Прочность и ресурс корпуса стопорно-регулирующих клапанов паровой турбины

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.04.061
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 24, № 4, 2021 (декабрь)
Страницы 61–70

 

Авторы

А. С. Колядюк, ГП «Государственный научно-инженерный центр систем контроля и аварийного реагирования» (04213, Украина, г. Киев, пр. Героев Сталинграда, 64/56), e-mail: duk86@outlook.com, ORCID: 0000-0003-2946-272X

Н. Г. Шульженко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: mklshulzhenko@gmail.com, ORCID: 0000-0002-1386-0988

А. Н. Губский, Акционерное общество «Украинские энергетические машины» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199)

 

Аннотация

Стабильность эксплуатации паровых турбин зависит (наряду с другими факторами) от надежной работы системы парораспределения, основу которой составляют стопорно-регулирующие клапаны. В работе рассматриваются вопросы прочности элементов клапанов паровой турбины К-325-23,5, в корпусе которых после 30 тысяч часов эксплуатации начали появляться трещины. Предварительно определялся характер газодинамических процессов в проточной части клапанов и температурное состояние корпуса клапанов на основных стационарных режимах работы. Для этого решалась совместная задача течения пара и теплопроводности в стопорно-регулирующих клапанах в трехмерной постановке методом конечных элементов. Рассматривалось различное положение элементов клапанов с учетом фильтрующего сита. Оценка термонапряженного состояния корпуса клапанов показала, что максимальные напряжения на различных режимах работы не превышают предела текучести. Поэтому оценка ползучести материала корпуса клапанов важна для определения его повреждения и ресурса. Моделирование ползучести корпуса стопорно-регулирующих клапанов паровой турбины выполнялось на основе трехмерных моделей с использованием теории упрочнения. При этом были учтены составляющие неустановившейся и установившейся деформации ползучести. Они определены при максимальной мощности турбины для всех стационарных режимов работы. Максимальные расчетные значения деформаций ползучести сосредоточены в патрубках корпуса перед регулирующими клапанами и в пароприемной камере, где на практике наблюдаются усталостные дефекты. Однако даже за 300 тыс. час эксплуатации турбины (с условной максимальной мощностью) на стационарных режимах деформации ползучести не превышают допустимых значений. Повреждения и ресурс корпуса клапанов оценивались по двум методикам, созданным в Институте проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (2011 г.) и в Научно-производственном объединении по исследованию в проектировании энергетического оборудования им. И. И. Ползунова (НПО ЦКТИ) – 1986 г. Результаты оценки повреждаемости и срабатывания ресурса корпуса клапанов паровой турбины от воздействия циклической нагрузки и ползучести на стационарных режимах работы за 40, 200 и 300 тысяч часов показывают, что условия термопрочности корпуса в области пароприемной камеры не нарушаются (без учета возможных несовершенств корпуса после изготовления). Повреждения в патрубках корпуса клапанов после 300 тысяч часов эксплуатации превышают пороговое значение с учетом коэффициентов запаса. При этом повреждения от ползучести на стационарных режимах работы составляет около 70% от суммарного. Максимальные значения повреждения наблюдаются в зонах корпуса, где имеют место дефекты при эксплуатации системы парораспределения турбины. Расхождение результатов обеих методик по отношению к их среднему значению составляет ~ 20%.

 

Ключевые слова: регулирующий клапан, система парораспределения, метод конечных элементов, термонапряжения, ползучесть, циклическая усталость, ресурс.

 

Литература

  1. Судаков А. В., Гаврилов С. Н., Георгиевская Е. В., Левченко А. И., Федорова Л. В. Обоснование продления срока службы паровых турбин, имеющих детали с отклонениями от требований нормативной документации. Neftegaz.RU. 2015. Т. 2. № 1–2. С. 42–47.
  2. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Зайцев Б. Ф. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергоагрегатов (модели, методы, результаты исследований). Saarbrticken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.KG, 2011. 370 с.
  3. Wang W., Xu S., Liu Y. Numerical investigation of creep-fatigue behavior in a steam turbine inlet valve under cyclic thermomechanical loading. J. Eng. Gas Turbines Power. Vol. 139. Iss. 11. Article ID 112502. https://doi.org/10.1115/1.4036953.
  4. Rusin A. Numerical simulation of turbine valve creep. Archive Appl. Mech. 1992. Vol. 62. P. 386–393. https://doi.org/10.1007/BF00804599.
  5. Колядюк А. С., Шульженко Н. Г., Ершов С. В. Течение пара и распределение температуры в системе парораспределения турбины для различных режимов ее работы. Авиац.–косм. техника и технология. 2012. № 7 (94). С. 85–90.
  6. Koliadiuk A. S., Shulzhenko M. H. Thermal and stress state of the steam turbine control valve casing, with the turbine operation in the stationary modes. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2019. Vol. 22. No 2. P. 37–44. https://doi.org/10.15407/pmach2019.02.037.
  7. Howard G. J. Finite element modelling of creep for an industrial application. Dissertation (MEng). University of Pretoria, 2017. 89 p.
  8. Шульженко Н. Г., Колядюк А. С. Оценка влияния формы камеры на течение пара и на ползучесть корпуса регулирующего клапана турбины. Пробл. машиностроения. 2015. Т. 18. № 3. С. 45–53.
  9. Шульженко М., Колядюк А. Термонапруженість, повзучість і ресурс корпусу стопорно-регулювальних клапанів парової турбіни. Матеріали 15-го міжнар. симпозіуму укр. інж.-мех.у Львові. 2021. С. 24–27. https://doi.org/10.15407/pmach2021.04.061.
  10. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Матюхін Ю. І., Мележик І. І., Пожидаєв О. В. Визначення розрахункового ресурсу та оцінка живучості роторів і корпусних деталей турбін. Методичні вказівки: СОУ-Н МЕВ 40.1–21677681– 52:2011. К.: ОЕП «ГРІФРЕ»: М-во енергетики та вугільної пром-сті України, 2011. 42 с.
  11. РТМ 108.021.103-85. Детали паровых стационарных турбин. Расчет на малоцикловую усталость. Ленинград: НПО ЦКТИ, 1986. 49 с.
  12. Никольс Р. Конструирование и технология изготовления сосудов давления. М.: Машиностроение. 1975. 464с.
  13. ОСТ 108.020.132-85. Турбины паровые стационарные. Нормы расчета на прочность корпусов цилиндров и клапанов. М.: Мин-во энерг. машиностроения. 1986. 31 с.
  14. Трощенко В. Т., Сосновский Л. А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Киев: Наук. думка, 1987. 284 с.
  15. Перевезенцева Т. В., Злепко В. Ф., Калугин Р. Н. Структурные особенности и жаропрочность металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф. Тепловые электростанции. 2002. № 6. С. 47–53.
  16. ОСТ 108.961.02-79. Отливки из углеродистых и легированных сталей для деталей паровых стационарных турбин с гарантированными характеристиками прочности при высоких температурах. Технические условия. НПО ЦНИИТмаш, НПО ЦКТИ. 1979. 48 с.
  17. Турбина паровая К-325-23,5. Типовые технические условия. ТУ У 29.1-05762269-025:2011 Инструкция по продлению срока эксплуатации паровых турбин сверх паркового ресурса: СО 153-34.17.440-2003. М.: ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность». 2008, 158 с.

 

Поступила в редакцию 06.10.2021