Напряженно-деформированное состояние элементов трубных систем кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Целищев, Максим Федорович

• Целищев, Максим Федорович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Целищев, Максим Федорович

Введение.

1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования.н

1.1 Надежность тешообменных аппаратов и ее влияние на общую надежность ПТУ.

1.2. Влияние напряженно-деформированного состояния элементов теплообменных аппаратов на их надежность.

1.3. Влияние эксплуатационного износа трубных систем на надежность теплообменных аппаратов ПТУ.

1.4. Анализ методик прочностного расчета элементов теплообменных аппаратов ПТУ.

1.5. Выводы. Постановка задач исследования.

2. Разработка моделей и исследование напряженно-деформированного состояния трубных досок теплообменных аппаратов паротурбинных установок.

2.1. Описание исследуемых аппаратов.

2.2. Моделирование и анализ влияния характера закрепления трубных досок в корпусах прямотрубных теплообменных аппаратов на их напряженно-деформированное состояние.

2.3. Влияние температурных неравномерностей в трубных досках на их напряженно-деформированное состояние.

2.4. Моделирование напряженно-деформированного состояния трубной доски под воздействием перепада давлений теплоносителей.

2.5. Моделирование процесса вальцевания трубок и его влияния на напряженно-деформированное состояние трубных досок теплообменных аппаратов.

2.6. Выводы.

3. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния трубных досок теплообменных аппаратов.

3.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов.

3.2. Оценка погрешности измерений.

3.3. Экспериментальное исследование влияния завалъцованных трубок на напряженно-деформированное состояние трубных досок.

3.4. Экспериментальное исследование влияния давления гидравлических испытаний на напряженно-деформированное состояние трубных досок.

3.5. Выводы.

4. Влияние напряженно-деформированного состояния трубных пучков на изменение надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок.юо

4.1. Влияние осевых усилий в трубках на изменение характера их колебаний

4.2. Влияние коррозионных поврелсдений трубок на изменение их напряженно-деформированного состояния.

4.3. Влияние механического износа материала на прочность соединения трубки с трубной доской.

4.4. Выводы.

5. Разработка рекомендаций по реализации уточненного прочностного расчета трубных систем теплообменных аппаратов паротурбинных установок.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Напряженно-деформированное состояние элементов трубных систем кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок»

Темпы развития современной Российской энергетики постоянно предъявляют новые требования к надежности и эффективности оборудования ТЭС. В связи с этим, ведется постоянная работа в направлении совершенствования паротурбинных установок и связанного с ними оборудования [1-7].

Теплообменные аппараты паротурбинных установок существенно влияют на эффективность и надежность работы турбоустановки в целом. Снижение надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок (конденсаторов, подогревателей сетевой воды и аппаратов системы регенерации и т.д.) может приводить к значительному снижению КПД турбоустановки [8-13]. Отказы в работе теплообменных аппаратов практически всегда приводят к снижению технико-экономических показателей турбоустановки. В связи с этим, к надежности теплообменных аппаратов предъявляются повышенные требования. Надежность этого оборудования ТЭС определяется большим количеством конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Недостаточно полный учет некоторых из них может привести к преждевременному выходу аппаратов из строя.

Вместе с тем, при проектировании теплообменных аппаратов используются методики расчета на прочность, разработанные 30 и более ле1 назад. Эти методики не учитывали возможностей современных методов прочностного расчета с применением ЭВМ, в частности, возможностей метода конечных элементов. Применение ранее разработанных методик, как правило, обеспечивало необходимую надежность теплообменных аппаратов за счет введения повышенных запасов прочности отдельных элементов. Но, вместе с тем, неоправданно завышались массогабаритные характеристики оборудования, а также осложнялась компоновка турбоустановки в целом. Все это приводило к возрастанию стоимости и сроков окупаемости ТЭС в целом.

Эти обстоятельства потребовали проведения дополнительных исследований и более подробного анализа факторов, определяющих надежность теплообменных аппаратов на этапах их проектирования, изготовления и эксплуатации.

В настоящее время, в связи с быстрым развитием информационных технологий и ростом мощности вычислительных машин, появляются возможности повышения точности производимых расчетов на прочность, а также ввода в расчет на прочность таких факторов, учет которых ранее был невозможен в связи со сложностью расчетов.

Актуальность темы диссертационной работы состоит в том, что в условиях постоянно повышающихся требований к надежности снабжения потребителей тепловой и электрической энергией, необходимо повышать надежность паротурбинных установок (ПТУ), и, в частности, теплообменных аппаратов ПТУ - крупногабаритного, металлоемкого и дорогостоящего оборудования ТЭС.

