Расчет элементов котла на прочность

Глава 4. Прочностные расчеты элементов, работающих под внутренним давлением

Резюме

Ну вот, еще одна глава покорилась Вам. В результате изучения ее материала, Вы узнали какие стали используются в энергомашиностроении и почему именно они, узнали как с помощью добавления легирующих элементов можно менять свойства стали, увеличивать температурный диапазон использования. Также Вы познакомились со структурой стали, с такими свойствами, как жаропрочность, коррозионная стойкость. Посмотрели, как влияет на свойства и структуру стали постоянная работа при высокой температуре и как можно избежать последствий этих изменений. Таким образом, Вы теперь можете выбирать стали для элементов котла и энергетического оборудования в целом в зависимости от условий работы этого элемента. Можете предотвратить некоторые негативные последствия, зная как поведет себя сталь в той или иной ситуации. Обобщив знания, полученные из изученных глав, с знаниями из пройденных курсов по специальности и самостоятельно пополненного запаса знаний, Вы огромными шагами приближаетесь к почетному званию инженера. Так держать!

В данной главе рассматриваются методики расчета элементов, работающих под внутренним давлением (барабан, коллектор, трубы поверхностей нагрева).

Для успешного освоения данного материала необходимо владение знаниями о конструктивных особенностях элементов котла.

Целями изучения главы является приобретение профессиональных понятий, знаний, умений и навыков. В результате изучения данной главы студент

будет знать:

1. Какие нагрузки несут на себе элементы котла;

2. Какие документы регламентируют расчет на прочность элементов котла;

3. Методику расчета на прочность элементов котла;

4. Какие документы регламентируют проведение диагностики энергооборудования;

5. Правила проведения диагностики энергооборудования;

6. Виды неразрушающего контроля;

7. Методы неразрушающего;

будет уметь:

8. Выбирать методы и нормы для расчета элементов котла;

9. Рассчитывать змеевики, коллекторы, барабаны;

10. Проводить диагностику энергетического оборудования,;

11. Использовать методы неразрушающего контроля для диагностики энергооборудования;

сформирует навыки:

12. Работы с нормативными документами;

13. Расчета элементов котла;

14. Проведения диагностики котла;

15. Использования неразрушающего контроля для диагностики котла;

будет пониматьспециальные термины:

прочность, расчетный коэффициент прочности, номинальная и расчетная толщина стенки, диагностика, неразрушающий контроль, ультразвуковой метод.

Глава состоит из четырех параграфов.

В разделе рассказывается, какие нагрузки несут элементы котла, приводится порядок расчета на прочность некоторых из них.

Детали конструкции котла, сосуды и трубопроводы воспринимают избыточное внутреннее или наружное давление. К напряжениям, вы­званным перепадом давления, добавляются термические напряжения от разности температур в сечении и от самокомпенсации, а также на­пряжения от весовых нагрузок.

При выполнении проектных расчетов (расчет по терминологии Норм в прямом порядке) определяются размеры элементов проектиру­емых деталей, которые обеспечат их прочность как в рабочих услови­ях, так и при гидравлическом испытании. Для проверки возможности использования действующего оборудования в изменившихся усло­виях работы выполняют проверочные расчеты, при которых устанав­ливают, не превысят ли напряжения в новых условиях допускаемой величины. Такие расчеты по терминологии Норм называются рас­четами в обратном порядке.

Расчет на прочность котлов, сосудов, входящих в тракт котла (па­роохладителей, сепараторов и т.п.), а также трубопроводов, подпада­ющих под действие Правил Госгортехнадзора России должен производиться в соответствии с требованиями «Норм расчета на проч­ность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» (РД 10-249-98). Допускается применение упомянутых выше Норм при расчете на прочность сосудов энергомашиностроения и корпусов арматуры тепловых электростанций и других установок.

