Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища
Запропоновано інженерний підхід для оцінювання міцності та довговічності конструктивних елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу водневовмісного середовища, підвищених тисків і температур. Проаналізовано напружено-деформований стан барабана котла, виготовленого зі сталі 22К, за умов е...
Saved in:
| Published in: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2015
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134337 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища / Я.Л. Іваницький, О.В. Гембара, О.Я. Чепіль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 1. — С. 93-101. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859881535301222400 |
|---|---|
| author | Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Чепіль, О.Я. |
| author_facet | Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Чепіль, О.Я. |
| citation_txt | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища / Я.Л. Іваницький, О.В. Гембара, О.Я. Чепіль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 1. — С. 93-101. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| description | Запропоновано інженерний підхід для оцінювання міцності та довговічності конструктивних елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу водневовмісного середовища, підвищених тисків і температур. Проаналізовано напружено-деформований стан барабана котла, виготовленого зі сталі 22К, за умов експлуатації з урахуванням наводнювання стінки та його реальної геометрії. Обчислено параметр накопиченої пошкоджуваності металу барабана за різних режимів експлуатації. Встановлено, що водень пришвидшує нагромадження пошкоджуваності і зменшує час експлуатації металу за планової зупинки котла на 20…30%, а за аварійної – на 30…40%.
Предложено инженерный подход к оценке прочности и долговечности
конструктивных элементов энергетического оборудования с учетом влияния водородосодержащей среды, повышенных давлений и температур. Проанализировано напряженно-деформированное состояние барабана котла, изготовленного из стали 22К, в условиях эксплуатации с учетом наводороживания стенки и его реальной геометрии. Вычислено параметр накопленной повреждаемости металла барабана при различных режимах эксплуатации. Установлено, что водород ускоряет накопление повреждаемости и уменьшает время эксплуатации металла при плановой остановке котла на 20...30%, а при аварийной – на 30...40%.
An engineering approach to evaluating the strength and durability of structural
elements of power equipment with account of the influence of the hydrogen-containing
environment, high pressures and temperature is proposed. The stress-strain state of the boiler
drum made of 22K steel under exploitation with account of wall hydrogenation and its real geometry
is analyzed. The parameter of accumulated damages of the drum metal in different operation
modes is calculated. It is established that hydrogen accelerates accumulation of damage and
reduces metal exploitation time at scheduled outage by 20...30% and at the emergency shut
down by 30...40%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:52:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
93
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 1. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 620.197.5: 669.788
ОЦІНЮВАННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ ЕНЕРГЕТИЧНОГО
ОБЛАДНАННЯ З УРАХУВАННЯМ ВПЛИВУ
ЕКСПЛУАТАЦІЙНОГО СЕРЕДОВИЩА
Я. Л. ІВАНИЦЬКИЙ, О. В. ГЕМБАРА, О. Я. ЧЕПІЛЬ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Запропоновано інженерний підхід для оцінювання міцності та довговічності конст-
руктивних елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу водневовміс-
ного середовища, підвищених тисків і температур. Проаналізовано напружено-де-
формований стан барабана котла, виготовленого зі сталі 22К, за умов експлуатації з
урахуванням наводнювання стінки та його реальної геометрії. Обчислено параметр
накопиченої пошкоджуваності металу барабана за різних режимів експлуатації.
Встановлено, що водень пришвидшує нагромадження пошкоджуваності і зменшує
час експлуатації металу за планової зупинки котла на 20…30%, а за аварійної – на
30…40%.
Ключові слова: гідростатичне напруження, деформація, концентрація водню,
енергія деформування, пошкоджуваність.
