Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Тепловая усталость металла

Колебание температуры обусловливает и колебание температурных напряжений, которое при достаточно большом числе теплосмен может привести к разрушению металла.

Явление разрушения металлов вследствие повторных нагревов и охлаждений называется тепловой усталостью.

Подробное изучение влияния циклического изменения температуры на стальные призматические образцы было проведено Л. А. Гликманом, который подтвердил наблюдавшееся ранее изменение формы образцов (уменьшение длины и ширины и увеличение толщины) после большого числа теплосмен. Эти опыты (образцы нагревались до 600—640 °С и охлаждались в воде при температуре 15—40 °С) привели к выводу, что под влиянием повторных нагревов и охлаждений любое тело стремится принять сферическую форму. При этом изменение формы образцов было тем значительнее, чем выше скорость охлаждения ,и число совершенных теплоомен. Наибольшее изменение формы (наблюдалось у образцов, выполненных из углеродистой стали, которая оказалась менее стойкой по отношению к тепловой усталости, чем легированные стали.

Эти и другие исследования позволили установить, что при наличии общих закономерностей в процессах механической (обусловленной переменными нагрузками) и тепловой усталостей последняя имеет ряд особенностей.

Практика эксплуатации паровых котлов показывает, что образование в металле трещин, обусловленных тепловой усталостью, может происходить и при амплитудах колебания температуры гораздо меньших, чем это имело место в вышеприведенных опытах Гликмана. В области парокотельной техники зарегистрированы многочисленные случаи возникновения трещин, связанных с тепловой усталостью в различных элементах паровых котлов. Особенно часто возникали кольцевые трещины на внутренней поверхности экранных труб прямоточных котлов из-за расслоения пароводяной смеси на горизонтальных участках. В барабане котла около вводов питательной воды, температура которой не была постоянной, возникают часто трещины. Это заставило конструкторов предусматривать у вводов питательной воды в барабан защитные паровые рубашки, предотвращающие изменение температуры стенки барабана при колебаниях температуры питательной воды, поступающей из некипящих экономайзеров. Аналогичным образом возникновение трещин тепловой усталости происходило в трубных решетках пароохладителей поверхностного типа из-за колебания температуры охлаждающей воды.

Тепловой режим парового котла не остается постоянным по времени, и, следовательно, температура металла его элементов, находящихся под давлением, подвержена колебаниям. Изменение температуры стенки элемента котла может происходить вследствие изменения температуры протекающей среды, расслоения пароводяной смеси, изменения коэффициента теплоотдачи и т. д., причем частота теплосмен может достигать 4—6 в минуту и больше.

Аустенитные стали обладают большей склонностью к разрушениям, связанным с тепловой усталостью, по сравнению со сталями перлитного класса вследствие большей величины коэффициента линейного расширения и более низкой теплопроводности.

При появлении тепловой усталости в элементах парового котла действуют одновременно ряд факторов (повышенные или высокие температуры, сложное напряженное состояние, асимметрия цикла, связанная с наличием внутреннего давления и повторным характером изменения температуры). Это усложняет изучение явления тепловой усталости.

Явление тепловой усталости изучалось на установке, воспроизводившей в стендовых условиях колебание температур в стенке кипятильных — труб в результате колебания условий теплообмена на их внутренней стороне (при высоком (11,5 Мн/м2) давлении. Образцы представляли собой замкнутые трубные контуры (треугольной формы с электропечью на одной из сторон), заполненные до определенного уровня дистиллятом. При качаниях контура уровень воды в нем перемещался, тем самым создавались колебания температуры стенки трубы и перепада температур в стенке.

Испытания показали, что циклические колебания перепада температур в стенке трубы (в исследованных условиях) тем быстрее приводят к разрушению труб, чем выше разность между максимальным и минимальным перепадами температур в стенке.

Этими опытами подтверждено также ускорение коррозионных процессов при разрушении на поверхности стали защитной пленки в результате колебания температурных напряжений.

Читайте также:

Updated: 25.09.2015 — 09:10
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.