核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究

第51卷第22期20L5年11月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVL0151NO22NOV2015DOI103901JME201522152核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究木史进渊上海发电设备成套设计研究院上海200240摘要提出核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的计算与评定方法。介绍核电汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的应力幅与应力范围、低周疲劳裂纹扩展寿命与高周疲劳扩展寿命的计算方法。给出了核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命的计算与评定方法，以及1000MW级核电汽轮机焊接低压转子疲劳裂纹扩展日历寿命的计算与改进的应用实例。结果表明，高周疲劳对汽轮机转子疲劳裂纹扩展日历寿命有比较大的影响，新研制核电汽轮机的转子结构设计和在役核电汽轮机的转子安全性评定，需要评估转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命。关键词核电汽轮机；转子；裂纹扩展寿命；低周疲劳；高周疲劳中图分类号TK263STUDYONCRACKPROPAGATIONLIFEUNDERLOWCYCLEFATIGUEANDHIGHCYCLEFATIGUEOFNUCLEARSTEAMTURBINEROTORSSHIJINYUANSHANGHAIPOWEREQUIPMENTRESEARCHINSTITUTE，SHANGHAI200240ABSTRACTTHECALCULATIONANDASSESSMENTMETHODSFORTHECRACKPROPAGATIONLIFEUNDERLOWCYCLEFATIGUEANDHIGHCYCLEFATIGUEOFNUCLEARSTEAMTURBINEROTORSISPRESENTEDTHELOWHIGHFATIGUECYCLESTRESSAMPLITUDEANDSTRESSRANGEASWELLASTHECRACKPROPAGATIONLIFECALCULATIONMETHODSFORLOWCYCLEFATIGUEANDHIGHCYCLEFATIGUEOFNUCLEARSTEAMTURBINEROTORSAREINTRODUCEDTHECALCULATIONANDASSESSMENTMETHODSFORTHECRACKPROPAGATIONCALENDARLIFEUNDERLOWCYCLEFATIGUEANDHIGHCYCLEFATIGUEOFNUCLEARSTEAMTURBINEROTORSAREGIVENTOGETHERWITHANAPPLICATIONEXAMPLEFORCALCULATIONANDIMPROVEMENTOFTHEFATIGUECRACKPROPAGATIONCALENDARLIFEOFALOWPRESSUREWELDEDROTORFOR1000MWNUCLEARSTEAMTURBINESTHEEXAMPLERESULTSINDICATETHATEFFECTOFTHEHIGHCYCLEFATIGUEONTHEFATIGUECRACKPROPAGATIONCALENDARLIFEOFNUCLEARSTEAMTURBINEROTORSISBIGGER,ITISNECESSARYTHATASSESSMENTFORTHECRACKPROPAGATIONLIFEUNDERLOWCYCLEFATIGUEANDHIGHCYCLEFATIGUEOFROTORSINTHEROTORSTRUCTUREDESIGNOFNEWDEVELOPMENTFORNUCLEARSTEAMTURBINEANDTHEROTORSAFETYASSESSMENTFOROPERATIONSTEAMTURBINEFORNUCLEARPOWERPLANTSKEYWORDSNUCLEARSTEAMTURBINE；ROTOR；CRACKPROPAGATIONLIFE；LOWCYCLEFATIGUE；HIGHCYCLEFATIGUE0前言核电汽轮发电机组的长周期安全服役，急需可靠性预测方法和关键部件寿命评定方法。文献13给出了汽轮发电机组的可靠性预测方法，经电站现场运行验证，可靠性预测的精度还比较高。核电汽轮机转子的尺寸大、价格昂贵且寿命要求长，是核电汽轮发电机组的关键部件。由于核电汽轮机转子的载荷与结构复杂，寿命预测的技术难度大，其疲国家重大专项研究课题资助项目2013ZX06005007。20150113收到初稿，20150905收到修改稿劳裂纹扩展寿命的计算与评定方法有待深入研究。