Сопротивление деформированию и разрушению материала диска ротора паровой турбины с учетом наработки в эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Топоров, Денис Валерьевич

• Топоров, Денис Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Топоров, Денис Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ДИСКОВ

ПАРОВЫХ ТУРБИН.

1.1. Характерные условия работы и типовые повреждения роторов паровых турбин.

1.2. Модели и критерии механики малоциклового деформирования и разрушения.

1.3. Обзор решения задач малоцикловой усталости и кинетики упругопластического деформирования методами компьютерного моделирования.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКА С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ.

2.1. Расчет параметров нагружения диска.

2.2. Определение контактного давления от натяга инженерным и МКЭ методами.

2.3. Построение расчетной схемы, определение общего НДС, зон концентрации напряжений и деформаций диска и обоснование сходимости результатов.

2.4. Установка для экспериментальных исследований характеристик сопротивления деформированию и разрушению при статическом и циклическом нагружении.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

КИНЕТИКИ МАЛОЦИКЛОВОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ В КРИТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ДИСКА ТУРБИНЫ.

3.1. Характеристики прочности и пластичности при статическом деформировании гладких и надрезанных образцов из критических зон диска.

3.2. Параметры малоцикловой выносливости и упруго-пластического деформирования гладких и надрезанных образцов из критических зон диска при гармоническом нагружении.

3.3. Характеристики малоциклового деформирования образцов при программном нагружении.

3.4. Параметры скорости развития трещин в образцах из критических зон диска при гармоническом и программном нагружении.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАРАБОТКИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ.

4.1. Верификация нелинейной модели кинематического упрочнения в вычислительном комплексе АИЗУБ на модели гладкого цилиндрического образца.

4.2. Анализ изменения характеристик прочности, пластичности, долговечности и трещиностойкости материала диска турбины по стадиям наработки в эксплуатации.

4.3. Рекомендации по анализу напряженно-деформированного состояния и прогнозированию долговечности дисков паровых турбин с учетом наработки в эксплуатации.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сопротивление деформированию и разрушению материала диска ротора паровой турбины с учетом наработки в эксплуатации»

Основными несущими элементами любого турбоагрегата являются роторы, в которых высокие скорости вращения и температура рабочей среды создают значительные напряжения в металле от действия эксплуатационных нагрузок.

Прогнозирование фактического ресурса роторов паровых турбин в настоящее время является одной из основных задач в сочетании с диагностикой по обеспечению безопасной и надежной эксплуатации роторов с большой наработкой (сверх паркового ресурса). Парковый ресурс роторов, который определяет минимальный гарантированный срок их эксплуатации, составляет от 100 до 270 тысяч часов в зависимости от типа турбины.

При назначении остаточного ресурса и получении показателей надежности ротора исходят из запасов прочности и долговечности основных его деталей, одной из которых является насадной диск - промежуточный элемент комбинированного ротора низкого (среднего) давления (РНД, РСД).

Насадные диски, работая в условиях коррозионно-активной среды, воспринимают передачу крутящего мо лента ротор а и несут нагрузку, от1/'' , ^ центробежных сил собственной массы, контурную нагрузку от рабочих лопаток и контактную нагрузку, обусловленную натягом.

В период средних и капитальных ремонтов, при проведении типовых регламентных работ по неразрушающему контролю металла, достаточно часто имеют место случаи обнаружения дефектов типа трещин в зонах конструктивных концентраторов напряжений.

Ресурс элемента турбомашины оценивается как время его работы до наступления предельного состояния, при котором дальнейшее его применение становится недопустимым или нецелесообразным. Предельным состоянием для роторов является появление в нем макротрещины, размеры которой превышают нормы, после чего эксплуатация без выполнения специальных мероприятий по восстановлению надежности недопустима.

