Wpływ zmiany kształtu otworów na stan naprężeń w elementach walcowych

Transkrypt

1 Rys. 20. Wyniki pomirów kontrolnych odksztłceni wzdłuż drugiej tworzącej po stronie wypukłej łoptki Wnioski 1. Wykonne oliczeni wykzły, że występujące odksztłceni w czsie prcy przy ociążeniu i iegu luzem pokrywją się z występującymi trwłymi deformcjmi dszków łoptek. 2. Rzeczywiste deformcje łoptek są większe od oliczeniowych ze względu n możliwość okresowej prcy łoptek w temperturze wyższej od projektownej. 3. Zstosown metodyk, w tym nliz MES, okzły się poprwnym, inżynierskim podejściem do monitorowni n drodze oliczeniowej zjwisk deformcji łoptek turin gzowych. Wykzno dorą zgodność modelu oliczeniowego z rzeczywistością. Litertur [1] Murzynowski W., Grzesiczek E.: Wpływ geometrii i modeli oliczeniowych MES n rezultty nlizy stnu nprężeń w o-rzeżch trcz wirnikowych, VIII Sympozjum Informcyjno-Szkoleniowe Dignostyk i remonty długoeksplotownych urządzeń energetycznych, pździernik 2006 [2] Schilke P. W., Advnced Gs Turine Mterils nd Cotings, 08/04 [3] Johnson J. R., Performnce nd Reliility Improvements for Hevy Duty Gs Turines,10/00 [4] Arnl M., Precht C., Sprunk T.: Fluid Structure Interction Mkes for Cool Gs Turine Bldes, Advntge Excellence in engineering simultion, Vol.1, 2007 [5] Sprwozdnie Pro Novum Nr /2007, czerwiec 2007 [6] Sprwozdnie Pro Novum Nr /2007, lipiec 2007 Filip Klepcki Wpływ zminy ksztłtu otworów n stn nprężeń w elementch wlcowych Njwżniejszym elementem wlcowym znjdującym się w zkłdzie produkującym energię elektryczną jest wlczk. Wlczki podczs eksplotcji wystwine są n dziłnie dwóch ociążeń: ociążeni powierzchniowego pochodzącego od ciśnieni czynnik w wlczku orz ociążeni cieplnego wynikjącego z wysokiej tempertury wody zsiljącej. Wymienione ociążeni powodują powstwnie odpowiednich nprężeń: nprężeń mechnicznych orz nprężeń cieplnych wynikłych z różnicy tempertur między powierzchnimi zewnętrzną i wewnętrzną wlczk. Nprężeni cieplne orz mechniczne są nprężenimi skłdowymi nprężeń zredukownych, które wyznczne n podstwie odpowiednich hipotez wytężeniowych np. energii odksztłceni postciowego (Huer) czy mksymlnych nprężeń stycznych (Tresc) wykorzystywne są w oliczenich wytrzymłościowych. Uprszczjąc możn npisć, iż nprężeni cłkowite wynoszą: σ t + σ p = σ (1) σ t - nprężeni cieplne, σ p - nprężeni mechniczne, σ - nprężeni cłkowite. Omówione nprężeni są zleżne od konstrukcji wlczk i jego eksplotcji. W trkcie eksplotcji podlegją one okresowej zminie, co w konsekwencji prowdzi do zmęczeni mteriłu (n te nprężeni mmy rdzo ogrniczony wpływ, gdyż nwet poprwn eksplotcj nie powoduje ich stilizcji czy oniżni). W przeciwieństwie do eksplotcji, zminy konstrukcji umożliwiją znczny spdek mksymlnych nprężeń, zwłszcz mechnicznych. grudzień stron 931(39)

