（热能工程专业论文）汽轮机螺栓寿命评估.pdf

华北电力大学硕士论文 摘要 汽轮机螺栓是火力发电厂的重要零部件，直接影响着汽轮机组的安全性和经济 性。近年来，频繁发生汽轮机螺栓的早期断裂事故。螺栓在运行过程中受到蠕变损 伤和低周热疲劳损伤，本文介绍了其蠕变和疲劳损伤机制，详细介绍了目前常用的 疲劳蠕变寿命估算方法。以某电厂1 号机组中压缸螺栓为研究对象，使用有限元 a n s y s 软件对其冷态启动、温态启动、热态启动和滑参数停机过程热应力场及预紧 力进行模拟，再依据模拟结果，材料的力学性能和疲劳寿命曲线，利用寿命分数法 对其疲劳和蠕变寿命损耗进行计算和研究。最后，综合应力计算、预紧力计算和寿 命计算的基础之上，应用可视化开发工具d e l p h i6 0 编制开发了汽轮机螺栓的寿命 计算软件。 关键词：汽轮机螺栓，有限元，疲劳蠕变，寿命损耗，热应力 a b s t r a c t t u r b i n eb o l ti sam a j o rt h e r m a lp o w e rp l a n ts t e a mc o m p o n e n t s ，d i r e c t l ya f f e c t st h e s t e a mt u r b i n es a f e t ya n de c o n o my i nr e c e n ty e a r s ，e a r l yb r e a k a g eo ft u r b i n eb o l t f r e q u e n t l ye v e n t u a t e d b o l ti sg i v e nc r e e pd a m a g ea n dl o wc y c l et h e r m a lf a t i g u ed a m a g e d u r i n go p e r a t i o n ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec r e e pa n df a t i g u ed a m a g em e c h a n i s m s ， d e s c r i b e sc u r r e n t l yc o m m o nu s e df a t i g u e c r e e pl i f ep r e d i c t i o nm e t h o di nd e t a i l t a k i n g ap o w e rp l a n tu n i t1m e d i u m 。p r e s s u r ec y l i n d e rb o l ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，u s i n gf i n i t e e l e m e n ts o f l w a r ea n s y ss i m u l a t et h e r m a ls t r e s sf i e l da n dp r e l o a do fc o l ds t a r t w a r m s t a r t ，t h e r m a ls t a t ea n ds l i d i n gp a r a m e t e r ss t o pp r o c e s s ，a n dt h e nb a s e do ns i m u l a t i o n r e s u l t s ，m a t e r i a l s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df a t i g u el i f ec u r v e s ，u s et h el i f es c o r e so f f r a n c ef o rt h e i rl o s so ff a t i g u ea n dc r e e pl i f ec a l c u l a t i o n sa n dr e s e a r c h f i n a l l y , o nt h e b a s i so fi n t e g r a t e ds t r e s sc a l c u l a t i o n ，p r e l o a da n dl i f ec a l c u l a t i o n ，u s i n gd e v e l o p m e n t t o o l sv i s u a lp r e p a r a t i o nt o o l sd e l p h i6 0h a sd e v e l o p e dt h et u r b i n eb o l tl i f ec a l c u l a t i o n s o f l w a r e ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) k e yw o r d s ：t u r b i n eb o l t ，f i n i t ee l e m e n t ， f a t i g u e - c r e e p ，l o s so fl i f e ， t h e r m a ls t r e s s 华北电力大学硕士论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外汽轮机螺栓寿命的研究现状3 1 3 汽轮机螺栓寿命问题4 1 3 1 汽轮机螺栓寿命评价方法4 1 3 2 汽轮机螺栓寿命评价流程5 1 4 本论文的主要工作6 第二章汽轮机螺栓寿命损耗分析7 2 1 疲劳损伤7 2 1 1 疲劳损伤机理7 2 1 2 低周疲劳特性关系式9 2 2 蠕变损伤1 0 2 2 1 蠕变损伤机理1 0 2 2 2 蠕变寿命损耗关系式1 1 2 3 疲劳一蠕变寿命估算方法1 2 2 3 1 线性累积寿命损伤1 2 2 3 2 基于应变控制模式的估算方法1 3 2 3 3 基于应力控制模式的估算方法1 4 2 3 4 疲劳一蠕变寿命的损伤力学预测方法1 4 2 3 5 断裂力学预测方法1 5 第三章汽轮机启停机过程螺栓应力计算及寿命分析1 7 3 1 前处理1 8 3 1 1 机组概况1 8 3 1 2 单元类型1 9 3 1 3 几何模型和材料参数1 9 3 1 4 划分网格2 0 3 1 5 边界条件的确定2 0 3 2 求解及后处理2 0 3 2 1 冷态启动2 0 3 2 2 热态启动2 3 3 2 3 温态启动2 5 3 2 4 滑参数停机2 7 3 3 预紧力的模拟2 9 3 4 疲劳寿命计算2 9 3 5 蠕变寿命计算3 0 3 5 1 汽轮机螺栓蠕变寿命计算3 0 3 5 2 预紧力对蠕变寿命的影响3 3 第四章汽轮机螺栓寿命计算软件3 4 4 1 程序语言介绍3 4 l l 华北电力人学硕士论文 4 2 程序编制流程3 4 4 3 热应力的计算3 5 4 4 预紧力的计算3 8 4 4 1 冷紧力计算3 8 4 4 2 热紧力计算3 8 4 5 应力合成3 9 4 6 计算全应变3 9 4 7 汽轮机螺栓寿命管理软件的开发4 0 4 7 1 软件介绍4 0 4 7 2 子模块寿命管理软件思路4 l 第五章总结与展望4 2 参考文献4 4 致谢4 7 攻读学位期间发表的论文4 8 i i i 华北电力大学硕士论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 我国超期服役的老龄化火力发电机组随着火电厂运行时间的逐年增长正在不 断增加，高温部件损伤和材料老化程度也日趋严重，高温部件损坏事故时有发生1 。 2 0 世纪7 0 年代起，由于新上大机组需求资金投资大、占用土地以及出于保护环境 要求等各种因素制约，美、日、欧洲等发达国家纷纷加大改造老机组以延长使用寿命 的方法成为重中之重。其中关键技术问题是在设备部件的管理上应在确保机组安全 运行的基础上，以寿命为基础来考虑延长寿命方案。但是目前各国采用的延寿方法 措施不尽相同，但总体目标都是能够更科学精确地评估老化机组的剩余寿命以延长 机组使用寿命，目前我国的老化小机组也很多，应该加大寿命管理方面研究延长机 组使用寿命【z j 。 电厂高温部件( 如转子，汽缸，高温螺栓以及锅炉主蒸汽管道和导汽管、联箱、 阀门等) 服役环境恶劣【。汽缸螺栓承受高温高压，螺栓在温度超过4 0 0 1 3 下工作时 产生的应力松弛使得螺栓预紧力会随着运行时间的推移而降低，导致汽缸连接处高 温蒸汽泄露。螺栓极度恶劣的工作环境使得螺栓须具有较好的抗松弛性能、良好的 塑性、更大的强度、优良的抗氧化腐蚀性能、热脆性倾向小、良好的组织稳定性等。 然而电厂多年的运行情况表明螺栓经常发生断裂，其主要原因大都是机组设计制造 能力先天不足以及装卸、运行、维修出现的偏差，导致汽缸紧固螺栓出现裂纹甚至 断裂的现象不断增多，尤其是中压缸、调速汽门螺栓的断裂问题尤为突出。螺栓发 生断裂会导致严重后果，轻则电厂机组非计划停机，给发电厂带来的经济损失，严 重的危及人身安全和电厂设备【4 。6 】。比如，在2 0 0 6 年7 月对中国电力投资公司抚顺 发电有限责任公司1 挣机组进行大检时，发现中压调速汽门螺栓发生大量断裂，南侧 中压调速汽门1 6 根螺栓就有3 根断裂，北侧中压调速汽门1 6 根螺栓更是1 1 根发生 了断裂。中压汽缸法兰螺栓也有断裂，但幸好未没有引起重大安全事故。抚顺发电 有限公司1 撑汽轮机是哈尔滨汽轮机厂生产的，型号为c c l 4 0 n 2 0 0 1 2 7 5 3 5 5 3 5 ， 未超高压中间再热双抽汽冷凝式汽轮机机组。图1 - 1 ( a ) 和图1 1 ( b ) 为南北侧中 压调速汽门断裂现场，螺栓大量非正常断裂，断裂螺栓呈非对称分布。图1 2 为螺 栓主断面图，从图中可看出断口存在疲劳弧线，呈疲劳断裂特征。 