В связи с этим в данной работе поставлена цель оценки изменения характеристик сопротивления статическому и циклическому деформированию и разрушению материала насадного диска с учетом положения критических зон и наработки турбины в эксплуатации. Достижение поставленной цели состоит в:

• проведении анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) диска для определения положения критических зон накопления и развития повреждений;

• получении характеристик прочности, пластичности и трещиностойкости при статическом и малоцикловом гармоническом нагружениях на основе экспериментальных исследований образцов из критических зон диска турбины с наработкой в эксплуатации и образцов с исходными свойствами материала;

• проведении анализа влияния истории нагружения, положения критических зон и концентраторов напряжений на комплекс упругопластических характеристик сопротивления деформированию и разрушению материала диска;

• разработке рекомендаций по оценке НДС и прогнозированию остаточного ресурса с учетом наработки в эксплуатации.

Научная новизна работы состоит в:

• установлении закономерности изменения ширины петли упруго-пластического гистерезиса при однородном и неоднородном напряженном состоянии для материала диска с наработкой в экс-плуатации;

• оценке влияния положения критической зоны диска на комплекс характеристик сопротивления статическому и малоцикловому деформированию и разрушению материала диска турбины с учетом наработки в эксплуатации;

• закономерностях влияния эксплуатационного профиля нагружения на изменение характеристик долговечности материала диска в критических зонах;

• установлении взаимосвязи между истинными задаваемыми и разрушающими деформациями в зоне концентрации напряжений;

• разработке модели прогнозирования остаточной долговечности диска, с учетом наработки турбины в эксплуатации.

На защиту выносятся:

• результаты численных расчетов НДС диска по определению положения критических зон и экспериментальные данные статического и упругопластического деформирования образцов, вырезанных из областей концентраторов напряжений диска и образцов с исходными свойствами материала;

• обоснование изменения долговечности материала из критических зон диска при наложении программно-блочного нагружения;

• результаты экспериментальных данных по определению параметров скорости развития трещин в образцах, вырезанных из ободной части диска с наработкой в эксплуатации для гармонического и эксплуатационного профиля нагружения;

• модель прогнозирования остаточной долговечности диска, с учетом наработки турбины в эксплуатации.

Результаты работы представлялись на: ь i ' J

• аспирантских семинарах Академэнерго Казанского НЦ РАН (Казань, 2006 -2011 гг.);

• итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, КазНЦ РАН - 2006-2011 гг.);

• V, VI, VII Школах-семинарах молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН - 2006, 2008,2010 гг.);

• XVI, XVII Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2009, 2011) (Алушта, Крым 2009, 2011гг.);

• Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения» (Москва, 2009 г.);

• Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и конструкций» (Киев, 2010 г.);

• итоговой молодежной научно-практической конференции компаний энергосистемы Республики Татарстан (Казань, 2010 г.);

В полном объеме диссертация докладывалась в Институте машиноведения им. А.А.Благонравова РАН и Исследовательском центре проблем энергетики Учреждения Российской Академии наук Казанского научного центра РАН.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Топоров, Денис Валерьевич

выводы

Проведенный в данной работе анализ НДС диска паровой турбины и экспериментальные исследования на образцах из критических зон диска турбины с различной наработкой в эксплуатации, позволили сделать следующие выводы.

1. На основе численного анализа НДС диска турбины в трехмерной упругопластической постановке определены критические зоны концентрации напряжений в диске с учетом воздействия эксплуатационных факторов, к которым относятся заклепочные отверстия замкового соединения лопатки с диском, разгрузочное отверстие и шпоночный паз.

2. В результате экспериментальных исследований установлены различия в характеристиках в прочности, пластичности и трещиностойкости при статическом и циклическом нагружении гладких и надрезанных образцов в зависимости от положения критической зоны в диске с определенной наработкой в эксплуатации. Для рассматриваемых насадных дисков турбины наиболее опасными являются зоны вильчатого замкового соединения лопатки с диском и шпоночного паза центрального отверстия под вал турбины.

3. Установлено, что программно-блочное нагружение, эквивалентное периодам пуска турбины из холодного состояния, приводит к существенному снижению характеристик сопротивления усталости по отношению к гармоническому нагружению при однородном и неоднородном в зонах концентрации распределении напряжений.

4. Выявлены особенности и установлены закономерности изменения пе-тель упругопластического гистерезиса гладких и надрезанных образцов при гармоническом и программно-блочном нагружении для различных уровней наработки в эксплуатации в зависимости от положения критической зоны в диске.