2 Nprężeni cieplne, mechniczne (przyotworowe) Z powodu zróżnicownego pochodzeni n omówione nprężeni mją wpływ różne czynniki konstrukcyjne. W przypdku nprężeń cieplnych znjduje zstosownie prost zsd: im element posid cieńszą ścinkę tym nprężeni są mniejsze, gdyż różnic tempertur mleje. Ntomist nprężeń mechnicznych dotyczy odwrotn zsd, więc im ścink jest grusz tym nprężeni są mniejsze. Z powyższego wynik, że istnieje pewn optymln gruość ścinki, dl której sum nprężeń jest njmniejsz (rys. 1). ksztłty króćców (rys. 3). Anlizy zostły przeprowdzone n podstwie hipotezy energii odksztłceni postciowego (Huer) uwzględnijąc jedynie ociążeni powierzchniowe (ciśnienie) orz liniowość mteriłową ( σ/ε =const.) D E B C Rys. 3. Schemty króćców [4] Dne konstrukcyjne rozptrywnego wlczk: Dz = 1880 mm średnic zewnętrzn wlczk, Dw = 1696 mm średnic wewnętrzn wlczk, D = 183 mm średnic otworu, P = 12 MP, Stl: K22M. Rys. 1. Nprężenie cłkowite w funkcji gruości ścinki elementu wlcowego Wlczki jko elementy wlcowe owiercone niestety nie mogą podlegć powyższym zsdom. Wynik to głównie z powodu nprężeń mechnicznych, które przy otworch ulegją koncentrcji (rys. 2). Wzrost tych nprężeń nzywmy potocznie nprężenimi przyotworowymi [2], ich wrtości mogą przekrczć trzykrotnie nprężeni mechniczne w płszczu wlczk. Nprężeni przyotworowe zleżą od ksztłtu otworu i w sposó znczący zminy tego ksztłtu wpływją n oniżenie nprężeń mechnicznych (przyotworowych), jk i również nprężeń cłkowitych. Rys. 2. Oliczeni MES dl elementów wlcowych z uwzględnieniem otworów Anliz stnu nprężeń różnych konstrukcji króćców Jk już wspomnino ksztłt króćc m rdzo duży wpływ n mksymlne nprężeni w ścince wlczk. W związku z powyższym przenlizowno różne oecnie stosowne c Rys. 4. Anlizy stnu nprężeń różnych ksztłtów króćców króciec typu D i E, króciec typu B, c króciec typu C stron 932(40) grudzień 2007

3 cłkowitych nprężeń i trwłość tego elementu, co znjduje potwierdzenie w prktyce. W związku z powyższym njkorzystniejszym rozwiązniem jest konstrukcj D i E gdyż nie posid on dodtkowego mteriłu powodującego wzrost nprężeń cieplnych, nprężeni mechniczne są mniejsze od króćc typu C. Wrinty zokrągleni krwędzi otworów króćców typu D i E Rys. 4 d. Anlizy stnu nprężeń różnych ksztłtów króćców rzut z góry n króciec typu C Anlizie poddno cztery typy króćców zudownych n wlczkch w krjowych elektrownich [4]. Dw pierwsze rodzje króćców rozptrywno jko jeden przypdek, gdyż spoinę trktowno jko jednolitą część mteriłu wlczk. Otrzymne wyniki z przeprowdzonych oliczeń zmieszczono w teli 1. Tel 1 Oliczeni wykzują, że njlepszym typem jest typ B, wynik to głównie z fktu, iż n krwędzi otworu znjduje się dodtkowy mterił wzmcnijący w postci spoiny i wyciągniętej rury króćc. Jednkże iorąc pod uwgę, że n króciec nie tylko oddziłują stłe nprężeni mechniczne, le również cieplne (szczególnie zmienne w czsie) tk duż ilość dodtkowego mteriłu negtywnie wpływ n stn Według opisnych oliczeń króćce typu D i E okzły się njkorzystniejszym rozwiązniem z uwgi n wielkość nprężeń. Dltego ten typ króćców zostł poddny oliczeniom uwzględnijącym zróżnicowny promień zokrągleni krwędzi otworu króćc. Wyniki oliczeń zostły przedstwione n wykresie (rys. 5) Oliczeni zostły wykonne dl nstępujących dnych: D