Паровые котлы ТЭС

Расчет прочности

В основу расчета положен принцип оценки прочно­сти по предельной нагрузке при расчетном давлении ра­бочего тела, что позволяет более полно и точно учиты­вать условия работы металла. Расчетным является дав­ление на выходе из агрегата, увеличенное на гидравли­ческие потери при номинальной нагрузке тракта от вы­ходного коллектора пароперегревателя до места распо­ложения рассчитываемого элемента 2Др; заполнение элементов водой или пароводяной смесью учитывается гидростатическим давлением столба, расположенного

Таблица 25.1

Основные характеристики сталей, применяемых для изготовления поверхностей нагрева

Над рассчитываемым элементом Дрг. ст. Следовательно, расчетное давление

Р=рпп+2др+дрг. ст. (25.3)

Гидравлические сопротивления и давление столба учитываются, если их сумма превышает давление за па­роперегревателем не менее чем на 3%. Дополнительной является нагрузка, обусловленная силой тяжести, дей­ствующей на этот элемент, и присоединенных к нему деталей. Дополнительную нагрузку регламентируют пре­дельными значениями, вызывающими соответствующее снижение запаса прочности по сравнению с прочностью, определяемой расчетом по давлению.

Расчетная температура зависит от условий обогрева и охлаждения рабочей поверхности. Для необогреваемых элементов расчетная температура принимается равной температуре рабочей среды: для барабана — температу­ра насыщения при давлении в нем; в коллекторах по­верхностей нагрева и соединяющих трубопроводах — температура протекающей через них рабочей среды.

Для обогреваемых элементов расчетную температу­ру вычисляют по формуле (10.10), учитывающей харак­тер теплового воздействия на поверхность нагрева. При этом должны быть рассмотрены различные участки па­кета, имеющие как наивысшую температуру пара, так и наибольшую тепловую нагрузку. Учитывают также, что некоторые трубы или группа труб этой поверхности работают с тепловой разверкой Д^раэв, т. е. со средой, имеющей температуру, превышающую среднюю расчет­ную температуру. Это превышение известно из расчета агрегата или определяется в результате его испытания. Для каждого конкретного случая формула упрощается и расчетная температура определяется в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2, 4].

Допускаемое напряжение. Под номинальным допус­каемым напряжением понимают напряжение, используе­мое в расчетах для определения минимальной толщины стенки и максимально допускаемого давления при при­нятых условиях работы и качестве металла.

Номинальное допускаемое напряжение выбирается по

Одной из характеристик прочности: о^ —пределу проч­ности при 20°С; Од°2 и Од2 — условному пределу теку­чести при 20°С и расчетной температуре; <^дп1(р—услов­ному пределу длительной прочности при расчетной тем­пературе, соответствующей разрушению через 105 ч, и З'п1°/ — условному пределу ползучести при расчетной

Температуре, соответствующей деформации 1% за 105 ч. Номинальное допускаемое напряжение принимается рав­ным наименьшему значению из перечисленных характе­ристик прочности, деленному на соответствующий коэф­фициент запаса. В [4] даются формулы для определе­ния допускаемых напряжений в зависимости от металла и расчетной температуры.

Основной конструктивной формой элементов паро­вых котлов и парогенераторов, работающих под давле­нием рабочей среды, является цилиндрическая форма (барабаны, коллекторы и трубы поверхностей нагрева паровых котлов ТЭС, корпуса, камеры и трубы тепло­обменников АЭС). Цилиндрические элементы, подвер­женные внутреннему давлению, рассчитывают по общим формулам:

Прибавка должна компенсировать возможное уменьшение толщины стенки в пределах требований стандарта или технических условий, утонение материала в местах гибов, потери на окалинообразование в тече­ние расчетного срока службы.

Расчет барабана. Барабан относится к числу наи­более напряженных элементов парового котла. В нем возникают напряжения следующих видов: от внутрен­него давления при параметрах рабочей среды; термиче­ские напряжения, включающие напряжения от разности температуры по толщине стенки барабана и из-за раз­ности температур между верхней и нижней частями ба­
рабана. Термические напряжения от разности темпера­туры по толщине стенки возникают при прогреве или расхолаживании. Напряжения от разности температуры между верхней и нижней частями барабана также воз­никают при растопках и остановах котла, но обуслов­ливаются они тем, что при растопке верхняя полуобе­чайка барабана, контактирующая с конденсирующимся паром, прогревается быстрее нижней, которая в резуль­тате вялой циркуляции в это время медленно прогре­вается, а при останове, наоборот, остывает медленнее нижней, так как теплоотдача в паровом объеме пример­но на один-два порядка меньше, чем в водяном объеме.

Кроме перечисленных напряжений, барабан подвер­жен воздействию собственной массы и находящейся в нем воды, а также деформации от соединенных с ним водо- и пароперепускных труб и паропроводов. Ввиду сравнительно небольших значений напряжениями этого вида обычно пренебрегают.

В режимах ускоренной растопки или аварийного останова котла (например, при разрыве труб контура циркуляции) термические напряжения в барабане могут оказаться преобладающими и превышать допускаемые напряжения. Весьма значительны концентрационные на­пряжения у краев отверстий с острыми кромками в ме­стах присоединения труб, особенно опускных. Эти на­пряжения изменяются при пусках и остановках от нуля до максимума, а в постоянном режиме изменяются на меньшее значение, но с большей частотой, отвечающей пульсации температуры на внутренней поверхности ба­рабана прн изменении, например, температуры воды после экономайзера.

Для обеспечения надежной работы барабана в раз­личных режимах необходимо, чтобы в каждый момент удовлетворялось условие прочности — равенство приве­денного напряжения (учитывающего перечисленные выше факторы) и допускаемого напряжения для метал­ла при данной температуре. Эта комплексная задача расчета на прочность с учетом температурных напряже­ний и нецилиндричности барабана имеет сложное реше­ние. В действующих нормах расчета на прочность эле­ментов парового котла учитываются напряжения только от внутреннего давления в барабане. Для ограничения термических напряжений не рекомендуется допускать разность температур между отдельными элементами ба­рабана более 50—55°С.

Расчет коллекторов ведут аналогично расчету бара­бана. И в этом случае надо учитывать ослабление проч­ности, возникающее из-за отверстий, просверливаемых для присоединения подводящих и отводящих труб. Кол­лекторы не имеют продольных сварных швов. На каж­дый коллектор приходятся два поперечных шва для при­варки донышек, но это ослабление, как и в барабане, не учитывают.

Расчет труб поверхностей нагрева и трубопроводов также выполняют по тем же формулам при <р=1, так как трубы применяют цельнотянутые, не имеющие ослаб­лений. Трубы поверхностей теплообменников, испыты­вающих двустороннее давление, рассчитывают не по раз­ности давлений, а по большему из них. Если большее давление внутри труб, то расчет ведут также по фор­мулам (25.4) и (25.5). При большем наружном давле­нии трубы работают на смятие и рассчитываются по формуле

S = §^Ё+С, (25.6)

Где Е — модуль упругости, МПа; m — запас на устойчи­вость (для труб из углеродистой стали гп^б, из легиро­ванной стали — m^t; 5).

Расчет элементов паровых котлов на прочность вы­полняется в соответствии с Нормативными материала­ми [4].