Исследование термопрочности водоподающего устройства впрыскивающего пароохладителя. Основные закономерности изменения количества аккумулированного тепла в пароперегревателях. Повышение надежности ступеней пароперегревателя от промежуточных до выходной, страница 3

а - температурное поле; б - радиальные напряжения σ_r, МПа; в - осевые напряжения σ_z, МПа; г - окружные напряжения σ_θ, МПа.

Кривые распределения осевых напряжений в стенке водопадающей трубы вдоль оси штуцера (рис. 4) свидетельствуют о том, что при работе со включенным впрыском труба испытывает высокие напряжения в местах присоединения к крышке штуцера. На поверхности трубы в зоне крышки возникают наиболее высокие напряжения растяжения. При работе с отключенным впрыском напряжения незначительны, хотя снижение температуры вдоль наружной образующей штуцера составляло около 60 °С.

Расчет циклической прочности водоподающего устройства проводился по амплитудам главных условно-упругих напряжений. Рассматривался пульсирующий цикл работы впрыска: включение (начало подачи воды) - стационарная работа с включенным впрыском - отключение впрыска - стационарная работа с выключенным впрыском. На всех этапах работы максимальные напряжения в наиболее нагруженной зоне имеют одинаковый знак (растяжение). При отсутствии впрыска они близко к нулю. В процессе включения (вариант 2) напряжения значительно превосходят напряжения при стационарной работе впрыска. За расчетную температуру принималась максимальная для этого пароохладителя температура 450 °С. Поэтому при расчете допустимого числа циклов не учитывалось влияние ползучести; механические свойства стали были приняты не зависящими от температуры. Поскольку цикл пульсирующий, а главные напряжения по контуру концентратора имеют одинаковый знак, то расчетная амплитуда напряжений равна σ_а =  = 237,5 МПа, и по [2] при t = 450 °С допустимое число циклов составит [N] =7000. Для впрыскивающих пароохладителей, активно участвующих в регулировании температуры пара, это число явно недостаточно при включении впрыска один раз в час расчетное число циклов может быть достигнуто через 1 - 2 года. Даже при больших запасах по числу циклов, принятых в РТМ [2] для расчета циклической прочности конструкций, это свидетельствует о возможности появления трещин в зоне присоединения к штуцеру и обрыва труб после относительно непродолжительной эксплуатации. Этот вывод подтверждается опытом эксплуатации.

Рис. 4. Распределение осевых напряжений σ_z в водоподающей трубе и штуцере:

А - при включении впрыска; Б - впрыск отключен.

Обратим внимание на то, что исследованный пароохладитель не является наиболее нагруженным. Впрыск III, имеющий такую же конструкцию, находится в зоне более высоких температур пара, и градиенты температур в металле соответственно выше. Выше должны быть и температурные напряжения. Вероятность появления трещин в ВПО впрыска III определяется частотой его включения.

Таким образом, исследования подтверждают предположения о том, что нестационарный температурный режим ВПО и высокая неравномерность температурного поля деталей водоподающего устройства являются одной из основных причин повреждения водоподающего устройства ВПО. Учитывая, что для подобных устройств значительная осевая неравномерность температур неизбежна и определяется разностью температур пара и впрыскиваемой воды, можно рекомендовать сделать конструкцию штуцера более эластичной в условиях большого осевого градиента температур.

Решающее значение имеет снижение изгибной жесткости стенки штуцера, зависящей в первую очередь от толщины стенки а также от длины l и радиуса r_шт штуцера. Не менее важную роль играет снижение концентрации температурных напряжений в зоне перехода от штуцера к водоподающей трубе, где эти напряжения максимальны. На рис. 5 приведено сравнение рекомендуемой конструкции водоподающего устройства с одной из обычно применяемых и испытанных нами.

Рис. 5. Традиционная (сверху) и рекомендуемая (снизу) конструкция водоподающего устройства ВПО: l – ребро.

Выводы:

1. Диаметр штуцера следует выбирать наименьшим из возможных с учетом необходимого минимального отверстия в паропроводе для введения в пар подающего воду элемента (перфорированной трубы, форсунки и др.), а также с учетом выполнения достаточного радиуса кривизны ρ перехода от внутренней трубы к крышке штуцера (ρ ≥ 5мм).