КОТЛЫ СТАЦИОНАРНЫЕ ПАРОВЫЕ И ВОДОГРЕЙНЫЕ И ТРУБОПРОВОДЫ ПАРА И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ

МЕТОД ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ И ПОЛЗУЧЕСТИ

РТМ 108.031.105—77

Издание официальное

РАЗРАБОТАН Научно-производственным объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова (НПО ЦКТИ)

Генеральный директор Заведующий базовым отраслевым отделом стандартизации Заведующий отделом прочности Руководители темы:

Исполнитель

Научно-производственным объединением по технологии энергети ческого машиностроения (ЦНИИТМАШ)

Производственным объединением «Красный котельщик»

Генеральный директор Главный конструктор Руководитель темы

ВНЕСЕН Научно-производственным объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова (НПО ЦКТИ)

Генеральный директор    Н.    М.    МАРКОВ

ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Техническим управлением Министерства энергетического машиностроения

Начальник Технического управления    В. П.    ПЛАСТОВ

Начальник отдела опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ

по котлостроению    В. В.    ЛЕБЕДЕВ

СОГЛАСОВАНО с Государственным комитетом по надзору за безопасным ведением работ в промышленности и горному надзору при Совете Министров СССР (Госгортехнадзор СССР)

Заместитель начальника управления по котлонадзору и подъемным сооружениям

Госгортехнадзора СССР    А. И.    МУРАЧЕВ

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Указанием Министерства энергетического машиностроения от 03.11.77 № ВВ-002/8339

Заместитель министра    В.    М.    ВЕЛИЧКО

Стр. 10 РТМ 108.031.105—77

нагрузок, то для оценки долговечности следует использовать формулу

2й-+('*£Г<°-

Если в процессе работы номинальные значения давления, температуры и внешних нагрузок изменяются, то для оценки долговечности следует использовать формулу

i

6.8.    Если заданное число циклов данного типа меньше 1000, то расчет производится на 1000 циклов.

6.9.    Примеры расчета деталей котлов на малоцикловую усталость при наличии ползучести даны в справочном приложении.

PTM 108.031.IQS—77 Стр. 11

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочное

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

1. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ВЫХОДНОЙ КАМЕРЫ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

1.1.    Рассчитать допустимое число пусков — остановов для выходной камеры пароперегревателя котла. Максимальная скорость прогрева 2 и 4°С/мин. Наружный диаметр камеры 426 мм, толщина стенки 90 мм, материал — сталь 15Х1М1Ф. Максимальная температура цикла 555°С, минимальная 250°С. Давление 255 кгс/см², коэффициент прочности <р = 0,8. Предполагается, что коллектор не несет весовых и компенсационных нагрузок. Перепады температур по длине и периметру коллектора пренебрежимо малы.

1.2.    В начале пуска напряжения от перепада температур по толщине стенки, вызванные прогревом, максимальны, а напряжения от внутреннего давления близки к нулю. При выходе на стационарный режим температурные напряжения падают до нуля, а напряжения от внутреннего давления достигают максимальных значений.

Предполагается, что при останове уровень напряжений ниже, чем при пуске. В этих условиях минимальная интенсивность достигается в начале разогрева, а максимальная — при выходе на стационарный режим.

1.3.    Порядок расчета представлен в табл. 1.

1.4.    При низких скоростях прогрева o_t = 2°C/MHH допустимое число циклов составляет 840, при и*=4°С/мин возникает упруго-пластический цикл и допустимое число циклов резко падает до 135. Из примера видно, что в маневренном режиме данная конструкция плохо работает и следует принять меры конструктивного или режимного характера.

2. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ГИБА ПЕРЕПУСКНОЙ ТРУБЫ КОТЛА

2.1.    Рассчитать допустимое число циклов пусков — остановов для гнба необогреваемого трубопровода в пределах котла с параметрами пара 155 кгс/см² и 500°С, материал — сталь 12Х1МФ. Наружный диаметр трубопровода 108 мм, толщина стенки 10 мм, овальность—не более 8%. Внешний изгибающий момент от само-компенсацнн температурных расширений Af = 9,0 • 10^б кгс-мм, расположен в плоскости гиба и сгибает колено.

2.2.    На стационарном режиме гиб находится под действием внутреннего давления и изгибающего момента. При останове нагрузки существенно ниже. В соответствии с РТМ 24.038.08—72 (черт. 1) примем коэффициент, характеризующий релаксацию напряжений от самокомпенсацни, равным 0,6, относительный радиус гиба R/D = 4.

2.3.    Порядок расчета представлен в табл. 2.

Таблица /

Расчет

«„ = 0.167.10-**-^- у^-. кгс/мм*

(черт. 3, 5, 6 и 7 РТМ 24.038.11—72)

Имеем <f = -0,43, а = 0,8-10“⁵ м^/с, а = 13,6-10“⁶.