Умови роботи металу барабанів і колекторів парових котлів важкі, оскільки
метал знаходиться одночасно під впливом високих температур і тисків, механіч-
них напружень і агресивного середовища, внаслідок чого в металі можуть виник-
нути зміни структури і механічних властивостей, явища повзучості, корозія, що
може призвести до його руйнування [1]. Напружений стан залежить від внутріш-
нього тиску водню, який є як навантажувальним середовищем, так і агресивним,
та різниці температур на внутрішній і зовнішній поверхнях барабана. При цьому
через істотні розбіжності в коефіцієнтах термічного розширення сталі і поверхне-
вих оксидних плівок, останні руйнуються, створюючи умови для контакту пари
(через тріщини і дефекти в оксидному шарі) з металом, тобто умови для перебігу
процесів електрохімічної корозії на свіжоутвореній поверхні з утворенням вод-
ню, здатного дифундувати в метал.
Встановлено, що за термомеханічного навантаження відбувається перероз-
поділ водню всередині металу як за об’ємом, так і за енергетичними рівнями
[2–6]. Його концентрація в зоні руйнування в декілька разів перевершує середні
значення. Тому під час оцінювання міцності і довговічності елементів енергетич-
ного обладнання необхідно враховувати цей аспект.
Мета роботи – змоделювати нагромадження пошкоджень у металі, що знахо-
диться під дією високотемпературного навантаження в агресивному середовищі.
Для оцінювання руйнування матеріалу необхідно ввести критерій, який вра-
ховує нагромадження пошкоджень у локальному елементі моделі. Вводимо гіпо-
тезу в’язкого руйнування, яка базується на енергетичному підході нагромаджен-
ня пошкодженості в локальному елементі. За міру енергетичної пошкодженості
локального об’єму металу приймаємо
( ) ( ), , , , , ,x y z t W x y z t W ∗ω = , (1)
Контактна особа: О. В. ГЕМБАРА, e-mail: hembara@ipm.lviv.ua
94
де ( ) ( ) ( )H, , , , , , , , ,
V
W x y z t x y z t x y z t dV= σ ε∫∫∫ – енергія деформування локального
об’єму; W ∗ – її критичне значення; ( ), , ,x y z tσ – напруження; ( )H , , ,x y z tε –
деформації, обумовлені термосиловим навантаженням та дією водню. Вважаємо,
що за умови ( ), , , 1x y z tω < локальний елемент знаходиться в суцільному стані.
Руйнування елемента об’єму матеріалу відбудеться за досягнення рівності
( ), , , 1x y z t∗ω = . (2)
У сталях за наводнювання виникає макроскопічна деформація, яка збільшу-
ється зі зростанням концентрації атомів водню [6]. У деякому наближенні залеж-
ність компонент деформації від концентрації водню СH можна вважати лінійною.
Повну деформацію εН приймемо у вигляді суми двох компонент: деформації εр,
обумовленої зовнішніми полями (наприклад, термосиловим навантаженням), та
атомів водню в ґратці металу [5]:
H Hp Cε = ε + α . (3)
Тут α – коефіцієнт концентраційного водневого розширення.
Методика повірочного розрахунку із врахуванням експлуатаційного на-
вантаження. Щоб визначити поточну енергію деформування одиниці об’єму, на
першому етапі повірочного розрахунку створили просторові геометричні моделі
з урахуванням технологічних вибірок матеріалу елементів обладнання, які утво-
рилися на поверхнях високотемпературних елементів. На другому етапі на базі
2D і 3D просторових аналогів за допомогою розроблених програмних продуктів,
розв’язали крайову задачу нестаціонарної теплопровідності із заданням змінних
у часі граничних умов теплообміну на поверхнях високотемпературних елемен-
тів з урахуванням експлуатаційних змінних режимів роботи.
Третій етап полягає у визначенні напружено-деформованого стану (НДС) в
елементах конструкції за високих температур з використанням відповідних про-
грамних продуктів та врахуванням їх просторової складної геометрії, пошко-
джень за період експлуатації, ремонтно-відновлювальних змін проектної геомет-
рії. Теплофізичні і фізико-механічні характеристики сталей задали згідно з реко-
мендаціями [7]. Для моментів часу, за яких градієнти температури набувають
екстремальних значень, розраховували НДС.