在核电汽轮机的起动或停机的瞬态变工况过程中，由于热应力与离心应力的作用，有可能导致核电汽轮机转子裂纹或缺陷的低周疲劳扩展【4J。在核电汽轮机的起动或停机过程中，由于转子沿半径方向温度分布不均匀会产生比较大的热应力，按弹性应力计算方法得出的热应力有可能超过材料的屈服极限，同时考虑热载荷与力载荷引起的合成应力也比较大。核电汽轮机启停一次，转子疲劳循环一次。对于某型号核电汽轮机的启停次数为5940次，设计日历寿命为6O年，则该型号核电汽轮机每年启停99次。这种由于过大热应力引起的转子疲劳2015年L1月史进渊等核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究153属于低周疲劳小于LO次，由于过大热应力引起的转子疲劳裂纹扩展寿命称为转子的低周疲劳裂纹扩展寿命。通常核电汽轮机带基本负荷，在核电汽轮机带负荷稳定运行过程中，由于叶片与转子的重力载荷引起的应力以及离心力载荷和热载荷引起的应力的共同作用，有可能导致汽轮机转子裂纹或缺陷的高周疲劳扩展J。只考虑转子与叶片的重力载荷，在核电汽轮机转子外表面某一点旋转到下部270。位置产生拉应力；该点旋转到上部90。位置产生压应力。只考虑转子与叶片的离心力载荷和热载荷，在核电汽轮机转子外表面某一点旋转到下部270。位置和旋转到上部90。位置的应力相等。同时考虑转子与叶片的重力载荷、离心力载荷与热载荷，与不考虑转子与叶片的重力载荷的计算结果相比，在核电汽轮机转子外表面某一点旋转到下部270。位置应力增大；该点旋转到上部9O。位置应力减小汽轮机转子旋转一周，应力增大与应力减小循环一次，转子疲劳循环一次。若核电汽轮机年运行小时数按7000H计算，半转速核电汽轮机转子每秒疲劳循环25次，一年疲劳循环6310次。这种由转子的重力载荷、离心力载荷与热载荷共同作用引起的转子疲劳属于高周疲劳通常大于L0次，由于高周疲劳引起的转子疲劳裂纹扩展寿命称为转子的高周疲劳裂纹扩展寿命。文献47】介绍了汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展寿命的计算方法，文献【8介绍了汽轮机转子初始裂纹高周疲劳安全性的设计分析方法。在低周疲劳与高周疲劳交互作用下，核电汽轮机转子的裂纹扩展寿命的计算分析，还没有合适的方法可供使用。在核电汽轮机的使用过程中，汽轮机的起动、带负荷运行和停机等工况交替出现，转子交替发生低周疲劳与高周疲劳损伤，故研究核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的计算分析方法是一项有益的工作。1转子疲劳的应力幅和应力范围11转子低周疲劳裂纹扩展的应力幅和应力范围对于核电汽轮机转子的轴对称力学模型，加载汽轮机起动或停机过程的热载荷，可以计算得出核电汽轮机启停过程不同时刻转子的瞬态温度场。转子各节点输入瞬态温度场的计算结果，并加载转子离心力载荷与叶片离心力载荷，计算得出转子的瞬态应力场。通过转子瞬态应力场的分析，可以确定核电汽轮机起动或停机过程的最大主应力盯L。在汽轮机起动过程中，转子外表面的热应力为负数值，转子内表面与转子内部的热应力为正数值；在汽轮机停机过程中，转子外表面的热应力为正数值，转子内表面与转子内部的热应力为负数值。通常转子外表面的最大拉应力出现在汽轮机停机过程，转子内表面与转子内部的最大拉应力出现在汽轮机的起动过程。核电汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的最大应力L的计算公式为LCRRE1式中一转子的残余应力。实际上最大主应力AL与。的方向并不相同，寿命计算中假定盯1AX与。的方向相同，计算结果偏于安全J。工程上把汽轮机停机后静止状态转子的应力处理为零，即转子低周疲劳裂纹扩展的最小应力GMIL0，核电汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的应力比R、应力幅和应力范围AAL的计算公式分别为02O“MAXTACTLO“MAXLIMINLINAL412转子高周疲劳裂纹扩展的应力幅和应力范围对于核电汽轮机转子的三维力学模型，加载汽轮机额定工况的热载荷，可以计算得出核电汽轮机带负荷运行的稳态温度场。转子各节点输入稳态温度场的计算结果，并加载转子与叶片的离心力载荷以及转子与叶片的重力载荷，计算得出转子的稳态应力场。根据文献8，依据转子的稳态应力场确定核电汽轮机转子的某一P点的高周疲劳循环的最大主应力H和最小主应力IH的计算公式分别为HCRV，270。INHO“V90。56式中270。号子三维模型的某一P点旋转到转子下部270。位置的最大主应力1，为主平面外法线方向；FFV转子三维模型的某一点旋转到,90P转子上部90。位置在V方向即V所在主平面外法线方向的正,270应力。