Laskentamenetelmän kehittäminen tulistinkammioiden virumisen ja väsymisen analysointiin
Kauppila, Petteri (2016)
Kauppila, Petteri
2016
Konetekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-09-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201608204426
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201608204426
Tiivistelmä
Sähköä tuottavien voimalaitosten painerungon osat ja erityisesti voimalaitosten tulistimet altistuvat käyttöikänsä aikana virumiselle, väsymiselle ja niiden yhteisvaikutukselle, minkä huomioiminen rakenneosien suunnittelussa on tärkeää osien käytönaikaisten vaurioiden välttämiseksi. Tässä diplomityössä ja siihen liittyneessä tutkimusprojektissa on kehitetty viskoplastinen Nortonin virumismalliin ja Kachanov-Rabotnov-vauriomalliin perustuva kontinuumielementeille soveltuva materiaalimalli voimalaitosten tulistinkammioiden virumisen ja korkean lämpötilan väsymisen analysointiin. Materiaalimalli on ohjelmoitu Ansys 16.1 -elementtimenetelmäohjelmistoon soveltuvana Usermat-materiaalimallina ja materiaalimallista on kehitetty kaksi versiota, joista toisessa virumisen yhteydessä yleisesti tunnetun Monkman-Grant-hypoteesin tarkka toteutuminen on rajoiteyhtälöin vaadittu, kun taas toisessa versiossa Monkman-Grant-hypoteesin tarkkaa toteutumista ei ole edellytetty.
Kehitetty viskoplastinen materiaalimalli on implementoitu Ansys-elementtimenetelmäohjelmistoon ja validoitu yksinkertaisissa jännitystiloissa vertaamalla materiaalimallin tuottamia tuloksia kirjallisuudessa esitettyjen virumisväsymisen analysointiin soveltuvien menetelmien tuottamiin tuloksiin. Työssä on tutkittu painelaiteterästen SA-213 T24 ja SA-335 P91 virumista ja väsymistä lämpötila-alueella 500–600 °C, ja materiaalimallin parametrit on määritetty näille teräksille tutkittavissa lämpötiloissa materiaalivalmistajien ilmoittamien virumiskokeiden tulosten perusteella. Lisäksi materiaalimallilla on tehty työssä virumisväsymisanalyyseja todellisesta tulistinkammiosta tutkimalla tulistinkammion geometrian muutosten vaikutusta tulistinkammiossa sen käyttöiän lopussa esiintyviin virumisvenymiin ja vaurioitumisasteeseen.
Kehitetyn materiaalimallin validointianalyyseissa on havaittu materiaalimallin kummankin version tuottavan hyvin tarkasti materiaalivalmistajien ilmoittamia virumiskokeiden tuloksia ja kirjallisuudessa esitettyjä virumisväsymisen analysointiin soveltuvia menetelmiä vastaavia tuloksia. Materiaalimallin versioista kummankin on havaittu toteuttavan Monkman-Grant-hypoteesi suhteellisen tarkasti, mutta materiaalimallin versio, jossa Monkman-Grant-hypoteesin toteutumista ei ole sisäänrakennettu, on havaittu tarkemmaksi erityisesti matalahkoissa virumislämpötiloissa esiintyvillä suurilla väsyttävän kuormituksen venymäamplitudeilla. Tulistinkammion virumisväsymisanalyyseissa tutkittavan tulistinkammion aisaputkien pienilläkin joustavuuden muutoksilla on havaittu olevan merkittävä vaikutus tulistinkammiossa sen käyttöiän lopussa esiintyviin virumisvenymiin ja vaurioitumisasteeseen. The pressure parts and especially the superheaters of electricity-generating power plants are exposed to creep, fatigue and the combined effect of creep and fatigue during their useful life, which is important to consider in component design in order to avoid in-use damages of the components. In this thesis and in a research project linked to it, a viscoplastic material model based on Norton creep model and Kachanov-Rabotnov damage model has been developed. The material model has been used in solid elements to analyze creep and high temperature fatigue of superheater headers, and the material model has been programmed as a Usermat material model for Ansys 16.1 finite element analysis software. In the research project, two versions of the material model have been developed, and one version has been formulated to fulfill the Monkman-Grant relationship by constraint equations and in another version the fulfillment of the Monkman-Grant relationship is not required precisely.
