（热能工程专业论文）汽轮机在线寿命管理及优化启动的研究.pdf

摘要 f 为保证机；丑t 1 ，压缸启动快速安全，提高机组经济性，本文结合大型机组运行 特点和具体结陶从转子寿命管理角度进行了探讨。叫 本文通过对汽轮机转子进行离线的有限元分析，建立了转子应力监测与寿命 一一一 管理系统，研剖丌发了在线运行软件。文中详细介绍了转子危险截面上温度场、 应力场和寿命损耗的计算方法，提出了有利于完善在线寿命统计的几个方面。对 汽轮机组优化宕动进行了初步研究，探讨了中压缸优化启动的基本原则，并结合 实例做了分析： ( 该系统已经在北仑发电厂2 号机组投入运行，有效指导机组启停，达到了优 化运行的目的、心 a b s t r a c t i no r d e rt og u a r m ，l t e et h es w i f ta n ds a f es t a r t u po fi n t e r m e d i a t e p r e s s u r ec y l i n d e r a n d i m p r o v e t h ee c o n o m i c a l o p e r a t i o n ，a c c o r d i n g t h e o p e r a t i o n c h a r a c t e r sa n d s t r u c t u r e so ft h el a r g e s c a l eu n i t s ，t h i sp a p e r d e e p l yr e s e a r c h e st h el i f em a n a g e m e n to f t u r b i n er o t o r s b a s e do nt h eo f f - l i n ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft u r b i n er o t o r s t h e r o t o rs t r e s s m o n i t o ra n dl i f e m a n a g e m e n ts y s t e mi s b u i l t u pa n d0 n - l i n ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p e d t h ep a p e rt h o r o u g h l yi n t r o d u c e st h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do n t h ed a n g e r o u sc r o s s 。s e c t i o no ft h er o t o ra n dt h ec o m p u t i n gm e t h o d so f l i f e 1 0 s sa n d p u t sf o r w a r ds o m ev i e w p o i n t so nt h ei m p r o v e m e n to fo n 1 i n e l i f es t a t i tc o m m i t s 8 0 m 。l e m 8 “t a r yr e s e a r c h e so no p t i m i z e ds t a r t u po fs t e a m - t u r b i n eg e n e r a t o r s b a s i c p r i n c i p l e so fi n t e r m e d i a t ep r e s s u r ec y l i n d e rs t a r t - u pa n da l s oa n a l y s i sa c c o r d i n gs o m e e x a m p l e t h e s y s t e mh a sb e e np u ti n t ou s eo l lt h en o 2u n i to fb e i l u np o w e rp l a n t i tc a n 。f f e c t i v e l y d i r e c tt h e p r a c t i c a l s t a r t s t o po p e r a t i o n sw h i c hm e e t st h e p u r p o s e o f o p e r a t i o n a lo p t i m i z a t i o n 第一章绪论 第一节概述 电力工业作为国民经济的基础产业，在过去的i 年内，获得了巨大发展， 电阳容量迅速扩大，供电能力大幅度提高。长期以来制约经济发展和人民生活水 平提高的电力瓶颈问题基本解决，严重缺电局面得到了根本性缓解。截至1 9 9 9 年底，全国发电装机容量和发电量分别达到2 9 8 8 亿干瓦和】2 3 3 1 亿千瓦时，均 居世界第二位。