z =1900 mm średnic zewnętrzn wlczk, D w =1760 mm średnic wewnętrzn wlczk, D =105 mm średnic otworu, P =15,3 MP, Stl: K22M, R =5; 7,5; 10; 15; 20 mm testowny promień zokrągleni. Z przeprowdzonych nliz wynik, że przy zminie promieni zokrągleni krwędzi otworu zmin nprężeni mechnicznego jest niewielk, ntomist istnieje pewne optimum, poz którym nprężeni są większe. W rozptrywnym przypdku tkie optimum występuje dl promieni zokrągleni R=7,5 mm, powyżej tego promieni mksymlne nprężeni rosną tj. im krwędź otworu jest rdziej zokrąglon, tym nprężeni są wyższe. Woec powyższego dl otworu o średnicy d=105 mm njodpowiedniejszym promieniem zokrągleni krwędzi otworu ędzie R = 7 8 mm. Rys. 5. Nprężeni zredukowne wg hipotezy Huer wynikjące z ciśnieni p o =15,3 MP dl otworów φ105 (króćce pod rurociągi rur opdowych) grudzień stron 933(41)

4 Otwory o ksztłcie eliptycznym Króćce o ksztłcie eliptycznym otworu są króćcmi typu D i E. Elips posid dw różne promienie dłuższy i krótszy. W zleżności od kierunku (wzdłuż wlczk ądź w poprzek), w którym są skierowne promienie mksymlne nprężeni rosną lu mleją. Gdy dłuższy promień elipsy jest skierowny w poprzek wlczk, ntomist krótszy wzdłuż (w osi wlczk) wtedy nprężeni mleją, w przypdku przeciwnym nprężeni rosną. Ksztłt eliptyczny otworu odnosi się jedynie do otworu n powierzchni wewnętrznej wlczk, ntomist n powierzchni zewnętrznej przyier on ksztłt okrągły o wymirch odpowidjących wymirom króćc. W celu określeni njkorzystniejszego ksztłtu elipsy powiększno promień skierowny w poprzek wlczk o krotność promieni pierwotnego (promień otworu okrągłego) /r = 1; 1,5; 2; 2,5; 3 (rys. 6). Promień zokrągleni krwędzi otworu R=20 mm. Anlizy te zostły przeprowdzone n drodze hipotezy energii odksztłceni postciowego. Tel 2 Z przeprowdzonych nliz wynik, że otwory eliptyczne w sposó znczny wpływją n oniżenie nprężeń mksymlnych. c d e Rys. 6. Otwory o ksztłcie eliptycznym Rys. 7. Ksztłt otworów po nprwie przez szlifownie ksztłt otworu po nprwie przez wyszlifownie pęknięć jedynie w miejscu koncentrcji nprężeń; ksztłt otworu po wyszlifowniu pęknięć i zstosowniu otworu eliptycznego o większym promieniu w kierunku poprzecznym wlczk stron 934(42) grudzień 2007

5 Spdek nprężeń dl /r = 3, w stosunku do stnu wyjściowego, wynosi 31%. Istotne jest również, iż spdek dl /r = 2 wynosi 25%, co powoduje, że njefektywniejszy spdek odnotowywuje się włśnie do stosunku /r = 2, dlsze powiększnie otworu już nie dje znczniejszej poprwy. Pondto przeprowdzono oliczeni dl otworu eliptycznego o dłuższym promieniu wzdłuż osi wlczk czyli w przypdku jk po wyszlifowniu pęknięć w rejonie mksymlnych nprężeń (rys. 7). Do nliz złożono wyszlifownie n głęokość 20 mm. Z oliczeń wynik, że nprężeni się powiększją w stosunku do nprężeń przy profilu okrągłym o około 3%. Ntomist po zstosowniu otworu eliptycznego o promieniu dłuższym w kierunku poprzecznym wlczk /r = 3 spdją do wrtości 291 MP, co stnowi spdek prwie 33% w stosunku do nprężeń po wyszlifowniu (432 MP) Woec powyższego króćce z otwormi