На четвертому етапі розроблено програмне забезпечення для розрахунку
концентрації водню з урахуванням зміни температурного поля та НДС високо-
температурних елементів. Можливість, умови і термін продовження експлуатації
цих елементів визначають шляхом зіставлення розрахункового значення нагро-
мадженого пошкодження в металі з граничним його значенням, яке встановлю-
ється за результатами експериментальних досліджень зразків із конструкційних
легованих сталей у відповідних середовищах за експлуатаційних температур.
Оцінювання міцності та довговічності барабана парового котла високо-
го тиску за експлуатаційного навантаження. Основні причини появи тріщин у
таких барабанах під час експлуатації: високий рівень діючих напружень; значні
змінні з часом температурні напруження, які виникають під час зупинок (особли-
во аварійних) і пусків котлів; воднева деградація і низька деформаційна здатність
металу барабана [8, 9].
Суттєво впливають на НДС механічні напруження термічного характеру, що
виникають у барабанах котлів під час аварій і неполадок, наприклад під час спус-
ку води, розривах кип’ятильних і екранних труб; за швидкого заповнення холод-
ного котла гарячою водою або ще не охолодженого барабана холодною водою.
95
Такий же вплив на барабани котлів має місцеве охолодження у зимовий час через
затягування холодного повітря в топку. Градієнтне температурне поле, що вини-
кає всередині металу внаслідок зовнішніх змінних теплових чинників, істотно діє
і на дифузію водню, підвищуючи його локальну концентрацію і збільшуючи ймо-
вірність виникнення тріщин.
Нижче подані основні результати, отримані комп’ютерним моделюванням
деформування барабана котла з отворами за умов його експлуатації.
За розрахункову модель прийняли просторово тривимірний порожнистий
циліндр (із внутрішнім R1 та зовнішнім R2 радіусами) з отворами, який наванта-
жений внутрішнім тиском Р за температури Т (рис. 1, 2). Ряди отворів радіуса r
розташовані один від одного на віддалях 2l1 у коловому напрямі і 2l2 у напрямі
осі циліндра.
Рис. 1. Розрахункова схема фрагмента барабана котла (а) із прикладеним складним
навантаженням до його внутрішньої стінки (b) та розбиття на скінченні елементи (c).
Fig. 1. Diagram of fragment drum boiler (а) with an applied complex load to its inner wall (b)
and splitting into finite elements (c).
Рис. 2. Умови експлуатації барабана котла.
Fig. 2. Boiler drum operating conditions.
Задача про визначення напруженого стану циліндра за умов експлуатації
полягає у встановленні просторово-часового розподілу температури, переміщень,
деформацій і напружень з нестаціонарного тривимірного рівняння теплопровід-
ності та повної системи рівнянь неізотермічної термопружнопластичності за від-
повідних початкових і крайових умов. Вплив водню на нагромадження пошко-
дженості в металі враховується зміною концентрації водню, яку визначають з не-
стаціонарного тривимірного рівняння дифузії водню залежно від температурного
поля і НДС [2, 5].
Для визначення температурного поля розв’язували рівняння теплопровід-
ності [6]
2T
a T
t
∂ = ∇
∂
, (4)
де а – коефіцієнт температуропровідності; ( , , , )T T x y z t= – температура тіла.
96
Крайові та початкові умови (рис. 2а) задають відповідно до режимів експлу-
атації:
під час запуску котла
( )1 0( , 0 ) , , 0n nT z R t t v t T z t T= < ≤ = ⋅ = = , (5)
де nv – швидкість нагрівання барабана, nt – час нагрівання до потрібної темпе-
ратури;
за стаціонарного режиму експлуатації
( )1( , ) cos( ), , ,n c n n nT z R t t t T A t T z t t T= < ≤ = + ⋅ ω = = (6)
де A та ω – амплітуда та частота коливання температури (термоциклювання);
під час зупинки (планової чи аварійної) котла з подальшим охолодженням
( )1 0 0( , ) ( ), , ,c c c cT z R t t t T v t T r t t T= < ≤ = β − = = (7)
де 0v – швидкість охолодження; β – коефіцієнт тепловіддачі.