华东电网统调装机容量为4 3 0 9 1 2 m w ，其中火电装机容量为 3 9 5 1 1 m w ，占统调容量的9 1 7 ；1 9 9 9 年全网统调发电量1 9 5 i 5 2 亿k w h ，同 比增长6 4 2 。不但国民经济和社会发展对电力的需求基本得到满足，而且标 志着中国进入了世界电力生产和消费大国的行列。一方面，在国家扩大内需、加 大投资力度的有力带动下，经济运行步入良性发展的轨道，经济稳步增长使华东 电网用电量呈现稳步上升的态势。1 9 9 9 年华东电网三省一市统调用电量为 1 9 5 5 2 9 亿k w h ，同比增长61 1 ，较1 9 9 8 年同期的增幅提高了4 2 3 个百分 点。另一方面，经过近3 年的产业结构调整，用电结构也发生明显变化，尤其是 生活用电和第二、三产业用电比重明显上升，导致电网负荷及电网峰谷差逐年增 大。1 9 9 0 年华东电网统调年最高负荷为1 4 8 3 5 m w ，1 9 9 9 达到3 5 2 6 3 m w ，年平均增 长率1 0 1 ，同比增长1 0 1 9 。统调峰谷差1 9 9 0 年为5 1 2 5 m w ，1 9 9 8 年为 11 2 2 9 m w ，年平均增长1 0 3 0 。1 9 9 9 最大用电峰谷差为1 4 2 0 7 m w ，同比增长2 6 5 2 ，最高峰谷比达4 4 0 9 ，平均蜂谷差为8 8 0 9 m w ，同比增长5 7 8 。 由以上数据可以清晰的看出随着电力工业的发展和产业结构的调整，电力 供需矛盾缓解，调峰能力不足逐渐成为电网运行的主要矛盾。但是近年来电网投 产机组容量虽多，却多为大容量火电机组，因此大型火f 乜机组参与调峰运行势在 必行，参与阔峰运行的频度也将不断提高。可是在传统的高中压缸联合启动方式 下，停机以后重新启动往往需要很k 的n , l 问。考虑肩动时间的限制，为能快速升 离到所需负荷，火i i _ ! 厂。大型t i t l 【多以低负荷方式参加l l u 网涮峰。然而低负荷方式 州咐筻小，经济性较差。火【_ l 厂输f f 负荷低时，停运一台机组往往要比几台机 纰_ l 1 5 证低负t i 下运行来得优越。显然传统的启动模式小制了调峰能力，影响供电 浙江人学坝i 学位论义 质i i ：，埘1 u 嘲的安全、经济运行带来了不利影响。因此如何让大型火电机组高效 t 、刚哗已成为电网运行迫切需要解决的问题。所以在确保机组安全的f j 捉下， 火毗队述启z 力、并网、带负荷是当今大型火电机组启动技术的重要研究课题之一， 也足：甘约能源，提高资源利用效益的有效途径。 汽轮机组的中压缸启动是利用高低压旁路直接由中压缸启动再热机组的方 法。由于可缩短机组启动和升负荷时问，降低汽缸的热应力，故与传统的启动方 式比较，能更好的满足电网调峰的需要。近年来，有越来越多的大容量机组希望 丁 ：展中压缸启动方式的试验研究和改造工作。对于汽轮机组而言，实现启动及功 率提升的快速性与安全性的统一是其共同面临的要求。丌展对大型火电机组中压 缸启动及优化方式的研究，其目的主要就是在调查研究的基础上，对中压缸启动 的经济性、安全性作一客观的分析，并提出优化启动的措施，以利于电网的合理 调度及安全经济运行。 汽轮机启动优化的目标是在较低的热应力水平和允许寿命消耗条件下缩短 启动时间。在对优化启动方式的探讨过程中，热应力不是自动启停控制的唯一判 据，而应是综合条件判据的结果。首先满足安全运行( 包括振动和胀差) 的要求， 安排一定的暖机过程以控制热应力和相对胀差不超过限定值，然后以转子热应力 来指导机组启停和运行。因此，开发热应力在线监测与寿命管理系统，对实际启 动过程进行计算和分析，探讨优化启动原则，拟定优化启动策略，指导机组的启 停、变负荷运行，使机组的经济性、安全性和灵活性的综合指标趋于最优，充分 发挥机组的潜力，是一项非常有现实意义的工作。本文以北仑发电厂2 号机组为 主要研究对象，通过在线计算转子危险截面的温度场、应力场、应变，监测机组 启动、停机和运行等各种工况下的寿命损耗，为汽轮机的优化启动研究提供依据， 力图探讨种比较合理的方式来同时满足二者的要求：缩短启动时间，限制转子 热应力和寿命损耗。 第二节开发在线寿命管理系统的必要性 温度、压力等是汽轮机组运行过程中最重要的参数，列蒸汽温度、压力等参 数的峪控最终是为保持良好的应力状态和尽可能高的热经济性服务。应力的大小 n 接父系若汽轮机材料的使_ | l j 寿命。火容量机组参与洲峰运行，由于启动频繁或 浙江人学f l l ；3 i 学位论文 犬度负荷变动，机组的主要部件经常承受大幅度的温差变化，山s l - t sz j l 起汽缸、 转了等f 制，| ：承受交变热应力。因而导致部件产生低周疲劳损耗，缩短机组的使用 ；命。为了保i l l l j l 组安全可靠的运行和取得较大的经济效益，必须加强机组寿命 管理及寿命的合理分配。 启动或停机时部件承受热应力的大小，决定于部件内部的温度梯度。对于汽 缸这个厚壁部件，由于机组高压缸的设计普遍采用了双层缸结构，而且汽缸壁的 金属厚度远较转予为薄，蒸汽对汽缸内壁的放热系数也远比转子小，因而启动时 的径向温差及热应力远比转子小，汽缸热应力水平已显著下降。