К,п- 2.07.10* кгс/см*. -^= — = 1,73. о„_₀

- V,, “«„ - 2-0.167-10-» (-0.43)    х

13,610-‘.2,07.10^{6 Х}-1 —0.3- -12,1    кгс/мм*

= *i V -«„-2.0,167.10-» (-0,43)    X

X

°ИЗш„ - ^k?°,p~°r_p = 3=

- 3 ²⁵⁵ <».”>»+*    255    _

^в3ТЯГ (J,7f)5- i ⁴ Too ^{а 17,9кгс/м}“

Размах эквивалентных напряжений при:

У|-2^вС/мнн

0|«4®С/мин

Расчетная амплитуда напряжений при:

vi — 2'С/мин

ОСТ 108.031 02-75

УДК 621.18:539.4    Группа    Е21

РУКОВОДЯЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Указанием Министерства энергетического машиностроения от 03.11.77 № ВВ-002/8339 введен как рекомендуемый.

Настоящий руководящий технический материал (РТМ) распространяется на стационарные паровые и водогрейные котлы и трубопроводы пара и горячей воды и устанавливает методику оценки долговечности при малоцикловой усталости н ползучести деталей котлов и трубопроводов в соответствии с требованиями ОСТ 108.031.02—75.

1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

о_я — расчетная амплитуда напряжений, кгс/мм²;

[о_а|—допускаемая амплитуда напряжений, определенная по графикам долговечности, кгс/мм²;

[°а]—Допускаемая амплитуда напряжений, кгс/мм'²;

<з_г — главные условно-упругие напряжения в расчетной точке.детали (i— 1, 2, 3), кгс/мм²;

<з₉ц — эквивалентные напряжения (/, /= 1, 2, 3), кгс/мм²;

Дa_9iJ — размах эквивалентных напряжений, кгс/мм²; Mm**» Mmin—допускаемые напряжения по ОСТ 108.031.02—75, соответствующие температуре, при которой достигаются максимальные и минимальные эквивалентные напряжения, кгс/мм²;

£щж» £mfo — модуль упругости, соответствующий температуре, при которой достигаются максимальные и минимальные эквивалентные напряжения, кгс/см²;

Е¹—модуль упругости, соответствующий максимальной температуре цикла, кгс/мм^{1 2 3};

N—число циклов нагружения;

N. — число циклов нагружения данного типа;

[Wj — допускаемое число циклов по расчетным кривым малоцикловой усталости;

(ЛР]— допускаемое число циклов;

о_с — расчетное напряжение с учетом ползучести, кгс/мм¹;

°ж.пios    —    условный предел длительной прочности при растя*

^ai n2 ip    жении (напряжение, вызывающее разрушение при

расчетной температуре соответственно через 10\ 10⁴ и 2* 10⁵ ч), кгс/мм¹;

[о] — номинальное допускаемое напряжение при расчете детали только на действие давления, кгс/мм¹;

D — параметр, характеризующий допускаемое повреждение от ползучести и усталости;

/7_в> n_N—коэффициенты, учитывающие влияние ползучести на допускаемую амплитуду напряжений и допускаемое число циклов; т — показатель степени в уравнении длительной прочности стали; п — количество различных типов циклов;

I — количество различных номинальных режимов; х,— длительность работы элемента при данных номинальных параметрах нагружения, включая время пуска и останова, ч; х — суммарное расчетное время работы элемента, ч; oj — эквивалентное напряжение от весовых нагрузок и внутреннего давления по ОСТ 108.031.02—75, кгс/мм¹;

₀в, ск — эквивалентное напряжение от весовых нагрузок, самокомпенсации и внутреннего давления по ОСТ 108.031.02—75, кгс/см¹.

PTM 108.031.105—77 Стр. 3

2.4. Методика применима для расчета вновь проектируемых деталей, работающих при малоцикловой усталости, во всем диапазоне изменения рабочих температур. Уровень температур, обуславливающий необходимость учета ползучести, устанавливается в соответствии с ОСТ 108.031.02—75.

3. ПЕРЕМЕННЫЕ НАГРУЗКИ

3.1.3а цикл нагружения принимается повторяющееся изменение нагрузки от первоначальной до максимальной (минимальной) и возврат к первоначальной нагрузке.

Тип цикла характеризуется расчетной амплитудой напряжения а_а, числом нагружений и максимальной температурой.

3.2. При расчете на усталость учитываются следующие нагрузки:

изменение давления при пуске — останове котла;

колебания рабочего давления при эксплуатации (кроме пуска — останова);

дополнительные внешние нагрузки и их изменение при эксплуатации (весовые нагрузки, наддув и т. п.);

температурные перепады при пуске — останове котла, включая компенсационные нагрузки при тепловых расширениях трубопроводов;

дополнительные перепады температуры, вызываемые колебаниями температуры среды или теплового потока при эксплуатации.

4. ПЕРЕМЕННЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

4.1.    Расчет на усталость основывается на условно-упругих напряжениях, действующих в расчетной точке детали. Расчет производится для всех основных этапов эксплуатации: пуска, рабочего режима, останова и т. д. в точках, где ожидается наибольший размах напряжений.

4.2.    Для каждой расчетной точки определяют три главных нормальных условно-упругих напряжений (с учетом местных концентраторов напряжений), представляющих собой алгебраическую сумму действующих в одном направлении напряжении от всех приложенных нагрузок, 0|, 02, о₃. Составляющие главных нормальных напряжений определяются теоретическим или экспериментальным путем.

В случае отсутствия точного значения местных напряжений допускается принимать коэффициент концентрации окружных напряжений от действия внутреннего давления на кромках отверстий в цилиндрических элементах равным 3,0, в сферических н выпуклых днищах 2,2, а коэффициент концентрации окружных и осевых напряжений от действия температурных градиентов для цилиндрических и сферических деталей равным 2,0. Для гибов коэффициент концентрации окружных напряжений от внутреннего давления

1*

Стр. 4 РТМ 108.031.105—77

в зонах нейтральной (внутренняя поверхность трубы) и внешней образующих (наружная поверхность трубы) допускается принимать равным 3,5 при slD_n>0,12; 4,0 при 0,08<s/D_H < 0,12; 4,7 при 0,05 <s/D„< 0,08.

Для цилиндрических деталей

°1 ^{= a}ff °2 ^в агI °г — при наличии крутящего момента

о, = 0,5 [з_т + а_г + У (o_t — о_гу + 4т²];

«2 = 0,5 [о, + о* — У (а_т — o_z)² + 4t²];

О) = ^аг■

4.3. По значениям главных условно-упругих напряжений определяют эквивалентные напряжения для расчетных точек детали в заданные моменты времени как алгебраическую разность главных нормальных напряжений:

°»12 ~ °1

°»28 ^ °2 — «V»

°918 ^{= 0}1 °3-

5. РАЗМАХ И АМПЛИТУДА ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИИ

5.1. Для каждого цикла нагружения существуют режимы, при которых принимают максимальные и минимальные значения величины:

_m    ®9/ymln

Em ах    ^mln

В расчет вводится размах условно-упругих эквивалентных напряжений Доэц, равный наибольшему значению алгебраической разности:

5.2. Расчетная амплитуда напряжений определяется по следующим формулам (берется наибольшая из величин):

^А«э и

°-=—;

_ ba_9lj    bo_Blj

^а«—    2    1,5    ([«]    max

PTM 108.031.106-77 Стр. 5

5.3. Если деталь подвергается действию циклов разного типа, то величина расчетной амплитуды а_а определяется отдельно для каждого типа цикла.

6. ДОПУСКАЕМАЯ амплитуда переменных напряжении

6.1. Допускаемое число циклов [jV*] для заданной амплитуды переменных напряжений о_л определяется по формуле

допускаемая амплитуда переменных напряжений [о*] для заданного числа циклов N определяется по формуле

6.2.    Допускаемая амплитуда переменных напряжений {а_а] для заданного числа циклов N или допускаемое число циклов (jV] для заданной амплитуды переменных напряжений а_а определяется по кривым малоцикловой усталости, приведенным на графиках (черт. 1, 2, 3), для максимальной температуры цикла.

Расчетные кривые были откорректированы с целью учета максимального влияния среднего напряжения (асимметрии цикла). Поскольку при испытаниях, по результатам которых построены усталостные кривые, не учитывалось влияние коррозии при нарушениях водного режима и консервации котлов н трубопроводов, влияние этих факторов должно учитываться дополнительно.

6.3.    При температуре металла, отличающейся от приведенной на графиках черт. 1, 2, 3, допускаемое напряжение (<т_а] или допускаемое число циклов [W] определяется линейной интерполяцией. Экстраполяция кривых не допускается.

6.4.    Значения коэффициентов Пу и Я_а, учитывающих повреждаемость, вызываемую ползучестью, вычисляются для углеродистых сталей при температурах, превышающих 400°С, а также для легированных сталей при температурах, превышающих 450°С, по следующим формулам:

М.**с/мм* 110? г J 4 5676 10*    2    3    4    56    7i

10 4    2    3    4    5    6    78    Ю5    г    3    4 5670 10* I /IJ.uunfl

---

Черт. 3

1

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2

2.1.    Расчет на малоцикловую усталость является поверочным и выполняется после выбора основных размеров детали в соответствии с ОСТ 108.031.02—75.

3

2.2.    Поверочный расчет производят с учетом всех нагрузок

4

2.3.    Характеристики используемых материалов (допущенных к применению Госгортехнадзором СССР) и качество изготовления должны удовлетворять требованиям соответствующих технических условий.

5

(основных и дополнительных) для всех расчетных режимов работы.