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大型汽轮机寿命及其管理研究综述摘要:本文首先介绍汽轮机寿命的基本概念及组成,分析了影响汽轮机寿命的几个主要方面。接着,简单介绍了汽轮机主要寿命损耗：蠕变寿命损耗、低周疲劳寿命损耗，以及各自的评估方法,最后还介绍了汽轮机的寿命管理：静态寿命管理和动态寿命在线检测。关键字：汽轮机寿命；蠕变；低周疲劳；寿命损耗；寿命管理。Abstract：This paper firstly introduces the basic concepts and components of the steam turbine life,and analyzes the several important aspects affecting the service life of steam turbine.Then,it simply introduces the main life loss of steam turbine,:life loss caused by creep and life loss caused by low cycle fatigue, and evaluation methods of life.In the end of this paper ,the life management of the steam turbine is introduced,including: static life management and dynamic life management depended on online detection.Key words: the steam turbine life;creep; low cycle fatigue; life loss; life management.前言随着我国电网容量的增大，而目前在我国火力发电厂是将化石燃料转化为电能的主要单位，电力生产 80%左右是火力发电厂生产的,并且近年来大型火电机组的不断投运,这使得大型火电机组参与调峰运行已势在必行。传统火电机组将更加频繁的参与调峰运行，汽轮机组的主要部件将会受到交变应力场、交变温度场的作用，从而对汽轮机转子造成低周疲劳1以及蠕变损耗2，3，甚至可能引发安全性事故4。因此对汽轮机转子进行寿命损耗在线监测有着重要的意义。并且制定合理的寿命管理措施, 加强汽轮机的预期寿命管理, 减少汽轮机的寿命损耗,延长汽轮机的服役年限, 可以创造更多的经济效益和社会效益, 也应当成为发电厂安全生产管理的一个重要组成部分5。1汽轮机寿命概念及主要组成部分汽轮机初次投入运行，至转子出现第一条工程裂纹期间的总工作时间被称为汽轮机的有效寿命；而从第一道工程裂纹在交变热应力作用下扩展到临界裂纹，这段时间称为残余寿命，汽轮机的总寿命是有效寿命和残余寿命之和。第一条工程裂纹的等效直径一般取为0.20.5mm。实际上,汽缸和转子在运行时,都有蠕变损伤,但由于厂家对大型汽轮机的汽缸结构进行了一系列优化设计,如采用双层缸结构、减小汽缸厚度等,使汽缸承受的应力远远小于转子的;再加上低周疲劳特性对汽轮机寿命的损耗也是针对转子的。故在计算寿命时,通常把转子的寿命即作为汽轮机的寿命。2影响汽轮机寿命的几个主要因素经过研究表明，影响汽轮机寿命的关键因素一是汽轮机频繁的启停和变负荷，导致汽轮机的高温部件受到交变的温度冲击产生交变的热应力，从而材料产生低周疲劳损伤；二是部件长期在高温环境下，在静载荷的作用下，材料发生塑性变形最终损坏，即蠕变损伤。因此，汽轮机的寿命主要和汽轮机部件的温度、载荷和材质有关。2.1温度影响参与调峰机组，各工况参数频繁变化，其中温度进行周期性的波动, 引起主要零件的温度分布规律的变化, 引起交变热应力, 加剧低周疲劳、高温蠕变损耗, 缩短汽轮机的使用寿命【6】。文献7运用 Larson-Miller方程对 12Cr1MoV 钢进行了超温寿命计算, 结果表明: 如果在额定温度540时寿命为 100000h, 那么在 550下常期运行时, 寿命为 4.97104h, 即超温 10工作寿命减少一半。