С точки зрения прочности наиболее критичной частью кожухотрубных теплообменных аппаратов является их трубная система [7-12]. Поскольку теплообменные аппараты во время эксплуатации работают в широком диапазоне изменения тепловых параметров, под действием различных нагрузок трубные доски и трубки находятся в сложном напряженно-деформированном состоянии. Деформации трубных досок приводят к возникновению дополнительных нагрузок в трубках, а также в соединении «трубка - трубная доска». Как показывает опыт эксплуатации теплообменных аппаратов паротурбинных установок, данные нагрузки приводят к отказам и преждевременному выходу теплообменных аппаратов из эксплуатации [712]. Задача более точного определения и учета напряженно-деформированного состояния трубных систем теплообменных аппаратов под действием широкого спектра эксплуатационных и технологических нагрузок с целью совершенствования методик прочностных расчетов является актуальной. Это позволит создавать оптимальные с точки зрения прочности конструкции теплообменных аппаратов, а также корректировать режимы работы существующих теплообменных аппаратов, повысив тем самым их надежность.

Цель работы состоит в:

1. Оценке влияния напряженно-деформированного состояния трубных досок на напряженно-деформированное состояние трубок теплообменных аппаратов паротурбинных установок и надежность всей трубной системы в целом;

2. Оценке влияния эксплуатационного износа трубных систем на изменение их напряженно-деформированного состояния в процессе эксплуатации;

3. Разработке рекомендаций по уточнению расчета напряженно-деформированного состояния трубных досок под действием различных эксплуатационных и технологических нагрузок.

Задачи исследования. Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование напряженно-деформированного состояния трубных систем под действием различных технологических и эксплуатационных нагрузок.

2. Экспериментальное исследование прогибов трубных досок серийных теплообменных аппаратов ТЭС после основных этапов изготовления аппаратов и при проведении их испытаний.

3. Разработка моделей и исследование изменения во времени напряженно-деформированного состояния элементов конструкций теплообменных аппаратов ПТУ, подвергшихся эксплуатационному износу.

Научная новизна определяется тем, что автором впервые: экспериментальными и расчетными методами исследовано напряженно-деформированное состояние трубных систем серийных теплообменных аппаратов паротурбинных установок под действием различных силовых воздействий (разность давлений теплоносителей, давление со стороны завальцованных в трубных досках трубок поверхности теплообмена, наличие неравномерного температурного поля в трубных досках по их толщине);

- расчетным методом определено влияние осевых сжимающих нагрузок трубок со стороны деформированной трубной доски на изменение условий опирания трубок на промежуточные перегородки и их вибрационные характеристики;

- предложен и обоснован переход от поэлементного прочностного расчета теплообменного аппарата к расчету модели, содержащей все элементы теплообменного аппарата и связи между ними; экспериментальными и расчетными методами исследовано напряженно-деформированное - состояние элементов серийных теплообменных аппаратов ПТУ, подвергшихся в процессе эксплуатации коррозионному и эрозионному износу.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются: высокой точностью применяемых систем измерения и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, проведением тестовых измерений и согласованием их результатов с эталонными значениями, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных, применением современных численных методов решения; согласованием исходных данных моделирования с данными других авторов и нормативных документов, соответствием полученных результатов современным физическим представлениям, применением лицензионного программного комплекса ANS YS (лицензионное соглашение № 00106919) для расчетных исследований; использованием в работе нормативных материалов, в которых обобщены результаты современных исследований процессов, испытаний и эксплуатации теплообменных аппаратов.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные данные могут быть использованы при проведении прочностных расчетов теплообменных аппаратов для оценки деформаций и напряжений, возникающих в трубных системах, а также при анализе режимов эксплуатации теплообменных аппаратов ПТУ. Результаты данной работы могут использоваться как совместно с существующими методиками расчета, так и отдельно от них. Полученные данные по характеру изменения напряженно-деформированного состояния элементов теплообменных аппаратов ПТУ в процессе их эксплуатации (под действием коррозионно-эрозионных процессов) могут быть использованы при планировании сроков и объемов ремонтов существующих аппаратов, их модернизации, а также при проектировании новых теплообменных аппаратов ПТУ.

Реализация результатов работы. Результаты используются ОАО «Нестандартмаш» (г. Екатеринбург) при изготовлении теплообменных аппаратов паротурбинных установок, а также в УГТУ-УПИ при чтении лекций студентам по дисциплине «Теплообменники энергетических установок».

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования деформаций трубных досок под воздействием технологических нагрузок от вальцевания трубок и от разницы давлений на поверхности трубных досок при гидравлических испытаниях серийных теплообменных аппаратов ПТУ в условиях их изготовления;

2. Результаты вариантного расчетного исследования технологического процесса вальцевания трубок в трубных досках и влияния этого процесса на напряженно-деформированное состояние трубных досок;

3. Результаты вариантных расчетов напряженно-деформированного состояния элементов трубных систем ТА под воздействием технологических и эксплуатационных нагрузок;

4. Разработанные расчетные модели и полученные на их основе результаты исследования влияния эксплуатационного износа элементов теплообменных аппаратов ПТУ (трубных досок, трубок поверхности теплообмена) на изменение их напряженно-деформированного состояния и прочности.

5. Рекомендации по уточнению прочностного расчета элементов трубных систем теплообменных аппаратов ПТУ.

6. Порядок проведения уточненного прочностного расчета трубных систем теплообменных аппаратов ПТУ.

