СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА БАРАБАНОВ И КОЛЛЕКТОРОВ КОТЛА Российский патент 2019 года по МПК F22B37/38 G06N7/06 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при оценке прочности и определении проектного и остаточного ресурса работающих под давлением барабанов и коллекторов котлов.

Известен способ контроля работоспособного состояния оборудования тепловых электрических станций и нефтеперерабатывающих заводов (Патент РФ №2049345, МПК G05D 27/00, G01N 27/82, опубл. 27.11.1995), включающий измерение напряженности и индукции магнитного поля в отдельных точках, фиксацию измеренных параметров, формирование сглаженной совокупности измеренных параметров, нормирование полученной сглаженной совокупности измеренных параметров, восстановление ранее усредненных флуктуаций параметров измерения соседних точек, задание пороговых сигналов нормального состояния объекта и пороговых сигналов рискованного состояния объекта, сравнение с ними значений сигналов флуктуаций параметров измерения, нахождение точек рискованного состояния и точек аварийного состояния, формирование координат этих точек и косвенную оценку напряженно-деформированного состояния по изменениям параметров магнитного поля в точках рискованного состояния с последующим расчетом механических напряжений.

Недостатками способа являются обязательный останов котла для проведения длительной диагностики и косвенная оценка механических напряжений по изменениям параметров магнитного поля в точках рискованного состояния с последующим расчетом механических напряжений и коэффициентов их концентрации. Это делает невозможным использование способа при оценке проектного ресурса барабанов и коллекторов, а также остаточного ресурса непосредственно в ходе эксплуатации по изменениям режима работы котла. Магнитное поле специфично для каждого котла, его отдельного элемента, в том числе отдельного штуцера, что делает способ только диагностическим. Кроме этого проблематична оценка точности расчета остаточного ресурса контролируемых элементов оборудования после применения способа в ходе очередного диагностирования при останове котла.

Известен нормативный метод определения ресурса барабанов и коллекторов котлов (РД10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. - М.: Изд-во ЗАО НТЦ ПБ, 2010. - 270 с.), в котором изложен общий порядок расчета барабанов и коллекторов, работающих под давлением, на малоцикловую усталость с определением ресурса элементов нового котла или остаточного ресурса элементов котла в ходе его эксплуатации. Метод включает определение расчетных окружных, осевых и радиальных нормальных напряжений от внутреннего давления, нормальных напряжений от изгиба, касательных напряжений кручения и касательных напряжений от поперечных нагрузок, дальнейшее вычисление главных и расчетных напряжений, в том числе расчетных напряжений в расчетных точках и амплитуд переменных напряжений с учетом коэффициентов концентрации напряжений и их сравнения с расчетными допускаемыми амплитудами переменных напряжений в зависимости от заданного числа циклов переменных напряжений (требуемого ресурса элемента котла), либо определение по величине амплитуд переменных напряжений с помощью кривых малоцикловой усталости ресурса элемента котла (числа циклов переменных напряжений). Окружные нормальные напряжения рассчитываются по формуле:

где р⋅ - внутреннее избыточное давление в барабане или коллекторе,

D - внутренний диаметр барабана или коллектора,

s - толщина стенки обечайки барабана или коллектора.

Недостатком данного способа является использование упрощенной методики определения расчетных напряжений и неточные значения коэффициентов концентрации напряжений. Кроме того не учтены температурные напряжения от изменения температуры среды в штуцерах и разницы температур верхней и нижней точек барабана или коллектора, что приводит к заниженной оценке ресурса барабанов и коллекторов котла.

Известен нормативный метод определения напряжений в трубопроводах при нестационарных температурных режимах котлов (РТМ24.038.11-72. Расчет прочности трубопроводов энергоустановок для условий нестационарных температурных режимов. - М.: Изд-во ОНТИ ЦКТИ, 1974. - 82 с.), в котором предложено рассчитывать тангенциальное (окружное) и продольное (осевое) температурные напряжения на внутренних и наружных поверхностях трубопроводов в случае квазистационарного режима по формуле:

где ϕ - коэффициент, зависящий от типа поверхности и отношения наружного и внутреннего диаметров трубы (обечайки) и представленный в виде графиков;

s - толщина стенки трубы;

ω - скорость изменения температуры среды в трубе;

α - коэффициент линейного расширения;

Е - модуль упругости первого рода;

а - коэффициент температуропроводности;

μ - коэффициент Пуассона.

