大型汽輪機(jī)部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)和評(píng)估

1、2002年3月ProceedingsoftheCSEE2002Chin.Soc.forElec.Eng.文章編號(hào):025828013(2002)0320103205大型汽輪機(jī)部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)和評(píng)估史進(jìn)淵,孫慶,楊宇,胡先約(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所,上海200240)CREEPLIFEDESIGNANDEVALUATIONOFLARGESTEAMTURBINEPARTSSHIJin2yuan,SUNQing,YANGYu,HUXian2yue(ShanghaiPowerEquipmentResearchInstitute,Shanghai200240,China)ABSTRACT:This

2、paperpresentsamethodforcreeplifecalcula2tionofsteamturbineparts.Themethodtakesintoconsiderationbothforsteadyandunsteadycreepstressesofrotors,pipes,cas2ingsandvalvehousingstobedeterminedwiththehelpoffiniteelementanalysisprograms.Calculationformulasforsteadystressesofrotorsanddiscsformodelsofthickness

3、andthoseofascylindersareofthematerialsaretheLarsonMillermethodandthecreeplifeexpectancyofthesteamturbinepartsarecalculatedwithofasafetyfactor.Quantitativecalculationarepresentedto2getherwithpracticalexamples.Thesuggestedmethodmaypro2videascientificbasisforcreeplifedesign,creeplifeevaluationandcreepl

4、ifediagnosisofsteamturbineparts.KEYWORDS:steamturbine;part;creeplife;lifedesign;lifeevaluation和評(píng)估問題日益引起人們的重視。汽輪機(jī)招標(biāo)時(shí),而是明確冊(cè)15,在,已有一些研究論文分析了蠕變損傷對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子低周疲勞壽命的影響610,但專題研究汽輪機(jī)部件蠕變壽命的研究的論文還比較少。眾所周知,碳鋼部件工作溫度高于350時(shí)必須考慮蠕變問題,合金鋼部件工作溫度超過420、熱強(qiáng)鋼工作溫度超過480時(shí)也必須考慮蠕變問題。因此對(duì)于高中壓轉(zhuǎn)子、高中壓汽缸、主汽閥和調(diào)節(jié)閥的閥殼、主蒸汽管道、再熱蒸汽管道等汽輪機(jī)部件,在設(shè)計(jì)

5、階段面臨蠕變壽命的計(jì)算問題,在使用階段面臨蠕變壽命的評(píng)估與監(jiān)控問題,故研究汽輪機(jī)部件的蠕變壽命計(jì)算方法是一項(xiàng)有益的工作。摘要:文中提出了汽輪機(jī)部件蠕變壽命的計(jì)算方法。介紹了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、主蒸汽管道、汽缸和閥殼穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力和非穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的計(jì)算方法,采用大型有限元分析計(jì)算程序計(jì)算汽輪機(jī)部件的非穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力。文中并介紹了使用變厚度葉輪模型計(jì)算轉(zhuǎn)子和葉輪穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的計(jì)算公式,以及使用厚壁圓筒模型計(jì)算管道和殼體穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的計(jì)算公式。使用拉森米勒方法確定汽輪機(jī)部件材料的斷裂特性,考慮安全系數(shù)后可確定汽輪機(jī)部件的蠕變預(yù)計(jì)壽命。最后給出了汽輪機(jī)部件蠕變壽命的定量計(jì)算方法和應(yīng)用實(shí)例。該計(jì)算方法

6、為汽輪機(jī)部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)、評(píng)估和診斷提供了科學(xué)的依據(jù)。關(guān)鍵詞:汽輪機(jī);部件;蠕變壽命;壽命設(shè)計(jì);壽命評(píng)估中圖分類號(hào):TG113文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A2蠕變應(yīng)力的計(jì)算方法汽輪機(jī)部件的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力可以使用有限元分析程序來計(jì)算,也可以使用解析法近似計(jì)算。汽輪機(jī)部件的非穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力可以使用有限元分析程序來計(jì)算。2.1穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的解析解工程上對(duì)蠕變結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),在恒定溫度及載荷條件下把蠕變過程中零件的應(yīng)力分布不再隨時(shí)間變化的解稱為穩(wěn)態(tài)蠕變解,而把應(yīng)力分布隨時(shí)間變化的解稱為非穩(wěn)態(tài)(瞬態(tài))蠕變解;非穩(wěn)態(tài)蠕變解隨著時(shí)間而逼近于穩(wěn)態(tài)蠕變解11。若汽輪機(jī)部件,長(zhǎng)期在載荷不變、溫度不變的蠕變條件下工作的,其變形主