Личный вклад автора состоит в непосредственном проведении экспериментов и анализе их результатов, а также проведении расчетного исследования напряженно-деформированного состояния трубных систем, разработке уточненной методики поверочного расчета напряженно-деформированного состояния трубных систем теплообменных аппаратов ПТУ под действием различных нагрузок, проведении расчетного исследования влияния коррозионно-эрозионных повреждений элементов теплообменных аппаратов ПТУ на их надежность в процессе эксплуатации.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на IV и V научно-технических конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003,2004 г); XXV, XXVI и XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий «Наука и технологии» (Миасс, 2005, 2006 и 2007 гг.); XXXIV Уральском семинаре по механике и процессам управления «Механика и процессы управления» (Екатеринбург,2004 г.); Международной научно-технической конференции «Энергомашиностроение» (Севастополь, 2006 г.); Третьей международной научно-практической конференции Регионального Уральского отделения Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова (Екатеринбург, 2004 г.); Второй Российской межвузовской конференции по компьютерному инженерному анализу «Компьютерный инженерный анализ» (Екатеринбург, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования» (Харьков, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Топливно-металлургический комплекс»

Екатеринбург, 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий - XIV Бернардосовские чтения» (Иваново, 2007); Третьей и Четвертой международной научно-практических конференциях «Совершенствование тепломеханического оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта» (Екатеринбург, 2004, 2007 г.)

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах, в том числе в материалах семи международных конференций и в одной публикации в издании из перечня, рекомендуемого ВАК:

1. Плотников, П.Н. Экспериментально-расчетный анализ колебаний труб теплообменных аппаратов / П.Н. Плотников, A.B. Занкович, М.Ф. Целищев // Вестник УГТУ-УПИ - 2003. - № 8(28). - С. 172-176.

2. Плотников, П.Н. Моделирование напряженного состояния элементов энергетического оборудования при коррозионном растрескивании под напряжением / П.Н. Плотников, A.C. Руденко, М.Ф. Целищев // Вестник УГТУ-УПИ 2003. - № 8(28). - С. 88-91.

3. Целищев, М.Ф. Моделирование устойчивости трубной системы сетевого горизонтального подогревателя в условиях сжимающих нагрузок / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Вестник УГТУ-УПИ - 2004. - № 15(45). - С. 154-157.

4. Целищев, М.Ф. Влияние эксплуатационного износа элементов теплообменных аппаратов паротурбинных установок на изменение их напряженного состояния / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // XXXIV Уральскоий семинар «Механика и процессы управления»., [материалы]. -Т. 1. - Миасс: Изд-во УрО РАН, 2004. - С. 321 -328

5. Плотников, П.Н. Комплексный анализ влияния эксплуатационных факторов на надежность кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок / П.Н. Плотников, A.C. Руденко, О. С. Анисимова, М.Ф. Целищев // Четвертая международная науч.-практическая конф.

Совершенствование тепломеханического оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта», [материалы] - Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. - С. 145161

6. Целищев, М.Ф. Сравнение различных расчетных моделей трубных досок теплообменных аппаратов паротурбинных установок /М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников// Компьютерный инженерный анализ. Вестник УГТУ-УПИ -2005. -№ 11(67).-С. 24-31.

7. Целищев, М.Ф. Расчетно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния трубных досок теплообменных аппаратов / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // «VIII отчетная конф. молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ». [науч. труды] Сб. ст.: в 2 ч. - Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. - 4.1. - С.432-434.

8. Целищев, М.Ф. Анализ влияния вальцевания трубок в трубной доске на напряженно-деформированное состояние теплообменных аппаратов паротурбинных установок / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников II. Международная науч.-технич. конф. «Энергомашиностроение», г. Севастополь, [материалы] — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006. - С. 24-25.

9. Целищев, М.Ф. Оценка деформированного состояния трубных досок теплообменных аппаратов от технологических и эксплуатационных нагрузок / М.Ф. Целищев, П.Н. Плотников // XXV Российская школа и XXXV Уральский семинар, «Наука и технологии», [посвящ. 60-летию Победы : материалы]. - М.: МСНТ, 2005. - С.257-265.

10. Целищев, М.Ф. Влияние вальцевания трубок и перепада температур на напряженно-деформированное состояние трубных досок теплообменных аппаратов энергетических установок / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // XXXVI Уральский семинар. «Механика и процессы управления», [материалы] - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2006. - T.l 11. - С.218-224.

11. Целищев, М.Ф. Расчетно-экспериментальное моделирование процесса вальцевания трубок в трубных досках теплообменных аппаратов энергоустановок / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Междунар. НТК «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XIV Бенардосовские чтения), [материалы] . Т.1. - Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2007. -С. 198.

12. Целищев, М.Ф. Влияние технологических и температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние трубных досок теплообменных аппаратов / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Междунар. научно-техн. журнал «Проблемы машиностроения» - 2007 - № 1. - Т. 10 - С. 79-83.

13. Целищев, М.Ф. Влияние технологических напряжений в трубных досках теплообменников на их деформированное состояние / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Наука и технологии. Секция 3. Динамика и прочность. Крат. сообщ. XXVII Российской школы [ посвящ. 150-летию К.Э.Циолковского, 100-летию С.П.Королева и 60-летию ГРЦ «КБ им. Акад. В.П.Макеева»] - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2007. - С. 76-78.