Для визначення тензора напружень { }ijσ та деформацій { }ijε розв’язували
рівняння [10]
{ } { } { } { } 0,T T
V S
dV u p dSδε σ − δ =∫∫∫ ∫∫ (8)
де V і S – об’єм і площа тіла, { } x
y
p
p
p
=
навантаження прикладене до поверхні із
такими крайовими та початковими умовами (рис. 2b):
під час нагрівання стінки труби
( ) ( )1, 0 , , 0 0n pnp z R t t v t p z t= < ≤ = ⋅ = = , (9)
де pnv – швидкість зростання внутрішнього тиску в барабані, nt – час, потрібний
для досягнення робочого тиску;
за стаціонарного режиму
( ) ( ) ( )1, cos , ,n c n p n np z R t t t p A t p z t t p= < ≤ = + ⋅ ω = = , (10)
де pA та ω – амплітуда та частота коливання тиску, відповідно;
під час зупинки (планової чи аварійної) котла з подальшим охолодженням
( ) ( ) ( )1, , ,c o c po c cp z R t t t p v t p r t t p= < ≤ = − = = , (11)
де pov – швидкість спадання тиску газу.
На зовнішній поверхні барабана котла задавали температуру навколишнього
середовища.
За знайденими значеннями { }ijσ у кожний момент часу 1it t += обчислювали
гідростатичні напруження σh, еквівалентні напруження σe та деформації εe [6] для
кожного локального об’єму:
3
x y z
h
σ + σ + σ
σ = , (12)
( ) ( ) ( )2 22
2
x y x z y z
e
σ − σ + σ − σ + σ − σ
σ = , (13)
97
( ) ( ) ( )2 22
2
x y x z y z
e
ε − ε + ε − ε + ε − ε
ε = . (14)
У результаті отримали масиви даних: ( ), , ,h x y z tσ = , ( ), , ,e x y z tσ = ,
( ), , ,e x y z tε = .
Щоб визначити розподіл концентрації водню, розв’язували рівняння Фіка [6]
( )( ) H
h
C DV
D T C
t RT
∂ = ∇ ∇ − ∇ ∇σ ∂
(15)
з крайовими та початковими умовами:
( ) ( ) ( )1, , , 0 0SC r R t K T p C r t= = ⋅ = = , (16)
де для сталі 22К використовували такі температурні залежності коефіцієнтів ди-
фузії та розчинності водню [6]:
( )
1157
4
3753
3
2,74 10
3600 1 1,5 10
T
T
e
D T
e
−
−
⋅=
+ ⋅
, ( )
2980
1980
78,4 , 300 C;
13,9 , 300 C.
T
S
T
e T
K T
e T
−
−
⋅ ≥ °=
⋅ < °
(17)
Відзначимо, що KS задають в одиницях ppm / MPa ; D – в m2/s; а темпера-
туру – у градусах Цельсія.
Для розв’язання задачі (15)–(17) використовували значення температури
( ), , ,T x y z t , обчислені із розв’язку задачі (4)–(7); гідростатичні напруження
( ), , ,h x y z tσ , обчислені, згідно з рівнянням (12), із розв’язку задачі (8)–(11); тиск
( )p t розрахований за формулами (9)–(11).
У результаті отримали розподіл концентрації водню за товщиною барабана
( ), , ,C x y z t залежно від координат і часу із врахуванням зміни температури, гід-
ростатичних напружень та внутрішнього тиску.
Знаючи концентрацію водню, визначали деформації за співвідношенням (3).
Використовуючи значення напружень і деформацій, розраховували поточну енер-
гію пружнопластичного деформування одиниці об’єму матеріалу, знаходили міру
пошкодженості локального об’єму (1) і зіставляли із критерієм руйнування (2).
Числові результати. Розраховували для барабана, виготовленого зі сталі 22К,
за таких параметрів: R1 = 0,805 m, R2 = 0,9 m, l1 = 0,13 m, l2 = 0,56 m (див. рис. 1),
r0 = 0,0645 m – радіус отвору. Під час скінченноелементного моделювання сітки
фрагмент барабана розбили на 216000 елементів паралелеподібної форми.
