Propozycja nowych przepisów do wyznaczania dopuszczalnych zmian temperatury czynnika roboczego w czasie nagrzewania i ochładzania grubościennych elementów ciśnieniowych

W pracy przedstawiono cztery metody wyznaczania optymalnych przebiegów czasowych zmian temperatury czynnika podczas nagrzewania i ochładzania ciśnieniowych elementów konstrukcyjnych kotłów, tak aby naprężenia maksymalne wywołane ciśnieniem i różnicą temperatur nie przekraczały naprężeń dopuszczalnych. Optymalne zmiany temperatury czynnika w metodzie pierwszej wyznaczone zostały przy zastosowaniu dyskretnej postaci całki Duhamela z wykorzystaniem tzw. kroków przyszłościowych. Optymalne zmiany temperatury czynnika wynikające z metody pierwszej trudno jest zrealizować w praktyce. Metoda druga oparta jest na niemieckich przepisach kotłowych TRD - 301, które bazują na quasi-stacjonarnym rozkładzie pola temperatury w elemencie. Współczynniki koncentracji naprężeń cieplnych i pochodzących od ciśnienia przyjęto zgodnie z tymi przepisami. W trzecim sposobie współczynniki koncentracji naprężeń wyznaczono za pomocą trój- wymiarowej analizy pola naprężeń przy użyciu Metody Elementów Skończonych (MES). W ostatnich dwóch metodach nie dopuszcza się skokowych zmian temperatury czynnika. Z tego względu zaproponowano czwarty sposób optymalnego nagrzewania elementu. Na początku nagrzewania temperatura czynnika wzrasta skokowo. Dopuszczalną wartość skoku temperatury otrzymuje się z podzielenia naprężeń dopuszczalnych przez maksymalną wartość funkcji wpływu, która reprezentuje naprężenia obwodowe wywołane jednostkowym, skokowym wzrostem temperatury czynnika. Dalszy optymalny przebieg temperatury czynnika wyznaczony jest przy założeniu quasi-stacjonarnego pola temperatury i naprężeń w elemencie grubościennym.

---

In this paper, four methods of determining the allowable rate of medium temperature changes during cooling and heating of thick-walled elements of steam boilers have been presented. In the first method, the optimal temperature changes were calculated using discrete form of Duhamel's integral in conjunction with future time steps. During optimal heating or cooling, the total stresses due to thermal and pressure loading do not exceed the allowable stresses. Optimum temperature changes obtained from the first method are difficult to accomplish in practice. In the second method, the optimum medium temperature changes are determined by using the German boiler code TRD-301, which is based on quasi-steady state temperature distribution inside the component. The concentration coefficients of stresses caused by pressure and thermal load are assumed in compliance with this code. In the third method, the stress concentration coefficients are determined from 3D-stress analyses using the Finite Element Method (FEM). Sudden step changes of medium temperature were not allowed in two last methods. Therefore, a new fourth technique for determining the optimum medium temperature changes was developed. At the beginning of the component heating, the fluid temperature is step-wise increased. The value of the allowed temperature jump is obtained from dividing of the allowed stress by the maximum value of the so called influence function which represents stresses caused by the unit step-wise temperature increase of the medium. Further temperature changes are determined under the assumption of the quasi-steady state of the temperature distribution in the thick-- walled component.