14. Целищев, М.Ф. Моделирование вальцевания трубок и его влияния на напряженно-деформированное состояние трубных досок теплообменных аппаратов паротурбинных установок / М.Ф.Целищев, П.Н. Плотников // Теплоэнергетика. - 2008 - № 3. С. 33-36.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения 0,и библиографического списка из 67 наименований. Весь материал изложен на 128 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Целищев, Максим Федорович

4.4. Выводы

В результате проведенного исследования установлено:

1. Под действием осевых сжимающих усилий на трубки, характерных для режимов эксплуатации теплообменного аппарата, в частности сетевого подогревателя ПСГ—2300-2-8, происходит изменение величины реакций в местах контакта трубок с промежуточными перегородками. В некоторых случаях контакт трубки с перегородкой может пропадать, что приводит к изменению общей схемы опирания трубки и, как следствие, к значительному изменению её частот собственных колебаний. В частности, для указанного аппарата при осевой сжимающей силе, равной 2185 Н, происходило снижение частоты собственных колебаний с 18 до 6,5 Гц, что негативно сказывается на вибрационной надежности трубной системы.

2. Наличие коррозионных дефектов на поверхности элементов теплообменных аппаратов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния материала вблизи него. Происходит заметное локальное увеличение напряжений (концентрация напряжений), которая зависит от формы, расположения и глубины дефекта, и может доходить до 7,5 при растяжении.

3. В результате эксплуатационного утонения стенки трубок, происходит снижение контактной прочности вальцованного соединения, в связи с чем, возникает опасность его разгерметизации под действием осевых нагрузок на трубки. В частности, для маслоохладителя МБ-270-330 для осевых нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации аппарата, достаточно утонения стенки трубки на 50 % для ее разгерметизации.

В связи с выявлением существенного влияния осевых нагрузок на трубки, утонения стенки трубки, наличия коррозионных дефектов на поверхности материала на прочность и плотность трубной системы необходим обязательный учет данных факторов при проведении прочностного расчета теплообменных аппаратов.

5. Разработка рекомендаций по реализации уточненного прочностного расчета трубных систем теплообменных аппаратов паротурбинных установок

На основе анализа и обобщения результатов моделирования и экспериментального исследования, проведенных в главах 2-4, можно рекомендовать следующий порядок расчета трубных систем теплообменных аппаратов:

1. Анализ теплообменного аппарата с точки зрения существования в нем конструктивных особенностей, которые могут повлиять на распределение напряжений и деформаций в его элементах, и учет которых необходим. Среди таких особенностей можно назвать следующие: наличие элементов, компенсирующих деформации (линзовых, мембранных компенсаторов); способ компоновки трубной системы (с одной или двумя трубными досками); ориентация аппарата в пространстве (вертикальная или горизонтальная); способ крепления трубок в трубных досках (вальцевание, приварка); число ходов внутритрубного теплоносителя. Также в ходе анализа теплообменного аппарата необходимо определить условия, в которых он работает: температурные разности между теплоносителями, температурные разности по ходам, максимальные эксплуатационные перепады давлений теплоносителей, характеристики коррозионной активности теплоносителей в аппарате.

2. Построение расчетной конечно-элементной модели трубной системы теплообменного аппарата. Как показано в главе 2, для повышения точности прочностного расчета модель должна содержать кроме трубной системы еще и сопряженные с ней элементы, такие как корпус теплообменного аппарата с фланцами и прокладками, крышки водяных камер и др. Чем большее количество сопряженных элементов включено в расчетную модель, тем выше точность расчета, что является следствием наиболее точного моделирования граничных условий закрепления трубной доски. Максимальная точность расчета достигается при расчете полной модели теплообменного аппарата со всеми его элементами. Объем необходимой расчетной модели следует находить из соображений оптимизации. С увеличением расчетной модели увеличивается ее сложность, следовательно, стоимость и время расчета. Поэтому, при проведении комплексного прочностного расчета всех элементов теплообменного аппарата на этапе его проектирования построение полной модели, естественно, оправдано.

Однако если решается локальная задача (к примеру, определение вибрационных характеристик трубок или исследование контактных напряжений в зоне вальцевания трубок), то построение полной .модели аппарата нецелесообразно, так как это не приведет к увеличению точности расчета.