而转子的热应力 却随着直径的增大而显著增加，况且汽轮机转子长期在高温区工作，受力情况复 杂，转于上除了热应力外，还存在各种机械应力。由于在高温高压工质中高速旋 转，转予承受叶片、叶轮及转予自重产生的离一t b 应力，以及蒸汽压力对转子产生 的压应力；另外，还有转子传递扭矩引起的剪应力，自重引起的交变拉、压应力 等。以一次启停为例，在机组启动加负荷时，转子外表面的温度高于中心孔，外 表面承受压应力，中一b t l 表面承受拉应力；当机组稳定运行阶段，转子外表面与 中心孔的温度将逐渐趋于一致，热应力也将随之趋于零：而当机组停机降负荷时， 转子温度场和应力场的分布将与启动时相反。这样，在机组一次启停过程中，转 子外表面和中心孔表面都承受一次交变热应力，这种交变热应力将对转子产生疲 劳损伤。这些应力会使金属表面特别是应力集中部位萌生裂纹并逐渐扩展以致断 裂。可见转子是工作条件最为恶劣的部件，在相当程度上汽轮机转子的寿命代表 了整台汽轮机机组的寿命。因此通过对大容量机组转子热应力在线监测和寿命管 理的研究，合理控制机组的启停不仅关系到机组的经济性，更涉及到机组的安全 性。 这些大型机组在设计之初是为了担任基本负荷的，对转子的设计基本上取决 于其刚度、扭矩以及离心力引起的中心孔切向应力。对转子进行热应力的监测及 寿命管理正是根据传热学，弹性力学和疲劳强度等的基本原理，以转子的最危险 部位为考核点，通过温度场和应力场的计算，应用雨流计数法，取得每一个可靠 的交变应力波，结合金属材料具体的疲劳试验曲线，而求得转子的疲劳损伤，并 考虑4 0o 二的蠕变损伤的影蚋，对转子的寿命进行萨确的评价。 m 然j j 离线方式考核汽轮机热应力及疲劳寿命的方法已较为成熟，但因现场 浙江火学坝i 学位论艾 情况于变万化，机组启停方式各不相同，故其不能列机纠佶停过程的热应力水平 。史时报道，不能实时监视机组的运行。因此本文在离线训锌的基础，l s f t ：, $ 0 丁汽轮 机热应力及疲劳寿命在线管理系统。在实t l , j 监测系统中，由于转子温度无法直接 测量，常常采月 简化的数学模型来计算：将模型简化为一维非稳态导热有限差分 方程，加边界条件求得转子的温度场分布。采用简化数学模型计算具有运算速度 快、实时性强的特点，且保证精度。此外在寿命计算中采用雨流法对应力波谱进 行处理，可使在任一非线性温升下的疲劳寿命得到完整的计算。 第三节汽轮机转子寿命的评价方法 火电厂寿命管理是以机组经济地实现其服役全寿命为目标，在对设备状态进 行监测和评估的基础上，用来优化设备运行与维修管理的新技术。通过寿命管理， 可以优化电厂的资金投入，降低大机组的事故停机率，延长机组的投运寿命，降 低电厂的生产成本。 汽轮机转子寿命是指机组从初次投入运行至转子出现第一条裂纹为止，总的 应力循环数，而这种裂纹己不能采用改变运行方式或者减少负荷的措施来制止裂 纹的发展。一般机械部件的寿命是指部件可以安全工作的时间，而不是一直到突 然断裂不能恢复为止的时间。从疲劳破坏的机理分析，部件的疲劳总寿命n 是由 两部分组成，即裂纹形成寿命n 。与裂纹扩展寿命n ，。 n = n 。+ n ， 裂纹形成寿命( 致裂寿命) 是指转子从投运到出现初始裂纹为止所经历的应力循 环数。初始裂纹是指某种仪器能检测出来的宏观裂纹。目前将初始裂纹定为 o 2 5 m 以上的裂纹。裂纹扩展寿命( 致断寿命) 是指从初始裂纹发展到临界裂 纹所需的应力循环数。从断裂力学的裂纹扩展理论分析，裂纹形成寿命仅占全部 寿命的很小一部分，其主要部分是裂纹扩展阶段的寿命。这就意味着部件裂纹的 产生并不意味着部件断裂，仍是可以运行的，只是存在着停机和发生事故的危险。 本文研究的汽轮机转子寿命就是指裂纹形成寿命。 在汽轮机寿命预测的基础研究方面，转子材料的寿命曲线是影响剩余寿命估 算的关键因素之一，但各国汽轮机转子的低周疲劳曲线存在较大差异，其原因除 了材判微员元索含量、锻冶工艺和实验标准影响以外，主要是因为疲劳曲线给定 浙江人学f l j ；! 1 学位论文 的初始裂纹尺寸不同，办即材判的疲劳寿命失效周次有着各自不同的涵义，致使 对 刊一机纠i 得到的寿命损耗有较大的差异，直接影响到划机组运行安全性的正确 p 二价。为了提高机组寿命管理水平，降低事故率，迫切需要深入而系统地研究我 圈各科，汽轮机转予钢及汽缸材判的疲劳、疲劳一蠕变特性，建立汽轮机主要部件 相应的高温低周疲劳、扭转疲劳、蠕变一疲劳交互作用及剪切疲劳损伤模型。 对在高温高压下长期使用的汽轮机的剩余寿命诊断评价法可大致分为间接 评价与直接评价。 间接评价主要指通过求解温度场及应力场问题，得到疲劳损伤和蠕变损伤。 理论计算又分两种方法，解析法和数值解法。前者由于将一些变化的参数作为常 数处理，因而对计算精度有一定影响，需要进行修正。后者常用的有有限差分法 和有限单元法。 直接评价分非破坏检查和破坏检查。破坏检查需要取得相同或类似的样本， 然后通过破坏性试验来得到需要的数据，作出寿命评估。破坏检查( 试样试验) 评价时间较长，特别是后者有许多场合取样较困难。而非破坏检查，在较短的时 间b ，可对较多的部位进行诊断，且能定期监控，所以，采用非破坏检查的剩余寿 命诊断，更为有用。 