5. Представлена оценка влияния состоявшейся наработки в эксплуатации по отношению к исходному состоянию на комплекс характеристик сопротивления деформированию и разрушению материала диска паровой турбины. Установлено, что наработка в эксплуатации снижает свойства прочности и пластичности при статическом и циклическом нагружении.

6. Разработан метод интерпретации характеристик сопротивления малоцикловой усталости в критических зонах концентрации диска турбины в истинных упругопластических деформациях.

7. Разработаны рекомендации для прогнозирования долговечности диска с учетом наработки турбины в эксплуатации. Наиболее значимыми факторами, ограничивающими длительность безопасной эксплуатации дисков паровых турбин, являются:

- неоднородность распределения напряжений по критическим зонам дис-ка;

- состоявшаяся наработка в эксплуатации;

- нестационарное нагружение;

- дифференцированное изменение основных механических свойств материала диска в отдельных критических зонах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Топоров, Денис Валерьевич, 2011 год

1. Базарас Ж. Л. Статистическая оценка сопротивления деформированию и разрушению при малоцикловом нагружении: Автореф. Дис. канд. Техн. Наук. Каунас: КПИ, 1983.23 с.

2. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя. Москва, 2005 г.

3. Белл Дж. Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М.: Наука. 1984. Ч. 1. 597 с. Ч. 2. 441 с.

4. Бененсон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины/ Под. Ред. Д.П. Бузина. М.: Энергия, 1976. - 264 с.

5. Биргер И.А. Об одном критерии разрушения и пластичности. -Механика твердого тела, 1977, №4, с. 143 150.

6. Болотин В.В. Методы теор ш веро ягности и теории надежно сги в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982. 351 с.

7. Брауде Н.З., Шканов И.Н. Условия разрушения материалов при двухосном малоцикловом нагружении. Изв. Вузов. Авиационная техника, 1984, №3, с. 23-27.

8. Браун У., Срауме Д. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. М.: Мир, 1972. 246 с.

9. Веллер В.Н. Автоматическое регулирование паровых турбин. 2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1977. - 408 с.

10. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.: Машиностроение. 1964. 276 с.

11. Гиршфельд В.Я., Морозов Г.Н. Тепловые электрические станции. -М.: Энергия, 1973.-238 с.

12. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. М.: Наука. 1979. 295 с.

13. Даунис М.А. Закономерности процессов малоциклового разрушения при нестационарном механическом нагружении. В кн.: IV

14. Всесоюз. Симпоз. «Малоцикловая усталость механика разрушения, живучесть и материалоемкость конструкций». Краснодар, 1983, вып. 1 с130-134.

15. Дроздовский Б.А. Прикладные вопросы вязкости разрушения. М.: Мир, 1968. 552с.

16. Жирицкий Г.С., Конструкция и расчет на прочность деталей паровых турбин, Москва, Госэнергоиздат, 1955г., 280с.

17. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. / О. Зенкевич -М.: Мир, 1975, 541с.

18. Злочевский А.Б., Бондарович Л.А., Шувалов А.Н. Влияние интенсивной перегрузки на кинетику роста усталостной трещины. Физ.-хим. Механика материалов, 1979, №6, с. 43 - 47.

19. Злочевский А.Б., Бондарович Л.А., Шувалов А.Н. Определение коэффициента интенсивности напряжений тензометрическим методом. -Пробл. прочности, 1979, №6, с. 44 47.

20. Злочевский А.Б., Бондарович Л.А., Шувалов А.Н. Повышение усталостной долговечности элементов конструкций созданием благоприятных остановочных напряжений. В кн.: Остаточные напряжения и методы регулирования. М.: Наука, 1982, с. 104 - 109.

21. Капелович Б.Э. Эксплуатация паротурбинных установок. М.: Энергия, 1975.-288 с.

22. Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Т. Сварные сосуды высокого давления. JL: Машиностроение, 1982. 287 с.

23. Качан А. Д. Режимы работы и эксплуатации тепловых электростанций. Минск: Высшая школа, 1978. 288 с.

24. Кирсанов И.Н. Конденсационные установки. М. - Л.: Энергия, 1966.-376 с.

25. Коларов Д., Балтов А. Механика пластических сред. М.: Мир, 1979,302 с.