核电汽轮机带额定负荷稳定运行工况下，转子高周疲劳裂纹扩展的应力比、应力幅和应力范围AAN的计算公式分别为154机械工程学报第51卷第22期ROMINHO_MAXLO“AACTSIMH一NH2转子疲劳裂纹扩展寿命的计算方法21高周疲劳裂纹扩展的界限值核电汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的条件为M1XMA一MR10式中张开型裂纹的应力强度因子范围；A椭圆形裂纹短轴半径；依据文献【4，9确定的同裂纹部位有关的椭圆形裂纹形状参数；应力比是R的疲劳裂纹扩展门槛值。把和AAH对应的裂纹尺寸称为高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值，其计算公式为，转子高周疲劳裂纹扩展的前提是转子的裂纹尺寸A大于ATLL，核电汽轮机转子的疲劳裂纹扩展过程可以划分为口TLI和AATH两个阶段。22转子疲劳裂纹扩展的两个阶段核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的第一阶段，在核电汽轮机带负荷运行过程中，由于口TH，转子在高周疲劳循环应力幅作用下不会出现高周疲劳裂纹扩展。但在核电汽轮机的起动或停机过程中，由于AKI，转子在低周疲劳循环应力幅作用下发生低周疲劳裂纹扩展，这里为应力比R0时的疲劳裂纹扩展的门槛值。核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的第二阶段，在核电汽轮机带负荷运行过程中，由于口口TLL，转子高周疲劳循环应力幅作用下出现裂纹扩展；在核电汽轮机的起动或停机过程中，又因为AKI，转子在低周疲劳循环应力幅作用下发生低周疲劳裂纹扩展。在第二阶段，核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下发生疲劳裂纹扩展。23第一阶段的低周疲劳裂纹扩展寿命在核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的第一阶段，转子裂纹从初始裂纹A至高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值ATH的低周疲劳裂纹扩展寿命1的计12式中口广一探伤发现的初始裂纹或缺陷尺寸；CO，M0疲劳裂纹扩展的材料试验常数。通常，汽轮机转子锻件验收技术规范要求AI2MM。根据汽轮机行业汽轮机转子缺陷评定的内部技术规范，在探伤没有发现缺陷的情况下，假定AI2MM，这样处理得出的疲劳裂纹扩展寿命的计算结果偏于安全。24第二阶段的低周疲劳裂纹扩展寿命在核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的第二阶段，转子裂纹从高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值ATH至低周疲劳临界裂纹尺寸AEL的低周疲劳裂纹扩展寿命Z的计算公式为F一击M。2COM03K2L14式中ACL低周疲劳临界裂纹尺寸；C转子材料的断裂韧度。25第二阶段的高周疲劳裂纹扩展寿命在核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的第二阶段，转子裂纹从高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值ATH至高周疲劳临界裂纹尺寸A。H的高周疲劳裂纹扩展寿命的计算公式为F一击1M02COGRHM口。J15K2、AEH16式中ACIR_高周疲劳临界裂纹尺寸。26两个阶段的低周疲劳裂纹扩展寿命在核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的两个阶段，转子裂纹从高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值A至低周疲劳临界裂纹尺寸A。L的低周疲劳裂纹扩展寿命的计算公式为2为LL_2015年L1月史进渊等核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究15521一砉一L_L。一2CRL厂以。173转子裂纹扩展日历寿命的计算方法31第一阶段疲劳裂纹扩展日历寿命在核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的第一阶段，裂纹扩展的主要损伤机理为低周疲劳，假定不同的起动、超速试验或停机过程的最大主应力的方向相同，应用PALMGERNMINER寿命损耗线性叠加法则。，转子外表面的年均寿命损耗1和疲劳裂纹扩展日历寿命RCLFL的计算公式分别为南Y110Y120181LFL19式中一年均正常停机次数；L1O年均110超速试验次数120年均120超速运行次数；1疲劳裂纹扩展的第一阶段正常停机过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；九10，1疲劳裂纹扩展的第一阶段110超速试验过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；九201疲劳裂纹扩展的第一阶段120超速运行过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命。