Ранее до введения в действие Норм РД 10-249-98 действовал в различные времена ряд других норм расчета на прочность, требо­вания которых были не идентичны в отношении расчетных формул и допускаемых напряжений. «Нормы расчета на прочность стацио-
нарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» РД 10-249-98
заменяют в обновленном виде в едином документе действующие
ранее три стандарта «Котлы стационарные и трубопроводы пара и
горячей воды. Нормы расчета на прочность» ОСТ 108.031.08-85÷ОСТ
108.031.10-85. Первый из этих стандартов содержал общие положения по обоснованию толщины стенки. Второй – методы определения толщины стенки. Третий - определение коэффициентов прочности. За истекшее время с момента принятия этих трех отраслевых стандартов к ним был выпущен ряд изменений и дополнений. Они определяли в основном методики расчета водотрубных котлов. Наряду с ними существовал целый ряд отраслевых рабочих документов, дополняющих упомянутые выше отраслевые стандарты. Например: РТМ108.031.111-80 «Котлы стационарные газотрубные. Расчет на прочность», РТМ 108.031.109-79 «Котлы стационарные паровые и водогрейные. Расчет на прочность коллекторов от действия нагрузок в опорах и подвесках и ряд других». Теперь действует единый объединяющий методики расчета на прочность документ – РД 10-249-98.

Кроме того в него включены расчеты на прочность фланцевых со­единений, расчет на прочность подвесных систем котлов, расчет цель­носварных газоплотных конструкций, методика расчета на прочность при сейсмических воздействиях и контроль вибропрочности трубопро­водов.

Возможность использовать вместо серии нормативных докумен­тов единый представляется определенным преимуществом.

Для котлов и трубопроводов, находящихся в эксплуатации, в про­цессе монтажа или изготовления или оконченных проектированием до введения Норм РД 10-249-98 переоформление расчетов на прочность в соответствии с новыми нормами не требуется.

Если в конструкциях котлов или трубопроводов используются детали, методы расчета на прочность которых не предусмотрены в РД 10-249-98, то их прочность должна быть подтверждена изготовите­лем в результате проведения испытаний моделей или образцов либо путем расчетов на прочность. Методики испытаний и методы расчета на прочность должны быть согласованы со специализированными орга­низациями, перечисленными в соответствующих Правилах Госгортех-надзора России. При этом должны быть соблюдены запасы прочности не менее требуемых по РД10-249-98.

Расчет на прочность может проводиться в прямом и обратном по­рядке. При прямом порядке расчетов определяется номинальная или допускаемая толщина стенки по заданным нагрузкам. При обратном порядке расчета определяются допускаемые нагрузки по фактичес­ким или номинальным толщинам стенки.

Нормы расчета на прочность регламентируют в основном методы расчета на прочность деталей котлов и трубопроводов, нагружаемых внутренним или наружным давлением воды, пароводяной среды или пара. Они предусматривают также методики расчета элементов под­весной системы котлов. Но они не регламентируют расчет на проч­ность каркасов котлов и котельно-вспомогательного оборудования (вен­тиляторов, дымососов, углеразмольного оборудования и пр.).

Трубная система котла, сосуды, включаемые в тракт котла, и тру­бопроводы пара и горячей воды несут нагрузки от давления рабочей среды, от перепада температур по толщине стенки, компенсационные напряжения от тепловых расширений, от весовых нагрузок деталей и тепловой изоляции. Они могут подвергаться сейсмическим нагрузкам. Крепежные детали уплотняемых элементов (фланцев, люков, лазов и др.) испытывают напряжение от затяга для обеспечения герметичнос­ти в местах разъемных соединений.

Расчеты на сейсмичность проводятся для оборудования и трубо­проводов электростанций, устанавливаемых в районах сейсмичнос­тью 7 баллов и выше.

Каркасы паровых котлов должны рассчитываться на прочность по РТМ 108.031.09-83 и проектироваться в соответствии с РШ 108.031.15-88.

В настоящем разделе методического пособия рассматриваются наиболее часто встречающиеся на практике случаи расчета на прочность элементов котлов и трубопроводов. Они не охватывают всей полноты расчетов предусмотренных Нормами РД 10-240-98. Они также дают возмож­ность сориентироваться по каким документам следует считать на прочность ряд элементов оборудования и трубопроводы, которые исполь­зуются в тепловых схемах электростанций и котельных, но не подпа­дающих под действие Правил по котлам и Правил по трубопроводам Госгортехнадзора России.

Так, например, сосуды, не подключенные к тракту котла - воздухо­сборники, емкости для хранения сжиженного углеводородного топли­ва и т.п. – подпадают под действие Правил по сосудам и должны рассчитываться на прочность по соответствующим ГОСТам.

Трубопроводы, не подпадающие под действие Правил по трубо­проводам Госгортехнадзора России (трубопроводы холодной воды, воздухопроводы и т.п.) диаметром до 1400 мм включительно и предназначенные для транспортировки жидких и газообразных сред с давлением до 10 МПа и температурах от минус 70°С до плюс 450° С включительно, должны рассчитываться на прочность согласно СНиП 2.04.12-86.

