Навігація
Головна
 
Головна arrow Страхова справа arrow СИСТЕМНИЙ АНАЛІЗ ТА ПРОГРАМНО-ЦІЛЬОВИЙ МЕНЕДЖМЕНТ РИЗИКІВ
Переглянути оригінал

ОЦІНКА ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ РОТОРА ПАРОВОЇ ТУРБІНИ

Третій ілюстративний приклад пов'язаний вже з кількісною оцінкою часу до досягнення граничного стану таких критично важливих елементів турбін типу К-300, як їх ротори. Даний вибір зумовлений не тільки великою тривалістю їх нинішньої експлуатації, що значно перевищує призначений ресурс, але і вкрай важкими наслідками їх можливого руйнування через вичерпання тривалої міцності [34]. При цьому в якості основної причини настання подібного випадкової події розглядалося поступове накопичення пошкоджень, а зонами потенційного руйнування (рис. 7.9) вважалися:

  • а) поверхні: 1 - центрального каналу цельнокование ротора (рис. 7.9, а), що знаходяться під диском максимального діаметра і поблизу його серединної площини; 2 - розвантажувальні отвори диска такого ж діаметру, що є конструктивними концентраторами напруги;
  • б) поверхні насадними диска максимального діаметра (рис. 7.9, б): 3 - його розточення під вал; 4 - внутрішні галтелі пазів для кріплення робочих лопаток до його обода.

Оцінка залишкового гамма-процентного ресурсу досліджуваних механічних елементів здійснена за допомогою параметричної моделі еволюційного накопичення пошкоджуваності, що використовує не тільки результати діагностик технічного стану конкретного ротора, а й додаткову інформацію про стан його аналогів з числа газових турбін. Рішення даного завдання здійснено відповідно до рекомендацій параграфа 7.3 цієї глави з виконанням їх наступних основних етапів і завдань.

I. Уточнення складу і параметрів навантажень F, що діють на досліджуваний елемент парової турбіни в кожній з перерахованих вище зон потенційного руйнування:

1) для всіх цих зон основними навантаженнями вважалися вплив відцентрових сил і підвищених температур, параметри кото

Зони потенційного руйнування ротора

Мал. 7.9. Зони потенційного руйнування ротора:

а - поверхня центрального каналу; б - поверхня насадними диска

яких приймалися незмінними і рівними розрахунковим в стаціонарному режимі роботи турбіни, а також змінними - під час її пуску-зупинки і в вечірньо-ранковий період робочих днів тижня, коли навантаження на турбогенератор могла відхилятися від номінальної на 15-20%;

2) крім цього передбачалося, що зони 4 і 2 також були піддані трапецеидальному циклу навантаження, створюваному осьовим і тангенціальним впливами потоку пара на робочі лопатки, а їх - на зовнішню частину і обід диска поблизу розвантажувальних отворів.

II. Визначення типу моделей і параметрів пошкодження Про зон потенційного руйнування ротора, найбільш повно враховують не тільки діючі навантаження, але і виявлені при діагностиці дефекти, було реалізовано поетапно.

