Modelowanie wpływu parametrów eksploatacyjnych na stan naprężenia rur grubościennych w kotłach o parametrach nadkrytycznych

W pracy przedstawiono przykłady modelowania procesów cieplno-mechanicznych zachodzących w rurach grubościennych podczas uruchamiania bloków energetycznych. Rozpatrzono przykłady elementów wykonanych ze stopu HR6W przeznaczonego na elementy urządzeń energetycznych o podwyższonych parametrach pracy. Omówiono zagadnienie wyznaczania pól temperatury i składowych stanu naprężenia na przykładzie rury grubościennej o średnicy zewnętrznej wynoszącej 540 mm i grubości ściany równej 127 mm, która reprezentuje elementy bloków o nadkrytycznych parametrach pracy, projektowane z uwagi na kryterium wytrzymałości na pełzanie. Ciśnienie wewnątrz rury w warunkach pracy ustalonej wynosiło 31,4 MPa, a temperatura 610°C. Skoncentrowano się na zagadnieniu oceny wpływu krótkotrwałych zmian temperatury podczas cykli uruchamiania bloku energetycznego na rozkłady zmiennej w czasie temperatury i związane z nimi naprężenia cieplne. Przedstawiono sposób modelowania uwzględniający możliwość oceny wpływu czasu rozruchu i niestabilności parametrów pary w tym okresie na przebieg lokalnych charakterystyk procesu odkształcania materiału. Ważne dla symulacji numerycznej właściwości materiałowe przyjmowano jako zależne od temperatury. Wyznaczono lokalne charakterystyki odkształcania wybranych punktów na powierzchni rury w postaci zależności pomiędzy odkształceniem i naprężeniem obwodowym. Wykazano istotny wpływ oscylacji temperatury występujących w warunkach rozruchu na zmienne w czasie pola naprężeń i odkształceń, sprzyjające powstawaniu zjawisk o zmęczeniowym charakterze.

Pełny tekst (pdf)

1. Farragher T.P., Scully S., O’Dowd N.P., Leen S.B.: Development of life assessment procedures for power plant headers operated under flexible loading scenarios, Int.
   J. Fatigue, 49 (2013) 50-61.
2. Farragher T.P., Scully S., O’Dowd N.P., Leen S.B.: Thermomechanical analysis of pressurized pipe under plant conditions, ASME J. Pressure Vessel Technol., 135 (2013) 011204-1-9.
3. Okrajni J., Twardawa M.: Local strains that lead to the thermo-mechanical fatigue of thick-walled pressure vessels, Mater. Performance Characterization ASTM Int., 2 (2014) 244-261.
4. Okrajni J., Twardawa M.: Boundary conditions in models of power plant components under thermal loading, Arch. Mater. Sci. Eng., 62 (2013) 28-35.
5. Okrajni J., Twardawa M.: Influence of a variable in time heat transfer coefficient on stresses in models of power plant components, ASME J. Pressure Vessel Technol., 136 (2014) 041602-1-6.
6. PN-EN 12952-4:2002.
7. Bressers J., Remy L. (eds.): Fatigue under Thermal and Mechanical loading, Kluwer Academic Publishers, Netherlands 1996.
8. Hähner P., Rinaldi C., Bicego V., Affeld E., Brendel T., Andersson H., Beck T., Klingelhöffer H., Kühn H.-J., Köster A., Laveday M., Marchionni M., Rae C.: Research and development into a European code-of-practice for strain-controlled thermo-mechanical fatigue test, Int. J. Fatigue, 30 (2008) 372-381.
9. Sehitoglu H.: Thermal and thermo-mechanical fatigue of structural alloys, [in:] Fatigue and Fracture ASTM Handbook, 19 (2008) 527-556.
10. Okrajni J., Plaza M.: Simulation of the fracture process of materials subjected to low-cycle fatigue of mechanical and thermal character, J. Mater. Proc. Technol., 53 (1995) 311-318.
11. Okrajni J., Junak G., Marek A.: Modelling of the deformation process under thermo-mechanical fatigue conditions, Int. J. Fatigue, 30 (2008) 324-329.