Обчислювальні експерименти виконували за таких режимів експлуатації:
стаціонарний режим термоциклювання впродовж 1000 h та планове охолодження
зі швидкістю 5°С/h: tn = 10 h, tc = 1010 h, to = 1075 h, vn = 32°С/h, ω = 6,686 h–1,
A = 20°С, vo = 5°С/h; стаціонарний режим термоциклювання впродовж 8700 h
(один рік) та планове охолодження зі швидкістю 5°С/h: tn = 10 h, tc = 8770 h,
to = 8835 h, vn = 32°С/h, ω = 6,686 h–1, A = 20°С, vo = 5°С/h; стаціонарний режим
термоциклювання протягом 8700 h та аварійне охолодження зі швидкістю 100°С/h:
tn = 10 h, tc = 1010 h, to = 1075 h, vn = 32°С/h, ω = 6,686 h–1, A = 20°С, vo = 100°С/h.
98
Результати розрахунків для облас-
ті І в околі отвору (рис. 3) за першого ре-
жиму експлуатації наведені на рис. 4–6.
Сумарну енергію пружно-пластич-
ного деформування матеріалу за N цик-
лів навантаження знаходимо за співвід-
ношеннями:
* *
1pW N W∆ ⋅ = , * *
H 2 HpW N W∆ ⋅ = , (18)
де *
1N та *
2N – кількість циклів роботи
до утворення пошкоджуваності без ура-
хування та з урахуванням агресивного
середовища, відповідно.
Критичне значення енергії пружно-
пластичного деформування визначають
експериментально за методикою [11].
Тут для розрахунків використовували
такі значення: * 4,2W J= , *
H 3,8W J= .
Рис. 4. Розподіл еквівалентних напружень (а) та відносної концентрації водню (b)
в околі концентратора напружень (область І на рис. 3).
Fig. 4. Equivalent stress distribution (a) and relative concentration of hydrogen (b)
in the neighborhood of stress concentrators (region I in Fig. 3).
Рис. 5. Розподіл еквівалентних деформацій, зумовлених зовнішнім термосиловим
навантаженням (а) та воднем (b), в околі концентратора напружень.
Fig. 5. Distribution of equivalent strains caused by the outside temperature-force load (a)
and hydrogen (b) in the vicinity of stress concentrator.
Місцем зародження пошкоджуваності вважаємо той локальний об’єм мате-
ріалу, де сумарна енергія пружно-пластичного деформування pW∆ та HpW∆
(рис. 7 і 8) максимальна. Оцінювали циклічний ресурс металу барабана за гра-
ничним значенням нагромадженої пошкоджуваності (1) від дії всіх нестаціонар-
Рис. 3. Фрагмент розрахункової
області I навколо отворів.
Fig. 3. Detail of the estimated area I
around the holes.
99
них режимів під час експлуатації котла. Кількість пусків-зупинок котла, а також
циклів непередбачених можливих нестаціонарних режимів, включаючи теплові
удари, встановлюють за виробничою документацією електростанції. За відсутно-
сті ситуацій, що призводять до виникнення теплових ударів у барабані, допуска-
ється таке циклічне навантаження не враховувати в розрахунках, якщо в резуль-
таті штатного контролю барабана впродовж всього терміну експлуатації не вияв-
ляли тріщин у зонах отворів труб. Інакше кількість теплових ударів у барабані
слід приймати рівним 0,08…0,10 від кількості пусків котла.
Рис. 6. Розподіл енергії пружно-пластичного деформування матеріалу, обумовленого
зовнішнім термосиловим навантаженням (а) та воднем (b), в околі концентратора
напружень за один цикл “нагрівання–термоциклювання–охолодження”.
Fig. 6. Distribution of energy of elastic-plastic deformation of the material due
to the outside temperature-force load (a) and hydrogen (b) in a neighborhood of stress
concentrator per one cycle “heating–thermal cycling–cooling”.