Недостатком данного способа является то, что в нем при определении температурных напряжений не учитывается концентрация напряжений в проходных вваренных штуцерах барабанов и коллекторов. Кроме этого не описана функциональная зависимость параметра ϕ от размерных параметров штуцера.

Наиболее близким к заявляемому является способ длительного непрерывного автоматического определения остаточного ресурса элементов котла, работающих под давлением (Патент РФ №2206024, МПК F22B 37/38, опубл. 10.06.2003), включающий ведение с помощью измерителей постоянного контроля за состоянием котла и параметрами его элементов, непрерывную передачу информации в блок, где она проходит проверку на достоверность и поступает в блок первичной переработки, где формируется оперативный мониторинг об идентификации режимов работы котла, замеченных отклонениях текущих параметров от нормы, исходные данные для математических моделей. При этом в блок первичной переработки поступают также постоянные и конструктивные данные, данные, параметрически зависящие от результатов измерений. Из блока первичной переработки информация поступает в математические модели, где одновременно и непрерывно ведутся расчеты исчерпания ресурса от статических нагружений в результате ползучести, циклических нагружений от пульсаций давлений или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов "пуск-останов" для элементов, в которых такие нагружения имеются. Результаты работы математических моделей передаются в блок, где происходит их обработка, формирование результатов по всем видам нагружений, обобщенных данных, мониторинговых сообщений, информации для отчетов, архивов, интерфейса. Блок управления обеспечивает заданный режим математических моделей и блока обработки данных и через последний, воздействуя на блок доступа к базам данных, подготавливает очередную входную информацию для расчетов, передавая ее в блок первичной переработки. Представление данных и связь с пользователем осуществляются через блок средств интерфейса. Эти данные вводятся в электронный журнал ремонтов через средства интерфейса. Каждое сообщение, поступающее в электронный журнал ремонтов, классифицируется, проходит идентификацию через блок преобразований информации и корректор влияния и направляется в блоки доступа к данным и управления, осуществляя, таким образом, свое влияние на процесс определения остаточного ресурса.

Способ позволяет повысить достоверность, точность непрерывного автоматического определения остаточного ресурса элементов котла, однако имеется недостаток, заключающийся в том, что использование нормативного метода оценки остаточного ресурса и, соответственно, заложенных в нем фиксированных нормированных величин коэффициентов концентрации напряжений, которые фактически являются верхней оценкой величины коэффициентов концентрации напряжений, приводит к завышению расчетных напряжений, увеличению металлоемкости соединений «обечайка-штуцер» барабанов и коллекторов, занижению ресурса барабанов и коллекторов.

Кроме этого не учтены и не описаны: влияние размерных параметров барабана, коллектора и штуцера, конструкции узлов соединений «обечайка-штуцер» барабанов и коллекторов и способа их укрепления на местные напряжения и коэффициенты концентрации напряжений; влияние внешних нагрузок на штуцера барабанов и коллекторов со стороны присоединенных трубопроводов и влияние реакций опор и/или подвесок барабанов и коллекторов.

Не учтено также, что при всех реальных режимах работы, разогрева и охлаждения котла напряжения на внутренней поверхности штуцера в плоскости перпендикулярной оси барабана значительно меньше окружных напряжений в осевой плоскости барабана или коллектора.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков, присущих аналогам данного технического решения и создание более точного способа автоматической оценки прочности и определения ресурса барабанов и коллекторов котла с учетом присоединенных к ним трубопроводов, опор, подвесок и других деталей.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, заключается в повышении точности определения напряжений в местах их концентрации, ресурса или остаточного ресурса барабана и коллекторов котла с их штуцерами, работающих под давлением.