7、要處于蠕變的第2階段,采用蠕變理論、變厚度葉輪模型和厚壁圓筒模型可以得到汽1引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,汽輪機(jī)部件壽命的設(shè)計(jì)104中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第22卷輪機(jī)部件的應(yīng)力與時(shí)間無關(guān)的近似穩(wěn)態(tài)蠕變解。2.1.1變厚度葉輪模型在汽輪機(jī)材料的蠕變符合時(shí)間硬化理論5,11的條件下,假設(shè)應(yīng)力不沿葉輪厚度變化,按平面應(yīng)力處理。變厚度葉輪穩(wěn)態(tài)蠕變的切向應(yīng)力c和徑向應(yīng)力rc的計(jì)算公式如下:(1)c=rndry式中r1為內(nèi)半徑;r2為外半徑;P1為內(nèi)壓。2.1.3汽輪機(jī)部件文5、11使用變厚度葉輪模型來計(jì)算高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)葉輪中心孔和中壓轉(zhuǎn)子第一級(jí)葉輪中心孔的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和葉輪進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段后,沿徑向應(yīng)力

8、分布有所改變,同額定工況的彈性計(jì)算應(yīng)力分布相比,轉(zhuǎn)子中心孔處的應(yīng)力有所降低。汽輪機(jī)主蒸汽管道和再熱蒸汽管道的直管的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力可用式(3)(5)來計(jì)算。4文3、推薦使用承受內(nèi)壓的厚壁圓筒模型式(3)式(5)來計(jì)算汽輪機(jī)汽缸或主汽閥和調(diào)節(jié)閥的閥殼的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力。由于汽缸、主汽閥和調(diào)節(jié)閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜,把汽缸、,可用于初步,ec=f(r2,h,m,p1)(6)r1rc=-P1r1y1+ryydrr1rndr-yr1r(2)式中r為葉輪半徑;r1為葉輪內(nèi)孔半徑;rn為葉輪外緣半徑;y為葉輪軸向?qū)挾?即葉輪厚度);y隨葉輪半徑而變;y1為葉輪輪轂軸向?qū)挾?yn為輪緣軸向?qū)挾?P1為葉輪內(nèi)孔徑向外力;P

9、徑向外力。=mr1rr式中h為汽缸或閥殼的壁厚。這里蠕變等效應(yīng)力ec的計(jì)算公式為()2()22+(+x-yy-zz-x)ec=22226(xy+yz+zx)(1-+)2(2-)r=-3dr)rr1(2-n=yrdry2r(7)r12.2非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的有限元分析=在汽輪機(jī)部件蠕變的初始階段,彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用,初始階段的蠕變變形使應(yīng)力分布變化;隨著m11這里m為蠕變恒速理論󰂻=A的材料常數(shù);r和為葉輪任意半徑r處的彈性徑向應(yīng)力和彈性切向應(yīng)力。2.1.2厚壁圓筒模型在汽輪機(jī)材料的蠕變符合恒速理論11(即󰂻=mA)的條件下,并假設(shè)軸向應(yīng)變Z=0,厚壁圓筒按平面

10、應(yīng)變處理。承受內(nèi)壓P1的厚壁圓筒的穩(wěn)定蠕變的切向應(yīng)力徑向應(yīng)力c、rc和軸向應(yīng)力zc的計(jì)算公式如下:c=p11+汽輪機(jī)部件內(nèi)部各點(diǎn)蠕變逐漸進(jìn)入穩(wěn)定階段,應(yīng)力變化也逐漸緩慢下來,直到蠕變起控制作用,應(yīng)力由非穩(wěn)態(tài)逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)11。在汽輪機(jī)部件蠕變壽命的計(jì)算中,按蠕變變形量超限(如半徑的1%)或部件開裂時(shí)間計(jì)算壽命時(shí),需要使用有限元分析法對(duì)非穩(wěn)態(tài)蠕變過渡到穩(wěn)態(tài)蠕變的過程進(jìn)行精確的蠕變分析。汽輪機(jī)部件的蠕變屬于非線性問題,進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)蠕變分析,在數(shù)學(xué)上難度很大。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使用有限元方法分析非穩(wěn)態(tài)蠕變問題變得十分有效,可以求解各種復(fù)雜工況下非穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的數(shù)值解。應(yīng)用有限元法計(jì)算汽輪機(jī)部件非穩(wěn)態(tài)