华北电力大学硕士论文 ( a ) 南侧中压调速汽门 ( b ) 北侧中压调速汽门 图1 - 1 中压调速汽门断裂照片 图1 - 2 螺栓主断面图 近年来由于大型发电机组中多次发生螺栓的断裂事故，对机组的经济性和安 全性运行都造成了一定的影响，在国内引起了广泛的关注。机组在长期运行过程中， 高温螺栓要承受蠕变、疲劳及其交互作用的影响、机组的起停、汽缸温差、振动、 螺栓装配过程中不同的装配工艺以及螺栓的制造质量等均对螺栓的使用寿命产生 重要影响，本文试图针对影响螺栓寿命的主要因素建立剩余寿命计算模型，进行剩 余寿命计算。 寿命管理是在寿命评估基础上发展而来的一种新的管理技术手段，其目标是能 够使机组更加安全经济运行并延长其服役全寿命，并能对设备状态进行在线和离线 监测评估。寿命管理的最终目的是使超期服役机组的强迫停机率降低到最低水平， 在电厂安全经常运行基础上最大限度使老电厂延长服役寿命。高温汽缸螺栓是火电 厂广泛使用的紧固件，长期服役中由于蠕变和疲劳产生的的材料老化和失效是造成 设备维修的主要原因，对火电机组的安全和经济性有着重要影响，因此对电厂进行 2 华北电力人学硕士论文 高温螺栓的寿命管理已成为众多企业和研究单位共同关心的课题【7 j 。 鉴于上述情况，应该加大火力发电机组热力设备的寿命评估和管理方面研究， 这样能更加可靠地延长火力发电设备安全经济运行时间。螺栓的寿命评估和管理问 题非常复杂涉及到多学科复合理论和技术问题，学科跨度大，包括力学理论、传热 学、高温低周疲劳微观和宏观材料损伤理论、数值方法、机械设计与制造、可靠性 理论、发电设备的监测、控制与维修等多学科知识，这就使得寿命研究问题非常复 杂和具有很大的难度。 1 2 国内外汽轮机螺栓寿命的研究现状 汽轮螺栓作为火力发电设备中重要的零部件，工作环境非常恶劣，要承受预紧 力、工作应力、交变疲劳应力的作用，还受到高温给材料带来的蠕变作用。螺栓在 启停和运行过程中受到交变热应力产生的疲劳损伤和高温蠕变损伤，随着损伤不断 累积到一定大小后，螺栓应力集中部位尤其是第一圈螺纹处会产生裂纹，随着运行 时间继续，最终导致螺栓断裂影响机组安全经济运行。 目前，在工业发达的美、日、意大利等国，出于本国老龄化机组的增加都加大 了寿命评估和管理方面的研究。为做出正确的寿命评估与全而的安全分析，国家电 力公司意大利研究院( e n e l c i s e ) 采用的是多种技术综合协调进行的办法。方法概 括如下( 1 ) 根据设备的实际工作条件，用有限元法计算了主要部件在运行环境下的温 度场与应力场，再通过分析确定其关键部位；( 2 ) 采用微型试验技术在运行设备和 部件上取实样，制备微型样块进行断裂力学和材料性能试验，微型试验技术所采用 的小直径冲压试验样块厚度仅0 5 m m ，这样就有可能从实际运行部件上直接取样获 得真实材料的性能用以计算残余寿命；( 3 ) 用典型材料标准试验结果与真实材料微型 试验结果进行对比分析，修正残余寿命计算结果；( 4 ) 将试验结果与计算数据输入计 算机，用安全分析软件进行残余寿命评估与综合安全分析。目前，国际市场上己有 不少商业化的分析软件。c 1 s e 目前使用的是美国电力研究院的分析软件( e p r l c o m p u t e rc o d e ) ，但也研制了一些特殊软件作为补充；( 5 ) e n e l ，c 1 s e 的一些主要试 验项目都是在国际合作下进行的；这种合作一般采用“联环试验”方式，其试验结果 往往更精确、更可靠1 1 3 。1 5 】。美国电力研究院e p r i 总结了面前大多数发达国家所采 用的“三级寿命评估法”( 3l e v e la p p r o a c hf o rl i f ea s s e s s m e n t ) ，制定出了一套更为科 学完整的“综合寿命管理程序”( i l e m ，i n t e g r a t e dl i f ee x t e n s i o nm a n a g e m e n tm o d e l ) 作为美国电力企业寿命管理工作的通用导则( e p r ig e n e r i cg u i d e l i n e s ) i 1 6 - 1 7 j 。 国内除了东汽、上汽、哈汽等各大制造厂商以及五大电力设计院正在做寿命评 估和管理的相关研究所以外，华北电力大学、华中科技大学、西安交通大学、清华 大学、东南大学、哈尔滨工业大学、浙江大学等高校在寿命方面研究成果也较突出。 3 华北电力大学硕十论文 在剩余寿命评估方面我国周顺深教授提出了蠕变损伤开裂和裂纹扩展寿命计算公 式及高温部件剩余寿命综合评估程序，且发现了适用于评估高温部件蠕变脆性的新 材料参量蠕变断裂韧性，在电厂得到应用。寿命管理作为寿命评估基础上发展 而来的一种新的管理技术手段，在我国尚处于研究的初级阶段，而且以前的研究者 采用的方法都不是很全面。但近年各种在线寿命管理软件已在电厂应用。 1 3 汽轮机螺栓寿命问题 1 3 1 汽轮机螺栓寿命评价方法 对汽轮机螺栓进行寿命评价一般有两种方法，即实验方法和分析方法。 