Технический результат достигается тем, что способ оценки прочности и определения ресурса барабанов и коллекторов котла включает формирование блоков конструктивных и постоянных данных барабана и/или коллектора, материалах, их механических и теплотехнических свойствах, эксплуатационных параметров, данных о давлении и температуре элементов, циклических нагружениях от пульсаций давлений и/или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов «пуск-останов», архивирование, проверку и обработку данных, оперативный мониторинг, реализацию математических моделей, расчет напряжений и ресурса, интерфейс, обработку результатов, при этом формируется блок внешних нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера и блок напряженного состояния барабана и/или коллектора со штуцерами, содержащий их конечно-элементные модели, в котором определяются зоны концентрации напряжений, положения точек наибольших напряжений в этих зонах и производится выбор наибольших расчетных напряжений.

Блоки внешних нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера и напряженного состояния барабана и/или коллектора могут дополнительно содержать блоки связи с программным комплексом расчета напряженного состояния в моделях барабанов и коллекторов по методу конечных элементов.

При относительно малой вычислительной мощности используемого оборудования блок напряженного состояния барабана и/или коллектора может дополнительно содержать блок расчета коэффициентов концентрации напряжений с базой коэффициентов, рассчитанных для моделей барабана и/или коллектора с их штуцерами по методу конечных элементов, при этом расчет суммарных напряжений в барабане, коллекторе и/или их штуцеров проводится по формуле:

где - расчетное напряжение от внутреннего давления, определяется по формуле:

где К_р - коэффициент концентрации напряжений от внутреннего давления в месте определения напряжений, предоставляемый базой данных коэффициентов концентрации напряжений;

р - внутреннее избыточное давление в барабане или коллекторе, МПа,

D - внутренний диаметр барабана, коллектора или штуцера, мм,

s - толщина стенки обечайки барабана или коллектора, мм;

- расчетное температурное напряжение при квазистационарном режиме, определяется по формулам:

для наружной поверхности обечайки:

для внутренней поверхности обечайки:

где K_t - коэффициент концентрации температурного напряжения, предоставляемый базой данных коэффициентов концентрации напряжений;

β - коэффициент, зависящий от отношения наружного D_a и внутреннего D диаметров барабана или коллектора,

s - толщина стенки барабана или коллектора, мм;

V_t - скорость изменения температуры среды в штуцере, С/мин,

α - коэффициент линейного расширения, 1/°С;

Е - модуль упругости первого рода (модуль Юнга), МПа;

a_t - коэффициент температуропроводности, м²/сек;

μ - коэффициент Пуассона;

σ_Δt - расчетное температурное напряжение при изменении или периодическом колебании температуры среды, МПа;

σ_ƒ - расчетное напряжение от внешней нагрузки, МПа.

Блок внешних нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера может дополнительно содержать базу нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера для различных режимов работы котла, рассчитанных для моделей барабана и/или коллектора с их штуцерами по методу конечных элементов.

На чертеже изображена блок-схема автоматического расчета напряжения и остаточного ресурса при непрерывном мониторинге барабанов и коллекторов на эксплуатируемом котле, где:

1 - измерители;

2 - блок ввода конструктивных данных;

3 - блок ввода постоянных данных (база данных о постоянных физических, теплотехнических, механических и физико-механических характеристиках систем барабан-среда, коллектор-среда);

4 - блок сбора и достоверизации информации;

5 - архивы;

6 - блок ввода и коррекции параметрически зависимых данных;

7 - блок первичной обработки информации и оперативного мониторинга;

8 - блок управления;

9 - блок внешних нагрузок;

10 - блок напряженного состояния;

11 - блок реализации математических моделей;

12 - блок обработки результатов;

13 - интерфейс;

14 - электронный журнал результатов;

15 - корректор влияния;

16 - преобразователь.

Способ осуществляется следующим образом.