11、蠕變應(yīng)力在工程上是可行的,技術(shù)上是成熟的。常用的大型有限元分析程序有ANSYS程序、NASTRAN程序和ADINA程序。汽輪機(jī)部件熱彈塑性蠕變有限元計(jì)算所采用的蠕變規(guī)律為陳化理論11,即(mrr)mm)(r)m(mr1)m-1(3)rc=P11-zc=P11+()(rr1)m-1(4)rr1)mr)(-1(5)第3期史進(jìn)淵等:大型汽輪機(jī)部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)和評(píng)估m(xù)ntc=A105(8)式中m和nc為蠕變應(yīng)變;為應(yīng)力;t為時(shí)間;A、為隨溫度改變的材料常數(shù),可通過蠕變?cè)囼?yàn)確定。汽輪機(jī)部件非穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力有限元計(jì)算的時(shí)間比較長(zhǎng),如汽輪機(jī)汽閥的閥殼運(yùn)行105h的非穩(wěn)態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的計(jì)算實(shí)例,應(yīng)用AN

12、SYS軟件,在中央處理器為Intel奔騰的微機(jī)上計(jì)算時(shí)間為8h。汽輪機(jī)主汽閥殼內(nèi)壁某點(diǎn)非穩(wěn)態(tài)蠕變等效應(yīng)力ec隨時(shí)間變化趨近穩(wěn)態(tài)蠕變等效應(yīng)力的曲線如圖1所示。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變,ts為汽輪機(jī)部件非穩(wěn)態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變的時(shí)間界限值。汽輪機(jī)部件非穩(wěn)態(tài)蠕變過程的長(zhǎng)短與材料的蠕變特性、應(yīng)力水平和結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)。采用熱彈塑性蠕變有限元程序計(jì)算出t1,t2,ti,tn時(shí)刻的汽輪機(jī)部件瞬態(tài)蠕變的等效應(yīng)力ec1,ec2,eci,ecn后,把eci和工作溫度Ti代入式(9),可以確定汽輪機(jī)部件瞬態(tài)蠕變的等效應(yīng)力eci對(duì)應(yīng)的材料斷裂時(shí)間tri。3.3部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)按照ISO標(biāo)準(zhǔn),持久強(qiáng)度試驗(yàn)得出的拉森-米勒參數(shù)(LMP)

13、時(shí)間3倍外推結(jié)果是準(zhǔn)確的。國內(nèi)持久強(qiáng)度一般做104h試驗(yàn),通常外推到105h,這樣處理工程上可以使用,。國外目前已做3104h,5h。汽輪機(jī)部件穩(wěn)大多超過105h,圖1Fig.1Aof。另外,考慮到105h后,斷面收縮率變小,韌性變差,材料變脆影響外推結(jié)果。故在汽輪機(jī)部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)中,取安全系數(shù)n后,可以得出汽輪機(jī)部件的穩(wěn)態(tài)蠕變的等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的壽命RS和瞬態(tài)蠕變的等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的壽命Ri分別為RS=trs/nRi=tri/n(10)(11)3汽輪機(jī)部件的蠕變預(yù)計(jì)壽命可區(qū)分為致裂壽命和裂紋擴(kuò)展壽命。致裂壽命指的是汽輪機(jī)部件在蠕變應(yīng)力作用下從首次并網(wǎng)到出現(xiàn)第一條工程裂紋(長(zhǎng)度0.30.5mm,深

14、度0.10.5mm)的累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù),致裂壽命也稱致裂形成壽命。本節(jié)提出的汽輪機(jī)部件蠕變壽命的計(jì)算方法,確定的是致裂蠕變壽命。從理論上說,多維應(yīng)力的破壞準(zhǔn)則,對(duì)塑性破壞用等效應(yīng)力度量為宜,對(duì)脆性破壞則用最大拉應(yīng)力度量更好一些11?？紤]到蠕變致裂屬于塑性破壞,文中使用汽輪機(jī)部件的等效應(yīng)力來計(jì)算汽輪機(jī)部件的蠕變致裂壽命。3.1穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力對(duì)應(yīng)的材料斷裂時(shí)間汽輪機(jī)材料試件的高溫持久強(qiáng)度、工作溫度T(K)和斷裂時(shí)間trs之間關(guān)系可用拉森-米勒(Larson2Miller)公式表示為2T(C+logtrs)=a0+a1log+a2log+a3log+a4log+4實(shí)際汽輪機(jī)部件經(jīng)歷非穩(wěn)態(tài)蠕變過程后達(dá)到穩(wěn)

