Моделювання НДС колектора пароперегрівача котла ТП-100 за комплексного термомеханічного навантаження методом скінченних елементів

Abstract

Оцінено напружено-деформований стан колектора пароперегрівача котла ТП-100 із урахуванням впливу внутрішнього тиску пари та різниці температур на його внутрішній та зовнішній стінках. Основну увагу зосереджено на дослідженні НДС найбільш ймовірної ділянки руйнування − містка між отворами колектора пароперегрівача. Виявлено, що основне зростання напружень на цій ділянці спричиняє градієнт напружень по товщині стінки колектора (різниця між температурами зовнішньої та внутрішньої поверхонь). Досліджено, що найнебезпечнішими режимами експлуатації колектора є умови, коли температура зовнішньої поверхні перевищує температуру внутрішньої. Отримано залежності розподілу напружень у різних ділянках містка між отворами колектора від температурних режимів експлуатації та зроблено висновки щодо вірогідних причин виникнення пошкоджень.

The power facilities, in particular, thermal power plants (TPPs) belong to the important objects, the failure of which can leads to accidents with severe consequences. The uninterrupted operation of TPPs greatly depends on the reliability of main elements of steam power systems. Therefore, one of the crucial tasks to be provided the structural integrity and life of the superheater collector is to increase the accuracy of its stress strain state estimation taking into account the thermo-mechanical loading. In the study the stress strain state of type TP-100 boiler superheater collector was evaluated, taking into account the effect of internal steam pressure and temperature difference on its internal and external surfaces. The main attention is focused on the study of the stress strain state of the most probable collector failure area that is the ligament between the superheater collector holes. The impact of internal pressure and temperature changes on the internal and external surfaces on the stress-strain state of thermal power plant superheater collector during the starts and stops was modeled in elastic formulation using finite element method. It was found out that the major stress increase in this area is caused by stress gradient through the thickness of the collector wall (the temperature difference between the external and internal surfaces). It was determined that the most dangerous modes of operation of the collector are the conditions when the temperature of the external surface exceeds the temperature of the internal surface. The dependences of the stress distribution on the temperature regimes of collector operation in different parts of the ligament between the holes and the conclusions about the likely causes of damage emergence were done. For the studied temperature range (20-600°C) the stresses that arise in superheater depend only on the temperature difference between the internal and external surfaces and do not depend on their maximum values. The most dangerous operation modes of superheater collector are when the temperature on its internal surface is lower than on the external. With the increase of this difference from 0 to 100°C the normal stress on the internal surface of the ligament between the superheater holes increases in 5 times and reaches 230 MPa, which exceeds the yield strength of the material at the temperature of 500°C.