При разбиении модели на конечные элементы необходимо использовать неравномерную сетку конечных элементов с переменной густотой. В местах, где напряжения распределены равномерно, без наличия сильных градиентов, можно применять сетку элементов с большим шагом, а в местах, где имеются значительные градиенты напряжений около небольших геометрических элементов — концентраторов напряжений (к примеру, отверстий в трубной доске) - необходимо сгущение сстки конечных элементов. Необходимо отметить, что чем большее количество элементов содержит расчетная модель, тем выше точность расчета, но с увеличением количества конечных элементов значительно повышается и трудоемкость расчета. В расчетной модели должны быть учтены все необходимые свойства материалов элементов теплообменного аппарата. В частности, учет нелинейности упругих свойств материалов имеет смысл только тогда, когда максимальные напряжения в теплообменном аппарате превышают предел текучести, что характерно для отдельных технологических операций при изготовлении аппарата, например для закрепления трубок поверхности теплообмена в трубной доске методом вальцевания. Понятно, что напряжения в работающем теплообменном аппарате не могут достигать таких значений, поскольку будут означать нарушение работы аппарата. Поэтому нелинейностью свойств материалов рекомендуется пренебрегать во всех случаях, кроме расчета контактных напряжений в вальцованном соединении, где напряжения могут превышать предел текучести.

3. Задание граничных условий и приложение необходимых нагрузок к расчетной модели (давление теплоносителей, температурное поле внутри элементов модели, условия сопряжения элементов аппарата, взаимные контактные давления). Все необходимые давления должны быть приложены именно к тем поверхностям, на которые они действуют. Условия сопряжения элементов теплообменного аппарата в местах их контакта должны

• максимально соответствовать реальным условиям.

4. Проведение расчета модели трубной системы по методике, описанной в главе 2. После проведения конечно-элементного расчета необходим детальный анализ напряжений и деформаций всех элементов расчетной модели с точки зрения соответствия их условиям прочности. Максимальные эквивалентные напряжения в элементах теплообменного аппарата не должны превышать допустимых напряжений для данного материала. В случае превышения допустимых напряжений необходимо внести изменения в конструкцию теплообменного аппарата. Также недопустимым является наличие больших деформаций.

5. Анализ влияния осевых усилий в трубках, возникающих под действием деформированных трубных досок, на изменение их вибрационных характеристик и опасности вырыва трубки из трубной доски в процессе эксплуатации аппарата при вероятном коррозионно-эрозионном утонении стенки трубки.

6. Определение допустимых коррозионных поверхностных повреждений, а также диапазона осевых нагрузок на трубки поверхности теплообмена со стороны трубных досок при которых они не будут подвержены разрушению в результате коррозионного растрескивания.

7. Оценка вибрационных характеристик трубок теплообменного аппарата с учетом особенностей опирания трубок на промежуточные перегородки. Для уменьшения уровня вибраций трубок трубной системы теплообменных аппаратов необходимо для широкого диапазона осевых усилий в трубках конструктивными методами обеспечить стабильное опирание их на перегородки в межтрубном пространстве. Для удовлетворения данного условия следует варьировать расстоянием между перегородками, а также смещением отверстий в перегородках относительно оси трубок.

8. После проведения такого исследования прочности конструкции трубной системы можно делать вывод о ее пригодности для эксплуатации. В случае необходимости следует внести необходимые изменения в конструкцию аппарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Разработаны расчетные конечно-элементные модели и выполнено расчетное исследование температурных полей в трубной доске теплообменного аппарата МБ-270-330 для рабочих параметров теплоносителей. Определены термические напряжения и прогиб трубной доски для данных температурных неравномерностей. Установлено, что под действием температурных неравномерностей в теле трубной доски, характерных для рабочих режимов работы теплообменного аппарата, возникают деформации трубной доски, достигающие 0,5 % от толщины трубной доски.

2. На основе разработанных численных моделей выполнено сравнительное расчетное исследование деформаций трубной доски маслоохладителя МБ-270-330 для различных граничных условий: шарнирное закрепление или жесткая заделка по внешнему контуру, защемление во фланцевом соединении с паронитовыми прокладками (с учетом продольной жесткости пучка трубок). Установлено, что деформации трубной доски в значительной степени зависят от выбранного способа закрепления и учета продольной жесткости трубного пучка (для аппаратов с двумя трубными досками). Установлено, что рассмотрение закрепления трубной доски в упрощенной форме в виде шарнирного опирания, которое характерно для существующих методик расчета трубных досок, дает прогиб до 100 раз больший, чем реально присутствующий в трубной доске.

3. На основе разработанной полной конечно-элементной модели маслоохладителя МБ-270-330 выполнено расчетное исследование напряженно-деформированного состояния трубной доски под действием давления гидравлических испытаний. Рассчитаны поля напряжений и деформаций в элементах теплообменного аппарата. Установлено, что максимальные деформации трубной доски под действием давления гидравлических испытаний составляют 0,7% от толщины трубной доски.

4. По известным зависимостям теории упругости и пластичности, а также с помощью метода конечных элементов исследованы напряжения и деформации, возникающие в процессе вальцевания трубки в трубной доске. По модели «эквивалентной втулки». Совпадение результатов расчета методом конечных элементов с точным аналитическим методом позволило провести расчеты вальцевания трубок в отверстиях трубной доски с учетом влияния соседних отверстий и получить достоверные результаты по распределению внутренних напряжений и контактных давлений как по периметру так и по глубине отверстия.

5. На основании конечно-элементного расчета деформаций трубной доски маслоохладителя МБ-270-330 под действием давления со стороны завальцованых трубок получены поля деформаций и напряжений в трубной доске. Наибольшие напряжения в трубной доске соответствуют перемычке между отверстиями по линии, соединяющей центры соседних отверстий. Максимальные деформации трубной доски в результате технологических операций вальцевания достигают 0,7% толщины трубной доски.

