężenia 2 aa odpowiada graniczna liczba cykli N gr » 106. A zatem , zakładając n a przykład liczbę 100 cykli typu próba ciśnieniowa, otrzym ujem y ew « 0,001.
Równocześnie w artość naprężenia n a kraw ędzi otworów dla rozważanych tu kom ór nie przekracza w artości granicy plastyczności Re(20)> a zatem nie pow stają w w yniku próby ciśnieniowej odkształcenia plastyczne będące po odciążeniu elem entu źródłem n aprężeń wstępnych,
e) W pływ z m ę c z e n ia n is k o c y k lic z n e g o n a tr w a ło ść w ę ż o w n ic prze- g r z e w a c z y pary
W ykonane obliczenia dla wężownic p ary pokazały, że podobnie ja k w przy
pad k u prób ciśnieniowych dla komór, obciążenia zm ienne będące wynikiem rozruchów i odstaw ień kotła m ają znikomy udział w ubytku trw ałości. Grani
czna liczba cykli wyznaczona dla w arunków pracy wężownic wynosi znacznie powyżej 106, co przy założeniu liczby cykli Ngr = 1000 prowadzi do ew « 0,001.
6. P o d su m o w a n ie
A naliza przedstaw iona w punkcie 5 pozwala n a sform ułowanie następują
cych uw ag i wniosków:
1. Cykle typu próba ciśnieniowa m ają pom ijalnie m ały udział w ubytku trw ałości w w yniku działania obciążeń zmiennych. W ynika to przede wszy
stkim z b rak u naprężeń term icznych i niskiej średniej te m p e ra tu ry cyklu.
2. Dla elem entów ciśnieniowych typu wężownica przegrzew acza p ary udział obciążenia zmiennego (zmęczenia) je s t praktycznie nieistotny w porówna
niu z obciążeniem stałymi (pełzanie). W rozpatryw anych przypadkach obli
czeniowych graniczna w artość cykli powodujących uszkodzenie była powy
żej 106. A zatem przyjęcie założenia upraszczającego, że ru ry powierzchni ogrzewalnych podlegają jedynie zużyciu w skutek pełzania nie odbiega od sta n u rzeczywistego.
3. Dla grubościennych elem entów ciśnieniowych typu kom ora przegrzewacza udział obciążeń zm iennych w zużyciu elem entu może mieć c h arak ter domi
nujący. W rozw ażanych przypadkach udział ubytku trw ałości przy 1000 cyklach rozruchowych ze stan u zimnego (dla v = 3 K/min dla I komory i v = 36 K/min dla II komory) je s t porównywalny z ubytkiem trw ałości w wyniku procesu pełzania po 105 h, a dw ukrotnie wyższy dla 1000 cykli rozrucho
wych ze sta n u gorącego.
220 Jan Czepelak
4. Przedłużenie eksploatacji ponad okres projektowy w ym aga spowolnienia procesu zużyw ania się obiektu. W tym celu należy przeanalizow ać możli
wości:
- zmodyfikowania sposobu prow adzenia eksploatacji przez ograniczenie ilości rozruchów i odstaw ień oraz obniżenie szybkości zm iany mocy bloku,
— obniżenia param etrów pracy bloku (tem peratury, ewentualnie ciśnienia).
L ite r a tu r a
1. G nilke W.: L ebensdauerberechnung der M aschinenelem ente. Berlin VEB V erlag Technik 1981.
2. TRD 508 Technische Regeln fü r Dam pfkessel. Anlage 1. Zusätzliche P rü fu ng en an B auteilen V erfaren zu r B erechnung von B auteilen m it Z eitabhängigen Festigk eitsken n w erten . 1978.
3. TRD 301 Technische Regeln für Dam pfkessel. Zyllinderscheller u n te r innerem Ü berdruck, 1975.
4. C w ynar L.: Rozruch kotłów parowych. WNT, W arszaw a 1981.
5. W róblewski T. Sikorski W., Rzepa K.: U rządzenia kotłowe. WNT, W ar
szaw a 1972.
6. C w ynar L.: Wpływ schem atu przepływowego przegrzew acza p a ry n a rozkład te m p e ra tu r w kom orach wylotowych stopni. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria E n erg ety ka z. 120, Gliwice 1994.