目前寿命问题研究过程中的实验方法是利用热力设备材料在运行过程中的各 种宏观物理特性、组织变化和力学特征进行化学成分分析、力学性能测试、端口分 析等变化规律，利用实验数据，参考标准物件的寿命对比进行寿命评估计算。如图 1 3 所示。 i 探伤过程中疲劳相关指标变化规律广一 对比分析得到 寿命评价结果 实际评价对象测量数据 图1 3 实验方法寿命评价原理尔恿图 寿命问题研究传统分析方法是以标准的材料进行疲劳、蠕变试验( 如光滑试样 j - 曲线、e _ 曲线) ，参考所得试验数据和疲劳特性曲线为基础，利用材料损伤理 论如线性累积损伤寿命计算法等其他寿命计算方法并引入当量原则或修正办法( 如 引入有效应力集中系数、尺寸系数、表面系数等) ，对不同实际情况下不同的热力设 备部件如汽包、转子、螺栓、汽缸等进行寿命评估和管理，这种方法就是基于载荷 史分析的寿命评价方法，其具体流程参见图1 4 ： 图1 4 分析方法寿命评价原理示意图 由于分析方法在实时方便性、经济性等方面比试验方法具有很大优势，可以对 机组运行过程中热力设备进行重复模拟仿真和计算，从而可以更加合理管理机组的 寿命，安排机组的探伤、检修时间等，所以分析方法在国内得到广泛应用。 4 华北电力人学硕士论文 1 3 2 汽轮机螺栓寿命评价流程 汽轮机螺栓寿命评价实施过程中涉及了很多理论和技术上的问题，目前计算机 仿真所用的可概括为有限元分析过程和疲劳蠕变理论两大部分，其基本流程如图 1 5 和图1 - 6 所示。 图1 5 汽轮机螺栓的热应力有限元分析流程 图1 - 6 汽轮机螺栓寿命评价基本流程 5 华北电力大学硕：仁论文 1 4 本论文的主要工作 汽轮机螺栓寿命问题是一个很复杂的多学科窜连得复合研究课题，目前，国内 还没有直接测量热力设备金属温度及热应力的有效实验手段，需要通过软件模拟和 理论计算来解决，而且影响汽轮机螺栓裂纹的产生、扩展机理、蠕变疲劳寿命计算 等因素众多，损伤机理也很复杂，所以现有的试验和计算手段所得结果与实践结果 偏差很大。 本论文以某电厂1 号机组为背景，利用a n s y s 软件对规程中汽轮机螺栓启停 和变负荷过程进行模拟计算，预测其剩余寿命，并开发了一套寿命管理软件，整个 论文可以分为以下几个部分： 1 总结了近几十年来蠕变寿命疲劳寿命估算方法的研究成果。 2 使用有限元工具软件a n s y s ，对1 号机组冷态启动、温态启动、热态启动和滑参 数停机过程进行有限元模拟。 3 依据a n s y s 有限元模拟计算得到汽轮机螺栓热应力结果，参考汽轮机螺栓的疲 劳特性曲线和蠕变特性，进行寿命损耗计算。 4 利用b o d a n d 开发的d e l p h i 尝试开发了一个界面友好、具有较好的可维护性的汽轮机 螺栓寿命评估管理软件程序。最后提出一种寿命管理软件子模块新观点。 6 华北电力大学硕士论文 第二章汽轮机螺栓寿命损耗分析 汽轮机各种启动过程时，主蒸汽温度逐渐升高使得法兰温度也提高，螺栓受热 膨胀会受到法兰的约束拉力，而且此拉应力是随着时间的变化而不断变化的；而在 滑参数停机过程中，法兰随主蒸汽温度而降低，螺栓的温度也逐渐降低但慢予法兰 降温速度，螺栓冷却压缩会受到法兰受压应力的，此压应力也是随着时间的变化而 变化的。所以在汽轮机启停过程中，螺栓内外表层就承受法兰的拉伸和压缩作用的 反复应力，从而引起汽轮机螺栓受到疲劳损伤，不断累积就有可能出现裂纹。汽轮 机螺栓承受的这种拉伸和压缩反复交变应力过程中交变周期长、频率低、应力高、 寿命长、疲劳裂纹萌生的循环周次少，这就是低周疲劳【3 1 。 在汽轮机零部件中，螺栓受载尤为负载。当汽轮机启停及变负荷时，螺栓受到 交变热应力作用，引起材料低周疲劳损伤；稳定工况时，螺栓在高温下受到机械应 力作用导致其蠕变损伤并产生应力松弛。所以对其寿命估算时，应同时考虑疲劳损 伤和蠕变损伤两个方面因素。 2 1 疲劳损伤 2 1 1 疲劳损伤机理 疲劳是累积损伤过程，其断裂从材料一般的断裂过程，即由裂纹的萌生、裂纹 的扩展和断裂三个阶段构成。 ( 1 ) 疲劳裂纹的萌生 金属的表面由于位错的运动而产生均匀的布满细密的条纹状的滑移带，并顺着 应力循环次数的增加，滑移带逐渐变宽和粗大。由于滑移带主要集中在金属的局部 表面，往往会在金属表面形成挤入和挤出，使得表面出现沟和脊，称为挤入沟和挤 出脊，如图2 1 所示。 7 华j 匕电力大学硕七论文 图2 - 1 金属表面形成的挤入沟和挤出脊 这些挤入因反向滑移而加深，金属表面的挤入沟部产生应力集中，在交变应力 的作用下，该处就会形成疲劳裂纹核，构成金属疲劳寿命的主要部分。 ( 2 ) 疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹的扩展可分为两个阶段，如图2 2 所示。 图2 2 疲劳裂纹扩展过程i 、i i 阶段示意图 在疲劳裂纹的扩展第一阶段，疲劳裂纹核载交变滑移下，将沿滑移面与应力轴 呈4 5 。的最大切向盈利方向向内部扩展，是切边形式的扩展。第二阶段是由第一阶 段的裂纹由表面深入到材料内部，由于各晶粒的位向不同以及晶界的阻碍作用，使 得裂纹扩展方向逐渐离开它的滑移方向而沿着与最大正应力的垂直方向传播。 ( 3 ) 疲劳断裂及断口特征 裂区呈典 缺口敏感高的材料如碳素钢，疲劳裂纹呈围绕裂源的凹形状，这是由于疲劳裂 纹的扩展速率在材料的外缘部分和中- t l , 部不同所造成的，裂纹沿外缘的扩展速率较 大。对于缺口敏感小的材料，则形成以裂源为中心的贝壳状纹路【9 1 。 2 1 2 低周疲劳特性关系式 汽轮机启停过程中，螺栓内外表层就承受法兰的拉伸和压缩作用的反复应力， 产生热应力从而引起汽轮机螺栓受到疲劳损伤，不断累积就有可能出现裂纹。机组 启停过程中螺栓的热应力超过螺栓的屈服极限，将导致螺栓产生塑性变形，并逐渐 在螺纹处特别是第一圈螺纹处这些应力集中的关键部位产生裂纹，在不断累积损 伤，最终导致螺栓断裂。 目前计算材料疲劳寿命问题有应力寿命和应变寿命两种方法，应力寿命法比 较适合高周疲劳问题，而低周疲劳条件下，材料应力集中部位突出，这些部位的应 力会超过材料的屈服极限而产生循环的塑性应变，这时应当采用应变控制条件的应 变一寿命法。m a n s o n c o f f i n 公式描述的寿命方法就是以塑性应变为参考量，是低周 疲劳的基本关系式： a ，、 = j ( 2 ，) 。 ( 2 1 ) 厶 式中占；是疲劳延性系数，非常接近材料静拉伸时的真实断裂应变，；c 为疲劳 延性指数，与材料性能有关，对于大多数材料其值在0 5 加7 之间。 总应变幅值与循环寿命的关系为： 9 华北电力大学硕士论文 生2 ；生2 + 堡2 。竺2 e + f 等2 kr ；互e ( 2 ，广+ ；( 2 ，) 。 ( 2 2 ) ij 、 ， 川 、 式中，e f 2 一总应变幅o 岛2 一弹性应变幅； e 口2 一塑性应变幅； o r ：一疲劳强度系数； f ? 一疲劳塑性系数； 卜实验温度下的弹性模量； 卜失效寿命； 6 一疲劳强度指数； c 一疲劳塑性指数。 其疲劳寿命关系如图2 4 所示。 图2 - 4 弹性、塑性和总应变幅与疲劳寿命关系图 在试验机上进行疲劳试验，得到一组应变和循环次数数据，然后采用最小二乘 法拟合，就可以求得循环应变疲劳的疲劳强度系数t 、疲劳塑性系数；、疲劳强 度指数b 、疲劳塑性指数c 这四个基本参数，从而拟合得到疲劳寿命特性曲线。 2 2 蠕变损伤 2 2 1 蠕变损伤机理 在工程上，材料的蠕变是指在一定温度下，材料所承受的应力要远低于屈服强 度的应力时，随着加载时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形现象。通常用蠕变曲 线来描述材料的蠕变规律。蠕变的过程分为三个阶段，第一阶段是蠕变的不稳定阶 1 0 华北电力大学硕士论文 ，金属的变形速度逐渐减慢。第二阶段是蠕变的稳定阶段，此阶段金 是恒定的，可以用变形曲线e - t 倾角的正切表示变形速度。第三阶段 阶段，此阶段蠕变加速进行，直至断裂为止。通常将第一、二阶段经 为蠕变寿命。其典型蠕变曲线如图2 5 所示。 ， 一一 一 n i 一 一 一7 善一 ? 不。 s t r e eo = c o n s t t e m p t = c o n s t a d 。 b c 图2 - 5 典型的蠕变曲线不总图 蠕变的实质是塑性变形( 硬化) 与回复( 软化) 的交替过程而造成的。蠕变断 裂常温下一般发生穿晶断裂，断口呈韧性。高温时发生沿晶断裂，断口呈脆性状态。 蠕变断裂机理常见的有两种假设，即应力集中假设( 高应力低温) 和空位聚集假设 ( 高温低应力) 【9 1 。 2 2 2 蠕变寿命损耗关系式 高温螺栓在长期运行过程中会产生蠕变松弛。若螺栓的初始应力即预紧应力为 ，运行中任一时刻的应力为o r ，初始应变、蠕变应变及弹性应变分别为o 、c 、 f 。，材料的蠕变过程符合n o r t o n 规律，n o r t o n 常数分别为b 、n ，材料的弹性 模量为e 、c 为常数，则由松弛方程： o = 。+ 。= s 。+ = c ( 2 - 4 ) 可得到任一时刻的螺栓应力为 o r = o r 0 ( 1 + k t ) u 卜”) ( 2 5 ) 式中k 为与材料和初始状态有关的系数，其值为 k=b e ( ，l 一1 ) o r o 1 ( 2 - 6 ) 华北电力大学硕+ 论文 对于螺栓的任一加载循环时间其产生的平均蠕变应变速率为 ；删2 毒 1 - ( 1 + 砩) 坤 产生的蠕变寿命损耗为 见；筹1 + 红1 h 】_ q见5 东 1 - ( 1 + 红1 。“厂 2 3 疲劳一蠕变寿命估算方法 2 3 1线性累积寿命法 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 线性累积损伤法把所得的疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗线性累积简单相加，是 目前寿命估算方法中相对简单的一种方法。目前国内疲劳蠕变寿命估算问题主要 采用相对简单线性累积损伤法。