Cтраница 3
Роторы турбин и генераторов находятся под действием статических и повторно-статических ( малоцикловых) напряжений, обусловленных центробежными силами и тепловыми нагрузками при испытаниях, эксплуатационных пусках и остановах, а также при изменении мощности. Число таких циклов может достигать 20 - 60 и более в год при общем числе за расчетный ресурс 500 - 1000 и более. Повторяющаяся смена нагрузок вызывает в роторах ( особенно в местах повышенной концентрации и значительных температурных напряжений) накопление малоцикловых повреждений. Сочетание повторных нагрузок с повышенными температурами в элементах конструкций высокого давления является причиной ускорения накопления повреждений за счет длительных статических повреждений. Кроме того, на низкочастотные ( 10 - 8 - 10 - 5 Гц) циклы высоких напряжений накладываются высокочастотные ( в диапазоне частот 10 - 150 Гц) циклы переменных напряжений, обусловленные действием нагрузок от силы тяжести на оборотных частотах, срывом масляного клина в подшипниках или вибрационных нагрузок за счет изгибных и крутильных колебаний роторов по соответствующим формам. Вибрационная составляющая циклических напряжений для роторов турбин и генераторов при современном уровне балансировки, предварительных доводочных работ и контроля вибраций при эксплуатации может быть снижена практически до безопасных уровней при нормальной эксплуатации. Но роль этой составляющей резко возрастает при изменении жесткости роторов на стадии развития в них макротрещин. Для роторов паровых турбин в интервале указанных низких и высоких частот могут иметь место циклы нагружения с промежуточными частотами ( 0 01 - 10 Гц) в результате неравномерности давлений и температур потоков пара. Таким образом, фактический спектр механических и температурных напряжений для роторов турбин и турбогенераторов оказывается достаточно сложным. Сложность формы цикла возрастает по мере повышения температур ( образуются деформации ползучести), а также за счет изменения асимметрии цикла при наличии остаточных напряжений. [31]
Изменение температур испытания, приводящее к изменению статических свойств, сказывается на особенностях поведения материалов при малоцикловом нагружении. Для ряда материалов, склонных с повышением температур к деформационному старению, имеется интервал температур, где наблюдается существенное снижение пластичности и повышение сопротивления пластическим деформациям. Причем интервал температур интенсивного деформационного старения находится внутри эксплуатационных температур, и при соответствующих переходных режимах в этом интервале температур может происходить основное накопление малоцикловых повреждений. [32]
Сопротивление образованию и развитию трещин малоциклового нагружения в общем случае зависит от циклических свойств металла, режима нагружения и размеров трещин. В работах [1-4] рассмотрены кинетические особенности процессов упругопластичес-кого деформирования и деформационные критерии малоциклового разрушения с учетом циклических свойств в связи с анализом условий образования трещин в зонах концентрации напряжений при комнатной температуре. В упомянутых работах показано, что долговечность на стадии образования трещин в зонах концентрации напряжений рассчитывается по величинам амплитуд и односторонне накапливав мых местных деформаций с использованием условия линейного сум мирования квазистатических и усталостных малоцикловых повреждений. Скорости распространения трещин малоциклового нарушения и долговечность на стадии окончательного разрушения вычис ляются по величинам размахов коэффициентов интенсивности деформаций и предельной пластической деформации в вершине трещины. [33]
При этом предполагается, что в зонах концентрации напряжений, где, как правило, происходят малоцикловые разрушения, накапливаются в основном усталостные повреждения в результате действия знакопеременных упругопластических деформаций. Вместе с тем в эксплуатационных условиях в результате работы конструкции на нестационарных режимах, в том числе при наличии перегрузок, возможно накопление односторонних деформаций, определяющих степень квазистатического повреждения и влияющих на достижение предельных состояний по разрушению. Для обоснования методологии учета накопления конструкцией ( наряду с усталостными) квазистатических повреждений по результатам тензометрических измерений требуется решение прежде всего вопросов расшифровки показаний датчиков с целью воспроизведения истории нагруженности в максимально напряженных местах конструкции и оценки малоциклового повреждения для эксплуатационного контроля по состоянию. Малоцикловое повреждение может в общем случае оцениваться по результатам измерений, выполненных обычными тензорезисторами, но с расширенным диапазоном регистрируемых деформаций ( до величин порядка нескольких процентов), характерных для малоцикловой области нагружений. [34]