6. Произведены экспериментальные исследования прогибов трубных досок десяти теплообменных аппаратов, производимых ОАО «Нестандартмаш» под действием таких технологических нагрузок как давление со стороны завальцованых трубок и перепада давлений при гидравлических испытаниях трубных пучков аппаратов. Установлено, что для исследуемых аппаратов максимальные прогибы трубных досок могут доходить до 1% от толщины трубной доски. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений деформаций трубной доски показывает их хорошее совпадение.

7. Исследовано влияние наличия коррозионных дефектов различной конфигурации на поверхности материала, находящегося под напряжением, на локальное распределение напряжений вблизи дефекта. Установлено, что наличие коррозионных дефектов приводит к значительным локальным -концентрациям напряжений, достигающих в некоторых случаях восьмикратного увеличения. Данная концентрация напряжений повышает риск возникновения коррозионного растрескивания под напряжением, которое, в свою очередь, может приводить к отказу теплообменного аппарата.

8. На примере расчета влияния действующих усилий на трубки сетевого подогревателя ПСГ-2300-1-8 установлено, что осевые нагрузки на трубки приводят к потере их устойчивости и возникновению продольного изгиба, который изменяет характер опирания трубок на промежуточные перегородки и приводит к изменению вибрационных характеристик трубок.

9. Выполнено расчетное исследование влияния коррозионно-эрозионного утонения стенок трубок на изменение контактного давления в вальцованном соединении трубки и трубной доски. Установлено, что контактное давление линейно зависит от толщины стенки трубки. Утонение стенки трубки в 2 раза приводит к двукратному падению прочности вальцованного соединения.

10. На основании расчетов полной модели теплообменного аппарата МБ-270-330 выполнено расчетное исследование напряжений в трубках, возникающих за счет деформаций трубных досок. Установлено, что деформации трубных досок под действием давления со стороны завальцованых трубок приводит к возникновению напряжений в трубках до 44 МПа. Данные напряжения сами по себе не представляют опасности, однако при наличии коррозионных дефектов могут привести к возникновению коррозионного растрескивания под напряжением. Осевые усилия в трубке представляют опасность для вырыва трубки из трубной доски и могут приводить к потере герметичности трубной системы.

11. Для получения более высокой точности расчетов на прочность элементов теплообменных аппаратов паротурбинных установок разработаны рекомендации по созданию конечно-элементных моделей, заданию граничных условий и действующих нагрузок. Установлено, что для получения наиболее точных результатов расчета напряженно-деформированного состояния трубных досок необходимо рассматривать их с максимальным количеством сопряженных элементов (фланцы, корпус аппарата, водяные камеры, уплотняющие прокладки, трубки поверхности теплообмена). Показано, что наиболее точный расчет напряженно-деформированного состояния элементов теплообменного аппарата, в частности - трубной доски, может быть реализован только при расчете полной модели теплообменного аппарата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Целищев, Максим Федорович, 2008 год

1. Трухний, А.Д. Стационарные паровые турбины / А.Д.Трухний М.гЭнергоатомиздат, 1990. 640 с.

2. Бененсон, Е.И. Теплофикационные паровые турбины / Е.И.Бененсон, Л.С.Иоффе; под ред. Д.П.Бузина. М.: Энергоатомиздат, 1968. - 264 с.

3. Бродов, Ю.М. О необходимости комплексного обоснования разработок по совершенствованию энергетических теплообменных аппаратов / Изв. Литовской АН. Е1\ГЕКОЕТ1КА. 1991. - №2. - С. 17-22.

4. Шкловер, Г.Г. Исследование и расчет конденсационных установок паровых турбин / Г.Г.Шкловер, О.О.Мильман. М.:Энергоатомиздат. - 1985.- 240 с.

5. Берман, Л.Д. Повышение эффективности конденсационных и регенеративных установок мощных паровых турбин / Л.Д.Берман // Изв. вузов. Энергетика. 1982,- №4. - С. 42-49.

6. Мартынова, О.И. Некоторые проблемы эксплуатационной надежности и экономичности оборудования АЭС и ТЭС / О.И.Мартынова // Теплоэнергетика. 1982. - № 9. - С. 69-71.

7. Теплообменники энергетических установок: учебник для вузов / К.Э.Аронсон, С.Н.Блинков, В.И.Брезгин и др.; [под ред. проф., д-ра техн. наук Ю.М. Бродова]. Екатеринбург: Сократ, 2003. - 968 с.

8. Техническое обслуживание и ремонт теплообменных аппаратов паротурбинных установок: учеб. пособие / под ред. Ю.М.Бродова. -Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ—УПИ, 2005. 302 с.

9. Бродов, Ю.М. Анализ показателей надежности теплообменных аппаратов турбоустановок ТЭС / Ю.М.Бродов, Р.С.Резникова, Г.И.Краснова, А.И.Чайка // Энергомашиностроение. 1982. - № 11. - С. 35-39.