这说明温度对寿命影响巨大，主要有以下两种影响：1）频繁的周期性温度变动【8】：它将产生两种影响：一是改变了材料的强度，二是引起交变热应力循环。尤其是对于高温下工作的材料其影响应当考虑，如超超临界汽轮机组。2）两种以上温度下长期运行。由于机组频繁参与调峰机组，其工作温度是在不断变化 ，不同的运行温度，对应不同的寿命损耗。因此，在计算汽轮机某运行时间内的寿命损耗，应当换算到某温度下的等效寿命损耗。2.2低周疲劳的影响汽轮机组的低周疲劳损伤。疲劳是指在反复交变载荷作用下材料的逐渐失效行为。汽轮机每启动、运行、停机一次为一个循环,这期间转子温度由低到高,再由高到低,承受的是交变热应力,循环次数往往为103105,属于低周疲劳，这是每一台汽轮机都会遇到的问题，尤其是调峰机组。由于频繁的启动和工况的变化，对汽轮机的寿命影响就更大。对于经常带基本负荷的机组，长期在稳定工况下运行，低周疲劳对机组寿命影响不大。2.3蠕变的影响在高温静载荷作用下，蠕变9会使汽轮机转子随时间的延长而发生塑性变形甚至导致最终破裂。蠕变变形量与部件工作的温度、承受的载荷大小和方式、以及本身材料特性有关。一般来说，材料的蠕变断裂时间随工作温度的升高和承受应力的增加而减少。汽轮机运行时，处于较高温度区域内的汽缸、螺栓、隔板和转子等都会产生不同程度的蠕变损伤。目前大型机组对汽缸的结构进行了一系列的改进，在超超临界机组中，一般都对高温部分的汽缸、转子等采取冷却技术，使汽轮机的材料性能得到充分发挥。一般汽轮机的静止部件如汽缸等承受应力不大于转子所承受的压力，如果机组设计得当，在计算汽轮机的金属材料的寿命时，可以仅考虑转子的寿命损伤【10】。3汽轮机寿命损耗的评估与检测方法通过上小结的分析，可以了解到影响汽轮机寿命的主要两方面就是蠕变和疲劳，那么准确评估这两方面的寿命损耗，对计算机组的剩余寿命至关重要。3.1疲劳寿命损耗的评估图1为某转子钢材料的低周疲劳特性曲线【11】。图中虚拟应力S的计算公式如下【11】：式中:E*：从稳定滞后环上确定的弹性模数;t：不同温度下的真实循环总应变幅,由试验得到。在Si载荷下作用ni次，材料疲劳损耗率为Di=niNi。Ni可以根据部件承受的应力在疲劳曲线图中取得。总的低周疲劳寿命损耗为Df=iniNi。下面考虑转子在实际工作中，如何求取其实际承受的应力。转子的低周疲劳寿命损耗是由转子运行时受到的合成应力载荷造成的，合成应力主要由热应力载荷和离心力载荷组成。由于系统在设计时没有考虑汽轮机发生故障时转速不稳定的情况，因此离心力系统在设计时不再单独考虑，计算时均设定为常量，并与热应力进行叠加计算合成应力。热应力在启停、变负荷运行时随温度大幅变化，这也是造成转子低周疲劳的最重要原因【12】。因此在计算转子合成应力时只考虑热应力，其中一种较为快捷方法计算热应力由以下公式给出【13】：式中：th为监测点热应力；为热应力修正系数；kth为监测点热应力集中系数；为材料的弹性模量；为材料线膨胀系数；为材料的泊松比；T为转子平均温度与转子内表面或外表面温度的差值。由此推导出解析法求得的热应力公式，并将其简化为【14】:式中： 为转子材料泊松比; c 为转子材料比热，J /( kg ) ; 为转子材料密度，kg/m3; 为转子材料导热系数，W/( m) ; R为 R = R0 Rb，m; f 为 形状因子; 为 蒸汽温升率， /s; K 为时间修正因子; 为时间，min。根据热应力计算公式，可以计算出不同循环周次所对应的温升率和温升量的数值,由此绘出转子疲劳寿命损耗曲线,见图2【11】。可根据此曲线指导机组的启停、变负荷，及计算这些过程所消耗的寿命。3.2蠕变对寿命损耗评估汽轮机的工作温度很高,其汽缸、转子等零部件会发生蠕变,损耗寿命。转子的蠕变寿命损耗率的计算公式如下:Di=t/ta式中:t:在某种工作条件下累积运行时间;ta:在相应条件下金属部件临界点处蠕变断裂时间。由于汽轮机每次循环时,其部件的工作温度及承受的应力不同,故总的蠕变寿命损耗应以累积的方式给出:DC=ititaii:表示第i种工作条件。如何准确计算某工作条件下的蠕变断裂寿命，是准确评估蠕变寿命损伤的关键。近年来，对于材料高温蠕变断裂研究主要基于两个方向：断裂力学和损伤力学。计算蠕变断裂寿命方法主要有：基于LASON-MILLER方程的短时蠕变实验曲线寿命外推法；连续损伤力学。