7. N orm a PN-89/M-34162 Kotły parow e i wodne. W spółczynniki w ytrzy
małościowe i wzmocnienie otworów.
8. In stru k cja oceny sta n u oraz kw alifikow ania do w ym iany kom ór, kolekto
rów, rurociągów kotłowych i głównych rurociągów parow ych pracujących w w a ru n k ach pełzania. W arszaw a 1986.
9. Czepelak J.: Ocena trw ałości pełzaniowej elem entów ciśnieniowych ob
ciążonych niesym etrycznie. Rozpraw a D oktorska. Politechnika Śląska, Gliwice 1993.
10. K osm an G., Czepelak J.: Trwałość elem entów ciśnieniowych obciążo
nych niesym etrycznie. Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, seria E nerg ety k a z. 121, Gliwice 1994.
11. K osm an G., Czepelak J.: Wpływ osadów n a pow ierzchniach ru ry n a jej trw ałość Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, seria E n ergetyk a z. 121 Gliwice 1994.
Ocena wptywu sposobu eksploatacji. 221
W ykaz w a ż n ie jsz y c h o z n a c z eń
a j — współczynnik w yrów nania tem p eratu ry , c - ciepło właściwe,
d - średnica otworu króćca, Dw — średnica zew nętrzna,
Dz - średnica w ew nętrzna, e - w skaźnik ubytku trwałości,
ew — w skaźnik u bytku trw ałości w procesie zmęczenia, ez - w skaźnik u bytk u trw ałości w procesie pełzania,
f - współczynnik,
E - moduł sprężystości podłużnej,
N — rzeczyw ista liczba cykli w danej klasie obciążeń zmiennych, Ngr - graniczna liczba cykli dla danej k lasy obciążeń,
p - ciśnienie,
Re - granica plastyczności,
Rm - wytrzym ałość n a rozciąganie, Rz/r/t — czasowa wytrzym ałość n a pełzanie,
s - m inim aln a zm ierzona grubość ścianki, t t - podziałka obwodowa otworów,
t z - podziałka w zdłużna otworów, T - te m p e ra tu ra ,
u = Dz/Dw - stosunek średnic,
v - szybkość nagrzew ania m etalu,
Zt/p — czas eksploatacji z te m p e ra tu ra T i ciśnieniem p,
Zb/t/p — obliczeniowa trw ałość elem entu w tem p eraturze T i ciśnieniu p, Zw - współczynnik wytrzymałościowy,
a k - współczynnik koncentracji naprężeń od ciśnienia, otx - współczynnik koncentracji naprężeń cieplnych,
(3 - współczynnik rozszerzalności cieplnej, AT - różnica te m p e ra tu ry n a grubości ścianki, Aa - am plitu d a zm ian naprężenia,
A, - współczynnik przewodności cieplnej, v - współczynnik Poissona,
p - gęstość, a — naprężenie,
Cg - średnie naprężenie w ściance elem entu, Of - współczynnik k ształtu,
2 a a - am p litu da zm ian naprężenia odpowiadająca N gr.
In d e k sy d o ln e
zn - w aru n ki znamionowe,
(20) - w tem p eratu rze otoczenia (20°C), T) - w tem p eratu rze średniej cyklu,
222 Jan Czepelak
In d e k s y g ó r n e
r — rozruch (nagrzew anie), s — odstaw ianie (schładzanie), g - w artość graniczna górna, d — w artość graniczna dolna.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. E dw ard Kostowski W płynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.
A b str a c t
The p a p e r p rese n ts an analysis of th e influence of various operational p a ra m e te rs of th e boilers on th e d u rab ility of its elem ents. The p ressu re of th e in n e r m edium and th e m etal tem p e ra tu re have been assum ed as basic opera
tio n al pa ra m ete rs of th e elem ent. The h e a tin g (cooling) velocity of th e elem ent h a s been assum ed as th e m ost im p o rtan t p a ra m e te r of its u n stead y state.
The loss of th e d u rab ility of th e elem ent h a s been d eterm ined as a sum of two factors: for low-cycle fatigue and for th e creep.
The analysis of th e influence of operational p a ra m ete rs on th e durability h a s been shown on exam ple of few thick-w all boiler elem ents.
The re su lts have been given on th e figures.