На рис. 7 показана зміна пошкоджуваності залежно від часу та режимів екс-
плуатації з урахуванням ( Hpω ) і без урахування ( pω ) впливу водневого середо-
вища.
Рис. 7. Накопичення пошкоджуваності
із врахуванням (ωpH) та без урахування (ωp)
дії водневовмісного середовища
для різних режимів експлуатації:
a – планове охолодження один раз
на 100 h; b – раз у рік;
c – аварійне охолодження раз у рік.
Fig. 7. Accumulation of damage with account of (ωpH) and without (ωp) action of hydrogen-
containing environment for different operating modes: a – routine cooling time in 100 h;
b – cooling routine once a year; c – emergency cooling once a year.
100
На рис. 8 показана зміна енергетичної пошкоджуваності за товщиною фраг-
мента барабана в околі отворів та між ними.
Рис. 8. Зміна пошкоджуваності
за товщиною фрагмента барабана в околі
отворів (1) та між ними (2) з урахуванням
(штрихова лінія) та без (суцільна) впливу
водневовмісного середовища.
Fig. 8. Change of damaging of drum piece
thickness in the vicinity of the hole (1) and
between holes (2) (dashed line) and without
(solid line) effect of hydrogen containing
environment.
Як видно з рисунків, найбільша пошкоджуваність виникає на зовнішній стінці
барабана в околі отворів. Швидкість охолодження та частота зупинок суттєво
впливають на нагромаджену пошкоджуваність металу та довговічність барабана
в цілому. Так, зокрема вісім планових зупинок упродовж року (рис. 7a, b) зменшу-
ють довговічність барабана котла у 2,5 рази порівняно з однією такою зупинкою.
Аварійні зупинки ще додатково на 10% зменшують час його роботоздатності.
Ще одним суттєвим чинником, який впливає на довговічність, є експлуата-
ційне водневовмісне середовище. З одного боку, водень, який внаслідок реакції
водяної пари з металом парогенеруючих труб котлів, продифундував у метал,
збільшує енергію пружно-пластичного деформування металу, а з іншого – змен-
шує її критичне значення. Це пришвидшує нагромадження пошкоджуваності і
зменшує час експлуатації металу за планової зупинки котла на 20…30%, а за ава-
рійної – на 30…40%.
ВИСНОВКИ
Розроблено методологію оцінювання міцності та довговічності високотемпе-
ратурних конструктивних елементів енергетичного обладнання з урахуванням
впливу експлуатаційного середовища. За критерій оцінки ресурсу прийнято гра-
ничне значення енергетичної пошкодженості, за яку приймається відношення по-
точної енергії деформування одиниці об’єму до її критичного значення. Розроб-
лено алгоритм та програми для розрахунку методом скінченних елементів темпе-
ратурного поля, НДС та концентрації водню в елементах конструкцій і на їх ос-
нові визначено енергії деформування локального об’єму металу. Проаналізовано
НДС барабана котла, виготовленого зі сталі 22К, за умов експлуатації з урахуван-
ням наводнювання стінки та його реальної геометрії. Обчислено накопичення
пошкоджуваності металу барабана за різних режимів експлуатації. Встановлено,
що водень пришвидшує нагромадження пошкоджуваності і зменшує час експлуа-
тації металу за планової зупинки котла на 20…30%, а за аварійної – на 30…40%.
РЕЗЮМЕ. Предложено инженерный подход к оценке прочности и долговечности
конструктивных элементов энергетического оборудования с учетом влияния водородосо-
держащей среды, повышенных давлений и температур. Проанализировано напряженно-
деформированное состояние барабана котла, изготовленного из стали 22К, в условиях
эксплуатации с учетом наводороживания стенки и его реальной геометрии. Вычислено
параметр накопленной повреждаемости металла барабана при различных режимах экс-
плуатации. Установлено, что водород ускоряет накопление повреждаемости и уменьшает
время эксплуатации металла при плановой остановке котла на 20...30%, а при аварийной –
на 30...40%.