具体表达式如下： 彘+ 苦却一c 亿9 、 式中，吩第i 种疲劳损伤的循环数； ，第j 次应力应变水平的保持时间； 月一第i 种损伤情况下构件的纯疲劳失效循环数； ，= 第j 次应力应变水平下的纯蠕变断裂时间； ，构件的疲劳损伤量； 一一蠕变损伤量； d 一一总的累积损伤量，当d = 1 时材料发生断裂。 考虑疲劳和蠕变之间的交互作用，提出了许多基于式( 2 9 ) 的修正表达式。例如： 谢锡善表达式： 万n i + 彳【芦n i 叭【i t j ( 2 - 1 0 ) l a n g n e b o r g 表达式： 者删惫+ 亿 上两式中，a ，b 一一交互作用系数； n 一一交互蠕变损伤指数： 1 一n 一一交互疲劳损伤指数。 1 2 算模 载的 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 频率分离法( f s ) 在频率修正法( f m ) 模型的基础上引入拉伸保载频率和压缩保载频率改进公式， 使得疲劳寿命计算公式能够用非弹性应变和保载频率的指数形式表示，简化计算。 具体表达式如下： ，= c s ：y ，( 上) 。 。 1 ，r ( 2 1 3 ) 式中，咋一一压缩保载的频率； y t 一一拉伸保载的频率； 地m 一一非弹性应变。 ( 3 ) 应变范围划分法( s r p ) n “= a k ( a e ) 吼( i ，j = p ，c ；k = 1 ，2 ，3 ，4 )( 2 - 1 4 ) ( 4 ) 应变能划分法( s e p ) s e p 模型是在s r p 模型的基础加入了应变能与寿命的关系式，计算时应用机组 材料每个应变的应变能来计算寿命： n = c i j ( a u ) 岛= c 日( 口盯舳；a e ) 岛 ( 2 1 5 ) 式中，c 护卢i j 试验确定的材料常数； u ；i 一一应变能。 ( 5 ) 应变能频率修正法( s e f s ) s e f s 模型是在s e p 模型基础上加载了频率项，方便工程上计算。引入加载频 率相当于应变能模型和频率分离法综合了起来，大大扩大了寿命预测模型在工程上 1 3 华北电力人学硕士论文 的实用范围。 n f ：c ( c r 胁a e 。) 卢，( 堡) 。 ，t 式中，c ，m ，卢，k - 一一常数。 2 3 3 基于应力控制模式的估算方法 ( 2 1 6 ) 目前常用的应力控制疲劳蠕变寿命估算方法都是以延性耗竭理论为基础的延 性耗竭法。其疲劳蠕变交互作用的延性耗竭寿命估算表达式为： f _ 等“) m + c 】【( 岷】- 1仃反 2 3 4 疲劳一蠕变寿命的损伤力学预测方法 ( 2 - 1 7 ) 蠕变损伤增量来表示部件的寿命损伤，而且考虑了疲劳与蠕变的交互作用，是非线 性表达式，目前这方面的研究成果都比较完整，但是得到计算所需的初始数据比较 困难。： 扭= d d i + 扣c ( 2 1 8 ) 疲劳损伤增量和蠕变损伤增量可以采用下面f f q l e m a i t r e 模型表达，如式( 2 - 1 9 ) 乘1 式( 2 2 0 ) 所示： 扣，； 墨! 竺! ：栅 7 q ( y + 1 ) ( 1 一d ) 弘 ( 2 1 9 ) 式中，q ，) ，口材料常数； p 累积塑性应变； r 三轴度因子。 岭南。c 出 弘2 。， 其中，仃钾2 够& ) 2 ；s 玎= 砜 1 4 ( 2 - 2 1 ) 纹，然后机组持续运行 洁但是初始数据比如初 述蠕变条件下任意时刻 黏性时，c 可以用下 ( 2 2 2 ) 仃一一开裂件中应力的度量。 目前，针对疲劳蠕变寿命估算问题还没有一种通用的理论方法。线性累积损伤 方法计算相对比较简单没有考虑交互作用。频率修正法和频率分离法事根据当前工 程使用最广泛的m a n s o n c o f f i n 模型演变而来，利用频率项将蠕变因素加入到疲劳损 伤过程，但是加载频率不好确定，需要通过频率加载实验确定，不适用于计算机仿 真。应变范围划分法( s r p ) 和应变能划分法( s e p ) 考虑了疲劳蠕变交互作用而且计 算结果准确度高比较可靠，大大方便了疲劳蠕变寿命的研究，但是它需要大量可靠的 试验数据为依据，需要考虑的许多材料参数和力学变量。而应力为控制参量的寿命估 算方法以目前较成熟的损伤力学断裂力学为基础，但是并没有到的广泛使用，原因在 于应力控制实验时蠕变因素是通过施加保载时间来引入的，实验过程中须保持应力 峰值不变，而这个试验过程中应力应变迟滞回线不稳定、不封闭，循环中会产生动蠕 变或循环蠕变，影响试验准确率。损伤力学和断裂力学具有成熟的理论基础，能具体 解决复杂及有缺陷构件的寿命预测问题，但也需要大量实验数据。因此本文用线性 累积损伤方法简要计算其寿命，其计算精度能满足所需。目前最典型的线性累积理 论是m i n e r 理论【4 7 1 。根据m i n e r 理论： 低周疲劳致裂寿命的总损耗率为 。