При этом предполагается, что в зонах концентрации напряжений, где, как правило, происходят малоцикловые разрушения, накапливаются в основном усталостные повреждения в результате действия знакопеременных упругопластических деформаций. Вместе с тем в эксплуатационных условиях в результате работы конструкции на нестационарных режимах, в том числе при наличии перегрузок, возможно накопление односторонних деформаций, определяющих степень квазистатического повреждения и влияющих на достижение предельных состояний по разрушению. Для обоснования методологии учета накопления конструкцией ( наряду с усталостными) квазистатических повреждений по результатам тензометрических измерений требуется решение прежде всего вопросов расшифровки показаний датчиков с целью воспроизведения истории нагруженности в максимально напряженных местах конструкции и оценки малоциклового повреждения для эксплуатационного контроля по состоянию. Малоцикловое повреждение может в общем случае оцениваться по результатам измерений, выполненных обычными тензорезисторами, но с расширенным диапазоном регистрируемых деформаций ( до величин порядка нескольких процентов), характерных для малоцикловой области нагружений. [35]
Таким образом, в случае измерения циклических деформаций в зоне выраженной концентрации нагружении при стационарном нагружении, когда характер нагружения оказывается близким к жесткому, расчет по величинам деформаций в цикле с учетом изменения с числом циклов нагружения исходного сопротивления тензорезистора по уравнениям (3.2.1) позволяет внести поправку в данные тензометрирования с целью определения действительной истории нагружения элемента конструкции. Одновременно свойство тензорезисторов увеличивать исходное сопротивление при малоцикловом нагружении используется для оценки накопления усталостных повреждений. Величиной прироста исходного сопротивления тензорезисторов, устанавливаемых в зонах концентрации, определяется степень исчерпания ресурса изделий. Вместе с тем интегральная оценка прироста сопротивления тензорезистора не позволяет выполнять покомпонентную оценку накопления усталостных и квазистатических малоцикловых повреждений, что существенно для расчета прочности, и требуется разработка и экспериментальное обоснование указанной процедуры. [36]
Директивными документами ( Дополнение к Инструкции по контролю за металлом котлов, турбин и трубопроводов. И 34 - 70 - 013 - 84) предусмотрен контроль оборудования, работающего в режиме глубокого регулирования диспетчерского графика нагрузки, в зависимости от числа его пусков. Объектом такого контроля являются барабаны и гибы необогреваемых труб котлов, корпуса цилиндров, регулирующих и стопорных клапанов турбин, корпуса арматуры, участки трубопроводов и ряд других деталей котлотурбинного оборудования ТЭС. В то же время характерным для несущих элементов этих конструкций являются однократные и повторные местные пластические деформации, приводящие к накоплению малоцикловых повреждений. [37]
Поэтому простейшая идеально вязкая конструкция может рассматриваться как элементарная составляющая ( секция) любой реальной конструкции. Отсюда вытекают существенные преимущества данного подхода по сравнению с известными вариантами феноменологических теорий пластичности и ползучести. Они подробно рассматриваются в следующих главах. Но прежде чем переходить к анализу поведения конструкции, целесообразно подвести некоторые итоги, относящиеся к описанию деформационного поведения материала, обратить внимание на ряд моментов, характеризующих как-общность, так и отличия представленной теории микронеоднородной среды и классических теорий пластичности и ползучести. В данной главе рассматриваются также возможности использования некоторых представлений, получивших развитие в рамках структурной модели деформирования, при анализе процессов накопления малоциклового повреждения. Эта проблема является в настоящее время достаточно важной и актуальной, поскольку закономерности накопления повреждений в циклах, включающих выдержки, изучены пока недостаточно. [38]
Наибольшим оказывается увеличение вторых критических температур при статическом растяжении с варьированием толщины сечения образца. При этом интервал температур квазихрупких состояний ( fci-fez) сокращается. Ширина сечения оказывает меньшее влияние на увеличение критических температур, чем толщина сечения. Ударное инициирование трещин ( по Робертсону) дает абсолютные значения вторых критических температур примерно на 60 - 70 С выше, чем при статическом инициировании. Для термически необработанных сварных соединений повышение первых критических температур происходит более интенсивно ( в 1 4 - 1 5 раза), чем для основного металла. При увеличении предварительных пластических деформаций от 0 до 10 % за счет деформационного старения вторые критические температуры возрастают практически линейно; для малоуглеродистых сталей это возрастание приблизительно равно 40 С. Малоцикловые повреждения в области температур деформационного старения ( 250 - 300 С) повышают коэффициенты пропорциональности примерно в 2 раза. [39]