Во всех упомянутых выше нормах расчета на прочность использу­ется метод расчета по предельным нагрузкам. Этот метод допускает наличие малых пластических деформаций в локальных объемах дета­лей, не приводящих к искажению формы детали в целом. Так, напри­мер, барабаны и камеры имеют ослабления одиночными отверстиями большого диаметра и полями отверстий малого диаметра. Около края отверстия в цилиндрическом сосуде, нагруженном внутренним дав­лением, возникает концентрация напряжений. В упругой области зги напряжения могут быть определены расчетным путем методами тео­рии упругости. В плоской пластине большой ширины, растягиваемой в одном направлении, коэффициент концентрации напряжений дости­гает 3, те. нормальные напряжения около отверстия в 3 раза больше средних. В барабанах и камерах в зависимости от расположения от­верстий и с учетом двухосного напряженного состояния напряжения около отверстий превышают средние в 2-2,5 раза. Область металла, на которую они распространяются, весьма мала. В ней напряжения могут превышать предел текучести, и материал переходит в пластическое состояние. Расчет на прочность ведут по средним напряжени­ям без учета концентрации. Это оказывается возможным, так как для деталей котлов, трубопроводов и сосудов используются весьма плас­тичные материалы. Такой подход позволяет получать более тонкостен­ные конструкции и экономить материал.

При разработке норм расчета котлов и трубопроводов на прочность, предшествовавших РД 10-248-98, были приняты во внимание также и разрушающие нагрузки. Результаты этих предшествовавших анализов и экспериментов вошли в РД 10-248-98. Расчетные форму­лы для выбора размеров деталей также сопоставляли с зарубежными аналогичными материалами.

При выводе формул для предельных нагрузок были использованы условия пластичности по теории максимальных касательных напря­жений. Эксперименты показали, что результаты расчетов применительно к котельным конструкциям и используемым для их изготовления ста­лям одинаково хорошо согласуются с теорией максимальных каса­тельных напряжений и с энергетической теорией. Но формулы, исхо­дящие из теории максимальных касательных напряжений, получают­ся проще.

Экспериментальные значения для предельных давлений по пере­ходу всей конструкции в пластическое состояние и по разрушающим нагрузкам находятся в промежутке между расчетными по обеим тео­риям.

При разработке Норм РД 10-248-98 во внимание принимались так­же и разрушающие нагрузки. Они определялись на основании испы­таний моделей и натуральных образцов. По результатам этих испыта­ний получали эмпирические и полуэмпирические зависимости. Если расчет по разрушающим нагрузкам и соответствующим значениям временного сопротивления дает большую толщину стенки, чем рас­чет по предельным нагрузкам (по переходу в пластическое состоя­ние), то окончательные формулы для расчета толщины стенки и до­пускаемого давления принимаются по разрушающим нагрузкам.

В частности, при сопоставлении результатов испытаний и расчетов для труб, выполненных из разных сталей с различным отношением наружного диаметре к внутреннему, лучшее совпадение между экс­периментом и расчетом на прочность получилось по теории максимальных касательных напряжений. Это и послужило основой и основ­ной причиной, определивших выбор методики расчета труб в Нормах по теории максимальных касательных напряжений.

Значительная часть элементов котлов и трубопроводов, работаю­щих под внутренним давлением, подвержена ползучести. Анализ эк­спериментальных данных по испытанию различных элементов паро­вых котлов в условиях ползучести показал, что при замене в расчет­ных формулах предела текучести пределом ползучести или времен­ного сопротивления пределом длительной прочности получается вполне удовлетворительное для практики совпадение.

Предел ползучести и предел длительной прочности определялся путем испытания материала моделей на растяжение. Отклонения опыт­ных данных от расчетных направлены обычно в сторону увеличения запаса прочности. Поэтому оказалось возможным вести расчет по одним и тем же формулам для области температур, где еще нет ползу­чести, и для области температур, где она есть.

Подход к расчету по предельным нагрузкам дает хорошие резуль­таты для весьма пластичных материалов.

Но он не пригоден для хрупких материалов, например, чугуна. Чу­гунные детали рассчитывают на прочность так, чтобы максимальные растягивающие напряжения не превышали допускаемой величины. У хрупких материалов не происходит саморазгрузка местных напряжений путем образования пластического шарнира. При дости­жении локальным растягивающим напряжением величины временно­го сопротивления образуется трещина.