101
SUMMARY. An engineering approach to evaluating the strength and durability of struc-
tural elements of power equipment with account of the influence of the hydrogen-containing
environment, high pressures and temperature is proposed. The stress-strain state of the boiler
drum made of 22K steel under exploitation with account of wall hydrogenation and its real geo-
metry is analyzed. The parameter of accumulated damages of the drum metal in different opera-
tion modes is calculated. It is established that hydrogen accelerates accumulation of damage and
reduces metal exploitation time at scheduled outage by 20...30% and at the emergency shut
down by 30...40%.
1. Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довідн. пос. / Під заг. ред. В. В. Панасюка.
Т. 7: Надійність та довговічність елементів конструкцій теплоенергетичного устатку-
вання / Під. ред. І. М. Дмитраха. – К.: ВД “Академперіодика”, 2005. – 378 с.
2. Panasyuk V., Ivanytskyi Ya., and Hembara O. Assessment of hydrogen effect on fracture
resistance under complex-mode loading // Eng. Frac. Mech. – 2012. – 83. – P. 54–61.
3. Вплив напружено-деформованого стану на розподіл концентрації водню у зоні перед
руйнування / В. В. Панасюк, Я. Л. Іваницький, О. В. Гембара, В. М. Бойко // Фіз.-хім.
механіка матеріалів. – 2014. – 50, № 3. – С. 7–14.
(Panasyuk V. V., Ivanyts’kyi Ya. L., Hembara О. V., Boiko V. M. Influence of the stress-
strain state on the distribution of hydrogen concentration in the process zone // Materials
Science. – 2014. – 50, № 3. – P. 315–323.)
4. Бойко В. М., Гембара О. В. Розрахунок кінетики перерозподілу водню у біметалічних
з’єднаннях // Там же. – 2014. – 50, № 2. – С. 24–31.
(Boiko V. M., Hembara О. V. Analysis of the kinetics of hydrogen redistribution in bimetal-
lic joints // Materials Science. – 2014. – 50, № 2. – P. 179–188.)
5. Stashchuk M. and Dorosh M. Evaluation of hydrogen stresses in metal and redistribution of
hydrogen around crack-like defects // Int. of Hydrogen Energy. – 2012. – 37. – P. 14687–14696.
6. Андрейків О. Є., Гембара О. В. Механіка руйнування та довговічність металічних ма-
теріалів у водневмісних середовищах. – К.: Наук. думка, 2008. – 344 с.
7. Інструкція СОУ 40.1-21677681-02:2009. Порядок продовження терміну експлуатації
барабанів котлів високого тиску. – К.: Об’єднання енергетичних підприємств “Галу-
зевий резервно-інвестиційний фонд розвитку енергетики”, 2009. – 56 с.
8. Вайнман А. Современное состояние проблемы водородного охрупчивания металла
тепломеханического оборудования ТЭС до- и сверхкритических параметров / Механі-
ка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В. В. Панасюка – Львів:
Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2004. – С. 445–456.
9. Вайнман А. Б., Мелехов Р. К., Смиян О. Д. Водородное охрупчивание элементов кот-
лов высокого давления. – К.: Наук. думка, 1992. – 272 с.
10. Коваленко А. Д. Введение в термоупругость. – К.: Наук. думка, 1965. – 204 с.
11. Опірність руйнуванню сталей за двовісного навантаження у водні / Я. Л. Іваницький,
С. Т. Штаюра, Ю. В. Мольков, Л. М. Іваницька // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2012.
– 48, № 3. – С. 18–23.
(Ivanyts'kyi Ya. L., Shtayura S. T., Mol'kov Yu. V., Ivanyts'ka L. M. Fracture Strength of Steels
under Biaxial Loading in Hydrogen // Materials Science. – 2012. – 48, № 3. – P. 274–280.)