日立公司对火力发电设备汽轮机剩余寿命诊断，从1 9 8 4 年开始进行。作为 剩余寿命诊断对象的设备，以运行时间超过1 0 万小时为标准。为了掌握随时间 的劣化倾向，对运行时间低于这个标准的设备和新制造的设备也部分实施。其对 象主要有高、中压转子( c r m o v 锻钢) ，高、中压汽缸及主汽门( c r m o v 锻钢) 等。 该公司采用的非破坏检查方法，包括处于实用研究中的正在实施的采用非破坏检 查的剩余寿命诊断技术，示于表l 1 。 表1 1 采用非破坏检查的剩余寿命诊断技术 损伤类别蠕变疲劳脆化备注 电阻法已使用 硬度测定法已使用 组织观察法正在使用 复膜 微观裂纹测定法已使用 复膜 腐蚀法正在使_ | = f j 复膜 其它还有许多方法，例如磁力法，超声波法，涡流7 j l - g l j j 来无损检测脆化的 电化学分极法等。有些探测方法测量精度较低，还有待进一步的完善，而有一 些方法有着成熟的研究机理和配套的丌发应用装霄，已经在寿命管删领域有了一 定的使用经验。 汽轮机转子寿命预测是一个很复杂的研究课题，牵涉的学科门类非常广泛， 很多情况下，寿命评估有较大的不确定性，且不能给出长期结果，因而重点应放 在用无损检测方法对部件进行评估上。尽管如此，经验表明对重要部件作寿命评 估以确保安全可靠条件下运行在技术上是闭行的。 我国从8 0 年代就开展了汽轮机转子寿命研究，将转子的应力计算与金属材 料实验相结合，研究转子的疲劳寿命，提出了具体的计算方法，并编制了软件， 定量表示了= 汽轮机转子在非稳态工况下，不同的温度变化与疲劳寿命损耗量之间 的关系。但是由于影响汽轮机转子裂纹的产生、扩展与剩余寿命估计等的因素众 多，机理也很复杂，所以现有的理论计算与实践结果距离很大。本课题的研究是 在现有的理论基础上，通过对危险截面参数的监测，用开发的实时寿命管理系统， 为优化中压缸启动提供理论依据，有利于电厂了解机组寿命损耗情况，合理控制 寿命的分配，以期延长机组的使用寿命，保证运行的安全性，提高参与调峰的机 动性，最终为提高火力发电的经济性，节省能源利用，促进电力工业的进一步发 展作出努力。 浙江人学倾i ：学位论义 第二章转子寿命监测的理论依据 本章分析疲劳形成的机理和影响寿命的因素，考虑如何进一步提高寿命估算 的精度。介绍了研制汽轮机转子在线寿命监测系统的计算方法，建立了适宜在线 汁算的简化模型，从温度场、应力场的求解方法，应变的得出和寿命损耗的统计 一进行了讨论。 第一节汽轮机转子的寿命估计 众所周知，转子疲劳的产生和裂纹的扩展是个统计上的随机过程。在转子 承受载荷的任何部位的应力和对应部位中材料的性质与状态，也是以随机的方式 变化着。综合变化的影响，使转子的寿命估计结果具有很大的分散性。为了延长 转子寿命，我们首先要了解寿命消耗的原因。 一、疲劳机理 机组启停或负荷大幅度变动时，由于蒸汽参数、流量等大范围变化，机组的 主要部件被加热或冷却，产生热变形引起交变热应力。转子的热应力随着直径的 增大和启停的快速化显著增加，再加上高速旋转下离心力的作用，成为工作条件 最恶劣的部件之一。以冷态启动为例，启动前转子内外温度均匀；启动时随着通 入蒸汽温度与压力的升高，蒸汽对转子外表面放热，使转子外表面温度先上升； 随后热量逐渐向中心孔传导，形成温度梯度，见图2 1 ，稳定运行后转子内外温 度趋于相近：停机时蒸汽温度下降，转子外表面处于冷却状态，形成与上面相反 的温度梯度。启停速度越快，温度梯度越大。 由金属弹塑性理论知道，零部件的热应力与内部温度梯度成正比，交变的温 度场势必引起交变的应力场，见图2 2 。其循环周期取决于机组启停或负荷变化 过程的时间，相对于振动等高周波机械应力，称为低周热应力。 启动前启动中 图2 - 1 稳定时停机中 温度场 图2 - 2应力场 当金属材料受到应力或应变的反复作用，使材料性能发生变化，以至出现裂 纹。由绪论中的介绍可知，转子的疲劳裂纹有一个形成和发展过程，并以寿命损 耗来衡量。致裂寿命即裂纹形成寿命是指转子从初次投运到出现第一条宏观裂纹 所能经历的应力或应变循环数。在出现裂纹的过程中，随着循环应变的不同，材 料会产生硬化或者软化的现象，主要表现为四种行为： 1 、循环硬化 循环硬化是指在恒定的应变循环下，循环试验所需的应力不断增加的现象。 材料的硬度增加，屈服点和抗拉强度也提高。循环硬化是材料晶体结构中原有的 和新生的晶粒位错交互作用的结果，在有规则的原子晶格中这种破坏是应力集中 所致，应力集中起着增加局部应力并超过剪切极限的作用。 2 、循环软化 循环软化是指在恒定的应变循环下，循环试验所需的应力不断降低的现象。 材料的硬度、屈服点和抗拉强度也都降低了。循环软化源于微裂纹的成核和萌生。 应变能的循环输入改变了晶格中热量和内表面的能量，这样位错就趋向于集中到 已经包含有一个或多个位错的平面内，不断输入循环，在这平面上就会聚集更多 的位错，促使在表面产生微观裂纹。 3 、循环稳定 这一阶段与微观裂纹的缓慢扩展相对应，约占疲劳寿命的7 0 以上。 4 、循环 i 丑! 化与软化兼有的混合型 在疲劳过程l ，金属利利被硬化或被软化的过札! 