转子内表面与转子内部的年均寿命损耗E1和疲劳裂纹扩展日历寿命L_N的计算公式分别为惫南YL2O1LFL式中一年均冷态起动次数；年均温态起动次数；年均热态起动次数；，C1疲劳裂纹扩展的第一阶段冷态起动过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；1疲劳裂纹扩展的第一阶段温态起动过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；1疲劳裂纹扩展的第一阶段热态起动过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命。32第二阶段疲劳裂纹扩展日历寿命在核电汽轮机转子疲劳裂纹扩展的第二阶段，裂纹扩展的主要损伤机理为低周疲劳和高周疲劳的交互作用，假定不同的起动、超速试验、停机或带负荷运行过程的最大主应力的方向相同，应用PALMGEMMINER寿命损耗线性叠加法则，转子外表面的年均寿命损耗E记和疲劳裂纹扩展日历寿命RCLF2的计算公式分别为惫彘Y12O蔷221LF2QQ23N2NFLLO2NFN式中2疲劳裂纹扩展的第二阶段正常停机过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；九10,2疲劳裂纹扩展的第二阶段L10超速试验过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；九20，2疲劳裂纹扩展的第二阶段120超速运行过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；年均高周疲劳次数；高周疲劳裂纹扩展寿命。转子内表面与转子内部的年均寿命损耗E和疲劳裂纹扩展日历寿命ZCL,F2的计算公式分别为LF2241QN靶2N3NM2NNT2UI12O12N【25式中2疲劳裂纹扩展的第二阶段冷态起动过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；2疲劳裂纹扩展的第二阶段温态起动过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；2疲劳裂纹扩展的第二阶段热态起动过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命。33设计阶段日历寿命评定在核电汽轮机的设计阶段，电站业主要求的使用寿命为年，转子裂纹扩展寿命设计寿命的安全性评定判据如下。1若LF1LF2Y0，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命是安全的。156机械工程学报第51卷第22期2若LF1LY0，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命是不安全的。34使用阶段剩余日历寿命的评定核电汽轮机转子从首次并网投入运行日至剩余寿命评估日之间的日历年数称为运行日历寿命，用符号表示，转子疲劳裂纹扩展剩余日历寿命RLF的预测公式为REFLLF1LIF2J26在核电汽轮机的使用阶段，转子裂纹扩展剩余日历寿命的安全性评定判据如下。1若LYO一，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展剩余日历寿命是安全的。2若RLFYO一，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展剩余日历寿命是不安全的。4应用实例某型号核电1000MW半转速汽轮机，核电汽轮机的寿命指标值列于表1。该汽轮机的焊接低压转子的材料为25CR2NI2MOV，共有5条焊缝，采用对称结构，如图1所示。采用文中给出的方法，计算得出该焊接低压转子高周疲劳裂纹扩展寿命的计算结果列于表2部位A，该转子低周疲劳裂纹扩展寿命的计算结果列于表3部位A，该转子疲劳裂纹扩展日历寿命的计算结果列于表4部位A。从表4知，该焊接低压转子部位A的疲劳裂纹扩展日历寿命超过了40年但没有达到核电站业主要求的60年。表1核电汽轮机的寿命指标值表2焊接低压转子高周疲劳裂纹扩展寿命的计算结果算公式为L27向J，11O，120式中正常停机过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；九10110超速试验过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命；九20120超速运行过程中的低周疲劳裂纹扩展寿命。该型号1000MW核电汽轮机的焊接低压转子，、九10和九20的计算结果列于表3，按式27计算得出的转子外表面的低周疲劳裂纹扩展日历寿命TCL的计算结果列于表4。若不考虑高周疲劳裂纹扩展寿命，该核电汽轮机低压转子外表面部位A的低周疲劳裂纹扩展日历寿命L约为100年。考虑高周疲劳裂纹扩展寿命后，该核电汽轮机低压转子外表面部位A的低周疲劳裂纹扩展日历寿命ZCL约为45年。