В случае обеспечения непрерывного мониторинга и технической диагностики на эксплуатируемом котле информация от измерителей (блок 1), установленных на барабанах, коллекторах, штуцерах, опускных трубах и т.д., из блока 2 ввода конструктивных данных барабанов, коллекторов, штуцерах, подводящих и отводящих трубопроводах и блока 3 постоянных данных контролируемой системы «котел-топочное пространство-среда» поступает в блок 4 сбора и достоверизации информации, где она проходит проверку на достоверность. В блоки 2 и 3 информация об объекте может вноситься из архива 5. Из блока 4 проверенные данные поступают в блок 6 ввода и коррекции параметрически зависимых данных, где реализуется определение и необходимая коррекция этих данных в зависимости от заданных параметров и режимов эксплуатации. Результаты работы блока 6 поступают в блок 4 для проверки на достоверность. Проверенные на достоверность данные из блока 4 поступают в блок первичной обработки информации и оперативного мониторинга 7 и в блок управления 8, а затем в блок внешних нагрузок 9, из которого информация о нагрузках поступает в блок напряженного состояния 10 и блок реализации математических моделей 11. В блоке управления 8 идентифицируются режимы работы котла, выявляются отклонения текущих параметров от нормы и формируются исходные данные для блоков 9, 10 и 11. В блоке 10 напряженного состояния одновременно и непрерывно ведутся расчеты напряжений и исчерпания ресурса объектов мониторинга с учетом выявленных изменений в результате ползучести от статических нагружений, малоцикловой усталости от пульсаций давлений или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов «пуск-останов». Результаты работы блока 10 поступают в блок 11, где используются для реализации заложенных математических моделей. Далее информация передается в блок обработки результатов 12 и блок интерфейса 13. Из блока 11 результаты работы также поступают в блок 13 через блок 12.

В блоке 4 организуется непрерывная проверка наличия или отсутствия информации от измерителей, работоспособного состояния измерителей, выявление отказавшего измерителя, в случае отказа генерируются команды на запрет смены предыдущего верного значения параметра и обеспечение непрерывности информации по данному каналу, формирование сигнала о неисправности измерителя с передачей в блок интерфейса 13. В случае выявления неисправности какого-либо измерителя в блоке 7 первичной обработки информации и оперативного мониторинга производится корреляционными методами формирование сигнала, моделирующего показания этого измерителя. В блоке 4 реализуется также проверка ошибок ввода данных из блоков 2 и 3 и проверка ошибок определения зависимых данных, поступающих из блока 6.

Блок 7 первичной обработки информации использует достоверную информацию об измерениях температуры и давления (блок 1), о конструкции объектов мониторинга (блок 2), значениях постоянных данных (блока 3), значениях параметров, зависящих от результатов достоверных измерений температуры и давления (блок 6) и об архивных данных (блока 5) о предыстории данного момента объектов мониторинга (барабанов и коллекторов) - ранее определенного остаточного ресурса элементов конструкции, циклических нагружениях от пульсаций давлений или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, видах топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов «пуск-останов».

Блок управления 8 обеспечивает заданный режим работы блока 9 внешних нагрузок и блока 10 напряженного состояния, блока 11 реализации математических моделей, блока 7 первичной обработки информации и оперативного мониторинга, обеспечивает доступ к базам данных блоков 3, 5 и 6, управляет обработкой информации в блоке 12 и направляет необходимую информацию в блок интерфейса 13.

Информация из блока 9 внешних нагрузок используется в блоке 10 и влияет на результаты расчета напряжений, которые, в свою очередь, влияют на результаты работы математических моделей из блока 11.

Результаты работы математических моделей из блока 11 передаются в блок 12, где происходит их обработка, формирование результатов по всем видам нагружений, обобщенных данных, мониторинговых сообщений, в том числе об исчерпании ресурса от статических нагружений в результате ползучести, циклических нагружений от пульсаций давлений или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов «пуск-останов», информации для отчетов, архивов, интерфейса.

Блок интерфейса 13 обеспечивает связь и представление данных пользователям, а также передает обработанные результаты в электронный журнал результатов 14, где производится сбор и хранение информации о результатах периодической инструментальной диагностики, сервиса и ремонтов. В электронный журнал результатов 14 вносятся данные о результатах периодического диагностирования, лабораторным исследованиям, оперативным наблюдениям на работающем или остановленном котле, изменениями, связанными с сервисными работами, ремонтами или реконструкциями и всеми другими изменениями, влияющими на результаты мониторинга и диагностирования котла. Информация, поступающая в электронный журнал результатов 14, классифицируется, идентифицируется, затем через блок корректор влияния 15 и преобразователь информации 16 поступает в блоки 5, 6 и 8. Соответственно, учитывается влияние на процесс определения остаточного ресурса сервисных и ремонтных мероприятий, реконструкций объекта.