，2 击+ 袁+ 去”+ 万12 彘 p 2 3 ， ，1，2r 3 一 厶归 r 7 汽轮机螺栓在服役期间总的蠕变寿命损耗率按照线性积累准则为： d c ：旦+ 旦+ 旦”+ 三：y1 (2-24) 百n 1 r 2t r 3 r r j z t 1 5 华北电力大学硕+ 论文 不考虑两种损伤性质的区别以及相互之间的交互作用的影响，螺栓总寿命损耗 率为两者之和，即 。- d ，+ d c2 表+ 苦 ( 2 - 2 5 ) d ：1 时，则认为汽轮机螺栓表面或应力集中处出现宏观裂纹，螺栓寿命耗尽， 应当更换设备部件，继续使用就会发生断裂影响机组安全经济运行。 1 6 华北电力大学硕士论文 第三章汽轮机启停机过程螺栓应力计算及寿命分析 偏微分方程可以描述大量的工程实际问题，而这方面解析方法却满足不了需 要，其需要大量的实验数据。然而随着计算机科学技术的飞速发展和广泛应用，数 值分析方法通过计算机软件仿真可以解决大部分的工程实际问题，计算机模拟仿真 已成为工程上解决问题的主要方法。其中有限元法在计算机模拟和工程上使用最为 广泛。有限单元法主要用于结构分析，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题 都可以用有限单元法求得较准确的数值结果。而在计算机软件仿真方面，a n s y s 有限元软件使用的比较普遍，它融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，并 且能模拟工程实际问题中的线性静态分析以及复杂的非线性动态分析。本章使用 a n s y s 软件对汽轮机启停过程进行模拟仿真，首先建立螺栓的二维轴对称几何模 型，并确定边界条件，再根据加载条件，模拟机组的冷态、温态、热态和滑参数启 停过程，并计算其寿命。 图3 1 有限元计算流程图 利用a n s y s 软件进行有限元模拟仿真分三个步骤：有限元的前处理、求解和 后处理。前处理主要是用户定义求解所需的材料物性参数，选择坐标系统和单元类 型，建立模型并对其网格剖分。求解阶段是a n s y s 处理的主要阶段，在该阶段用 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。 后处理过程可以获得求解过程的计算结果并对其进行运算，经过处理选择用户需要 1 7 华北电力大学硕士论文 模拟图像和运算。其流程图如图3 - 1 。 3 1 前处理 3 1 1 机组概况 本文针对抚顺电厂1 号机组2 0 0 m w 汽轮机螺栓进行分析。机组型号为c c l 4 0 n 2 0 卜1 2 7 5 3 5 5 3 5 型汽轮机，为一次中间再热，三缸二排汽，双抽冷凝式汽 轮机，单轴结构通过刚性联轴器直接带动发电机。 其主要技术参数如表3 1 所示： 表3 - 1 抚顺电厂1 号机组主要技术参数 项目单位 凝汽工况( 额抽汽工况( 额定 定值)值) 型号c c l 4 0 n 2 0 0 1 2 7 5 3 5 5 3 5 形式超高压中间再热双抽汽冷凝式 生产厂家哈尔滨汽轮机厂 额定功率m w2 0 0 1 4 0 工业抽汽压力m p a 1 0 8 工业抽汽量t h 5 0 供暖抽汽压力m p a 0 2 5 供暖抽汽量 t h3 5 0 转速r m i n3 0 0 03 0 0 0 新蒸汽压力m p a 1 2 7 51 2 7 5 新蒸汽温度 5 3 55 3 5 再热蒸汽压力m p a 2 1 22 0 3 再热蒸汽温度 5 3 55 3 5 背压m p a0 0 0 5 3 90 0 0 2 9 4 额定功率蒸汽t h6 1 0 6 1 0 量 低压缸排汽量t h 4 1 6 2 86 2 8 7 调节级压力m p a 9 7 61 0 7 7 调节级温度 5 0 1 5 3 1 2 单元类型 在结构分析的过程中，由实际物件结构的应力决定采用何种单元类型。螺栓、 螺母、法兰之问的变形分析是属于非线性分析接触分析 1 7 1 。本文研究时把螺栓单 1 8 华北电力人学硕士论文 独拿出用各种力和几何约束来等同于接触对。 本文螺栓选用的是p l a n e l 3 结构单元，p l 钒e 1 3 单元适合于进行弹性、蠕变、 膨胀、应力硬化、大变形、大应变的分析，它允许单元出现不规则的形状划分，允 许温度场和应力场载荷同时求解，再根据金属材料特性选择材料的物性参数；螺栓 的预紧模拟采用螺栓预紧单元p r e t s l 7 9 。 1 3 几何模型和材料参数 有限元法求解前需要建立正确的几何模型。为了准确地对螺栓进行温度场、应 力计算和寿命预测分析，减少边界条件的设定误差对结果可能造成的影响，在建立 螺栓几何模型时，螺栓的结构、形状、尺寸取自某电厂1 号机组实物，假设螺栓 材料各向同性，几何形状和受力为轴对称，将三维空间问题转化为二维平面问题。 中压缸法兰螺栓实体如下图3 2 所示。 ( a ) m 5 6 4 x 2 9 0 双头螺栓实体图( b ) m 5 6 4 2 9 0 双头螺栓二维模型图 图3 2 为实际螺栓和三维实体模型 汽轮机中压缸法兰螺栓材料为2 0 c r 2 m o v a 。螺栓材料的物性参数随温度而变， 不同温度下的参数可以查阅文献【4 7 1 ，见表3 2 。 