Modelowanie wpływu parametrów eksploatacyjnych na stan naprężenia rur grubościennych w kotłach o parametrach nadkrytycznych

• Autorzy: Wacławiak K. , Okrajni J.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2018.09

Warianty tytułu

EN

Modeling of relation between operation parameters of super-critical power boilers and stress fields of thick-walled tubes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono przykłady modelowania procesów cieplno-mechanicznych zachodzących w rurach grubościennych podczas uruchamiania bloków energetycznych. Rozpatrzono przykłady elementów wykonanych ze stopu HR6W przeznaczonego na elementy urządzeń energetycznych o podwyższonych parametrach pracy. Omówiono zagadnienie wyznaczania pól temperatury i składowych stanu naprężenia na przykładzie rury grubościennej o średnicy zewnętrznej wynoszącej 540 mm i grubości ściany równej 127 mm, która reprezentuje elementy bloków o nadkrytycznych parametrach pracy, projektowane z uwagi na kryterium wytrzymałości na pełzanie. Ciśnienie wewnątrz rury w warunkach pracy ustalonej wynosiło 31,4 MPa, a temperatura 610°C. Skoncentrowano się na zagadnieniu oceny wpływu krótkotrwałych zmian temperatury podczas cykli uruchamiania bloku energetycznego na rozkłady zmiennej w czasie temperatury i związane z nimi naprężenia cieplne. Przedstawiono sposób modelowania uwzględniający możliwość oceny wpływu czasu rozruchu i niestabilności parametrów pary w tym okresie na przebieg lokalnych charakterystyk procesu odkształcania materiału. Ważne dla symulacji numerycznej właściwości materiałowe przyjmowano jako zależne od temperatury. Wyznaczono lokalne charakterystyki odkształcania wybranych punktów na powierzchni rury w postaci zależności pomiędzy odkształceniem i naprężeniem obwodowym. Wykazano istotny wpływ oscylacji temperatury występujących w warunkach rozruchu na zmienne w czasie pola naprężeń i odkształceń, sprzyjające powstawaniu zjawisk o zmęczeniowym charakterze.

EN

The examples of simulation of thermo-mechanical processes which undergo during start-up of commercial power boilers in thick-walled tubes have been presented. The tubes were made of nickel alloy HR6W. This material will be used for thick-walled elements of future boilers with raised operation parameters. The determination of temperature distribution and components of stress state was carried out for the tube with an outer diameter of 540 mm and wall thickness of 127 mm. The analysed heavy wall tube represents the elements of super-critical unit designed due to creep strength. The pressure inside the tube, under steady-state conditions, was 31.4 MPa and temperature was equal to 610°C. The investigations were focused on assessment of the effect of transient changes in temperature during start-up cycles of power unit on distributions of time-dependent temperature and thermal stresses. The method of modeling that allows to assess the effect of start-up time and instability of steam parameters on the local characteristics of the material deformation. The important material properties for the numerical simulation were assumed in relation to the temperature. The local characteristics of deformation of selected points lying on tube surface in a form of relations between strain and circumferential stress were determined. It has been shown that temperature change oscillations under start-up of boiler has an important effect on the time-dependent stress and strain distributions, intensifies the fatigue phenomena.

Słowa kluczowe

PL

zmęczenie cieplno-mechaniczne; symulacja numeryczna; rozruch kotłów energetycznych

EN

thermomechanical fatigue; numerical simulation; start-up of power boilers

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika
• Rocznik: 2018
• Tom: z. 90 [298], nr 1
• Strony: 101--115
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wacławiak K.

• Politechnika Śląska, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice

autor

Okrajni J.

• Politechnika Śląska

Bibliografia

• [1] Farragher T.P., Scully S., O’Dowd N.P., Leen S.B.: Development of life assessment procedures for power plant headers operated under flexible loading scenarios, Int. J. Fatigue, 49 (2013) 50-61.
• [2] Farragher T.P., Scully S., O’Dowd N.P., Leen S.B.: Thermomechanical analysis of pressurized pipe under plant conditions, ASME J. Pressure Vessel Technol., 135 (2013) 011204-1-9.
• [3] Okrajni J., Twardawa M.: Local strains that lead to the thermo-mechanical fatigue of thick-walled pressure vessels, Mater. Performance Characterization ASTM Int., 2 (2014) 244-261.
• [4] Okrajni J., Twardawa M.: Boundary conditions in models of power plant components under thermal loading, Arch. Mater. Sci. Eng., 62 (2013) 28-35.
• [5] Okrajni J., Twardawa M.: Influence of a variable in time heat transfer coefficient on stresses in models of power plant components, ASME J. Pressure Vessel Technol., 136 (2014) 041602-1-6.
• [6] PN-EN 12952-4:2002.
• [7] Bressers J., Remy L. (eds.): Fatigue under Thermal and Mechanical loading, Kluwer Academic Publishers, Netherlands 1996.
• [8] Hähner P., Rinaldi C., Bicego V., Affeld E., Brendel T., Andersson H., Beck T., Klingelhöffer H., Kühn H.-J., Köster A., Laveday M., Marchionni M., Rae C.: Research and development into a European code-of-practice for strain-controlled thermos-mechanical fatigue test, Int. J. Fatigue, 30(2008) 372-381.
• [9] Sehitoglu H.: Thermal and thermo-mechanical fatigue of structural alloys, [in:] Fatigue and Fracture ASTM Handbook, 19 (2008) 527-556.
• [10] Okrajni J., Plaza M.: Simulation of the fracture process of materials subjected to lowcycle fatigue of mechanical and thermal character, J. Mater. Proc. Technol., 53 (1995) 311-318.
• [11] Okrajni J., Junak G., Marek A.: Modelling of the deformation process under thermo-mechanical fatigue conditions, Int. J. Fatigue, 30 (2008) 324-329.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).