В случае обеспечения процесса проектирования котла в блок конструктивных данных 2, блок постоянных данных 3 вносится информация о проектируемом объекте, в том числе, о заданных режимах эксплуатации, при этом пользователь имеет возможность использовать базовые решения, хранящиеся в архиве 5. Данные из этих блоков поступают в блок сбора и достоверизации информации 4, где они проходят проверку на достоверность. Из блока 4 проверенные данные поступают в блок ввода и коррекции параметрически зависимых данных 6, где реализуется определение этих данных в зависимости от заданных параметров и режимов. Результаты работы блока 6 поступают в блок 4 для проверки на достоверность. Проверенные на достоверность данные из блока 4 поступают через блок 7 в блок управления 8, а затем в блок 9 внешних нагрузок, блок напряженного состояния 10 и блок 11 реализации математических моделей. Результаты работы блока 9 поступают в блок 10, где используются для уточненного расчета напряжений. Результаты работы блока 10 поступают в блок 11, где используются для реализации заложенных математических моделей и в блок 12 обработки результатов. Из блока 11 результаты работы также поступают через блок 12. Далее информация из блока 12 передается в блок интерфейса 13. Блок 12 формирует отчеты и базы данных о результатах по проектируемому объекту, которые направляются в блок интерфейса 13 на печать отчетов и монитор, архивы (блок 5) и электронный журнал результатов (блок 14), который используется для представления результатов, внесения корректив в проект (блоки 2, 3 и 5) и выдачу команды на формирование другого варианта проекта, сравнения вариантов проекта и выбора наиболее рационального варианта. Блок управления 8 используется для управления блоками 9 внешних нагрузок, 10 напряженного состояния и 11 реализации математических моделей, блоком обработки результатов 12, интерфейсом 13 и электронным журналом результатов 14, а также архивом 5, блоком 6 ввода и коррекции параметрически зависимых данных и базам данных блока 3 ввода постоянных данных.

В случае обеспечения экспертной оценки остаточного ресурса при периодической технической диагностики котла в блоки ввода конструктивных данных 2, блок ввода постоянных данных 3 и архив 5 вносится информация о диагностируемом объекте, при этом пользователь имеет возможность использовать базовые решения, хранящиеся в архиве 5. Архив 5 состоит из двух блоков. В одном архиве хранится информация о конструкции объектов, используемых материалах, постоянных данных системы, в другом - информация об истории эксплуатации объектов: режимов эксплуатации, результатов сервисного обслуживания, ремонтов и реконструкций. В блок истории эксплуатации котла заданных режимов вносится информация обо всех циклических нагружениях от пульсаций давлений или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, видах топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов «пуск-останов» диагностируемого объекта, о результатах сервисных и ремонтных работ и реконструкций, при этом пользователь может вносить информацию в ручном режиме через интерфейс ввода данных 13, использовать архив истории эксплуатации объектов или автоматический ввод информации через блок удаленного ввода истории объекта интерфейса 13.

Данные из блока ввода конструктивных данных 2, блока ввода постоянных данных 3 и архива 5 поступают в блок 4 сбора и достоверизации информации, где они проходят проверку на достоверность. Из блока 4 проверенные данные поступают в блок 6 ввода и коррекции параметрически зависимых данных, где реализуется определение этих данных в зависимости от заданных параметров и режимов. Результаты работы блока 6 поступают в блок 4 для проверки на достоверность. Проверенные на достоверность данные из блока 4 поступают в блок управления 8, а затем в блок 9 внешних нагрузок, блок 10 напряженного состояния и блок 11 реализации математических моделей. Результаты работы блока 9 поступают в блок 10, где используются для уточненного расчета напряжений. Результаты работы блока 10 поступают в блок 11, где используются для реализации заложенных математических моделей и в блок 12 обработки результатов. Из блока 12 результаты работы также поступают в блок интерфейса 13. Блок обработки результатов 12 формирует отчеты и базы данных о результатах по проектируемому объекту, которые через блок интерфейса 13 направляются в архивы 5, на печать отчетов и в электронный журнал результатов (блок 14), в который вносятся данные о результатах определения напряжений и остаточного ресурса, рекомендации по планированию сервисного обслуживания, ремонтов и реконструкций. Блок управления 8 используется для управления архивом истории объектов, блоком 9 внешних нагрузок, блоком 10 напряженного состояния и блоком 11 реализации математических моделей реализации математических моделей, блоком 12 обработки результатов, интерфейсом 13, в том числе блоком удаленного ввода истории объекта интерфейса и электронным журналом 14.