  • 1. Передбачалося, що тривалий спільне вплив перерахованих вище навантажень проявляється в прискореному вичерпання тривалої міцності ротора не тільки через швидке старіння його металу в зонах потенційного руйнування (освіти зерен карбідів, шлаків та інших шкідливих домішок), але також через втрату їм сплошности У внаслідок накопичення і розвитку втомного тріщиноутворення під впливом можливих виробничих дефектів.
  • 2. В якості найбільш небезпечних форм прояву наслідків накопичення пошкоджень (втрати конструкційним матеріалом своєї сплошности) розглядалися: а) освіту і поширення поздовжніх осьових тріщин на поверхнях центрального каналу валопровода і розточення насадними диска (див. Рис. 7.9 - зони 1 і 3);
  • б) поява і розвиток тангенциально-осьових тріщин в розвантажувальних отворах обода диска і підлопаткових галтелях його зовнішньої частини (зони 2 і 4).
  • 3. Що стосується параметрів пошкоджене ™ П металу ротора, що визначають можливість досягнення ним граничного стану через втрату сплошности У, то в даному прикладі головна увага приділена розгляду тієї їх частини, яка характеризує освіту і розвиток тріщин в поверхневому шарі зон потенційного руйнування. Таке рішення відповідає еволюційним моделям деградації, інтерпретують цей шар у вигляді підсистеми, інтенсивно розсіює енергію доданих до неї навантажень F. З урахуванням даних міркувань основна увага була приділена:
    • а) підбору моделей процесу розвитку втомних тріщин у вигляді відносин dl / dt, dl / dN між їх довжиною і часом або числом циклів прикладеного навантаження;
    • б) оцінці результатів діагностування ротора на предмет можливості поширення в при поверхневому шарі всіх зон його потенційного руйнування тих тріщин, які можуть бути викликані вичерпанням тривалої міцності металу;
    • в) уточнення умов, при яких неможливо (із заданою вірогідністю у) збільшення тріщини від початкової довжини 1 0 до гранично допустимої l d .

III. Вибір математичних співвідношень, що зв'язують зовнішні навантаження F не тільки з конструктивними параметрами кожної зони потенційного руйнування ротора (див. Рис. 7.9), але також з характеристиками їх напружено-деформованого стану та обумовленої цим пошкодженням металу. Даний етап здійснено наступним чином.

1. Як визначальних параметрів напружено-деформованого стану першої і третьої зон ротора, схильних до руйнування через малоцикловой втоми, були обрані еквівалентну розрахункове напруження aP RB і відповідний йому відрізок часу Т, значення яких розраховувалися за такими виразами [35]:

де Oy (t) - максимальне нормальне напруження в зоні відповідних конструктивних концентраторів ротора; Ред і В - постійні закону тривалої міцності конструкційного матеріалу (сталь типу Р2МА), що залежать від температури кожної зони.

2. Домінуючим механізмом руйнування другої та четвертої зон вважалося утворення тріщин через багатоциклової втоми металу, підданого одночасного тривалого впливу осьових, радіальних і температурних напружень, тоді як можливість появи обумовлених нею тріщин і швидкість їх подальшого поширення оцінювалася за допомогою вже відомого співвідношення:

де С, т - константи емпіричного рівняння Періс; До - максимальний коефіцієнт інтенсивності напружень, МПа v / м; V Q - середня швидкість росту тріщини на пріпороговой стадії (див. Рис. 7.1, б - ділянку (1)) її формування, м / ч.

IV. Уточнення параметрів і критеріальних співвідношень, що визначають умови досягнення ротором граничного стану через збільшення пошкоджене ™ П металу до критичних значень реалізовано з урахуванням конкретики діючих навантажень F, обраних зон і домінуючих там механізмів руйнування, а також з використанням отриманих раніше теоретичних і емпіричних результатів.

1. Статистична обробка емпіричних даних по напруженням про р тривалої міцності стали Р2МА, а розрахункових - по еквівалентним ЗР кв , значення яких були отримані чисельним інтеграцією лівої формули системи (7.25) без урахування часу витримки металу під навантаженням і викликаного нею зниження напружень aXt) внаслідок повзучості, дозволила отримати наведені в табл. 7.7 наближені значення математичних очікувань М п цих параметрів і стандартні відхилення S, S f їх оцінок.

