Оценка поврежденности роторов высокого давления паровых турбин от многоцикловой усталости для использования в системе диагностики

• Автор: Прудников, Андрей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

1. Поврежденность металла высокотемпературных роторов в
эксплуатационных условиях
1.1 Причины поврежденности паровых турбин
1.2 Поврежденность высокотемпературных роторов паровых
турбин
1.3 Условия работы металла высокотемпературных роторов паровых
турбин
1.3.1 Переменные температурные напряжения. Усталость металла
высокотемпературных роторов паровых турбин
1.3.2 Ползучесть металла высокотемпературных роторов паровых
турбин
1.3.3 Вибрационные нагрузки высокотемпературных роторов паровых
турбин
1.4 Выводы и постановка задачи
2. Оценка накопления поврежденности от многоцикловой усталости в
металле ротора высокого давления
2.1 Схематизация процесса изменения напряжений в металле ротора
высокого давления и метод оценки усталостной поврежденности при

нерегулярном нагружении
2.2 Оценка величины статической составляющей цикла при многоцикловой усталости высокотемпературных роторов
2.3 Зависимость сопротивления усталости роторных сталей от
температуры, масштабного фактора, концентрации напряжений и

асимметрии цикла
2.3.1 Влияние температуры на характеристики многоцикловой
усталости роторных сталей
2.3.2 Влияние концентрации напряжений, масштабного фактора,
асимметрии цикла и частоты нагружения на сопротивление усталости

2.4 Оценка параметров усталостной кривой, отвечающей долговечности до зарождения трещины, для материала РВД с учетом эксплуатационных факторов
2.5 Оценка поврежденности от многоцикловой усталости металла РВД с учетом эксплуатационных факторов
3. Оценка поврежденности материала РВД турбины К-800-23,5-5 в зависимости от условий эксплуатации и геометрии концентратора напряжений
3.1 Оценка влияния средних напряжений цикла на характеристики выносливости
3.2 Оценка влияния параметров снижения температуры пара и геометрии концентратора напряжений на предельную амплитуду а8
3.3 Пример оценки поврежденности от многоцикловой усталости РВД
турбины К-800-23,5-5 в зоне задней галтели диафрагменного уплотнения

первой ступени
4. Оценка поврежденности материала РВД от многоцикловой усталости при участии турбины в регулировании частоты и мощности
энергосистемы
Выводы
Список литературы

Одним из наиболее важных элементов паровых турбин, определяющих их надёжность, являются роторы высокого давления (РВД). Они находятся в условиях воздействия комплекса нагрузок различного вида. В первую очередь, это центробежные нагрузки, температурные напряжения при пусковых и переходных режимах, изгибающие напряжения от прогибов и
вибрационные нагрузки.
Эксплуатационные режимы турбины, такие как пуски из различного состояния, сбросы нагрузки, остановы, т.е. переменные режимы работы вызывают в материале ротора температурные напряжения. Величины этих переменных напряжений отвечают достаточно широкому диапазону значений. При этом в материале ротора накапливается поврежденность не только от малоцикловой, но и от многоцикловой усталости. Многоцикловая усталость может проявляться и при кратковременных нерасчетных режимах работы турбины, сопровождающихся повышенной вибрацией ротора.
Известны случаи появления трещин в средней части РВД турбин К-800-240-5 на Сургутской ГРЭС-2 (аварии были трижды) и в РВД такой же турбины на Рязанской ГРЭС (дважды устраняли трещины). Причем анализ излома ротора на Сургутской ГРЭС-2, сделанный ВТИ, указывает на возможное сочетание высоких растягивающих температурных напряжений и переменных изгибных механических напряжений. Известны усталостные поломки РВД паровых турбин ТМЗ, основной причиной которых была повышенная концентрация напряжений в средней части РВД, то есть наличие повышенных локальных температурных и переменных механических изгибных (вибрационных) напряжений.
Наибольшую опасность представляют зоны, в которых возможно сочетание многих факторов, влияющих на надежность или выработку ресурса. Такими зонами могут быть области паровпуска в средней части РВД. Здесь в области концентраторов напряжений может происходить накопление повреждений и от ползучести, и от малоцикловой усталости, и от
Сопоставление и анализ изменения во времени мощности, давлений за регулирующими клапанами, скорости вибрации (СКЗ) опоры № 1 при наборе нагрузки, проведенные ОАО ЛМЗ [51, 54], показали, что ощутимые скачки вибрации происходят, когда давление за РК № 3 достигает 82% от номинального значения. При этом положении клапанов мощность турбины близка к номинальной и составляет 91-96% от номинальной. В этот же момент начинает открываться регулирующий клапан №4. При этом появлялся скачок вибрации.
Отмечено, что при прохождении этого особого режима вибрация повышалась скачкообразно. Первоначальное предположение о том, что открытие клапана № 4 служило источником возбуждения колебаний не подтвердилось, поскольку не было обнаружено пульсаций давления за этим клапаном [54]. Видимо основным источником скачка вибрации являлся другой фактор.
В настоящее время крупные паровые турбины участвуют в регулировании частоты и мощности энергосистемы. В связи с этим появление скачка вибрации при режимах близких к номинальному недопустимо. В этом случае механические переменные напряжения будут накладываться на переменные температурные напряжения и это может вызвать в определенных ситуациях накопление поврежденности от многоцикловой усталости. Правда, следует отметить, что в работе [54] описан случай скачка вибрации при изменении мощности для конкретной турбины и это не является характерной чертой турбоагрегатов этой серии, эксплуатирующихся на других станциях.
Вместе с тем выявление причины данного явления позволило в
дальнейшем не допустить таких же скачков вибраций на других
крупных паровых турбинах. В качестве возможной причины
возникновения такого скачка вибрации было названо отклонение от
требований по допустимому изменению конструкции при ремонтах