В зависимости от заложенных вычислительных возможностей блок 9 внешних нагрузок, содержит конечно-элементные модели барабана и/или коллектора и их штуцеров со всеми присоединенными к ним элементам конструкций, в котором определяются усилия, действующие на барабан и/или коллектор и их штуцера со стороны всех присоединенных к ним элементам конструкций. Для расширения вычислительных возможностей блок 9 может иметь блок связи с программным комплексом расчета напряженно-деформированного состояния в моделях барабанов и коллекторов по методу конечных элементов. При ограничениях вычислительных возможностей блок 9 может содержать базу нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера для различных режимов работы котла, предварительно рассчитанных для моделей барабана и/или коллектора с их штуцерами по методу конечных элементов.

В зависимости от заложенных вычислительных возможностей блок 10 напряженного состояния, содержит конечно-элементные модели барабана и/или коллектора со штуцерами, содержащие их конечно-элементные модели, в котором определяются зоны концентрации напряжений, положения точек наибольших напряжений в этих зонах и производится выбор наибольших расчетных напряжений, которые в свою очередь используются для оценки прочности и расчета ресурса данного объекта. В случае необходимости расширения вычислительных возможностей блок 10 может иметь блок связи с программным комплексом расчета напряженно-деформированного состояния в моделях барабанов и коллекторов с их штуцерами по методу конечных элементов. При ограничениях вычислительных возможностей блок 10 может содержать блок расчета коэффициентов концентрации напряжений с базой коэффициентов, рассчитанных для моделей барабана и/или коллектора с их штуцерами по методу конечных элементов. В этом случае расчет суммарных напряжений в барабане, коллекторе и/или их штуцеров проводится по формуле:

где - расчетное напряжение от внутреннего давления, определяется по формуле:

где К_p - коэффициент концентрации напряжений от внутреннего давления в месте определения напряжений, предоставляемый базой данных коэффициентов концентрации напряжений;

р - внутреннее избыточное давление в барабане или коллекторе, МПа,

D - внутренний диаметр барабана, коллектора или штуцера, мм,

s - толщина стенки обечайки барабана или коллектора, мм;

- расчетное температурное напряжение при квазистационарном режиме, определяется по формулам:

для наружной поверхности обечайки:

для внутренней поверхности обечайки:

где K_t - коэффициент концентрации температурного напряжения, предоставляемый базой данных коэффициентов концентрации напряжений;

β - коэффициент, зависящий от отношения наружного D_a и внутреннего D диаметров барабана или коллектора,

s - толщина стенки барабана или коллектора, мм;

V_t - скорость изменения температуры среды в штуцере, С/мин,

α - коэффициент линейного расширения, 1/°С;

Е - модуль упругости первого рода (модуль Юнга), МПа;

a_t - коэффициент температуропроводности, м²/сек;

μ - коэффициент Пуассона;

σ_Δt - расчетное температурное напряжение при изменении или периодическом колебании температуры среды, МПа;

σ_ƒ - расчетное напряжение от внешней нагрузки, МПа.

В таблице представлены результаты определения коэффициентов концентрации, полученных разными способами для барабана с размерами - внутренний диаметр 1100 мм, толщина стенки 50 мм, при давлении 10 МПа, и погрешности определения коэффициентов. Экспериментальные коэффициенты концентрации напряжений получены в ОАО ТКЗ «Красный котельщик» на стенде с физической моделью барабана методом тензометрии.