Одержано 04.11.2014
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134337 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0430-6252 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:52:46Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Чепіль, О.Я. 2018-06-13T08:47:28Z 2018-06-13T08:47:28Z 2015 Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища / Я.Л. Іваницький, О.В. Гембара, О.Я. Чепіль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 1. — С. 93-101. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134337 620.197.5: 669.788 Запропоновано інженерний підхід для оцінювання міцності та довговічності конструктивних елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу водневовмісного середовища, підвищених тисків і температур. Проаналізовано напружено-деформований стан барабана котла, виготовленого зі сталі 22К, за умов експлуатації з урахуванням наводнювання стінки та його реальної геометрії. Обчислено параметр накопиченої пошкоджуваності металу барабана за різних режимів експлуатації. Встановлено, що водень пришвидшує нагромадження пошкоджуваності і зменшує час експлуатації металу за планової зупинки котла на 20…30%, а за аварійної – на 30…40%. Предложено инженерный подход к оценке прочности и долговечности конструктивных элементов энергетического оборудования с учетом влияния водородосодержащей среды, повышенных давлений и температур. Проанализировано напряженно-деформированное состояние барабана котла, изготовленного из стали 22К, в условиях эксплуатации с учетом наводороживания стенки и его реальной геометрии. Вычислено параметр накопленной повреждаемости металла барабана при различных режимах эксплуатации. Установлено, что водород ускоряет накопление повреждаемости и уменьшает время эксплуатации металла при плановой остановке котла на 20...30%, а при аварийной – на 30...40%. An engineering approach to evaluating the strength and durability of structural elements of power equipment with account of the influence of the hydrogen-containing environment, high pressures and temperature is proposed. The stress-strain state of the boiler drum made of 22K steel under exploitation with account of wall hydrogenation and its real geometry is analyzed. The parameter of accumulated damages of the drum metal in different operation modes is calculated. It is established that hydrogen accelerates accumulation of damage and reduces metal exploitation time at scheduled outage by 20...30% and at the emergency shut down by 30...40%. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища Оценивание долговечности элементов энергетического оборудования с учетом влияния эксплуатационной среды Evaluation of life time of the power equipment elements with account of the operating environment effect Article published earlier |
| spellingShingle | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища Іваницький, Я.Л. Гембара, О.В. Чепіль, О.Я. |
| title | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища |
| title_alt | Оценивание долговечности элементов энергетического оборудования с учетом влияния эксплуатационной среды Evaluation of life time of the power equipment elements with account of the operating environment effect |
| title_full | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища |
| title_fullStr | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища |
| title_full_unstemmed | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища |
| title_short | Оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища |
| title_sort | оцінювання довговічності елементів енергетичного обладнання з урахуванням впливу експлуатаційного середовища |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134337 |
| work_keys_str_mv | AT ívanicʹkiiâl ocínûvannâdovgovíčnostíelementívenergetičnogoobladnannâzurahuvannâmvplivuekspluatacíinogoseredoviŝa AT gembaraov ocínûvannâdovgovíčnostíelementívenergetičnogoobladnannâzurahuvannâmvplivuekspluatacíinogoseredoviŝa AT čepílʹoâ ocínûvannâdovgovíčnostíelementívenergetičnogoobladnannâzurahuvannâmvplivuekspluatacíinogoseredoviŝa AT ívanicʹkiiâl ocenivaniedolgovečnostiélementovénergetičeskogooborudovaniâsučetomvliâniâékspluatacionnoisredy AT gembaraov ocenivaniedolgovečnostiélementovénergetičeskogooborudovaniâsučetomvliâniâékspluatacionnoisredy AT čepílʹoâ ocenivaniedolgovečnostiélementovénergetičeskogooborudovaniâsučetomvliâniâékspluatacionnoisredy AT ívanicʹkiiâl evaluationoflifetimeofthepowerequipmentelementswithaccountoftheoperatingenvironmenteffect AT gembaraov evaluationoflifetimeofthepowerequipmentelementswithaccountoftheoperatingenvironmenteffect AT čepílʹoâ evaluationoflifetimeofthepowerequipmentelementswithaccountoftheoperatingenvironmenteffect |