The thermo-mechanical fatigue in standards and computer modelling

Celem pracy jest opis procesu pękania elementów pracujących w przemyśle energetycznym poddanych oddziaływaniom mechanicznym i cieplnym, których skutkiem jest zmęczenie cieplno-mechaniczne materiału w wybranych obszarach na powierzchni rozpatrywanych elementów. Poddano analizie lokalny proces odkształcania na powierzchni elementu przy użyciu MES. Wyznaczono zmienne w czasie pola naprężeń i odkształceń w urządzeniu podczas gwałtownego cyklicznego schładzania przy nieustalonych warunkach pracy. Analiza jest częścią złożonych metod badań, których głównym celem jest polepszenie dokładności opisu procesu zmęczenia cieplno-mechanicznego instalacji pracujących w energetyce oraz zastosowanie wyników badań materiałowych do oceny stanu technicznego i trwałości urządzeń.The main purpose of this work is the description of the mechanical behaviour of power plant components working under mechanical and thermal loading that cause the thermomechanical fatigue fracture in selected areas of the component surfaces. The computer modelling has been used to describe the local stress-strain behaviour of the chosen component. The stress and strain fields have been determined under thermal load- ing. Tensile thermal stresses of high values are created especially under conditions of sudden cooling during unsteady work of a power unit. The presented analysis is the part of the complex investigation method which main purpose is increasing accuracy of the TMF process description and thermo-mechanical life as- sessment

Modeling of relation between operation parameters of super-critical power boilers and stress fields of thick-walled tubes

W pracy przedstawiono przykłady modelowania procesów cieplno-mechanicznych zachodzących w rurach grubościennych podczas uruchamiania bloków energetycznych. Rozpatrzono przykłady elementów wykonanych ze stopu HR6W przeznaczonego na elementy urządzeń energetycznych o podwyższonych parametrach pracy. Omówiono zagadnienie wyznaczania pól temperatury i składowych stanu naprężenia na przykładzie rury grubościennej o średnicy zewnętrznej wynoszącej 540 mm i grubości ściany równej 127 mm, która reprezentuje elementy bloków o nadkrytycznych parametrach pracy, projektowane z uwagi na kryterium wytrzymałości na pełzanie. Ciśnienie wewnątrz rury w warunkach pracy ustalonej wynosiło 31,4 MPa, a temperatura 610°C. Skoncentrowano się na zagadnieniu oceny wpływu krótkotrwałych zmian temperatury podczas cykli uruchamiania bloku energetycznego na rozkłady zmiennej w czasie temperatury i związane z nimi naprężenia cieplne. Przedstawiono sposób modelowania uwzględniający możliwość oceny wpływu czasu rozruchu i niestabilności parametrów pary w tym okresie na przebieg lokalnych charakterystyk procesu odkształcania materiału. Ważne dla symulacji numerycznej właściwości materiałowe przyjmowano jako zależne od temperatury. Wyznaczono lokalne charakterystyki odkształcania wybranych punktów na powierzchni rury w postaci zależności pomiędzy odkształceniem i naprężeniem obwodowym. Wykazano istotny wpływ oscylacji temperatury występujących w warunkach rozruchu na zmienne w czasie pola naprężeń i odkształceń, sprzyjające powstawaniu zjawisk o zmęczeniowym charakterze.The examples of simulation of thermo-mechanical processes which undergo during start-up of commercial power boilers in thick-walled tubes have been presented. The tubes were made of nickel alloy HR6W. This material will be used for thick-walled elements of future boilers with raised operation parameters. The determination of temperature distribution and components of stress state was carried out for the tube with an outer diameter of 540 mm and wall thickness of 127 mm. The analysed heavy wall tube represents the elements of super-critical unit designed due to creep strength. The pressure inside the tube, under steady-state conditions, was 31.4 MPa and temperature was equal to 610°C. The investigations were focused on assessment of the effect of transient changes in temperature during start-up cycles of power unit on distributions of time-dependent temperature and thermal stresses. The method of modeling that allows to assess the effect of start-up time and instability of steam parameters on the local characteristics of the material deformation. The important material properties for the numerical simulation were assumed in relation to the temperature. The local characteristics of deformation of selected points lying on tube surface in a form of relations between strain and circumferential stress were determined. It has been shown that temperature change oscillations under start-up of boiler has an important effect on the time-dependent stress and strain distributions, intensifies the fatigue phenomena