26. Коффин Л. Циклические деформации и усталость металлов // Усталость и выносливость металлов. М.: Издательство иностранной литературы. 1963. С. 257-273.

27. Либовиц Г. Разрушение: В 7-ми т. М.: Мир; Машиностроение, 1973 -1976. 3216с.

28. Лосев С. М. Паровые турбины. 10-е изд. - М.: Энергия, 1964.376с.

29. Лысов М.И. Теория и расчет процессов изготовления методами гибки. М.: Машиностроение, 1966. - 236 с.

30. Манушин Э.А., Суровцев И.Г. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок. Москва Машиностроение, 1990г. с. 39.

31. Махутов H.A. Деформационные критерии малоциклового и хрупкого разрушения: Автореф. Дис. д-ра техн. Наук. М.: ИМАШ, 1973, 71с.

32. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов на прочность. М.: Машиностроение. 1981г. 272 с.

33. Махутов H.A., Гаденин М.М., Гохфельд Д.А. и др. Уравнения состояния при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1981.245 с.

34. Махутов H.A., Воробьев А.З., Гаденин М.М. и др. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1983. 272с.

35. Махутов H.A., Бурак М.И., Гаденин М.М. и др. Механика малоциклового разрушения. М.: Наука, 1986.

36. Морозов Е.М. Метод конечных элементов в механике разрушения / Е.М. Морозов, Г.П. Никишков. -М.: Наука, 1980. 254 с.

37. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. 707 с.

38. Новожилов В.В. О перспективах развития феноменологического подхода к проблеме разрушения твердых тел. В. Кн.: Всесоюз. Рабоч и. симпоз. По вопр. Малоцикловой усталости. Сб. докл. Каунас, 1971. 16с.

39. Панасюк. В.В., Андрейкив А.Е., Ковчик С.Е. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов. Киев: Наук. Думка, 1977. 277 с.

40. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. М.: Наука, 1974. 638 с.

41. Писаренко Г.С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. Киев: Наукова думка, 1976.-416 с.

42. Родин В.А., Шарапов А.Г., Мурманский Б.Е. и др. Ремонт паровых турбин. Екатеринбург, 2005г.

43. Романов А.Н. Энергетические критерии , разрушения при малоцикловом нагружении. Пробл. прочности, 1974, №1, с. 3 - 18.

44. Романов А.Н. Критерии усталостного разрушения с учетом работы остаточных микронапряжений. Прикладная механика, 1977, т. 13, № 2, с. 69 -79.

45. Романов А.Н. Закономерности образования и развития трещин при высокотемпературном статическом и циклическом нагружении: Автореф. Дис. . д-ра техн. Наук. М.: ИМАШ, 1979. 52 с.

46. Романов А.Н. Накопление повреждений при длительном статическом и циклическом нагружении на стадиях образования и развития трещин. В. Кн.: Тр. Междунар. Конф. «Усталость материалов и конструкций». Прага, 1984, с. 88-97.

47. Шканов И.Н., Шлянников В.Н., Брауде Н.З. Об одном подходе к критериальному анализу предельных деформаций при сложном напряженном состоянии. Изв. Вузов. Авиационная техника, 1980, №4, с. 98101.

48. Шлянников В.Н. Плотность энергии деформации и зона процесса разрушения. Сообщение 1. Теоретические предпосылки // Пробл. прочности. 1995. №10. с. 3-17.

49. Шлянников В.Н. Плотность энергии деформации и зона процесса разрушения. Сообщение 2. Экспериментальное обоснование // Пробл. прочности. 1995. №11/12. с. 3 -21.

50. Шлянников В.Н. Вычислительная механика деформирования и разрушения: Учеб. Пособие. 2-е издание., исп. И доп. - Казан, гос. энерг. Ун-т, 2002г с. 143-219.

51. Шлянников В.Н., Ильченко Б.В. Введение в метод конечных элементов. Казань: КГЭУ, 2004г. 120с.

52. Шлянников В.Н., Шагивалеев Р.Ф. Расчет остаточной долговечности трубопровода по предельным деформациям при двухосном нагружении. Труды Академэнерго, №4, 2008г. с. 64 - 76.