在仞始阶段发展很快，定 浙江人学坝1 学位论史 进程后就达到饱和，在总疲劳寿命的2 0 2 5 时达到稳定状态。经过循环稳 定阶段后若仍然不断的循环或继续输入应变能，将使微观裂纹邻近的晶体变形和 歪曲，最终引起裂纹增长，合并成一个张丌面，出现宏观裂纹，如果没有足够的 面积去支撑载荷则导致断裂。 对汽轮发电机组轴系来讲，引起疲劳的原因，从受力的角度分析，主要可以 归纳为三个方面：交变温度场引起的热疲劳；载荷应力与高温联合作用引起的蠕 变疲劳；外加交变应力或应变引起的机械疲劳。前面两种疲劳，特别是热疲劳是 本项目研究的重点。 疲劳裂纹容易产生的部位大致可以分为二类：第一类是区域温度变化剧烈或 几何尺寸突变，造成热应力集中的部位，如高压转子调节级后叶轮的根部，中压 转子第一级叶轮根部，高温端轴封弹性槽处等：第二类是转子制造时带有固有缺 陷的部位，如原有固有裂纹，非金属夹杂物等，这类缺陷通常存在于中心孔表面 或靠近中心孔的转子金属内部，在转子交变应力的作用下会较快的发展成疲劳裂 纹。在线应力监测及寿命管理系统由于是通过温度场的计算来间接推算应力场和 寿命损耗，因此主要是对第一类情况进行监测和显示，为了正确的评价中压缸启 动对转子寿命损耗的影响，必须合理的选择应力监测位置。对第二类情况应该通 过y 射线、超声波等物理探伤手段在停机时检查。 目前所谓的寿命损耗或寿命管理是以致裂寿命为基础的。一台运行多年的汽 轮机根据已经历的应力或应变的循环数可以计算出寿命积累损耗。对于没有在线 寿命损耗监测的机组，只能根据以往启停记录和每次估计的寿命损耗率进行计 算。当建立了在线应力与寿命管理系统以后，可以自动进行计算和累加。 二、影响疲劳的因素 影响疲劳特性的因素很多也很复杂。在了解了疲劳形成机理以后，我们将从 材料因素、应力因素和结构尺寸因素等多方面多角度来解析影响疲劳形成的原 因。分析众多的影响因素，有利于计算者在计算疲劳寿命时面对取得的大量数据 作出快速判断，而不被复杂情况和无效数据所困惑。 在疲劳形成的过程中，循环稳定形式占了疲劳寿命的7 0 以上，因此在分 折时主要考虑的是影响转子长寿命区域的因素。 浙江人学坝f j 学位论义 i 、材料因素“1 影1 柏转予疲劳特性的主要因素有化学成分、加工和缺陷。化学成分限制各种 热及机械加工所能达到的强度和韧度，直接影响材料的疲劳特性。不同材料化学 成分不同，原一j ，问结合力的性质及强度不同，疲劳强度系数和疲劳韧度系数的可 能范围就有很大的变化，这些都反映在疲劳特征曲线上有所不同。 某一特殊加工所引起的硬度及极限强度变化通常能指示疲劳特性变化的方 向及其大致的变化量。冶金学理论指出：材料微观处于不同的结构( 铁索体、马 氏体、奥氏体、珠光体等等) 决定了其性质是不相同的，而且，经不同的热处理( 淬 火、退火、氮化、渗碳等等) 材料的性质也会变化。因此，当工程构件的微观结 构和热处理方法与试件不同时，就有必要对其进行修正而引入一系数。只有在同 质、同材、同工艺的条件下，才可直接应用试件的试验结果。 材料总有某些不反映于通常总体机械特性的表征即缺陷，它对疲劳抗力有很 大的影响。缺陷的大小、形状、数量、位置、方向等往往影响着材料微观疲劳裂 纹的成核和萌生，对疲劳的影响可以从“无效应”发展到“失效的主要原因”。 对于转子，因为表面受环境影响最大，表面的缺陷对于决定疲劳行为具有极大的 重要性，因此常常采用多类表面处理方法修补缺陷，并在表面留下有益的残余应 力。但是修补是有限的，材料的缺陷总是不可避免，只能随着技术的提高减少缺 陷，而不能完全消灭缺陷。因此如何减轻缺陷程度，减小缺陷带给材料总体特性 的影响，是在加工和制造等多领域共同面临的问题。 2 、应力因素 零平均应力下的对称循环与存在平均应力时的对称循环过程相比较，即使其 应力幅度相同，对材料损伤的影响也是不同的。有专家证实随平均应力的增加， 达到破坏所必须的应力幅将下降。但是平均应力只影响弹性应变分量，塑性应变 越大，平均应力对寿命的影响越小。由于低周疲劳是峰值应力超过屈服后的塑性 应变疲劳，同时这里的平均应力又较小，为简化计算，数学模型中忽略了非对称 受力循环的寿命修正。 残余应力是由于物体的不配合产生的，或者是不均匀的塑性形变如喷丸，或 者是冶金学的转化如感应淬火，或者是机械不配合如缸套。宏观残余应力在大容 积内得到平衡，在具休一点可能是张力或压力。刺于材秘l 疲劳行为的效应与用机 浙江人学 ! j 卜学位论文 械方法施加1 的同等量的静应力干似。因此，重要的残余应力如果是压应力，则是 仃益的，盘果是拉应力，则是有害的。在接近疲劳极限时，残余应力实际j ：不凶 疲劳载荷l 丽发生变化：在应力大于疲劳极限时，残余应力可能随疲劳过程而缓解： 当施加的应力很大时，疲劳寿命很少受原始残余应力的影响。 3 、结构尺寸因素 结构尺寸是指影响疲劳的机组的几何表征，包括总体尺寸、形状等。由于功 能和工艺的要求，尖角、孔、键槽、螺纹等结构将造成高的局部应力而产生应力 集中效应，所以，应力和应变集中乃是客观存在的物理现象。 三、寿命计算方法 根据一次应力或应变循环幅值确定其相应寿命损耗率，也是个十分复杂的 问题，无论在理论方面还是实验方面虽然取得了一定的成果，但仍需不断的发展 和完善。 1 、l a n g e r 式和相关的修正公式 最基本的金属材料疲劳寿命与应力的关系式可由l a n g e r 式表示： ：=ec(7ai 十盯。 ( 2 1 1 ) 。丽十盯” o2 1 _ 1 式中：盯n 一计算点的显示应力，m p a e 一材料的弹性模量，m p a ； n 一致裂周次； 仃一材料的疲劳强度极限值，m p a c 一材料的延性常数，c = 1 2i n t l i 妒为材料的断面收缩系数) 一材料常数； 妒与温度及材料有关，对于转子钢可取为0 6 ：疲劳极限盯“为当 致裂循环周次为1 0 6 时的应力值，列于前苏联b 。钢及国产3 0 c r m o v 钢 可取为15 0 1 8 0 m p a ：材料常数m ，m a n n 建议墩为0 5 。上式中计算 一 塑坚叁兰! 一11 ：! 兰兰堡兰一 一一 点的示应力o - 1 可山l - a i - t 一算： 口。= k ，0 - 。 ( 21 2 ) 珊r 旷h 掣+ 掣 弘畿古 上三式中盯。、盯。一分别为循环中的最大及最小应力； e 、e ：- - # 另, i n 盯n a x 及。m m 应力下工作温度的弹性模量 k s 一应变集中系数； k , l ，一理论热应力集中系数； 盯一屈服极限。 由此，可将式( 2 i 1 ) 化为下列形式： i _ e 1 n 上 4i 一 仃。一仃。 ( 2 1 3 ) 从理论上讲，上述l a n g e r 公式只适用于亚蠕变温度( 3 5 0 。c ) 区，而且在 高于蠕变温度下会有较大的误差，因此m a n s o n 和c o f f i n 引入工作温度、硬度系 数及塑性应变的影响，提出了通用斜率式，包括弹性应变范围与致裂周次、塑性 应变范围与致裂周次，其表达式为： 占，= 占。+ s 。 ( 2 1 4 ) 其中 s ，= c ，n 。” 。= c 。n 。一。 卜三式巾5 ，一总应变范田： 5 一一塑一日：应变 g i b ： 。一弹一h - 应变范： ! ! ! ! 坚苎兰塑! 兰! ! ! ! 兰 口一g ：卜簪系数，是l 一s o n m il ie l 一参数的函数，刘j ：低碳钏，m a n s o n 扪l ( ：( ) | fin 等人建议取口= 0j ( 1 6 ：d 2 n “ ，1 1 为材和1 1 7 门加j 硬化系数， 州取0 1 2 0 2 ； c 一张c 广 1 1 1 ( 【1 6 ： ( 1 ，一弹性应变系数，c ，= ( 2 3 5 ) 詈t 。一为材料的抗拉强度。 在高温时，n 及c 。均取较小数值，代入各常数，上式可合并为： 崛= 1 n ( 剖”町。坤以s ，爷” c z ， 考虑应力保持h , t l 司和蠕变一疲劳交互作用的影响，c o f f i n 提了频率修正式： r = 占，+ ，= a n 。矿6 + b n 。y “ ( 2 1 6 ) 式中v 一应力交变频率，次m i n ，a 、b 、a 、b 、c 、d 为材料常数。在核 算转子的寿命损耗时，西屋文献中将应力交变频率v 取为1 1 4 4 0 周分，即应力 交变周期取为2 4 h ，冷态启动使用的是通用斜率式，热态启动使用的是频率修正 式。 2 、金属材料疲劳特性试验曲线 转子疲劳特性曲线是表示转子钢的全应变与致裂周次之间的关系曲线，通过 此曲线即可得到低周疲劳损耗。最基本的低周疲劳曲线一般用试棒在恒温及恒应 变下，通过对称拉压试验作出的，未考虑载荷不对称性和因长期运行引起的蠕变 与松弛。低周疲劳曲线总应变幅，与失效循环数n ，的关系，按m o r r o w 公式，方 程分解为弹性、塑性应变幅与失效循环数之关系两部分，其函数关系为( 以 3 0 c r 2 m o v 试验系数为侧) ： 铲旷鼍( 2 n 心，) ( 2 1 7 ) 式, t l ：，真实循环稳定总应变幅( = a f 2 ) ； s ，桶j 、稳定弹陀应变i i 研( 2 ( 2 ，) 6 ) 浙江人学坝i j 学位论史 5 r 一循环稳定塑性应变幅( 2 j ( 2 n ，) ) 一j ( k 。) 一疲劳强度系数( 睾0 0 0 0 4 0 4 ) ； b 一疲劳强度指数( b = 一0 0 9 0 2 ) ； ，一疲劳塑性系数( ，= 1 1 3 1 1 ) ： c ( n ) 一疲劳塑性指数( c = 一0 8 1 3 1 ) ： 吒一真实循环稳定应力幅( = k ( 2 ，) 6 = 盯( 2 n ) 。 通过一组试样的盯。、s 。、n ，相关试验后，用最小二乘法拟合，求得循 环应变疲劳四个基本参数玎j 、b 、占j 、c ，从而得疲劳寿命曲线。 g e ca l s t h o m 机组高压转予钢的材料b 1 2 n s 与前苏联的只。钢系同类型钢 种，化学成份对照表见表2 1 ，两者化学成份、机械性能基本相近。只。转子钢 恒温下拉压疲劳试验曲线如图2 3 所示，图中的坐标以对数坐标表示，横坐标 表示致裂周次，纵坐标表示全应变，此特性曲线的失效裂纹深度a 曲线为 0 1 m m ，b 曲线为0 3 m m ，c 为0 5 m m 。应变幅与循环周次的关系如表2 - - 2 。 表2 1b 1 2 n s 与p ：钢化学成分比较 化学成分cm ns ic rn i vm os pc u b 1 2 n s02 3 一o3 5 03 51 0 l5o 4 080 2 5 0 3 510l3o 0 2o0 2 o3 30 8 5 p ：m 钢o2 6o 5 10 2 91 7 5o2 1o 2 80 9 4o0 1 2o0 1 30 1 4 表2 2p 。，转子钢应变幅与循环周次的关系( 5 0 0 ) 【循环周次1 0 21 0 - 2 1 0 5 l o 1 0 42 1 0 45 1 0 41 0 。 l 应变幅，2 130 4 40 2 601 501 2 5o1 1 5o1 0 501 i 1 t 图2 3只。转子钢疲劳特性曲线 5 0 0 * c 时最。，转子钢寿命曲线解析式 n ：e m ( 2 1 8 ) 其中： ，( ) 2 q - a l g + d 2 ，+ _ + 口， n ：0 ，1 ，4 5 2 s ，2 上式中的a 。( n = 0 ，1 ，4 ) 由应变范围决定，具体数值如表2 3 所示。 表2 3 应变范围 1 6 5 0 2 6 2o 2 6 2 0 1 3 3o 1 3 3 t 0 1 1 1 l01 1 1 1 0 0 9 7 6 s 2 a o = 8 7 5 0 1 8a o = 1 9 1 1 3 6 3a o = 1 2 2 5 9 1 3a o = 1 2 6 3 6 4 4 a ，= 一41 3 2 7 7 8a ，= 一7 1 6 2 8 0 1 a l = 7 4 2 7 4 7 5 a = 一1 6 7 9 8 3 9 系数a ，= - 23 4 8 1 4 3a = - 6 0 0 3 4 8 1a ，= - 9 8 2 8 9 1 1a ，= 2 5 53 1 0 4 a ，= 58 1 8 6 7 4a ，= 5 8 7 3 6 2a ，= 一2 3 8 2 9 7 4a ，= 4 2 5 0 9 3 1 a 。= 一2 2 0 9 6 8 2a 4 = - 1 2 1 3 3 1 5 a 4 = 3 1 4 5 3 8 4 “。= 6 4 6 5 5 0 1 瘦0 。棼 。 浙江j 、学坝l 学位论文 t 0 0 。c 吲b 。转于俐寿命瑚l 线解析式也采用( 2 1 8 ) 式，但系数( ，。f i j 取值有所不 同如表2 4 所示。 表2 4 席变范阳 1 0 5 0 3 4o3 4 0 1 9 50 1 9 5 0 1 5 5o 1 5 5 01 3 0 4 t x a 2 a o = 1 2 7 3 1 4 2“o = 1 4 6 3 9 4 5o o = 1 5 8 7 2 9 84 0 = 3 5 7 3 8 0 1 日= 一2 1 6 8 8 6 7口，= - 3 0 7 4 4 5 7d ，= 23 9 5 6 8 3a = 一1 9 6 4 2 2 6 系数 d ，= 3 3 9 5 6 4 9d ，= 2 9 8 4 1 9 5d 、= - 4 0 7 8 1 0 4a ，= - 4 8 9 1 2 1 7 口，= 一2 8 3 4 2 9 7a ，= 1 6 7 4 7 9 9，= 1 2 2 3 2 4 5a ，= 4 6 8 86 1 3 a 。= 9 3 8 4 4 3 6 上述疲劳曲线是在恒温、对称受压下试验作出的，往复次数1 0 ；：将曲线 延伸到1 0 6 往复次数时，已考虑到应力幅在温度t 下材料高周疲劳强度与持久 强度，取两者中的较小值m i n 盯州盯一) ，其中d r 一】= 0 4 0 r 。( 仃。为t 的拉伸 强度) 。为确保安全起见，对代表性平均试验数据，记及安全系数，按失效周次 取h = 5 ，按应变幅取= 1 5 ，疲劳寿命取两者中较小者m i n 鲁；：) 。 应变疲劳损伤随循环周次的增加按m i n e r 疲劳损伤线性法则累积： 喜寿锄 亿， 式中：_ 一转子材料在循环应力幅盯，或应变幅5 ，作用下的实际循环数； ，一在循环应力幅o l 或应变幅作用下的材料失效循环数： 一疲劳寿命损耗的份额，按机组的负荷大小不同，一般为，= o 7 5 o 8 。 3 、蠕变寿命损耗的计算及线性积累法则 蠕变现象利所受应力的大小、作用时间和温度有关。汽轮机在稳定工况运行 r t ，转了二的w 。 差基本消失，热应力趋于零，只剩下离一b j j ) 行5 1 起的切向拉应力。 铷i 江人学埘卜芋n 沦义 又因为会楦的蠕变速度是应力并温度的函数，所以转子的最大蠕变区是在金属温 度最高区域，如高压调节级、1 1 - 压第一级巾，l l , 孔附近。 蠕变一般经历三个阶段，第一阶段是蠕变的二m 稳定阶段，这阶段蠕变速度很 大，并随时间的增长而逐渐降低；第二阶段是蠕变的稳定阶段，这阶段材料以恒 定的蠕变速度变形：第三阶段即蠕变的最后阶段，这阶段中蠕变速度增大，直到 材料发生断裂。一般把蠕变第一阶段、第二阶段( 即蠕变速度减速和等速阶段) 时间之和r 定义为蠕变寿命。试验表明，随着温度和应力不同，其蠕变寿命也不 等。若温度一定，蠕变寿命随应力增加而缩短，反之，应力一定，蠕变寿命随温 度升高而减小。图2 4 为c r m o v 转子钢材的蠕变寿命曲线，根据应力和工作温 度便可从图中查得蠕变寿命f 。 ；5 0 0 量4 0 0 23 0 0 一2 0 0 o 一嫩；，e = = = 一n 一、 l = ：= ： 、5 1 0 _ r 。 。 = = 鐾暇= = i - 、 - 、 誓5 4 “0 u ；= 、 5 5 0 卜 、 、 喜等 式中，i l ，2 ，3 ，g 表示该汽轮机在服役期内可能的稳定工况种类。 上式中：，一第i 工况温度和应力口，下的运行时问： 丁：一第i 工况温度和应力盯，下的材料蠕变破坏时间。 浙江人学坝i 学位论丈 7 j 的确定山l a r s o n m i l e r 参数尸计算： p = ( f + 2 7 3 ) ( 2 0 + l o g t , ) ( 2 1 1 1 ) 式中：f 一运行温度，； 对于c r m o v 转子钢，对应一定的蠕变断裂应力“，l a r s o n m i n e r 参数p 与维氏硬度存在以下关系： p = 爿p ，) 日矿+ 口p ，) ( 2 1 1 2 ) 式中：a 向? ) 和8 佑i ) 与直力o t 及槠料性质奄关， 根据预测的材料硬度及特性、应力等，可以计算p ，再根据温度 ，可以求 出蠕变断裂时间r ，然后求出蠕变寿命损耗。实际监测时，可分段统计计算。 4 、疲劳一蠕变寿命损耗线性积累法则 汽轮机启停和稳定运行时，转子经受暂态疲劳和稳态蠕变。蠕变是取决于 时间，疲劳则决定于应力循环，两者机理完全不同，具有彼此无关的强度，但是， 般的高温强度特性不能这样截然的分为决定于时间和决定于循环这两种特性， 蠕变和疲劳相关的强度和寿命，必须根据按某种观点将两种特性结合起来的理论 进行计算。汽轮机在运行时，同时受到疲劳和蠕变的作用，但在不同的温度与应 力阶段，两者的影响是不一样的，而且最大损耗部位在转子上往往也不同，因此 完善的考虑疲劳一蠕变对转子寿命的综合效应，有许多问题尚处于研究中。 目前实际应用较普遍的是m i n e rr o b i n s o n 法则，它不考虑两种损伤性质的 区别以及疲劳和蠕变的相互作用，也不计各段应变或温度的前后作用次序，以线 性形式加以累计，即总的损耗为： ”沪喜寺+ 嘉等 矿，+ 妒。= 号+ 卢i o ，刮17 如果两者的寿命损耗率之和达到1 0 0 ，则认为转子钢材的无裂纹寿命已经耗 尽，转子表面( 或应力集中处) 有可能出现宏观裂纹，应引起重视并在检修时作 仔细观察。 浙江人学坝i 学位论文 第二节有限元计算的离线辅助 人型汽轮机组转予是机组工作环境最恶劣的部件，般列汽轮机组寿命的评 估 三要针列转f 的寿命。变工况下转子寿命估计，首先要确定危险截面，对该截 面上温度场和应力场进行计算，以确定各种变工况下危险截面的热应力和应变幅 值，然后按低周疲劳曲线计算转子寿命损耗。求解温度场及应力场问题的理论计 算通常有两种方法。 一类是利用有限单元法。把复杂的转子结构离散化，建立转子的二维几何模 型，确定边界条件、初始条件以后，再根据加载要求，用一系列代数方程代替微 分方程，并将介质对转子表面的放热系数及转子金属的特性参数作为变数处理， 求取不同蒸汽温升率下转子的温度场、应力场，进行计算不同工况下的应力危险 点及寿命损耗率。这种方法在计算结构及边界条件的处理上较为完善，但是由于 计算周期长，中间人为干预的因素多，适宜于离线计算与分析，不适宜对转子进 行在线跟踪计算。 另一类是适合转子应力及寿命的在线计算方法。为了兼顾计算的快速性与准 确性，需要对模型及计算方法加以适当简化。首先要根据转子结构、热力学参数 变化的特性及受力分析确定转子在运行中最危险的截面，也就是最容易产生裂纹 的部位。然后根据选定的热边界条件，利用一维差分法进行计算。计算中将转子 看作无限长的一维模型，根据一维不稳定导热微分方程求得温度分布，再由体积 平均温差计算转子内外表面的热应力。这是一种简便易行的方法，将其计算结果 进行修正后，可以得到工程上所需要的精度，同时还能满足汽轮机转子应力及寿 命实时监测和管理的需要。 有限单元法起源于结构分析，在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有 的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。第二种方法引 入了简化假设，求得问题在简化状态的近似解。由于转子危险截面的确定关系着 在线寿命管理系统计算的根本，同时也为了求得较精确的计算结果，合理判断寿 命消耗趋势，系统研制结合了以上两种方法，有限单元法用在离线分析部分，主 要用来确定转子危险截面，辅助在线系统的计算。 祚：实际应川有限单元法时，常常借助a n s y s 大型结构有限元分析软件，利 用数学近似n j 方法对真实物理系统进行模拟，并利用有限数量的未知量去逼近无 浙江人学坝i 学位论殳 限未知量的真实系统。为了更好的说叫仃限单元法在离线分析中的作用，水节以 嘉兴发f n i 号机转子模型为例，分析过程如下。 、计算模型的确立 有限元模型是真