Наукові засади забезпечення міцності та збільшення експлуатаційного ресурсу котлоагрегатів теплоелектростанцій з пошкодженнями

Abstract

Комплекс здійснених у дисертаційній роботі досліджень спрямовано на вирішення важливої науково-технічної проблеми – розроблення наукових засад забезпечення міцності котлоагрегатів енергоблоків ТЕС з пошкодженнями та збільшення їх експлуатаційного ресурсу шляхом адекватного оцінювання міцності деталей, вузлів та механізмів котлоагрегатів за різних режимів промислової експлуатації, отримання кількісної оцінки залишкового ресурсу, а також розроблення теоретичних основ їх ремонту та відновлення. Для оцінювання міцності котлоагрегату, враховуючи його високотемпературні навантаження і наявність зон пластичного деформування, використано варіант тривимірної теорії неізотермічної термопружно-пластичності, що враховує складну геометричну форму елементів котлоагрегату, експлуатаційних пошкоджень чи змін форми в них після ремонтних впливів, а також зміну властивостей матеріалу в часі і пружно-пластичний характер деформування. На цій основі розроблено методику моделювання процесів деформування елементів котлоагрегату за різних нестаціонарних режимів його експлуатації та оцінки його експлуатаційного ресурсу шляхом визначення його стану за рівнем накопиченої пошкоджуваності металу. Досліджено напружено-деформований стан конкретних діючих котлоагрегатів. Розроблена методика дала можливість виявити ділянки найбільш ймовірної появи дефектів в елементах котлоагрегатів та з’ясувати причини їх виникнення. Теоретично обґрунтовано технологію ремонту елементів котлоагрегату шляхом виконання в них технологічних вибірок матеріалу з пошкодженнями. Визначено раціональні форми вибірок з погляду мінімізації концентрації напружень. Досліджено можливість продовження термінів експлуатації котлоагрегатів енергоблоків ТЕС і встановлено умови їх безпечної експлуатації на постремонтній стадії. Виявлено режими, які роблять найістотніший внесок в накопичену пошкоджуваність металу. Запропоновано раціональні значення параметрів різних режимів експлуатації, які дозволяють ощадливіше витрачати його експлуатаційний ресурс. Запропонована методологія дослідження міцності і збільшення залишкового експлуатаційного ресурсу пройшла апробацію в конкретних виробничих умовах і впроваджена на ТЕС «Західенерго». Комплекс проведенных в диссертационной работе исследований направлен на решение важной научно-технической проблемы – разработка научных основ обеспечения прочности котлоагрегатов энергоблоков ТЭС с повреждениями и увеличения их эксплуатационного ресурса путем адекватной оценки прочности деталей, узлов и механизмов котлоагрегатов при различных режимах промышленной эксплуатации, получения количественной оценки остаточного ресурса, а также разработка теоретических основ их ремонта и восстановления. Для оценки прочности котлоагрегата, учитывая его высокотемпературные нагрузки и наличие зон пластического деформирования, использовано вариант трехмерной теории неизотермической термоупругопластичности, который учитывает сложную геометрическую форму элементов котлоагрегата, эксплуатационных повреждений или изменений формы в них после ремонтных воздействий, а также изменение свойств материала во времени и упругопластическое деформирование. На этой основе разработана методика моделирования процессов деформирования элементов котлоагрегата при различных нестационарных режимах его эксплуатации и оценки его эксплуатационного ресурса путем определения его состояния по уровню накопленной повреждаемости металла. Исследовано напряженно-деформированное состояние конкретных котлоагрегатов. Разработанная методика позволила выявить участки наиболее вероятного появления дефектов в элементах котлоагрегатов и выяснить причины их возникновения. Теоретически обоснована технология ремонта элементов котлоагрегата путем выполнения в них технологических выборок материала с повреждениями. Определены рациональные формы выборок с точки зрения минимизации концентрации напряжений. Исследована возможность продления сроков эксплуатации котлоагрегатов энергоблоков ТЭС и установлены условия их безопасной эксплуатации на постремонтний стадии. Выявлено режимы, которые делают существенный вклад в накопленную повреждаемость металла. Предложены рациональные значения параметров различных режимов эксплуатации, которые позволяют экономно расходовать его эксплуатационный ресурс. Предложенная методология исследования прочности и увеличения остаточного эксплуатационного ресурса прошла апробацию в конкретных производственных условиях на ТЭС «Западэнерго». The research carried out in the thesis is aimed at solving an important scientific and technical problem – the development of scientific bases for ensuring the durability of boiler units of thermal power plants units (TPP) with damage and increasing their operational resource by adequately assessing the strength of parts, units and mechanisms of boiler production units resource, as well as developing a theoretical basis for their repair. In the first section, the current state of the problem of ensuring the durability of boiler units of TPPs with damages and evaluating their residual life has been analyzed. In the second section, a mathematical model of the description of thermomechanical processes in the thermosensitive elastic-plastic solids under thermo-force loading has been formulated, which is proposed to be used in the study of the strength and residual operational life of the boiler. As the basis for this is taken a spatially three-dimensional approach, which allows us to adequately quantitatively describe the temperature field and the stress-strain state in structural elements of complex shape and structure. Using the finite element method and the sets of difference algorithms, a method for numerical modeling of thermomechanical processes in elements of a boiler unit under thermo-force loading has been suggested. On this basis, the corresponding software has been developed. In the third section, the results of investigations of the strength of the TP-10 and TP-100 types of boilers are presented, which take into account material degradation, operational damage, and repair cases. The strength of the drum under different modes of operation of the boiler has been investigated. The stationary regime with taking into accounts the thermal cycling, modes of scheduled start-stop, hydraulic tests, and emergency stops have been considered. It is shown that the presence of stress concentration in the vicinity of the holes leads to the local accumulation of damage, to the formation and development of cracks in these places. The rational in terms of stresses forms of cutting-outs of cracks and crack-shape damages in the holes and in their vicinities are suggested, in the course of which the deterioration of the strength characteristics of the drum does not occur or is minimal. In the fourth section, the results of investigations on the strength of collectors with existing defects in the form of cracks under operational loads are presented and the parameters of damage, with which the further their operation is possible, are determined; the probable causes of the damages to the collectors are indicated (with a view of further influence on them and their minimization). In the fifth section, the results of the calculation of the durability of the screen tubes with operational thinning are presented. The tube strength investigation has been performed in a three-dimensional spatial formulation, taking into account the real geometry of the thinning zone. The dependence of maximum stresses on the depth of thinning is determined, as well as the maximum permissible thinning of the tube at which its operation is still possible. In the sixth section, the strength of the fittings at the post-repair stage under operational conditions has been investigated. The dependences between the parameters of the cutting-outs and the maximum stresses in the fittings are presented, with the use of which it is possible to determine such geometrical parameters of the cutting-outs, for which the stresses in the fitting do not exceed the permissible ones. These dependencies make it possible to determine such combinations of geometric parameters of cutting-outs where the maximum stresses do not exceed the permissible level. In the seventh section, the results of evaluating the suitability and determination of the possibility of further operation of boiler units are presented. The description of analytical procedures performed to evaluate the suitability of the metal of these boilers for further industrial operation is given. Due to the adequate modeling of the deformation processes in structural elements of complex geometric shape with holes and technological cutting-outs within the three-dimensional model, the optimal (from the point of view of durability) shapes of techno-logical cutting-outs have been suggested, the scientifically substantiated quantitative estimates of the residual operational life of the considered boiler units at the post-repair stage have been obtained, and their operation for the fixed terms has been recommended under clearly defined conditions (forecast intensity of the basic cyclic modes).