53. Ярема С.Я. Методология определения характеристик сопротивления развитию трещин (трещиностойкости) материалов при циклическом нагружении. Физ.-хим. Механика материалов, 1981, №4, с. 100-110.

54. ANSYS Theory Reference. 001242. Eleventh Edition. SAS IP, Inc.,1999.

55. Chaboche, J.L., "On Some Modifications of Kinematic Hardening to

56. Miyamoto H., Shiratori M. Elastic-plastic responses of kinematically hardening cracket sheet under cyclic loading. Proc. 21st Jap. Nat. Congr. Appl. Mech., 1973, N 21, p 221-230.

57. Nelson. D.V. Review of fatigue crack growth prediction methods. Exp. Mech., 1977, Febr., p. 41 -49.

58. Raymond Browell, A1 Hancq, ANSYS, Inc. Обновления в модуле ANSYS Fatigue. Расчет усталости и визуализация результатов. Журнал ANSYS Solutions. Русская редакция. Лето 2006. с. 17 24.

59. Schijve I. Fatigue damage accumulation and incompatible crack front orientation. Eng. Fract. Mech., 1974, vol. 6, p. 245 - 252.

60. Shlyannikov V.N. Modeling of crack growth by fracture damage zone // Theoret. Appl. Fract. Mech. 1996. - 25. - p. 187 - 201.

61. Sih G.C. Handbook of stress intensity factors. Betlehem. (Pa), 1973.536p.

62. Soderberg C. R. Factor of safety and working stresses.— Transactions of ASME, 1930, v. 52, p. 13—28.

63. Valluri S.R. Some recent developments at "Galcut" concerning a theory of metals fatigue. Acta met., 1963, vol. 11, p. 759-775.

64. Wei R.P., Shih T.T. Delay in fatigue crack growth. Int. J. Fract. 1974, vol. 10, p. 77-85.

65. ГОСТ 25.502 79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.

66. ГОСТ 25347-82. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки.

67. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения.

68. ГОСТ 25.504-82 Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости.

69. ОСТ 108.020.109-82 Турбины паровые стационарные. Расчет на статическую прочность дисков и роторов.

70. РД 34.30.507 92. Методические указания по предотвращению коррозионных повреждений дисков и лопаточного аппарата паровых турбин в зоне фазового перехода. Москва, ВТИ, 1993 г.

71. РТМ 108.021.103-85 Детали паровых стационарных турбин. Расчет на малоцикловою усталость. НПО ЦКТИ, 1986.

72. РТМ 108.021.104-77. Турбины паровые стационарные. Расчет деформаций и напряжений в элементах турбин при пусках.

73. С0153-34.17.440-2003. Инструкция по продлению срока эксплуатации паровых турбин сверх паркового ресурса.

74. Деформация и разрушение при термических и механических воздействиях. М.: Атомиздат, 1969, №3, 148 с.

75. Инструкция по пуску турбоагрегата ПТ-60-130/13 с генератором типа ТВФ-60.

76. Инструкция по пуску паровой турбины Т-185/220-130.

77. Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. М.: Металлургия, 1973. 406 с.

78. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении: Метод. Указания. РД 50-345-82. М.: Изд-во стандартов, 1983. 96 с.

79. Гринь Е. А., Зеленский А. В. Исследования напряжённого состояния и служебных характеристик металла деаэраторов высокого давления с оценкой их долговечности // Теплоэнергетика. 2009. - № 2. - С. 12-19.

80. Гринь Е. А. Метод определения остаточной долговечности конструкций на стадии развития трещины с использованием результатов контроля // Заводская лаборатория. 2010. - № 2. - С. 43-47.

81. Гладштейн В. И. Влияние длительной наработки на жаропрочность металла литых корпусов арматуры и турбин высокого давления. Теплоэнергетика: Ежемес. теорет. и науч.-практ.журнал. -15/04/2001 .-N4.-0. 28-30 .

82. Гладштейн В. И. Уточненная оценка остаточного ресурса гибов паропроводов путем моделирования живучести металла при испытании образцов с надрезом. Теплоэнергетика. 15/02/2011 .-N2.-0. 8-12 .