10. Бродов, Ю.М. Показатели надежности основного и вспомогательного оборудования турбоустановок ТЭС АО «Свердловэнерго» / Ю.М.Бродов, Б.Е.Мурманский, М.М.Мительман и др. // Электрические станции. 1997. -№5.-С. 12-15.

11. Плотников, П.Н. Комплексный анализ показателей надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок / П.Н.Плотников, Ю.М.Бродов, Б.Е.Мурманский // Теплоэнергетика. 2007. - №2. - С. 45-48.

12. Лунин, И.А. Влияние условий эксплуатации сетевых подогревателей турбин Т-250/300-23,5 ТМЗ на ресурс их трубной системы / И.А.Лунин, А.Д.Трухний, А.И.Лебедева, М.В.Федоров // Теплоэнергетика. 2005. - № 7. -С. 70-75.

13. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС: учебное пособие / под ред. А.И. Андрюшенко М. .'Высшая школа.- 1991. - 303 с.

14. Штромберг, Ю.Ю. Итоги работы энергоблоков ТЭС в период 1993-1997 г.г./ Ю.Ю.Штромберг, И.А.Терентьев // Электрические станции. 1998. - № 5. - С. 11-12.

15. Лихачева, Е.П. Некоторые виды повреждений элементов подогревателей низкого давления систем регенерации паровых турбин / Е.П.Лихачева, М.П.Белоусов // Труды ЦКТИ. 1983. - вып.205. - С. 37-44.

16. Антикайн, П. А. Рекуперативные теплообменные аппараты / П.А.Антикайн, М.С.Аронович, А.МБакластов. М.Энергомашиностроение. -1962. -230 с.

17. Елизаров, Д.П. Вспомогательное оборудование тепловых электрических станций: учебное пособие / Д.П.Елизаров, В.М.Лавыгин, Л.А.Рихтер и др.. -М: Энергоатомиздат. 1987. - 216 с.

18. Кузнецов, A.M. Сосуды и трубопроводы высокого давления: справочник/ А.М.Кузнецов,В .И. Лившиц, Е.Р.Хисматуллин и др.. Иркутск:Г.П «Иркутская областная типография №1». - 1999 - 600 с.

19. Справочник по теплообменникам. В 2-х томах / пер. О.Г.Мартыпспко -М.:Энергоатомиздат. 1987 - 352 с.

20. Бродов, Ю.М. Надежность кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок: учебное пособие / Ю.М.Бродов, П.Н.Плотников. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2001. - 242 с.

21. Билан, A.B. Влияние продольных сил на собственные частоты трубок сетевых подогревателей / A.B.Билан, В.Н.Билан // Проблемы машиностроения. 2007 - №1. - С. 71-74.

22. Сосуды и аппараты. Нормы расчета на прочность элементов теплообменных аппаратов : РД 26-14-88. М:ВНИИНЕФТЕМАШ, 1988.

23. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность узлов и деталей: РТМ 42-62. М:Издательство стандартов, 1964.

24. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность: ГОСТ 1424989. М.: Изд-во Министерства химического и нефтехимического машиностроения, 1989.

25. Богачев, А.Ф. Изучение и предотвращение коррозии металла в зонах фазовых превращений энергетических установок / А.Ф.Богачев // Теплоэнергетика. 1996 - № 8. - С. 17-24.

26. Лашицкий, А.П. Повышение надежности паровых теплообменных аппаратов ТЭЦ / А.П. Лашицкий, Г.П.Сутоцкий, Г.В.Василенко, В.М.Евтушенко // Теплоэнергетика. — 1999. -№ 1. С. 64-66.

27. Трухний, А.Д. Исследование влияния эксплуатационных факторов на ресурс трубной системы сетевых подогревателей турбин Т-250/300-23,5 ТМЗ / А.Д.Трухний, А.И.Лебедева, Б.В.Ломакин и др. // Теплоэнергетика. 2001. - № 3. - С. 62-64.

28. Вайнман, А.Б. Исследование коррозионно-механического повреждения труб горизонтальных сетевых подогревателей турбин Т-250/300-240 / А.Б.Вайнман, О.И.Мартынова, И.А.Малахов и др. // Теплоэнергетика. -1997.-№6.-С. 17-22.

29. Василенко, Г.В. Коррозия трубной системы сетевых подогревателей / Г.В.Василенко, Г.П.Сутоцкий, А.П.Лошицкий // Теплоэнергетика. 1992-№2.-С. 14-17.

30. Богачев, А.Ф. Изучение и предотвращение коррозии металла в зонах фазовых превращений энергетических установок / А.Ф.Богачев // Теплоэнергетика. 1996. - № 8. - С. 17-24.

31. Богачев, А.Ф. Причины коррозии сетевых подогревателей и мероприятия по ее предотвращению / А.Ф.Богачев // Теплоэнергетика. 1999. - №12. - С. 13-19.

32. Петрова, Т.И. Исследования коррозии подогревателей сетевой воды ТЭЦ и пути ее снижения / Т.И.Петрова, В.А.Рыженков, О.С.Ермаков и др. // Теплоэнергетика. 1999. - № 12. - С. 20-23.