Использование изобретения позволяет автоматизировать процесс уточненного определения напряжений и остаточного ресурса барабанов и коллекторов паровых котлов, получать корректные результаты определения напряжений и остаточного ресурса при непрерывном мониторинге технического состояния котла в ходе его эксплуатации или периодическом техническом диагностировании его состояния, а также при проектировании новых котлов или разработке проектов реконструкции эксплуатируемых. Способ позволяет учесть все факторы, влияющие на исчерпание ресурса барабанов и коллекторов, работающих под давлением, ввести эффективную корректировку остаточного ресурса по результатам периодических сервисных и ремонтных мероприятий и исследований материалов, в случае непрерывного мониторинга вести электронный журнал результатов с данными о диагностиках, сервисных операциях и ремонтах, функционально связанный с определением напряжений и ресурса, точнее определять объем и сроки проведения ремонтов, контроля барабанов и коллекторов, применить способ для комплексной, автоматизированной системы диагностики котла.

Введение блока внешних нагрузок с уточненным определением усилий на барабан и/или коллектор и их штуцера со стороны всех присоединенных к ним элементам конструкций для различных режимов работы котла, рассчитанных для конечно-элементных моделей барабана и/или коллектора с их штуцерами и всеми присоединенными к ним элементам конструкций, позволяет повысить точность моделирования напряженно-деформированного состояния барабан и/или коллектор и их штуцерами, что в конечном итоге повышает точность оценки прочности и расчета ресурса этих элементов котла. Введение блока напряженного состояния барабана и/или коллектора со штуцерами с уточненным определением местных и расчетных напряжений с помощью конечно-элементных моделей, с более точным определением коэффициентов концентраций этих напряжений от внутреннего давления, изменения температуры среды в штуцере и перепада температур на внутренней и внешней поверхности барабана или коллектора позволяет существенно повысить точность значений напряжений с учетом их пространственной локализации и причины возникновения.

Заявляемый способ позволяет с большой точностью и достоверностью определять напряжения в штуцерах в местах их концентрации, прогнозировать ресурс барабанов и коллекторов новых котлоагрегатов и остаточный ресурс эксплуатируемых котлов. Средняя величина абсолютных значений погрешностей определения коэффициентов концентрации напряжений и, соответственно, самих напряжений по предложенному способу в среднем 2,4 раза меньше, чем при расчете по РД 10-249-98. В среднем точность определения местных напряжений повышается на 5,7%, что позволяет более точно прогнозировать ресурс барабанов и коллекторов при работе их в условиях малоцикловой усталости.