eliptycznymi o promieniu większym w kierunku poprzecznym wlczk są njkorzystniejszym rozwiązniem konstrukcyjnym pod względem wytężeniowym. Podsumownie Z przeprowdzonej weryfikcji ksztłtu króćców stosownych w wlczkch wynik, że njlepszym ksztłtem króćc jest typ D i E (rys. 3). Wykonne nlizy różnych promieni zokrągleni krwędzi otworów wskzują, że istnieje pewien optymlny promień, przy którym mksymlne nprężeni mechniczne są njmniejsze. Nleży podkreślić, że promień ten jest zleżny od średnicy otworu więc ędzie się on różnił dl różnych otworów, np. dl otworów pod rury opdowe i przegrzewcz ędzie on różny. Wykonno oliczeni dl otworów eliptycznych króćców D i E, które wykzły znczny spdek nprężeń mksymlnych dochodzących nwet do 31% (dl /r = 3). Dodtkowo sprwdzono, jki wpływ n wrtość nprężeń m nprw króćc przez usunięcie pęknięć (szlifownie). Nprw poprzez sme usunięcie pęknięć w rejonie mksymlnych nprężeń (elips o większym promieniu wzdłuż osi wlczk) powoduje wzrost nprężeń o ok.3%, co w konsekwencji spowoduje nieznczne przyspieszenie w przyszłości powstwni pęknięć w tym oszrze. Ntomist zstosownie w tym przypdku otworu eliptycznego o dłuższym promieniu w kierunku poprzecznym, powoduje również jk w stnie początkowym duży spdek nprężeń, tj. >30% w stosunku do stnu po smym usunięciu pęknięć. Przyczyną uszkodzeni wlczków są zmienne nprężeni cieplne, które sumują się z nprężenimi stłymi (mechnicznymi) i mogą przekrczć wielkości dopuszczlne n zmęczenie. W ten sposó powstją pęknięci n krwędzich otworów znjdujących się poniżej lustr wody, dltego mją one chrkter zmęczeni korozyjnego. Poniewż trudno jest uniknąć nprężeń zmiennych możn jedynie zmniejszyć wielkość nprężeń stłych przez doór odpowiednich króćców lu ksztłtu krwędzi otworów od strony wewnętrznej wlczk. W ten sposó możn przedłużyć trwłość wlczków zncznie pond h prcy (rys. 8). Rys. 8. Wpływ oniżeni nprężeń sttycznych n zkres zmin nprężeń orz dopuszczlną liczę cykli tych zmin Litertur [1] Hssn A. Y. B., Mofft D. G., Brookfield D. J.: Stress Anlysis of Pressure Vessel Nozzles with Ellipticlly Shped Holes [2] Stefnowicz J.: Nprężeni przyotworowe w płytch i powłokch [3] Korouš J.: Koncepce prvd podonostního výpo tu životnosti kotlových t les, Brno 2006 [4] TRD 301: Zylinderschlen unter innerem űerdruck [5] Mll G.: Innerdruckschwellverhlten von hohlzylindern mit eingeschwei ten stutzen [6] Wrólewski T., Sikorski W., Rzep K.: Urządzeni kotłowe, WNT, Wrszw 1973 [7] Zgrjek T., Krzesiński G., Mrek P.: Metod elementów skończonych w mechnice konstrukcji, Oficyn wydwnicz Politechniki Wrszwskiej, Wrszw 2005 [8] Siedlczek P., Gil C., Łokieć A.: Mteriły szkoleniowe firmy Mesco, Trnowskie Góry mrzec 2006 [9] Grzesiczek E.: Nprężeni w króćcu wlczk kotł OP- 380, Mteriły Pro Novum, kwiecień 1996 [10] Klepcki F.: Porównnie stosownych hipotez wytężeniowych orz różnych konstrukcji króćców w odniesieniu do oliczeń wytrzymłościowych wlczk. Dozór Techniczny 2007, nr Ktowice, ul. Wróli 38, e-mil: enter@pronovum.pl grudzień stron 935(43)