Таблиця 7.7. Оцінки параметрів «навантаження - міцність» ротора, МПа

зона

можливого

руйнування

Тривала міцність: М а / S / f при температурі, ° С

еквівалентна навантаження

500

525

550

М я

«/

S,

№1

207/20

-

-

97

9,7

№3

-

185/19

-

100

10

№2

-

163/17

-

95

9,5

№4

-

-

137/14

108

10,8

2. Вхідні в ліву формулу системи (7.25) коефіцієнти і визначається ними швидкість поширення тріщин в конкретних зонах оцінювалися по напівемпіричні співвідношенням [33], що враховує не тільки діючі еквівалентні напруги (МПа) і температуру металу (° С), але і результат контролю стану поверхонь ротора. Якщо конкретніше, то при відсутності тріщин в поверхневому шарі досліджуваної зони керувалися такими значеннями швидкостей:

зона № 1 - центральний канал (температура в стаціонарному режимі = 500 ° С):

зони №3, 2 - розточування під вал і розвантажувальний отвір насадними диска (= 510 ° С):

зона № 4 - внутрішня жолобник пазів кріплення робочої лопатки до обода (= 530 ° С):

а при виявленні тріщин входить в них коефіцієнт інтенсивності напружень дорівнював

де В - параметр, що залежить від геометрії тріщини, напрямки домінуючою навантаження і типу конструктивного концентратора напруги; ЗР кп - амплітуда еквівалентного напруги, що діє в зоні потенційного руйнування, МПа; I - довжина тріщини, мм.

V. Визначення зони найбільш вірогідного руйнування ротора і прийняття рішення щодо передбачуваної тривалості його подальшої безпечної експлуатації.

  • 1. Зіставлення діапазонів зміни параметрів навантаження і міцності (M a ± 3S) з табл. 7.7 в припущенні, що досягнення еквівалентним навантаженням ЗР кв значення ст р означає початок трещіноо- бразованія, дозволило зробити наступні попередні висновки: зона №1 - поява в ній тріщин повністю виключено; зона №2 - їх виникнення там практично нереально; зона №3 - утворення тріщин в ній малоймовірно; зона № 4 характеризується високою ймовірністю зародження тріщин в її поверхневому шарі.
  • 2. Що стосується більш конкретних і достовірних суджень про ймовірність і швидкості утворення тріщин, то вони були зроблені на основі оперування уточненими значеннями тривалої міцності металу Р2МА (табл. 7.8) і використання в якості визначального параметра його навантажень не еквівалентного напруги АР кв , а коефіцієнта інтенсивності напруг К.

Таблиця 7.8. Емпіричні дані про параметри тривалої міцності, МПа

температура,

° С

Час витримки під навантаженням при даній температурі, тис. Год

100

200

300

400

500

500

175

162

160

150

140

510

162

152

142

132

-

520

152

138

120

-

-

530

135

115

105

-

-

540

118

102

90

-

-

550

102

88

78

-

-

Як зрозуміло з порівняння щойно наведених даних з результатами оцінки параметрів еквівалентної навантаження, наведеними в табл. 7.8, виникнення і поширення тріщин практично неможливо в зонах потенційного руйнування № 1, 2 і 3. У той же час їх поява стає реальним для зони №4 - починаючи з 3,5 • 10 5 ч роботи розглянутої тут турбіни в штатних умовах.

  • 3. У разі виявлення в при поверхневому шарі ротора тріщин прогнозування часу його безпечної експлуатації здійснюється наступним чином:
    • а) визначається геометрія кожної тріщини - методами залученої дефектоскопії;
    • б) уточнюється коефіцієнт К інтенсивності напружень - розрахунком за формулою (7.38);
    • в) порівнюється отримана таким чином оцінка з граничним значенням К) або критичної До до величиною даного параметра - за допомогою довідкових даних і рис. 7.1, б;
    • г) оцінюється швидкість поширення втомної тріщини на ділянці 1 або 2 графіка, наявного на цьому малюнку, - із застосуванням формул (7.27) - (7.29);
    • д) прогнозується час її збільшення до критичної довжини l d - слідуючи рис. 7.3;
    • е) приймається рішення на усунення тріщини або скорочення строку чергової діагностики.