由此可见，高周疲劳对汽轮机转子裂纹扩展日历寿命有比较大的影响，新研制核电汽轮机的转子设计和在役核电汽轮机的转子安全性评定，需要评估转子低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命。表3焊接低压转子低周疲劳裂纹扩展寿命的计算结果图1某型号1000MW级核电汽轮机焊接低压转子示意图研究得出两种不同的改进方案可供选用，方案若不考虑高周疲劳裂纹扩展寿命，核电汽轮机一适用于核电汽轮机的研制，在设计阶段把该转子转子外表面的低周疲劳裂纹扩展日历寿命VCL的计部位A圆弧半径增大50，转子部位A在汽轮机2015年11月史进渊等核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究157正常停机过程中的最大应力AMAXL从458027MPA减少到423311MPA；方案二适用于核电汽轮机的运行，在运行阶段把该核电汽轮机的年均停机次数从99次减少到66次。采用改进方案的转子部位A疲劳裂纹扩展日历寿命的计算结果列于表5，从表5知，这两种改进方案都能使转子部位A疲劳裂纹扩展日历寿命达到核电站业主要求的60年。表4焊接低压转子疲劳裂纹扩展日历寿命的计算结果表5焊接低压转子改进方案疲劳裂纹扩展日历寿命的计算结果5结论1文中提出的核电汽轮机转子的疲劳裂纹扩展日历寿命的分析方法，考虑了核电汽轮机启停低周疲劳裂纹扩展与带负荷稳定运行高周疲劳裂纹扩展的两种损伤机理，实现了核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的计算分析与安全性评价，为核电汽轮机转子结构设计的改进和运行启停次数的优化提供了技术依据。2完成了某型号半转速1000MW核电汽轮机焊接低压转子的母材在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的计算分析与安全性评价，表明该焊接低压转子的两种改进方案的疲劳裂纹扩展日历寿命都达到了核电站业主要求的60年。3高周疲劳对汽轮机转子裂纹扩展日历寿命有比较大的影响，新研制核电汽轮机的转子设计和在役核电汽轮机的转子安全性评定，需要评估转子低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命。文中给出的方法，原则上也可应用于其他大型旋转机械转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的计算分析与安全性评价。参考文献【1】史进渊大型发电机组可靠性预测方法与应用J机械工程学报，2011，4718165172SHIJINYUANRELIABILITYPREDICTIONMETHODSANDAPPLICATIONOFLARGECAPACITYGENERATINGUNITSJJOURNALOFMECHANICALENGINEERING，2011，47181651722】史进渊大型发电机组可靠性在线监控方法及其应用J动力工程学报，2014，3410771777SHIJINYUANAMETHODFORONLINERELIABILITYMONITORINGOFLARGECAPACITYGENERATINGUNITSANDITSAPPLICATIONJJOURNALOFCHINESESOCIETYOFPOWERENGINEERING，2014，3410771777【3史进渊大型火电成套机组的可靠性设计及验证方法动力工程学报，2014，3412972977SHIJINYUANRELIABILITYDESIGNANDVERIFICATIONOFLARGECAPACITYTHERMALPOWERUNITSJJOURNALOFCHINESESOCIETYOFPOWERENGINEERING，2014，34129729774】史进渊，杨宇，邓志成，等大功率电站汽轮机寿命预测与可靠性设计M】北京中国电力出版社，2011SHIJINYUAN，YANGYU，DENGZHICHENG，ETA1LIFEPREDICTIONANDRELIABILITYDESIGNOFLARGECAPACITYSTEAMTURBINESFORPOWERGENERATIONMBERINGCHINAELECTRICPOWERPRESS，20115】史进渊，袁伯英，程道来，等汽轮机17CRMOLV材料焊接低压转子脆性断裂的研究J_中国电机工程学报，2000，2066164SHIJINYUAN，YUANBOYING，CHENDAOLAI，ETA1STUDYONBRITTLEFRACTUREOFLOWPRESSUREROTORSWITH17CRMOLVMATERIALINSTEAMTURBINESJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2000，20661646史进渊，汪勇，杨宇，等汽轮机零部件多轴应力状态下的强度设计和寿命预测J热力透平，2012，412131139SHIJINYUAN，WANGY