8. Тепломеханические напряжения, их природа и влияние на эксплуатационные режимы.

Температурные (термические) напряжения возникают а стенках при наличии градиента температуры по толщине. В этом случае разные слои металла стенки будут нагреты неодинаково, но, будучи упруго связанными между собой молекулярными силами, они не могут свободно удлиняться в соответствии со своей температурой. Более нагретые ("горячие") слои окажутся сжатыми, так как основная масса металла мешает им удлиняться, а менее нагретые ("холодные") слои по той же причине окажутся растянутыми (рис. 1.1). Через стенки необогреваемых элементов (корпуса реактора, парогенераторов, турбин и другого технологического оборудования, а также трубопроводов) передаются лишь тепловые потери. При этом основной перепад температуры приходится на теплоизоляцию, и соот­ветственно температурные напряже­ния в стенках необогреваемых элементов практически отсутствуют Однако они возникают при смеши теплового состояния, т.е. при различных переходных процессах. Естественно это относится как к режимам нормальной эксплуатации, так и к ситуациям, связанным с отказами оборудования, срабатыванием защит или другими причинами, вызывающими резкие изменения температуры, как и других технологических параметров.

В значительной мере именно из-за возможности возникновения больших температурных напряжений переходные режимы являются сложными и ответственными. При прогреве стенки греющим теплоносителем, например, паром, имеющим температуру Тп, температура t1 ее внутренней поверхности (рис. 1.2а) быстро растет. Наружная поверхность (ее может быть определено расчетом с использованием методов нестационарной теплопроводности. Для тел сложной формы, например, узлов турбин, узлов примыкания патрубков корпусов реакторов, эта задача точнее решается температура t2 прогревается медленнее.

Изменение температуры по толщине стенки деталей прос­той геометрической формы может быть определено расчетом с использованием методов нестационарной теплопроводности. Для тел сложной формы, например, узлов турбин, узлов примыкания патрубков корпусов реакторов, эта задача точнее решается экспериментально, путем моделирования. Так при скоростях прогрева, имеющих

Зависимость температурных напряжений внутренней поверхности стенки от времени

место при пуске турбин АЭС, распределение температур по толщине стенки удовлетворительно описывается уравнением параболы:

t(x) = t_нар + (t_внутр – t_нар)(x/δ)²

где δ – толщина стенки

x – расстояние от наружной поверхности до данного сечения.

t_нар и t_внутр – температуры на наружной и внутренней поверхностях стенки.

разность (t_внутр – t_нар) = Δt – максимальный перепад температур по толщине стенки.

Этот перепад в зависимости от скорости изменения температуры обогреваемой стенки dt/dτ может быть определён по формуле:

где a – коэффициент температуропроводности;

С – коэффициент пропорциональности, определяемый опытным путём.

Максимальному перепаду температур соответствуют и наибольшие термические напряжения по обе стороны стенки:

где α – коэффициент линейного расширения;

Е – модуль упругости (Юнга);

μ – коэффициент Пуассона, связывающий деформации по взаимоперпендикулярным осям;

С1 – экспериментальный коэффициент.

Таким образом, при прогреве внутри корпусов оборудования на внутренней поверхности их стенок возникают максимальные термические напряжения сжатия, вдвое превышающие максимальные напряжения растяжения на наружной поверхности (рис. 1.1). Соответствующими расчетами для турбин, например, определено, что для сталей перлитного класса, используемых в турбостроении, каждый градус разности температур в стенке корпуса соответствует термическому напряжению около 2 МПа, для нержавеющих сталей типа XI8H9 - 5 МПа. Поэтому большие разности температур могут обусловить термические напряже­ния, превышающие предел текучести металла.

Следует обратить внимание, что максимальный перепад и, следовательно, максимальные напряжения пропорциональны квадрату толщины стенки. Это означает, что наиболее напряженными узлами, определяющими допустимые скорости изменения температур при переходных режимах работы блока, будут толстостенные элементы: корпуса реакторов, парогенераторов, задвижек, трубные доски, патрубки, фланцы и т.п. Большие температурные напряжения возникают также в местах сопряжения деталей разной толщины. Примером может служить переход от стенок корпуса к фланцевым разъемам для реактора или турбины, или от трубопровода к корпусу арматуры или оборудования. Таким образом, чтобы исключить большие термические напряжения в массивных деталях и деталях неправильной геометрической формы, определяющих общую допустимую скорость изменения температуры, эти элементы необходимо прогревать или охлаждать достаточно медленно, строго соблюдая при этом надлежащее соответствие температуры ' греющего теплоносителя температуре металла. Сокращению температурной разности по толщине способствует также высокое качество тепловой изоляции.