Mechanical reason of femoral bone tissue remodelling - an attempt of problem approach

The paper presents the analysis of mechanical properties of human hip joint bone behaviour basing on the finite elements methods (FEM). Models of a hip joint have been worked out. Stress patterns in these biomechanical systems have been determined. The examination covers the analysis of stress patterns in elaborated models for given examples of a femoral bone loading in respective walking phases. It has been stated that prediction of bone remodelling could be based on methods applied in mechanics of materials and data of a bone mineral content and bone mineral density determined by the densitometry method. The work is an attempt of the bone tissue assessment criterion approach useful in implantology problems in which the bone tissue density depends on the bone loading

Estimation of the ceramic admixture influence on the polymerization temperature for surgical cement

This work concentrates on the mathematical analysis of the ceramic admixture influence on the temperature distribution into the polymerizable bone cement. It has been taken the simplified model, which consist in treatment the cement sample as a plate of the definite thickness. It has been determined the temperature field within the plate along the thickness of the sample, during the polymerization process. It was found that Al2O3 admixture added into the bone cement first of all affects on the change of maximal polymerazation temperature through the increase of the temperature condictivity coefficient a for PMMA-Al2O3 composite. Assuming that the coefficient a for the composite is twice higher than for PMMA, the calculated maximal temperature for the polymerizing system decreases to about 30%

The Attempt of the Low-Cycle Fatigue Life Description of Chosen Creep-Resistant Steels Under Mechanical and Thermal Interactions

The study focuses on the problem of determination of low-cycle fatigue properties for the chosen group of creep-resistant steels used in the power and chemical industries. It tries to find the parameter which would describe well the fatigue life and take into account mechanical loads and temperature. The results of LCF tests have been presented in the paper. New parameter P has been introduced. This parameter joins a plastic strain range, a stress range and temperature. The fatigue life has been predicted versus parameter P. The comparison of the predicted and observed values of fatigue life shows the agreement between these values. The method of fatigue life prediction formulated in this way is expected to describe the behavior of materials under thermo-mechanical fatigue

Modelowanie wpływu parametrów eksploatacyjnych na stan naprężenia rur grubościennych w kotłach o parametrach nadkrytycznych

W pracy przedstawiono przykłady modelowania procesów cieplno-mechanicznych zachodzących w rurach grubościennych podczas uruchamiania bloków energetycznych. Rozpatrzono przykłady elementów wykonanych ze stopu HR6W przeznaczonego na elementy urządzeń energetycznych o podwyższonych parametrach pracy. Omówiono zagadnienie wyznaczania pól temperatury i składowych stanu naprężenia na przykładzie rury grubościennej o średnicy zewnętrznej wynoszącej 540 mm i grubości ściany równej 127 mm, która reprezentuje elementy bloków o nadkrytycznych parametrach pracy, projektowane z uwagi na kryterium wytrzymałości na pełzanie. Ciśnienie wewnątrz rury w warunkach pracy ustalonej wynosiło 31,4 MPa, a temperatura 610°C. Skoncentrowano się na zagadnieniu oceny wpływu krótkotrwałych zmian temperatury podczas cykli uruchamiania bloku energetycznego na rozkłady zmiennej w czasie temperatury i związane z nimi naprężenia cieplne. Przedstawiono sposób modelowania uwzględniający możliwość oceny wpływu czasu rozruchu i niestabilności parametrów pary w tym okresie na przebieg lokalnych charakterystyk procesu odkształcania materiału. Ważne dla symulacji numerycznej właściwości materiałowe przyjmowano jako zależne od temperatury. Wyznaczono lokalne charakterystyki odkształcania wybranych punktów na powierzchni rury w postaci zależności pomiędzy odkształceniem i naprężeniem obwodowym. Wykazano istotny wpływ oscylacji temperatury występujących w warunkach rozruchu na zmienne w czasie pola naprężeń i odkształceń, sprzyjające powstawaniu zjawisk o zmęczeniowym charakterze.The examples of simulation of thermo-mechanical processes which undergo during start-up of commercial power boilers in thick-walled tubes have been presented. The tubes were made of nickel alloy HR6W. This material will be used for thick-walled elements of future boilers with raised operation parameters. The determination of temperature distribution and components of stress state was carried out for the tube with an outer diameter of 540 mm and wall thickness of 127 mm. The analysed heavy wall tube represents the elements of super-critical unit designed due to creep strength. The pressure inside the tube, under steady-state conditions, was 31.4 MPa and temperature was equal to 610°C. The investigations were focused on assessment of the effect of transient changes in temperature during start-up cycles of power unit on distributions of time-dependent temperature and thermal stresses. The method of modeling that allows to assess the effect of start-up time and instability of steam parameters on the local characteristics of the material deformation. The important material properties for the numerical simulation were assumed in relation to the temperature. The local characteristics of deformation of selected points lying on tube surface in a form of relations between strain and circumferential stress were determined. It has been shown that temperature change oscillations under start-up of boiler has an important effect on the time-dependent stress and strain distributions, intensifies the fatigue phenomena