但是这些方法目前仅对于单轴情形下，模拟结果较为理想。然而，汽轮机的应力状态是复杂的。随着有限元的发展，现在普遍采用连续损伤力学的方法来估算蠕变断裂寿命。这种方法快速便捷，可以为寿命在线监测提供基础。3.3疲劳-蠕变交互作用对寿命的影响在机组启停、变负荷过程中，转子受疲劳蠕变交互作用的影响也最为明显。因此，需要根据疲劳蠕变交互作用理论，绘出了转子低周疲劳曲线。Timo曾做过这项工作14。4汽轮机寿命管理与分配汽轮机寿命分配与机组在电网中承担的性质、国家能源政策以及汽轮机的结构使用特点、启停次数、启停方式、工况变化、甩负荷带厂电的次数等有关。4.1静态的寿命管理在过去很多年里，我国一直采用这种方法，因此有必要介绍下这种方法。该方法采用线性累积损伤理论，总寿命损耗率为：D=DC+Df=ititai+iniNi当M=100%时,表示寿命殆尽,转子可能出现裂纹。由上式可知,转子的使用寿命有寿命分配问题,现在制造厂都会根据寿命理论给出给出详尽的寿命分配方案;即事先给出汽轮机在整个设计寿命30年内的冷态启动、热态启动、正常停机电负荷、变工况等等运行方式下的各自的循环次数;并给出每次循环相对应的寿命损耗率。用户据此进行操作,即可有效地控制汽轮机的使用寿命。在汽轮机设计寿命年限内( 一般为 30 年) 根据制造厂提供的寿命管理曲线, 一般分配蠕变寿命损耗占 20%,疲劳寿命损耗占 80%15。汽轮机寿命分配要留有余地, 一般情况下寿命损耗只分配 80%左右, 其余 20%以备突发性事故。此方法是提前给启停、变负荷预分配寿命。然而不同的启停、变负荷曲线对应的寿命损耗不同，并且服役期间机组按照启停、变负荷次数是一个难以确定的。另外，该方法针对是整个机组，而无法落实到个别零部件上，也就是说某些部件可能提前断裂引发事故，而有些部件提前报废带来经济损失。4.2汽轮机寿命在线检测结合上小节分析知道，静态的寿命管理模式,不大可能满足动态的机组寿命损耗过程。因此，各种基于设备在线监测和评估的基础上的优化的寿命管理系统不断被开发出来。如张光、张保衡和宋之平教授16在对现有汽轮机寿命管理现状进行了充分考虑的基础上, 提出了控制与管理一体化的优化寿命管理模式。该模式包括处于第一级的安全性与经济性整体优化和处于第二级的动态优化控制系统。处于第一级的安全性与经济性整体优化子系统(SEOS),根据在线检测的初始工作环境参数和外界参数,给出最佳启动方案、最佳启动时间、热应力边卡值以及相应的寿命损耗值等。处于第二极的动态优化控制子系统(DOCS),根据整体优化指标,在满足机组各项运行约束条件的前提下,搜索最佳温升率,以保证机组在由SEOS给定的时间内,实现沿最佳热应力边卡值的等热应力启动。总之，寿命在线检测具有自动启动功能,可控制转速、负荷变化率、温升率和温升量,使热应力不超限,从而使运行过程最佳化,这些措施可有效地保证汽轮机的使用寿命。总结本文回顾和总结了汽轮机寿命损耗的主要原因，同时给出了蠕变和疲劳寿命损耗的计算方法，以及指出来了相关理论的不足。这有利于以后的科研工作者快速的找到研究方向。同时，在最后一节，本文给出静态寿命管理和动态寿命管理基本思路。参考文献：1 荆建平，孟 光。 汽轮机转子疲劳强度理论研究现状与展望J。 汽轮机技术，2003，45( 5) : 261 264。2 孙奉仲。大型汽轮机运行M。 北京: 中国电力出版社，2005。3 郭彦梅。汽轮机转子裂纹产生的原因及预防措施J。山西科技，2008，（2) : 144 145。4 李益民，杨百勋。汽轮机转子事故案例及原因分析J。汽轮机技术，2007，49( 1) : 66 69。5安骏。600MW机组汽轮机的寿命管理研究J。华东电力,2005,33( 7) :64-67。6赵斌，刘辉等。大型汽轮机寿命影响因素分析及其分配管理。民营科技，2008。7安江英, 张保衡。材料脆化对汽轮机组启动预热和超速试验温度的影响J。现代电力,1997,14( 1) :9-12。8 周明鸿.构件在高温下的强度(蠕变计算基础)，哈军工出版，1962.9 Takashi Sakurai,Mitsuru Aoki. 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