Зокрема, неможливість зачистки приповерхневого шару зон № 2 і 4 показує, що тріщина, що виникла в розвантажувальному отворі диска радіусом г = 50 см, спрямована перпендикулярно йому і паралельно осі турбіни, що має відносну довжину, яка характеризується відношенням L 0 / r = 0,06 , здатна збільшити До майже втричі (F = 2,98) [35]. Внаслідок цього швидкість V її подальшого розвитку перевищить допустиму (2,5 мм / рік), зробивши розмір тріщини неприйнятним ( 1> 8,5 мм) після 30-50 тис. Год.

VI. Оцінка залишкового ресурсу за параметрами, які характеризують напружено-деформований стан і пошкодженість зон потенційного руйнування ротора, здійснюється із залученням додаткових даних по аналогам (авіаційні турбіни).

  • 1. Обґрунтування правомірності використання подібних ОТУ як джерело додаткової апріорної інформації здійснено за участю такої аргументів.
  • (а) Однотипність критеріальних співвідношень і моделей, що застосовуються для прогнозу настання граничного стану всіх цих роторів: для зон № 1 і 3 - це навантаження-міцність (див. рис. 7.2, ліві графіки), а для зон №2 і 4 - утомлююча руйнування (рис. 7.1, б). При прогнозуванні залишкового ресурсу через вичерпання тривалої міцності металу в найбільш критичною (четвертої) зоні потенційного руйнування вважалося, що швидкість поширення утворилися в ньому тріщин визначалася двома протилежно спрямованими факторами - релаксацією напружень у їх вершини і накопиченням пошкоджень в формі пороутворення і межзерен- ного розтріскування. Внаслідок цього зміна довжини I тріщини в часі мало вигляд, показаний на рис. 7.10.

Як зрозуміло з наведених (емпірично встановлених) графіків, вони аналогічні кривої з рис. 7.1, б; при цьому їх лівий (1) і правий (3) нелінійні відрізки являють собою порівняно короткочасні перехідні режими, а середній (2) -Встановити процес практично лінійного росту тріщини в часі.

(б) Подібність експлуатаційно-технічних параметрів обраних аналогів. Зокрема, розглядаються елементи парової і газових турбін характеризуються наступним: конструкційний матеріал - сплав Р2МА / ЕП968 (або ЕП742); діаметр (мм): насадочного отвори - 130/80, розвантажувального - 50/16; швидкість обертання - 3600/3630 об / хв; температура металу (° С): приповерхневого шару обода - 518/856, розвантажувального отвору - 507/700, вала - 500/600; еквівалентні напруги в розвантажувальному отворі - 95/108 МПа.

Суворе обгрунтування аналогичности досліджуваних елементів здійснено за допомогою інваріанта стохастичного подібності за запасом працездатності, що має такий вигляд (див. Табл. 7.1) для нормально розподілених параметрів навантаження і міцності:

Зміна довжини тріщини в залежності від часу навантаження

Мал. 7.10. Зміна довжини тріщини в залежності від часу навантаження

Після заміни параметрів цієї формули їх точковими оцінками, розрахованими за двома вибірковим совокупностям, отримані наступні (приблизно однакові) значення інваріанта: 2,97 і 2,89, що підтвердило правомірність прийнятого вище рішення. (Зауважимо, що приналежність наявних у аналогів даних нормальному розподілу була підтверджена шляхом перевірки двох статистичних гіпотез: 1) -про можливості апроксимації нормальним законом регресії, яка отримана обробкою даних методом найменших квадратів; 2) Н ® - про рівність знайдених за двома вибірками оце- нок М ", M", S "і S ,.)

2. Визначення параметрів, що впливають на швидкість У поширення тріщини, проведено за допомогою викладених вище співвідношень, що враховують особливості накопичення пошкодженості О і характеру навантажень F в кожній зоні потенційного руйнування ротора. При цьому був введений ряд додаткових припущень, які стосувалися незмінності навантаження на диск парової турбіни при її роботі в стаціонарному режимі, трапецоїдного циклу навантаження обода диска в районі кріплення робочих лопаток і сталості форми і розміру зон повзучості конструкційний матеріал диска.