Применение предлагаемого способа позволяет существенно уточнить оценку допустимого количества циклов, при этом в большинстве случаев прогнозируемое допустимое количество циклов увеличивается в 1,5-2,3 раза по сравнению с прогнозируемым допустимым числом циклов определенным по общепринятым способам, включая нормативный метод. Кроме этого повышение точности расчета напряжений в соединениях «обечайка-штуцер» позволяет оптимизировать конструкцию этих соединений с учетом выбора способов их упрочнения и снизить металлоемкость барабанов и коллекторов на 5-9%.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при оценке прочности и определении проектного и остаточного ресурса работающих под давлением барабанов и коллекторов котлов. Способ оценки прочности и определения ресурса барабанов и коллекторов котла включает: формирование блоков конструктивных и постоянных данных барабана и/или коллектора, материалов, их механических и теплотехнических свойств, эксплуатационных параметров, данных о давлении и температуре элементов, циклических нагружениях от пульсаций давлений и/или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов «пуск-останов», архивирование, проверку и обработку данных, оперативный мониторинг, реализацию математических моделей, расчет напряжений и ресурса, интерфейс и обработку результатов. При этом формируется блок внешних нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера и блок напряженного состояния барабана и/или коллектора со штуцерами, содержащий их конечно-элементные модели. В блоке внешних нагрузок определяются усилия, действующие на барабан и/или коллектор и их штуцера со стороны всех присоединенных к ним элементам конструкций. В блоке напряженного состояния барабана и/или коллектора со штуцерами определяются зоны концентрации напряжений, положения точек наибольших напряжений в этих зонах и производится выбор наибольших расчетных напряжений. Изобретение позволяет повысить точность определения напряжений в местах их концентрации, ресурса или остаточного ресурса барабана и коллекторов котла с их штуцерами, работающих под давлением. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ оценки прочности и определения ресурса барабанов и коллекторов котла, включающий формирование блоков конструктивных и постоянных данных барабана и/или коллектора, материалов, их механических и теплотехнических свойств, эксплуатационных параметров, данных о давлении и температуре элементов, циклических нагружениях от пульсаций давлений и/или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов «пуск-останов», архивирование, проверку и обработку данных, оперативный мониторинг, реализацию математических моделей, расчет напряжений и ресурса, интерфейс, обработку результатов, отличающийся тем, что формируют блок внешних нагрузок на барабан и/или коллектор со штуцерами, содержащий их конечно-элементные модели со всеми присоединенными к ним элементами конструкций, в котором определяются усилия, действующие на барабан и/или коллектор и их штуцера со стороны всех присоединенных к ним элементам конструкций, и блок напряженного состояния барабана и/или коллектора со штуцерами, содержащий их конечно-элементные модели, в котором определяются зоны концентрации напряжений, положения точек наибольших напряжений в этих зонах и производится выбор наибольших расчетных напряжений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что блок внешних нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера и блок напряженного состояния барабана и/или коллектора дополнительно содержат блоки связи с программным комплексом расчета напряженно-деформированного состояния в моделях барабанов и коллекторов по методу конечных элементов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что блок напряженного состояния барабана и/или коллектора дополнительно содержит блок расчета коэффициентов концентрации напряжений с базой коэффициентов, рассчитанных для моделей барабана и/или коллектора с их штуцерами по методу конечных элементов, при этом расчет суммарных напряжений в барабане, коллекторе и/или их штуцерах проводится по формуле:

σ_ϕred=σ_{ϕ p red}+σ_{ϕ t red}+σ_Δt+σ_ƒ, МПа,

где σ_{ϕ p red} - расчетное напряжение от внутреннего давления, определяется по формуле:

σ_{ϕ p red}=К_p⋅p⋅(D+s)/2s, МПа,

где К_р - коэффициент концентрации напряжений от внутреннего давления в месте определения напряжений, предоставляемый базой данных коэффициентов концентрации напряжений;

р - внутреннее избыточное давление в барабане или коллекторе, МПа,

D - внутренний диаметр барабана, коллектора или штуцера, мм,

s - толщина стенки обечайки барабана или коллектора, мм;

σ_{ϕ t red} - расчетное температурное напряжение при квазистационарном режиме, определяется по формулам:

для наружной поверхности обечайки:

σ_{ϕ t red}=0,167⋅10^-7⋅K_t⋅(-0,00108⋅β²-0,00048⋅β-0,16842)V_t⋅s²⋅α⋅E/(a_t⋅(1-μ)), МПа,

для внутренней поверхности обечайки:

σ_{ϕ t red}=0,167⋅10^-7⋅K_t⋅(0,0292⋅β²-0,2240⋅β-0,1377)V_t⋅s²⋅α⋅E/(a_t⋅(1-μ)), МПа,

где K_t- коэффициент концентрации температурного напряжения, предоставляемый базой данных коэффициентов концентрации напряжений;

β - коэффициент, зависящий от отношения наружного D_a и внутреннего D диаметров барабана или коллектора,

β=D_a/(D_a-2s)=(D+2s)/D,

s - толщина стенки барабана или коллектора, мм;

V_t - скорость изменения температуры среды в штуцере, °С/мин,

α - коэффициент линейного расширения, 1/°С;

Е - модуль упругости первого рода (модуль Юнга), МПа;

a _t - коэффициент температуропроводности, м²/с;

μ - коэффициент Пуассона;

σ_Δt - расчетное температурное напряжение при изменении или периодическом колебании температуры среды, МПа;

σ_ƒ - расчетное напряжение от внешней нагрузки, МПа.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что блок внешних нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера дополнительно содержит базу нагрузок на барабан и/или коллектор и их штуцера для различных режимов работы котла, рассчитанных для моделей барабана и/или коллектора с их штуцерами по методу конечных элементов.