The developed viscoplastic material model has been implemented in Ansys finite element analysis software and validated in simple states of stress by comparing the results produced by the model with the results produced by the analysis methods suitable for creep-fatigue analysis and presented in the literature. In this thesis, creep and fatigue of pressure part steel grades SA-213 T24 and SA-335 P91 has been researched within a temperature range of 500–600 °C, and the parameters of the material model have been determined for these steels within the temperature range by utilizing the results of the creep tests performed by material manufacturers. In addition, creep-fatigue analyses of a superheater header have been made in this thesis by analyzing the impact of geometry changes of the header on the creep strains and the creep-fatigue damage of the header at the end of its useful life.
In the validation analyses of the developed material model, the both versions of the model produced very precisely equal results compared to the results of the creep tests performed by material manufacturers and the results produced by the creep-fatigue analysis methods presented in the literature. The both versions of the material model have fulfilled the Monkman-Grant relationship relatively accurately in the analyses, but the version of the material model, in which the Monkman-Grant relationship is not formulated by constraint equations, has been noticed to be more accurate especially in relatively low creep temperatures with large strain amplitudes of fatigue loading. In the creep-fatigue analyses of the superheater header, even small changes in the flexibility of the nozzle tubes of the header have been noticed to have a significant impact on the creep strains and the damage of the superheater header at the end of its useful life.
Kehitetty viskoplastinen materiaalimalli on implementoitu Ansys-elementtimenetelmäohjelmistoon ja validoitu yksinkertaisissa jännitystiloissa vertaamalla materiaalimallin tuottamia tuloksia kirjallisuudessa esitettyjen virumisväsymisen analysointiin soveltuvien menetelmien tuottamiin tuloksiin. Työssä on tutkittu painelaiteterästen SA-213 T24 ja SA-335 P91 virumista ja väsymistä lämpötila-alueella 500–600 °C, ja materiaalimallin parametrit on määritetty näille teräksille tutkittavissa lämpötiloissa materiaalivalmistajien ilmoittamien virumiskokeiden tulosten perusteella. Lisäksi materiaalimallilla on tehty työssä virumisväsymisanalyyseja todellisesta tulistinkammiosta tutkimalla tulistinkammion geometrian muutosten vaikutusta tulistinkammiossa sen käyttöiän lopussa esiintyviin virumisvenymiin ja vaurioitumisasteeseen.
Kehitetyn materiaalimallin validointianalyyseissa on havaittu materiaalimallin kummankin version tuottavan hyvin tarkasti materiaalivalmistajien ilmoittamia virumiskokeiden tuloksia ja kirjallisuudessa esitettyjä virumisväsymisen analysointiin soveltuvia menetelmiä vastaavia tuloksia. Materiaalimallin versioista kummankin on havaittu toteuttavan Monkman-Grant-hypoteesi suhteellisen tarkasti, mutta materiaalimallin versio, jossa Monkman-Grant-hypoteesin toteutumista ei ole sisäänrakennettu, on havaittu tarkemmaksi erityisesti matalahkoissa virumislämpötiloissa esiintyvillä suurilla väsyttävän kuormituksen venymäamplitudeilla. Tulistinkammion virumisväsymisanalyyseissa tutkittavan tulistinkammion aisaputkien pienilläkin joustavuuden muutoksilla on havaittu olevan merkittävä vaikutus tulistinkammiossa sen käyttöiän lopussa esiintyviin virumisvenymiin ja vaurioitumisasteeseen.
The developed viscoplastic material model has been implemented in Ansys finite element analysis software and validated in simple states of stress by comparing the results produced by the model with the results produced by the analysis methods suitable for creep-fatigue analysis and presented in the literature. In this thesis, creep and fatigue of pressure part steel grades SA-213 T24 and SA-335 P91 has been researched within a temperature range of 500–600 °C, and the parameters of the material model have been determined for these steels within the temperature range by utilizing the results of the creep tests performed by material manufacturers. In addition, creep-fatigue analyses of a superheater header have been made in this thesis by analyzing the impact of geometry changes of the header on the creep strains and the creep-fatigue damage of the header at the end of its useful life.
In the validation analyses of the developed material model, the both versions of the model produced very precisely equal results compared to the results of the creep tests performed by material manufacturers and the results produced by the creep-fatigue analysis methods presented in the literature. The both versions of the material model have fulfilled the Monkman-Grant relationship relatively accurately in the analyses, but the version of the material model, in which the Monkman-Grant relationship is not formulated by constraint equations, has been noticed to be more accurate especially in relatively low creep temperatures with large strain amplitudes of fatigue loading. In the creep-fatigue analyses of the superheater header, even small changes in the flexibility of the nozzle tubes of the header have been noticed to have a significant impact on the creep strains and the damage of the superheater header at the end of its useful life.