33. Акользин, П.А. Коррозия и защита металла теплоэнергетического оборудования / П.А.Акользин. М.:Энергоиздат,1982. - 304 с.

34. Никитин, В.И. Коррозионные повреждения конденсаторов паровых турбин и определение остаточного ресурса их трубной системы / В.И.Никитин // Теплоэнергетика. 2001. - № 11. - С. 41-45.

35. Улич, Г.Г. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: пер. с англ. / Г.Г.Улич, Р.У.Реви; под ред. А.М.Сухотина. -Л.:Химия. 1989. 456 с.

36. Тодт, Ф. Коррозия и защита от коррозии конструкционных металлов промышленности / Ф.Тодт. Л.:Химия. 1967. - 709 с.

37. Левчук, В.И. Новый подход к оценке эрозионно-коррозионного износа оборудования и трубопроводов АЭС / В.И. Левчук, М.Б.Бакиров, Л.И.Селезнев // Теплоэнергетика. 2007. - №5. - С. 71-76.

38. Домашнев, А.Д. Конструирование и расчет химических аппаратов / А.Д.Домашнев. М.: Машгиз, 1961. - 625 с.

39. Безухов, Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. / Н.И.Безухов. М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.

40. Кац, A.M. Теория упругости. Учебник для вузов. 2-е издание/ А.М.Кац. -Спб.: Изд. Лань, 2002. 202 с.

41. Писаренко, Г.С. Справочник по сопротивлению материалов, 2-е изд. перераб. и доп. / Г.С.Писаренко, А.П.Яковлев, В.В.Матвеев; под ред. Г.С.Писаренко. Киев: Наукова дума, 1988. - 736 с.

42. Ковальский, Б.С. Жесткость трубных решеток теплообменных аппаратов/ Б.С.Ковальский, Р.Б.Мариничев // Химическое машиностроение. 1959. - № 2. - С. 10-14.

43. Григолюк, Э. И. Перфорированные пластины и оболочки / Э.И.Григолюк, Л. А.Филыптинский. М.: Наука, 1970. - 556 с.

44. Татаринов, В.Г. Влияние трубного пучка на прогиб толстостенных трубных решеток / В.Г.Татаринов, В.П.Дорохов, С.Г.Татаринова // Химическое и нефтяное машиностроение. 1984. - № 2. - С. 22-24.

45. Татаринов, В.Г. Исследование напряженного состояния трубных решеток сосудов высокого давления / В.Г.Татаринов, А.Г.Берман // Химическое и нефтяное машиностроение. 1979. - № 9. - С. 13-15.

46. Татаринов, В. Г. Определение податливости толстостенных трубных решеток / В.Г.Татаринов, В.П.Дорохов // Химическое и нефтяное машиностроение. 1984. - №6. - С. 28-29.

47. A.В.Судакова. // Труды ЦКТИ. 2004. - Выпуск 293. - С. 262-267.

48. Ткаченко, Г.П. Изготовление и ремонт кожухотрубной теплообмеиной аппаратуры / Г.П.Ткаченко, В.М.Бриф. М.: Машиностроение. - 1980. - 160 с.

49. Юзик, С.И. Развальцовка труб в судовых теплообменных аппаратах / С.И.Юзик. Л.: Судостроение. - 1978. - 144 с.

50. Кассандрова, О.Н. Обработка результатов наблюдений / О.Н.Касандрова,

51. B.В.Лебедев // Наука, Главная редакция физ.-мат. литературы. 1970. - 104 с.

52. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений, 2-е изд., перераб. и доп. / П.В.Новицкий, И.А.Зограф. Л.: Энергоатомиздат. - 1991. -304 с.

53. Алиев, Т. А. Экспериментальный анализ / Т.А.Алиев. М.: Машиностроение. - 1991.- 272 с.

54. Плотников, П.Н. Экспериментально-расчетный анализ напряженно-деформированного состояния элементов подогревателя сетевой воды ПСГ-2300-8-2 / П.Н.Плотников, А.С.Руденко, А.В.Занкович // Вестник УГТУ-УПИ. 2002. - № 3(18). - С. 64-67.

55. Прочность. Устойчивость. Колебания: справочник / под ред. И.А.Биргера, Я.Г.Пановко. М.: Машиностроение. - 1963. - Т.З. - 568 с.

56. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике / И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. М.: Наука. - 1967. - 608 с.

57. Аппараты теплообменные и аппараты воздушного охлаждения стандартные. Технические требования к развальцовке труб с ограничениемкрутящего момента: ОСТ 26-17-01-83. М.: ВНИИПТхимнефтеаппаратуры. -1983.

58. Крепление труб в трубных решетках: ОСТ 26-02-1015. М: Министерство химического и нефтяного машиностроения. - 1985.

59. Иголкин, А.И. Восстановление дефектных трубок теплообменных аппаратов методом «завтуливания» / А.И.Иголкин, Ю.ВЗеленин // Электрические станции. 2007 - №9. - С. 67-69.