• Конкретный пример: в реакторах РБМК допустимая скорость изменения температуры при разогреве или охлаждении контура МПЦ составляет 10°С/час. Говоря другими словами, однократные нагрузки при хороших пластических свойствах стали и отсутствии концентрации напряжений не могут привести к разрушению. Однако в области, где при повышенной температуре образовалась пластическая деформация, последующее понижение температуры вызовет напряжения противоположного знака. Повторение температурных циклов, амплитуда которых превышает критическую, приводит к термической или циклической усталости металла.

Явление усталости имеет сложную зависимость от температуры, числа циклов, масштабного фактора, концентрации напряжений, времени, характера нагружения, сварочных напряжений, влияния среды (теплоносителя), радиационных повреждений и т.д. Поскольку все эти факторы детально неизвестны, то конструкции берутся с запасом. Кроме того, для АЭС ограничивается допустимое число циклов напряжений, т.е. число, например, срабатываний аварийной защиты (200 -1000 за время жизни), число пусков и остановов. Принимаются меры к ограничению размаха колебаний температуры, скоростей их изменения на несущих конструкциях и т.д.

Другой вид термических напряжений возникает при разогреве горизонтальных корпусов (барабанов-сепараторов РБМК, парогенераторов ВВЭР и т.п.). Он связан с возникновением разности температур между верхом и низом барабанов. Такая разность появляется из-за разной интенсивности теплообмена между стенкой и греющей средой (водой и паром) при, например, пуске блока. Прогрев верхней части барабана идет быстрее, чем нижней, т.к. протекает при пленочной конденсации пара с высоким коэффициентом теплоотдачи; прогрев нижней части барабана происходит в результате существенно менее эффективного теплообмена находящейся в барабане воды со стенкой и зависит от интенсивности движения воды. Разность температур вызывает напряжения сжатия в более нагретой верхней части барабана и растяжения в нижней. При значительной разности температур между верхней и нижней образующими барабана возможен его прогиб (рис. 1.5). Поэтому указанная разность обычно ограничивается. Например, для барабанов-сепараторов реакторов РБМК допустимая разность составляет 40°С. При эксплуатации АЭС снижение разности температур так же, как и в предыдущем случае, достигается за счет меньших скоростей разогрева или охлаждения.

В обычной теплотехнике допустимость термонапряжённого состояния горизонтальных барабанов, обусловленного разностями температур по толщине стенки (назовем её At^) и между верхней и нижней образующими (A_toбp), обычно определяется по т.н. треугольнику температур (рис. 1.6). Как видно из графика, при увеличении разности температур одного вида необходимо принимать меры к снижению разности другого вида. Область допустимых значений At лежит ниже прямой.

Напряжения от тепловых расширений трубопроводов, приходящие на корпуса оборудования, велики и обязательно учитываются в проекте. Для снижения их используют самокомпенсацию трубопроводов, подвижные опоры оборудования и другие меры. При эксплуатации опасность представляют случаи защемления ("замертвления") трубопроводов в нерасчетных точках, при которых приходящие усилия и соответственно напряжения резко возрастают. Поэтому на исправное состояние опор и подвесок оборудования и трубопроводов обращается большое внимание; перед пуском блока все они, как правило, тщательно проверяются, при необходимости - ремонтируются.

Нестационарные тепловые процессы в турбинах имеют особенности, связанные с наличием вращающихся частей. В турбинах при разогреве или охлаждении также имеют место термические напряжения в стенках цилиндров, фланцах и других элементах; могут возникать прогибы цилиндров или ротора турбины при неравномерном остывании остановленного агрегата. Но помимо них в турбине существует опасность задевания вращающихся элементов о неподвижные в проточной части и уплотнениях, а также вибрации. Задевание может явиться следствием как упомянутых прогибов, так и разницы в. линейных расширениях корпуса и ротора. Эта разница связана с различием их масс и интенсивности теплоотдачи от пара к вращающимся и неподвижным частям. Возникающее из-за разных удлинений смещение ротора относительно корпуса приводит к сокращению осевых зазоров в проточной части турбины, что и может вызвать задевание. Вибрация же обычно вызывается неравномерным и недостаточным прогревом элементов. Поэтому при пуске турбины ее состояние тщательно контролируется по приборам, фиксирующим относительное удлинение и осевой сдвиг ротора, вибрацию, разности температур между верхом и низом цилиндров, по ширине фланцев и в других точках и т.д. Мера воздействия на процесс, как и выше, - снижение средней скорости разогрева.