З огляду ж на незмінність середньої величини інваріанта подібності (idem і 2,93) при описі різних явищ, який може видозмінюватися лише за формою (вираження (7.8) і (7.31)) їх прояви в різних зонах потенційного руйнування, вдалося знайти:

а) співвідношення між середньою швидкістю m v поширення тріщини на другій ділянці її розвитку і значенням цієї швидкості v 0 - на першому (див. рис. 7.1, б). Дана залежність отримана відповідно до формулами (7.13) - (7.16) і рекомендаціями [35]. При цьому виявилося, що

де n = 2,772 - показник ступеня рівняння е = Аст '' [а (1 <г р ') + г], що описує швидкість повзучості е конструкційний матеріал; I, l Q - довжини тріщини в зоні №4 ротора диска на момент її виявлення і початкова, мм; t - час, ч;

б) величину середньої швидкості m v і стандартне відхилення ст у цій оцінки при зазначеному вище значенні п і взятих (для прикладу) параметрах I = 2,3; / 0 = 0,2 і t = 40 000 год формул (7.32):

в) систему співвідношень між щойно отриманими значеннями m v , ст у і входять у вирази (7.8), (7.9) параметрами l d , т ; і m t , яка придатна для прогнозування швидкості V поширення тріщини в цій же зоні потенційного руйнування ротора в наступний період його експлуатації:

  • 3. Прогнозування швидкості розвитку виявлених при діагностуванні тріщин і оцінка величини гамма-процентного залишкового ресурсу т у ротора в припущенні про можливість досягнення ним граничного стану, викликаного збільшенням довжини тріщини понад допустимого значення, здійснені таким чином:
    • а) дозвіл системи рівнянь (7.33) щодо вхідної в неї швидкості поширення виявленої тріщини довжиною I = 2,3 мм і прийнятих вище інших вихідних даних показало, що величина цієї швидкості складе V * 0,15 • 10 ~ 7 мм / год;
    • б) діапазон реально можливих значень даної випадкової швидкості в зоні № 4 ротора визначений виходячи з нормальності розподілу Z (t | V), тобто за допомогою так званого «правила трьох сигм»:

в) при регламентованої довжині тріщини l d = 8,5 мм і обраної довірчої ймовірності у = 90%, наступ граничного стану ротора з цієї причини може (з цим рівнем довіри) мати місце не раніше, ніж через час

Порядок прийняття подібного (раціонального) рішення було проілюстровано вище (див. Рис. 7.3), а розуміти його сенс потрібно наступним чином: з імовірністю 90% можна стверджувати про можливість подальшої безперервної роботи ротора даної турбіни протягом 102 тис. Ч. З урахуванням же нестаціонарності експлуатаційних режимів турбогенератора і обумовлених цим перевантажень розглянутих зон потенційного руйнування ротора даний відрізок часу Г у = 102 000 ч доцільно скоротити.

На цьому завершимо розгляд матеріалу даного розділу, що стосується викладу найбільш сучасного підходу до вирішення актуальної нині завдання з оцінки та продовження залишкового ресурсу критично важливих технічних пристроїв. При цьому особливо звернемо увагу, що мова вище йшла не про технічні системах в цілому, а лише про тих їх великих або дорогих компонентах і елементах, які не можуть бути піддані ремонту і тому повинні підлягати заміні.

Ще одна надзвичайно важлива задача, пов'язана з оцінкою і зниженням ризику техногенних пригод з проявом каскадного ефекту на досить складних і специфічних виробничих об'єктах, розглядається в останньому розділі цього розділу і цього підручника в цілому.

 
Переглянути оригінал
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук