（热能工程专业论文）大型汽轮机转子脆性损伤的研究.pdf

摘要 本文针对汽轮机转子的脆化现象，运用有限元方法对引进型 3 0 0 m w汽轮机冷态启动过程的高中压转子瞬态温度场进行了分析计算。计算结果表明，冷态启动过程中，汽轮机中压转子末级中心孔部位在启动冲转 6 0分钟定速后，其温度只有 9 0 c左右，远低于f a t t 值。得出了中压转子末级为冷态启动过程中预防脆性损伤的重点关注部位的结论。并提出了合理安排启动运行方式和升速方式，提高转子金属温度等预防转子脆性损伤的建议和措施。讨论了在脆化影响下的转子残余寿命的估算方法。从脆化机理、表象以及检测方法方面做了系统分析。最后应用电化学的方法对转子材料进行了脆化检测实验的设计和开发并进行了分析计算。关键词: 汽轮机转子，热脆性，脆性转变温度，瞬态温度场 abs tract a s t h e r e s u l t o f t h e d e v e l o p m e n t o f s t e a m t u r b i n e s h i g h p a r a m e t e r a n d h u g e c a p a c i t y , w em u s t p a y a t t e n t i o n t o s e c u r i t y a n d e c o n o m y o f t h e e q u i p m e n t . t h e r e s e a r c h o n b r i tt l e n e s sd a m a g e o f s t e a m t u r b i n e r o t o r s i s n e c e s s a r y , a n d o n e o f t h e i m p o r t a n t p u r p o s e o f s t e a mt u r b i n e o p e r a t i o n i s t o a v o i d b r i tt l e n e s s d a m a g e . t o t h e e m b r i t t l e m e n t p h e n o m e n o n o f s t e a m t u r b i n e r o t o r , t h i s t h e s i s c a l c u l a t e d s t e a mt u r b i n e r o t o r s t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e fi e l d o f c o l d s t a rt - u p u s i n g f e a m e t h o d . t h r o u g h t h ea n a l y s i s o n b r i t t l e n e s s d a m a g e t h i s t h e s i s b r i n g f o r w a r d s o m e s u g g e s t i o n s a n d m e a s u r e s o nt h e m o d e o f o p e r a t i o n a n d r i s i n g o f r o t a t e s p e e d , i n c r e a s e o f r o t o r s t e m p e r a t u r e a n dp r e v e n t i n g r o t o r s b r i tt l e n e s s d a m a g e . a r e s i d u a l l i f e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f a s s e s s i n gd e t e r i o r a t e d r o t o r h a s b e e n p r o p o s e d . t h e m e c h a n i s m a n d p h e n o m e n o n o f e m b r i tt le m e n t a n dm e t h o d o f d i a g n o s e s h as b e e n s y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d . a t l a s t e x p e r i m e n t a t i o n o fd i a g n o s e s w a s d e s i g n e d b y t h e m e t h o d o f e l e c t r o c h e m i s t ry .q u z u o p e n g ( p o w e r p l a n t t h e r ma l p o w e r e n g i n e e r i n g )d i r e c t e d b y p r o f . l i u z o n g d e a n d p r o f . a n j i a n g y i n gk e y wor d s : s t e a m t u r b i n e r o t o r , t e m p e r e m b r i tt l e me n t , f a t t , t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e 摘要 本文针对汽轮机转子的脆化现象，运用有限元方法对引进型 3 0 0 m w汽轮机冷态启动过程的高中压转子瞬态温度场进行了分析计算。计算结果表明，冷态启动过程中，汽轮机中压转子末级中心孔部位在启动冲转 6 0分钟定速后，其温度只有 9 0 c左右，远低于f a t t 值。得出了中压转子末级为冷态启动过程中预防脆性损伤的重点关注部位的结论。并提出了合理安排启动运行方式和升速方式，提高转子金属温度等预防转子脆性损伤的建议和措施。讨论了在脆化影响下的转子残余寿命的估算方法。从脆化机理、表象以及检测方法方面做了系统分析。最后应用电化学的方法对转子材料进行了脆化检测实验的设计和开发并进行了分析计算。关键词: 汽轮机转子，热脆性，脆性转变温度，瞬态温度场 abs tract a s t h e r e s u l t o f t h e d e v e l o p m e n t o f s t e a m t u r b i n e s h i g h p a r a m e t e r a n d h u g e c a p a c i t y , w em u s t p a y a t t e n t i o n t o s e c u r i t y a n d e c o n o m y o f t h e e q u i p m e n t . t h e r e s e a r c h o n b r i tt l e n e s sd a m a g e o f s t e a m t u r b i n e r o t o r s i s n e c e s s a r y , a n d o n e o f t h e i m p o r t a n t p u r p o s e o f s t e a mt u r b i n e o p e r a t i o n i s t o a v o i d b r i tt l e n e s s d a m a g e . t o t h e e m b r i t t l e m e n t p h e n o m e n o n o f s t e a m t u r b i n e r o t o r , t h i s t h e s i s c a l c u l a t e d s t e a mt u r b i n e r o t o r s t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e fi e l d o f c o l d s t a rt - u p u s i n g f e a m e t h o d . t h r o u g h t h ea n a l y s i s o n b r i t t l e n e s s d a m a g e t h i s t h e s i s b r i n g f o r w a r d s o m e s u g g e s t i o n s a n d m e a s u r e s o nt h e m o d e o f o p e r a t i o n a n d r i s i n g o f r o t a t e s p e e d , i n c r e a s e o f r o t o r s t e m p e r a t u r e a n dp r e v e n t i n g r o t o r s b r i tt l e n e s s d a m a g e . a r e s i d u a l l i f e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f a s s e s s i n gd e t e r i o r a t e d r o t o r h a s b e e n p r o p o s e d . t h e m e c h a n i s m a n d p h e n o m e n o n o f e m b r i tt le m e n t a n dm e t h o d o f d i a g n o s e s h as b e e n s y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d . a t l a s t e x p e r i m e n t a t i o n o fd i a g n o s e s w a s d e s i g n e d b y t h e m e t h o d o f e l e c t r o c h e m i s t ry .q u z u o p e n g ( p o w e r p l a n t t h e r ma l p o w e r e n g i n e e r i n g )d i r e c t e d b y p r o f . l i u z o n g d e a n d p r o f . a n j i a n g y i n gk e y wor d s : s t e a m t u r b i n e r o t o r , t e m p e r e m b r i tt l e me n t , f a t t , t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e侧丝 o口声 刀h 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 大型汽轮机转子脆性损伤的研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:烫 辱 业 - - 日期:补。 全 七士关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印 件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同 意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。作者签名: - j, s导师签名:l t z_日期:沙兮弓 仁 兮日期:华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文第一章 绪论1 . 1引言 金属材料在温度降低时，由韧性状态转变为脆性状态的温度称为脆性转变温度或称为韧性一脆性转变温度。在脆性转变温度以上，金属材料处于韧性状态，断裂形式主要是韧性断裂;在脆性转变温度以下，材料处于脆性状态，断裂形式主要为脆性断裂 如解理断裂) 。脆性转变温度会随运行时间的延长而升高。近年来，脆性转变温度以及脆性转变温度的增量己构成高温构件材料性能的重要考核指标 ， 。 在电力生产中，汽轮机转子的尺寸随着单机容量的增大不断增大，因此转子的脆性损伤问题，己愈来愈引起人们的重视。为了确保电力生产安全、经济的运行，预测并在运行中合理分配和延长老机组的服役寿命，必须对汽轮机转子的脆性及其相关问题做系统深入的研究。金属材料发生脆性破坏很大程度上取决于金属材料的脆性转变温度。 工程应用上把断口形貌中韧性和脆性面积各占5 0 %时所对应的试验温度称为断口 形貌的断口 转变温度 f a t t 50 ( f r a c t u r e a p p e a r a n c e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e以下均简写为 f a t t ) 。因而对汽轮机转子材料脆化程度的判定关键取决于对f a t t 的确定。然而，由于技术或经济上的一些原因，很多评估f a t t的技术难以在实际工程中得到应用 ， 在很大程度上影响了机组寿命的预测， 给安全经济运行带来很多问题。因此，如何在现有技术条件下实现对汽轮机转子 f a t t精确且无损的评估，提高各电力生产企业运行的安全性和经济性，是电力工业中备受关注也是鱼待解决的重要问题。 无损检测技术正是解决f a t t 测量问题最有效的方法之一，也是今后f a t t 检测技术的主要发展方向之一2 。然而，金属材料的脆性转变温度不仅与材料的化学成份有关， 而且与材料的冶炼、 锻造、热处理工艺有关，即使同一材质的汽轮机转子，由于制造工艺以及热处理上的差异，转变温度也有明显的差别。因此，如何根据转子材料实际的服役时间和工作环境制定出合理可行的检测的具体方案，进行理论和实验方面的探讨是目 前测定f a t t 的研究重点。 我国七十、八十年代投产的火电机组大多数累计运行时间都已超过十万小时，在长期高温环境下运行，汽轮机转子材料 ( c r - m o - v钢)出现回火脆化现象，使得转子 材料在一定的 温度区间内， 断 裂韧性 k ,c 值急 剧下降， 严重影响了 机组的 安全. 运行。汽轮机转子材料出现回火脆化对于安全性的影响主要体现在几个方面: ( 1 )在运行过程中一些汽轮机的低压缸转子末级的工作温度在f a t t以下， 转子材料的 k ic 数值降 低，容易发生脆断。 但由 于正常运行中载荷状况稳定， 加之低压转子本身工作应力较小， 在没有较大冲击载荷作用( 如突然甩负荷、 超速试验等) 时，华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文第一章 绪论1 . 1引言 金属材料在温度降低时，由韧性状态转变为脆性状态的温度称为脆性转变温度或称为韧性一脆性转变温度。在脆性转变温度以上，金属材料处于韧性状态，断裂形式主要是韧性断裂;在脆性转变温度以下，材料处于脆性状态，断裂形式主要为脆性断裂 如解理断裂) 。脆性转变温度会随运行时间的延长而升高。近年来，脆性转变温度以及脆性转变温度的增量己构成高温构件材料性能的重要考核指标 ， 。 在电力生产中，汽轮机转子的尺寸随着单机容量的增大不断增大，因此转子的脆性损伤问题，己愈来愈引起人们的重视。为了确保电力生产安全、经济的运行，预测并在运行中合理分配和延长老机组的服役寿命，必须对汽轮机转子的脆性及其相关问题做系统深入的研究。金属材料发生脆性破坏很大程度上取决于金属材料的脆性转变温度。 工程应用上把断口形貌中韧性和脆性面积各占5 0 %时所对应的试验温度称为断口 形貌的断口 转变温度 f a t t 50 ( f r a c t u r e a p p e a r a n c e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e以下均简写为 f a t t ) 。因而对汽轮机转子材料脆化程度的判定关键取决于对f a t t 的确定。然而，由于技术或经济上的一些原因，很多评估f a t t的技术难以在实际工程中得到应用 ， 在很大程度上影响了机组寿命的预测， 给安全经济运行带来很多问题。因此，如何在现有技术条件下实现对汽轮机转子 f a t t精确且无损的评估，提高各电力生产企业运行的安全性和经济性，是电力工业中备受关注也是鱼待解决的重要问题。 无损检测技术正是解决f a t t 测量问题最有效的方法之一，也是今后f a t t 检测技术的主要发展方向之一2 。然而，金属材料的脆性转变温度不仅与材料的化学成份有关， 而且与材料的冶炼、 锻造、热处理工艺有关，即使同一材质的汽轮机转子，由于制造工艺以及热处理上的差异，转变温度也有明显的差别。因此，如何根据转子材料实际的服役时间和工作环境制定出合理可行的检测的具体方案，进行理论和实验方面的探讨是目 前测定f a t t 的研究重点。 我国七十、八十年代投产的火电机组大多数累计运行时间都已超过十万小时，在长期高温环境下运行，汽轮机转子材料 ( c r - m o - v钢)出现回火脆化现象，使得转子 材料在一定的 温度区间内， 断 裂韧性 k ,c 值急 剧下降， 严重影响了 机组的 安全. 运行。汽轮机转子材料出现回火脆化对于安全性的影响主要体现在几个方面: ( 1 )在运行过程中一些汽轮机的低压缸转子末级的工作温度在f a t t以下， 转子材料的 k ic 数值降 低，容易发生脆断。 但由 于正常运行中载荷状况稳定， 加之低压转子本身工作应力较小， 在没有较大冲击载荷作用( 如突然甩负荷、 超速试验等) 时，华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文高、中压以 及低压转子发生脆断的可能性相对较小3 ， 。 ( z )在机组启动时，尤其是冷态启动过程，就目前转子的缺陷状况按照传统的方法，如果中速暖机不好，转子温度没有达到f a t t 值，再加之升速率过大时( 尤其是过临界转速时) ，脆性损伤随时都会发生4 。 ( 3 )机组在超速实验过程中也很容易造成脆性损伤5 ， 。 大型汽轮发电机组转子脆性损伤事故，在国外曾多次发生。尤其是在老机组的冷态启动和超速试验时，由于老机组的转子材料已经发生脆化，预防其脆性破坏更需引起人们的高度重视。而评价转子能否发生脆性破坏的标准是金属材料的f a t t ,确切的知道高温时效后材料的 f a t t的变化量f a t t是保证机组启动、运行安全性的关键所在。 f a t t 的重要性不仅在于明确的提出材料的韧脆转变温度， 对电厂的安全经济运行起到指导性作用，作为判定转子质量的参数，它往往反映了常规检测手段所检测不出的转子内在质量问题。f a t t 受转子锻件的化学成分、微量元素、冶炼工艺、锻造工艺、热处理工艺、金相组织等各种因素的变化而变化。任何一个热加工环节上的失误都会导致 f a t t的明显变化，因而它是帮助我们分析、判断转子锻件工艺水平和质量水平的有力工具。随着断裂力学的发展，人们又发现 f a t t是与断裂韧性k jc 有关的一个重要参数， 在 f a t t附近时材料的凡 。 值随温度的变化而急剧变化，低于f a t t 时砚值显 著下降 而转子临 界裂纹尺寸a 。 正比 于气 的 平方， k ic 的 取值对a 。 的 影响比 较 大6 1 。 因 此， 为了 杜 绝隐 患， 要求 转 子不 但应满 足 无损 探 伤、 理 化检验、和常规力学性能的相关测试项目，还要求转子有足够的断裂韧性，其运行温度应高于转子材料的 f a t t .综上所属，f a t t的研究无论在理论方面还是实际应用方面都用很大价值。 解决金属材料 f a t t测量的传统方法是夏比 v型缺口冲击实验，用一组夏比 v型冲击试样，在不同的温度下实验后， 求出断口形貌脆、韧性区各占5 0 %的温度即为材料的 f a t t 。而对于f a t t的测量即为高温时效后材料的 f a t t与新材料 f a t t的差值。 因此 f a t t 不仅与转子材料本身的特性 ( 化学成分、 热处理工艺等) 有关，而且与转子材料工作环境的温度和时间有关。然而，一般来说，由于这种方法具有破坏性，很难保证被测对象的完整性，有时甚至无法取样，这种测试方法在实际中很难得到应用。因此，有必要寻求一种间接的、无损的检测的思路，即利用材料的其他的一些特性参数建立起其与 f a t t之间的联系，通过无损的测量这些其他参数间接的反映出f a t t 值的大小。1 . 2课题研究的发展与现状早在五六十年代，国内外对体心立方或六方晶格的金属材料所做的大量冲击试华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文高、中压以 及低压转子发生脆断的可能性相对较小3 ， 。 ( z )在机组启动时，尤其是冷态启动过程，就目前转子的缺陷状况按照传统的方法，如果中速暖机不好，转子温度没有达到f a t t 值，再加之升速率过大时( 尤其是过临界转速时) ，脆性损伤随时都会发生4 。 ( 3 )机组在超速实验过程中也很容易造成脆性损伤5 ， 。 大型汽轮发电机组转子脆性损伤事故，在国外曾多次发生。尤其是在老机组的冷态启动和超速试验时，由于老机组的转子材料已经发生脆化，预防其脆性破坏更需引起人们的高度重视。而评价转子能否发生脆性破坏的标准是金属材料的f a t t ,确切的知道高温时效后材料的 f a t t的变化量f a t t是保证机组启动、运行安全性的关键所在。 f a t t 的重要性不仅在于明确的提出材料的韧脆转变温度， 对电厂的安全经济运行起到指导性作用，作为判定转子质量的参数，它往往反映了常规检测手段所检测不出的转子内在质量问题。f a t t 受转子锻件的化学成分、微量元素、冶炼工艺、锻造工艺、热处理工艺、金相组织等各种因素的变化而变化。任何一个热加工环节上的失误都会导致 f a t t的明显变化，因而它是帮助我们分析、判断转子锻件工艺水平和质量水平的有力工具。随着断裂力学的发展，人们又发现 f a t t是与断裂韧性k jc 有关的一个重要参数， 在 f a t t附近时材料的凡 。 值随温度的变化而急剧变化，低于f a t t 时砚值显 著下降 而转子临 界裂纹尺寸a 。 正比 于气 的 平方， k ic 的 取值对a 。 的 影响比 较 大6 1 。 因 此， 为了 杜 绝隐 患， 要求 转 子不 但应满 足 无损 探 伤、 理 化检验、和常规力学性能的相关测试项目，还要求转子有足够的断裂韧性，其运行温度应高于转子材料的 f a t t .综上所属，f a t t的研究无论在理论方面还是实际应用方面都用很大价值。 解决金属材料 f a t t测量的传统方法是夏比 v型缺口冲击实验，用一组夏比 v型冲击试样，在不同的温度下实验后， 求出断口形貌脆、韧性区各占5 0 %的温度即为材料的 f a t t 。而对于f a t t的测量即为高温时效后材料的 f a t t与新材料 f a t t的差值。 因此 f a t t 不仅与转子材料本身的特性 ( 化学成分、 热处理工艺等) 有关，而且与转子材料工作环境的温度和时间有关。然而，一般来说，由于这种方法具有破坏性，很难保证被测对象的完整性，有时甚至无法取样，这种测试方法在实际中很难得到应用。因此，有必要寻求一种间接的、无损的检测的思路，即利用材料的其他的一些特性参数建立起其与 f a t t之间的联系，通过无损的测量这些其他参数间接的反映出f a t t 值的大小。1 . 2课题研究的发展与现状早在五六十年代，国内外对体心立方或六方晶格的金属材料所做的大量冲击试华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文验发现;回火马氏体、铁素体、珠光体钢的脆性断裂与温度和高应变率有密切的对应关系。但是，由于技术条件的限制，在相当长的时期，有关材料脆性的无损评价的研究一直进展缓慢。 近年来，国内外对f a t t非破坏检测方法做了一系列深入的研究和探讨，各国对此都很重视 7 1 ，尤其是日 本进展较快8 1 。 对长年脆化的非破坏性诊断方法大体可分为间接评价法和直接评价法两种。 1、间接评价法 ( 解析法). 国外曾研究了3 5 个 c r - mo - v钢转子材料转子的化学成分和f a t t试验数据之间的关系，提出了如下的估算公式: f a t t( ) = - 6 .6 4 + 2 3 1 p - 4 3 c r - 1 0 8 m o + 0 . 3 6。( 1 - 1 ) 式中: 化学元素表示该元素的重量百分含量。 。 的单位为m p a 。 解方法虽然为非破坏性检测方法但其精度难以达到工程上的要求，误差很大。 2 、直接评价法 ( 1 )金属组织观察法 汽轮机转子在高温下长时间使用和运行， 原子的扩散作用使金属的微观组织必然发生变化。通常可分为金属晶粒内的裂化和晶界处的裂化。长期运行中，一些细小、弥散的碳化物在晶粒内析出、聚集长大，晶粒内的裂化表现为材料疲劳寿命的消耗和材料的软化;晶界裂化主要是温度长期作用的结果，表现为在晶粒边界处元素p 的晶界偏析和碳化物的集聚粗大所导致的晶界强度下降。此种方法只能定性的分析不能精确的测量f a t t ，而且不易在现场应用。 ( 2 )电化学极化法 日 本三菱重工的研究人员认为 1 0 ， 用电化学极化法可得出材质长年脆化程度的结果。当将被测金属、工作电极、参比电极放置在电解液中时，如在金属和工作电极之间加上一定的电压就会有电流从金属中流过，电流的大小与金属的材料特性相关。改变电压则会使电流发生改变，电压一电流的相对关系作出的曲线称为极化曲线。伴随高温下长期使用的金属材料组织的变化，强度降低、韧性下降，极化特性也会发生改变，因此可作为一个参量进行检测。用适当的电解液测量长年脆化材料的极化曲线，根据其电流值及相关评价参数的变化就能检测脆化程度。 在脆化材料中， 因有磷在晶界上偏或碳化物的聚集长大， 从而使电流易于通过，如果预知电流值。电流相关的评价参数与脆化材料强度特性间的联系，则实际使用材料的长年脆化能从测量极化曲线的实验中得到。有资料证明，极化曲线中再钝化电流与 f a t t 有密切的相关性。 ( 3 )腐蚀法 从回火脆性的判断可得知，如钢材中磷在晶界显著偏析，置于苦味酸溶液中晶界腐蚀剧烈。晶界的腐蚀深度可作为回火脆化的一个判定值。然而，在现场对腐蚀 3华北电力大学 北京)硕士学位论文沟槽的深度作精确测定是很困难的，这一技术还有待于进一步开发。 ( 4 )电化学噪声法 把金属材料浸入特定的电解液中， 每小时测定其电流或电压的变化， 即使消除了 5 0 h z( 或 6 0 h z )的电源干扰，往往还残留下微小的波动，把这种微小的波动称为电 化学噪 音。 电 化学噪音与晶 界腐蚀有密切的关系 f i l l 。 对于晶 界腐 蚀严重的回火脆化材料，测定其浸入电解液中的电化学噪音，然后根据频谱分析结果进行材料诊断，该技术尚有待开发。 此外，在材料 f a t t的检测的方法中，有一种小冲孔试验法。 2 l ( s m a l l p u n c ht e s t ，简称 s p ) 。该方法是一种基于 “ 无损取样” 概念的一种新型试验方法。这种方法利用一定的速度冲压试样薄片，记录试片从变形到失效整个过程中的载荷一位移 ( 或变形挠度)数据，并借此分析得出材料各种性能参数的试验方法。 在这些无损检测 f a t t的方法中，电化学极化方法以电化学测量的基本原理为基础，其核心是建立起脆化程度与金属材料的电化学参数之间的联系，即测量脆化材料的极化曲线。 电化学极化法可以在模拟腐蚀环境中进行测量， 具有灵敏、 有效、测量精度高、操作简单的优点，所以电化学极化法是一种理想实用的非破坏性脆性检测方法。 日本东芝电气技术研究所的学者k i y o s h i s a i t o h 等人在 1 9 8 6 年就提出了应用电化学极化检测技术对材料的脆性进行评价的方法，并给出了相应的试验方案，详见文献 9 l 。 在此基础上日 本三菱重工开发了 不切试样在现场也能测量极化特性的装置。该装置将包括工作电极、参比电极的整个电解槽制成一个探头，紧压在受试工件上，将微机控制的恒电位仪与其联接就能在现场对极化特性进行非破坏测量，从而对材料的脆化程度进行判定。 国内于八十年代末展开了对汽轮机转子脆性的评价的工作。 发表了诸多研究成果，如 1 9 9 0年的国家 “ 七五”攻关课题报告:汽轮机低压转子防脆断缺陷评定译文集;汽轮机低压转子防脆断缺陷评定规范，对低压转子的脆断做了详细的论述。九十年代， 在汽轮机转子脆性研究方面也取得了一些进展， 但大多是一些理论研究，对汽轮机转子脆性测定方面的研究进展缓慢。近年来，经过不懈的努力在电化学方法检测金属材料 f a t t方面己经取得了长足的进展，并在一些实际的工程中得到应用。大连理工大学化工学院的梁浩成教授在利用电化学技术评价金属的高温损伤方面， 进行了 实验和理论方面的研究 1 3 。 其研究表明， 通过测试不同 加热时间3 1 0 不锈钢的阳极极化曲 线，比较其临界钝化电 流密度 工 。 而 值的大小，可以 作为判定不锈钢高温损伤行为的依据，并且随着不锈钢加热时间的延长，。 相析出量增多，会引起邻区c r 含量下降，导致材料脆性增大，高温蠕变强度和耐蚀性能下降。 总之，电化学极化方法作为一种新的检测汽轮机转子 f a t t的技术，为解决无损评价汽轮机转子寿命，预防转子脆断提供了一条有效地途径。近年来，电化学方 4华北电 力人学 北京)硕士学位论文法检测金属材料 f a t t技术，在理论研究和实际应用两方面都取得了令人瞩目的成果，展示了这项技术良好的工业应用前景。毫无疑问，电化学方法检测 f a t t技术也必将会成为将来脆性检测领域一个重要的方向。尽管如此，电化学方法检测汽轮机转子 f a t t技术还是一项新的、发展还很不成熟，系统的理论体系目 前也尚未形成，仍有不少理论和实践问题有待于进一步解决。， .3本课题的研究内容 随着电力工业的发展， 特别是高参数大容量火电机组的投入运行， 对机组的安全性和经济性提出了更高的要求。对热力设备及部件安全性的评价，不能够按传统的方法单纯的只考虑结构强度，金属材料韧脆性也是一个不可忽视的方面。对汽轮机转子脆性损伤的预防是本文的出发点。 木论文的工作包括以下几点: 1 . 对国产3 0 万千瓦级汽轮发电机组冷态启动过程高中压转子瞬态温度场的分析，得出了汽轮机冷态启动过程是预防汽轮机转子脆性损伤预防的关键阶段的结论，并提出了预防脆性损伤的一些建议。 2 、从理论计算角度分析了脆性损伤对汽轮机转子残余寿命的影响。 3 、 分析了转子材料脆性断裂的机理及影响转子金属材料回火脆性的影响因素，探求造成转子运行脆化的内在根源。 a 、对汽轮机转子材料脆性转变温度 ( f a t t )的几种破坏性和非破坏性检测方法特点进行了分析，并着重对非破坏检测方法中的的电化学极化检测方法 ( e c p )进行分析。华北电 力人学 北京)硕士学位论文法检测金属材料 f a t t技术，在理论研究和实际应用两方面都取得了令人瞩目的成果，展示了这项技术良好的工业应用前景。毫无疑问，电化学方法检测 f a t t技术也必将会成为将来脆性检测领域一个重要的方向。尽管如此，电化学方法检测汽轮机转子 f a t t技术还是一项新的、发展还很不成熟，系统的理论体系目 前也尚未形成，仍有不少理论和实践问题有待于进一步解决。， .3本课题的研究内容 随着电力工业的发展， 特别是高参数大容量火电机组的投入运行， 对机组的安全性和经济性提出了更高的要求。对热力设备及部件安全性的评价，不能够按传统的方法单纯的只考虑结构强度，金属材料韧脆性也是一个不可忽视的方面。对汽轮机转子脆性损伤的预防是本文的出发点。 木论文的工作包括以下几点: 1 . 对国产3 0 万千瓦级汽轮发电机组冷态启动过程高中压转子瞬态温度场的分析，得出了汽轮机冷态启动过程是预防汽轮机转子脆性损伤预防的关键阶段的结论，并提出了预防脆性损伤的一些建议。 2 、从理论计算角度分析了脆性损伤对汽轮机转子残余寿命的影响。 3 、 分析了转子材料脆性断裂的机理及影响转子金属材料回火脆性的影响因素，探求造成转子运行脆化的内在根源。 a 、对汽轮机转子材料脆性转变温度 ( f a t t )的几种破坏性和非破坏性检测方法特点进行了分析，并着重对非破坏检测方法中的的电化学极化检测方法 ( e c p )进行分析。华北电力大学 北京) 硕士学位论文第二章 预防汽轮机转子脆性损伤的研究2 .，引言 随着汽轮发电机组容量的增大和现役机组使用寿命延长， 人们对汽轮发电机组轴系运行安全性越来越重视。由于断轴的突发性，往往产生灾难性后果，甚至使汽轮发电机组整机毁灭和人身伤亡。给电厂和国民经济造成巨大的经济损失。由转子金属脆性引起的大型汽轮发电机组转子脆性损伤事故， 在国外曾多次发生 14 1 ， 脆性损伤的预防己引起人们的重视。特别是针对早期投运的老火电机组，由于转子材料己经发生了脆化现象，其脆性破坏的预防更需要引起人们的高度重视。例如，美国a r i z o n a 电站一台g e公司制造的 1 4 7 mw, 3 6 0 0 r / m i n的汽轮发电机组，1 9 5 4 年3月4日，投产前进行平衡试验时，转速仅达3 4 0 0 r / m i n ，突然发生发电机转子飞裂事故。 断轴的主要原因为材料内部龟裂和含氢量高， 转子脆性断裂。 又如 1 9 7 4 年6月1 9日，美国g a l l a t i n 电站2 号机的低压转子， 在停机六天后冷态启动过程中， 突然断裂，飞出的碎片打穿汽缸外壳，飞离汽轮机达 2 7 .3 m，有些碎片打穿厂房。该机由西屋公司制造， 于1 9 5 7 年5 月投入运行， 蒸汽参数为1 3 . 7 mp a , 5 6 5 1c, 3 6 0 0 r / m i n ,运行 1 7年，启停 2 8 8次，事故主要原因是转子材料内部 ( 大轴中心孔部位)存在大量的硫化锰为主体的非金属夹杂物。长期运行中经历了多次启停后，在夹杂物周围产生了微裂纹，又由于材料有一定回火脆性，脆性转变温度偏高，加之热应力较大，致使裂纹扩展，最终导致大轴断裂。残骸分析表明:原始裂纹是一个位于中压端的纵向氧化区，裂纹从氧化区向周围以解理方式快速扩展;主断裂方向为轴向和径向， 二次断裂出现横向; 氧化区存在高浓度的硫化锰夹杂物， 夹杂物成条状排列，裂纹将许多夹杂物连结在一起。转子材料为 c r mo v合金钢。事故后，从碎片上取样进行机械性能、持久强度、断裂韧性和低周疲劳试验，结果虽然符合技术条件。但整个转子中存在大量不连续的硫化锰夹杂物和化学成分偏析。此外，美国五十年代发生的五起转子断裂事故，以及七十、八十年代德国和日本都有因转子金属脆性损伤原因而发生的转子脆断事故。根据目前收集的资料统计，汽轮机转子事故中，由于汽轮机产品缺陷引起的占一半以上，其中很大部分是由于转子的脆性损伤造成的。 大型汽轮机组的启动， 尤其是对新装机组及大修后机组的第一次冷态启动， 其启动预热和超速试验对转子的温度有较严格的要求。本章对大型汽轮机预防转子脆j性损伤问题进行了分析讨论， 对目前国内广泛服役的3 0 万k w级的汽轮机， 在冷态启动升速过程的转子温度场进行了计算，并据此提出了预防脆性损伤的具体措施和建议。华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文2 . 2冷态启动过程中的转子脆性损伤的分析 汽轮机冷态启动过程温升最大，在升速过程中，合理安排升速方式，提高转子金属温度，预防转子脆性损伤，是实现汽轮机安全运行的重要内容之一因此，有必要对冷态启动过程中汽轮机高中压转子瞬态温度场的计算，对冷态启动过程高中压转子发生脆性损伤的危险性进行分析。 随着计算机技术及数值计算技术的发展， 有限元方法以其能够模拟几何形状复杂的结构并且可以方便地处理各种边界条件， 已经成为解决复杂物理场问题的有效方法。转子温度场、热应力场的详细分析一般都采用有限单元法。2 . 2 .， 有限元法转子温度场的计算2 . 2 .， .，有限元分析计算基本概念 有限元法是数值分析方法的一种， 它在处理具有复杂形状和条件的物体时有较好的效果， 而且单元形状和疏密程度可以是任意变化的， 它可以用较少的节点而使区域达到更好的近似， 因此是较好的分析转子温度场的方法p s 在实际应用有限单元法时，常常借助ansys 大型通用有限元分析软件，利用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟，并利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。ansys有限元分析软件是目前有限元分析中大型通用的软件， 它具有强大的计算分析功能， 其中包括可以实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化， 强大的非线性分析功能并同时具有多种求解器， 和多种用户网格划分技术等等优点。 汽轮机冷态启动瞬态温度场的计算分析采用大型通用有限元计算软件ansys作为分析计算工具，其计算分析步骤可分为三个阶段:有限元的前处理、求解和后处理阶段。前处理用于定义求解所需的数据，用户可以选择坐标系统和单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元以及定义祸合和约束方程。前处理阶段完成建模后，程序进入求解阶段，在ansy s 分析的该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。后处理过程紧接在前处理和求解过程之后，可以获得求解过程的计算结果并对其进行运算，同时，可以检查求解结果以对模型作出评价，进而进行其他感兴趣的计算。其流程图见图2 . 1 0华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文2 . 2冷态启动过程中的转子脆性损伤的分析 汽轮机冷态启动过程温升最大，在升速过程中，合理安排升速方式，提高转子金属温度，预防转子脆性损伤，是实现汽轮机安全运行的重要内容之一因此，有必要对冷态启动过程中汽轮机高中压转子瞬态温度场的计算，对冷态启动过程高中压转子发生脆性损伤的危险性进行分析。 随着计算机技术及数值计算技术的发展， 有限元方法以其能够模拟几何形状复杂的结构并且可以方便地处理各种边界条件， 已经成为解决复杂物理场问题的有效方法。转子温度场、热应力场的详细分析一般都采用有限单元法。2 . 2 .， 有限元法转子温度场的计算2 . 2 .， .，有限元分析计算基本概念 有限元法是数值分析方法的一种， 它在处理具有复杂形状和条件的物体时有较好的效果， 而且单元形状和疏密程度可以是任意变化的， 它可以用较少的节点而使区域达到更好的近似， 因此是较好的分析转子温度场的方法p s 在实际应用有限单元法时，常常借助ansys 大型通用有限元分析软件，利用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟，并利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。ansys有限元分析软件是目前有限元分析中大型通用的软件， 它具有强大的计算分析功能， 其中包括可以实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化， 强大的非线性分析功能并同时具有多种求解器， 和多种用户网格划分技术等等优点。 汽轮机冷态启动瞬态温度场的计算分析采用大型通用有限元计算软件ansys作为分析计算工具，其计算分析步骤可分为三个阶段:有限元的前处理、求解和后处理阶段。前处理用于定义求解所需的数据，用户可以选择坐标系统和单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元以及定义祸合和约束方程。前处理阶段完成建模后，程序进入求解阶段，在ansy s 分析的该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。后处理过程紧接在前处理和求解过程之后，可以获得求解过程的计算结果并对其进行运算，同时，可以检查求解结果以对模型作出评价，进而进行其他感兴趣的计算。其流程图见图2 . 1 0华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文前处理整体计算模型方案建立几何模型网格划分施加载荷图 2 . 1 有限元计算流程图其中载荷包括各种边界条件、初始条件以及力、温度、位移等载荷。2 . 2 .， .2几何模型的建立及网格的划分 利用有限元法进行温度场的计算， 首先需要建立正确的几何模型。 汽轮机转子属于轴对称形状的部件，在建立有限元模型时采用了二维的剖面图。同时还需要注意各个细小几何形状的正确描绘，这会对温度场计算的结果产生影响。在转子的几何模型建立好之后， 要进行网格的划分。据文献， 在ansys 程序当中， 有限元的网格是由程序自己来完成的， 本文使用了ansys的自由划分网格程序， 它能够很好地划分出转子边界形状不规则的区域。 利用热分析单元类型中的四节点轴对称单元，首先设定转子靠近中心孔处单元的最小边长为 2 0 m m， 转子表面处的单元最小边长为1 2 mm， 划分网格。 转子表面结构有突变的地方细化， 划分完毕后可得局部示意图，如图1 2 和2 . 3所示。转子材料属性如下:华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文表 2 . 1弹性模量( p a )转子材料属性参数 密 度( k g / m ) 泊 松e l2 x1 0 7 8 0 0图2 . 2 高压转子有限元分析网格图2 . 3 中压转子有限元分析网格图2 . 4高压转子末级有限元网格图2 . 5 中压转子末级有限元网 格2 . 2 . 1 . 3温度场数学模型 计算汽轮机转子不稳定温度场时，可以认为转子是一个均匀、各向同性且无内热源的 物体， 属于解轴对称非定常温度函数的问 题， 温度t ( z , r , r ) 在区域中应满足下列偏微分方程式 1 6 )a tar= 生 ( a ltp c ， a z 日 2at 1t次、- - ， r十 一 ，o r r o r( 2 - 1 )式中兄 一材料的导热率; p 一材料的密度; c ， 一材料的比热。 确定 上面微分方 程的 解， 除了 需要满 足初始条 件t i : 二 。 = f ( z , r ) 外， 在物体华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文边界上还应满足一定的边界条件，对于汽轮机转子来说，外表面的边界条件由蒸汽对转子表面的换热速度来确定，属于传热学中的第三类边界条件，即边界与介质的热交换条件为己知_ 元 a t a ni r = a ( t 一 tf )( 2 - 2 ) 式中 t f 一 一转 子 表面的 温 度; a 一一蒸汽与转子表面的换热系数。 当放热系数。= 0 时，式 ( 2 - 2 )化为绝对边界条件，即无绝热交换，如转子的中 心 孔 边 界 ; 若。 。 ， 则t ( z , r ) ir = t, , 此时 由 第 三 类 边 界 条 件 转 化为 第 一 类 边 界 条件，即加热物体表面的温度与介质的温度相等。 由变分原理， 偏微分方程式 ( 2 - 1