表3 - 2 螺栓2 0 c r 2 m o v a 的物性参数 温度( ) 2 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 弹性模量 e ( g p a ) 2 1 92 1 72 0 82 0 21 9 21 8 31 7 4 切变模量 g ( g p a ) 8 1 7 9 9 7 7 67 57 1 66 7 7 泊松比口0 30 3o 3 10 3 1o 3 20 3 2 热导率 九( w m ) 3 2 3 2 9 3 1 8 2 9 7 2 8 2 比热容 c ( j k g ) 5 1 95 1 95 1 95 2 35 2 3 线膨胀系数b x 1 0 6 ( k ) 1 1 5 1 2 3 1 2 81 3 41 3 91 4 2 条件屈服强 度s0 2 ( m p a ) 6 5 35 9 35 7 15 3 74 9 2 1 9 华北电力人学硕士论文 3 1 4 划分网格 网格划分关系到有限元计算结果的准确度，单元之间过渡粗糙，网格密度等都 会导致结果出现很大偏差。本论文假定螺栓受热受力完全轴对称，将三维空间问题 转化为二维平面问题，利用直接耦合解法求解汽轮机螺栓的温度场和应力场。 网格划分首先采用自由网格划分工具划分，网格密度选择2 级。螺栓螺纹处存 在应力集中现象，温度梯度及热应力偏高，可能超过材料的屈服极限，并产生疲劳 裂纹，导致螺栓疲劳寿命损耗偏大，所以螺栓螺纹处( 特别是第一圈螺纹处) 的网格 需进一步细化，如图3 3 所示。 l 图3 - 3 螺栓网格划分图 3 1 5 边界条件的确定 建立螺栓模型后，需要合理的确定螺栓边界条件。边界条件如表3 3 所示。 表3 3 螺栓边界条件表 薪广场名 温度场应力场 螺栓外表面已知传热系数和边界温径向零位移约束，轴向 度的第三类边界条件为自由端 螺栓左端已知边界温度的第三类轴向和径向零位移约束 边界条件 螺栓右端已知边界温度的第三类零应力 边界条件 中心边界 绝热边界条件q = 0 零应力边界条件 3 2 求解及后处理 前处理后就进入求解阶段，这阶段根据模型实体施加约束条件并选择载荷数据 和载荷步选项，然后开始有限元求解，利用a n s y s 有限元软件对机组冷态、温态、 热态和滑参数启停过程进行模拟和分析，并计算螺栓的寿命损耗。 3 2 1 冷态启动 2 0 华北电力大学硕+ 论文 最频繁的一种启动方式，其温差最大，初始金属温度低于1 5 0 1 8 0 启动。冷态启动过程中，汽轮机各金属部件受到高温蒸汽的加热， 以螺栓为例，冷态启动时，一定压力的过热蒸汽接触冷的汽缸内壁 凝结放热的形式传给金属，这是流过的高压蒸汽放热系数大，温度 栓温差高，疲劳蠕变损伤大，大大缩小汽轮机的寿命。冷态启动过 的主要因素是胀差正值的增大，而影响胀差的主要因素是蒸汽的升 温速度越快，螺栓内温差越大，且螺栓与法兰温差也越大，相对胀 般限制主蒸汽温升率为1 - 1 5 m i n ，再热蒸汽升温速度为2 2 5 曲线如图3 4 ： 、 ： 、 | 广斗 _ _ 、 、 、 1 、 、 n - - i 、 i i 、 1 、 i 、 8 一 y 1 f|：i、 ：1”_ 7 j l 1 。| ：|习 j |!：l| _ _ 三 | i ， ：1 f - 1 襄厂1 _ _ r 厂丁丁 m 曼；乏 。 斟麓：r 丁可 h 1 7 ：；：一* 图3 4 冷态启动曲线 2 1 华北电力大学硕士论文 2 7 0 z t 0 2 1 6 工8 9 1 6 z 1 0 5 薹 工0 8 宝 8 1 5 哇 2 1 o 图3 5 冷态启动过程终了时刻热应力分布 04 君o 2 4 0 ( x 工o 21 9 6 0工哇哇o1 9 2 02 q 0 0 1 z o工2 0 01 6 8 02 】- 6 0 t i h e 忽 图3 - 6 冷态启动过程螺栓第一圈螺纹处热应力时间变化曲线 冷态启动温度跨度从2 4 0 c 到5 3 5 。c ，跨度大，其冷态启动过程有限元模拟终 了时刻应力分布如图3 5 ，从图可知机组冷态启动最大瞬时应力为2 6 2 m p , 出现在螺 穗cl麓锄耋诹嚣麓 华北电力人学硕士论文 栓第一圈螺纹处，然后往螺栓光杆和第二圈后的螺纹递减。第一圈螺纹处最大瞬时 应力随时间变化曲线如图3 - 6 ，可看出启动初期，金属温度较低，启动开始时出现 热冲击，热应力短时间内出现最大值，最大热应力为2 6 2 m p a 。过后应力有个下降， 但是随着主蒸汽温度和压力的提高，应力又随着增大，但没超过热冲击时出现的最 大热应力值。由于在冷态时会出现热冲击，在启动时一般对金属部件预热来改善其 热状态，降低寿命损耗。 3 2 2 热态启动 汽机热态启动主要步骤与冷态启动基本相同，与冷态启动最大的区别在于汽轮 机所处于的温度水平不同，机组热态启动时，金属的初始温度较高，因而可能出现 蒸汽温度低于螺栓的表面温度使得螺栓表面受到冷却，产生热拉应力，当加载到一 定负荷后，表面的热