Changes in the content and anti-oxidative activity of polyphenols and albumins in pea during its fermentation in an SSSR bioreactor

Celem pracy było określenie zmian zawartości i aktywności przeciwrodnikowej polifenoli i albumin grochu zwyczajnego (Pisum sativum) podczas fermentacji z udziałem szczepu Rhizopus oligosporus, w bioreaktorze SSSR, z wymuszonym napowietrzaniem i mieszaniem. Zawartość polifenoli w grochu fermentowanym w optymalnych warunkach mieszania i napowietrzania, wzrastała w ciągu całego procesu i po 72 h była ponad 3-krotnie (ekstrakty wodne) i 2-krotnie (ekstrakty acetonowe) wyższa od poziomu wyjściowego. Zastosowany w badaniach szczep R. oligosporus syntetyzował z dużą wydajnością: w 24. h procesu – β-glukozydazę (0,0068 J/mg), α-glukozydazę (0,77 J/mg) i β-glukuronidazę (0, 021 J/mg), a w 48. h – α-amylazę (8,69 J/mg). W wyniku fermentacji uzyskano wzrost aktywności przeciwrodnikowej: ok. 2-krotny polifenoli rozpuszczalnych w wodzie i ok. 4-krotny polifenoli rozpuszczalnych w acetonie, wobec rodników DPPH· i ABTS+. Otrzymane preparaty albumin i ich zdegradowanych form, z fermentowanego w bioreaktorze grochu, charakteryzowały się wyższą aktywnością przeciwrodnikową: ok. 2-krotnie w stosunku do surowca, 9-krotnie do ovoalbuminy i 3-krotnie do BSA. Równocześnie była to 2-krotnie niższa aktywność przeciwrodnikowa w stosunku do syntetycznego przeciwutleniacza BHT. Produkt fermentacji grochu okazał się źródłem dobrej jakości białka, zawierającego aminokwasy egzogenne w ilości porównywalnej (lub wyższej) z zawartością aminokwasów egzogennych w wieprzowinie.The objective of the work was to determine changes in the contents of polyphenols and albumins contained in Pisum sativum pea, and of their free radical scavenging activity while fermenting in the presence of a Rhizopus oligosporus strain in an SSSR bioreactor with forced aeration and mixing. The total content of polyphenolics in pea fermented under the optimal mixing and aeration conditions continued to increase throughout the whole process, and, after a period of 72 hrs, it was three times higher (in water extracts) and two times higher (in acetone extracts) compared with the initial amount. The Rhizopus oligosporus strain used in the study effectively synthesized β-glukosidase (0.0068 J/mg), α-glukosidase (0.77 J/mg), and β-glucuronidase (0. 021 J/mg) during 24 hrs, and α-amylase (8.69 J/mg) during 48 hrs. As the result of fermentation process, the following rise in the antioxidative activity of polyphenols towards the DPPH* and ABTS+ radicals was achieved: as for water-soluble polyphenols, their anti-oxidative activity was 2 times higher, and as for acetone-soluble polyphenols - 4 times higher. The preparations of albumins and their degraded forms, produced from the pea fermented in a bio-reactor, were characterized by a higher free radical scavenging activity; their activity was twice as high as the activity of the raw material, nine times as high as the activity of ovo-albumin, and three times as high as the activity of BSA. At the same time, the free radical scavenging activity obtained was two times lower if compared with the activity of the BHT synthetic antioxidant. The pea fermentation product appeared to be a source of a good quality albumin containing exogenic amino acids; the quantity of those amino acids was the same or higher if compared with the content of exogenic amino acids contained in pork meat