15、態(tài)蠕變。在汽輪機(jī)部件的非穩(wěn)態(tài)蠕變過程中,把某個(gè)時(shí)間間隔ti=1/2(ti-1+ti),1/2(ti+ti+1)的蠕變應(yīng)力近似取為eci,則汽輪機(jī)部件的非穩(wěn)態(tài)蠕變等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)壽命的累積損耗為Eus=i=16nEi=i=16ntRi(12)用R表示汽輪機(jī)部件的蠕變壽命(含非穩(wěn)態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變);ts為汽輪機(jī)部件非穩(wěn)態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變的界限值,則汽輪機(jī)部件處于穩(wěn)態(tài)蠕變狀態(tài)的累積運(yùn)行小時(shí)數(shù)ts為ts=R-ts耗為ES=ts/RS(14)(13)(9)汽輪機(jī)部件的穩(wěn)態(tài)蠕變等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)壽命的累積損式中C,a0,a1,a2,a3,a4為材料試驗(yàn)常數(shù)。把汽輪機(jī)部件的穩(wěn)態(tài)蠕變等效應(yīng)力esc和工作溫度T代入式(9)

16、,解方程可確定汽輪機(jī)部件穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力對(duì)應(yīng)的材料斷裂時(shí)間trs。3.2瞬態(tài)蠕變應(yīng)力對(duì)應(yīng)的材料斷裂時(shí)間設(shè)汽輪機(jī)部件運(yùn)行時(shí)間tts時(shí),汽輪機(jī)部件根據(jù)邁納(Miner)壽命損耗線性疊加原則,汽輪機(jī)部件的蠕變壽命總損耗Et為非穩(wěn)態(tài)蠕變壽命累積損耗Eus與穩(wěn)態(tài)蠕變壽命累積損耗Es之和。當(dāng)Et達(dá)到臨界損耗值D時(shí),汽輪機(jī)部件開裂,有106中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第22卷Et=Eus+EsD(15)在工程實(shí)踐中為了計(jì)算方便,常取D=1。根據(jù)式(12)(15),汽輪機(jī)部件的蠕變壽命的設(shè)計(jì)值可表5結(jié)論(1)本文提出的汽輪機(jī)部件蠕變壽命的計(jì)算方示為R=ts+ts=ts+EsRS=ts+(1-法,考慮了汽輪機(jī)部件非穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力

17、和穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的影響,使得考慮問題更符合汽輪機(jī)運(yùn)行的實(shí)ni=16nEi)RSt)=ts+(1-6RSRii=1(16)3.4部件蠕變壽命的評(píng)估當(dāng)汽輪機(jī)累積運(yùn)行小時(shí)數(shù)tm<tS時(shí),汽輪機(jī)部件工作在非穩(wěn)態(tài)蠕變過程,其蠕變壽命累積損耗為Et=Eus=i=1際情況。文中給出的方法原則上也可應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)和計(jì)算。(2)使用文中給的汽輪機(jī)部件蠕變壽命的計(jì)算方法,可以在設(shè)計(jì)階段確定汽輪機(jī)的部件的蠕變壽命,也可以在使用階段評(píng)定汽輪機(jī)部件蠕變壽命的累積損耗,為汽輪機(jī)部件蠕變壽命的設(shè)計(jì)、評(píng)估和診斷提供了科學(xué)的依據(jù)。致謝,。6nmtRi(17)汽輪機(jī)累積運(yùn)行小時(shí)數(shù)tm>ts時(shí),汽輪機(jī)部

18、件已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變過程,Et=Euss=i)Ri:(1吳厚鈺(WuHouyu).透平零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算(Structureandstrengthcalculationofturbinecomponents)M.北京:機(jī)械工業(yè)4實(shí)例某型號(hào)汽輪機(jī)的主汽閥,其閥殼內(nèi)壁蠕變壽命薄弱環(huán)節(jié)處等效非穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖1所示。從圖1可見,隨著累積運(yùn)行時(shí)間t的增加,汽輪機(jī)閥殼的瞬態(tài)蠕變應(yīng)力逼近穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力。同5t=10h時(shí)穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)力計(jì)算得出的蠕變壽命RS相比,t=1.5×104h時(shí)蠕變應(yīng)力計(jì)算得出的蠕變預(yù)計(jì)壽命影響安全系數(shù)n約為8.17%,使安全系數(shù)增大8.17%,偏于安全。可以近似認(rèn)為該閥殼

19、非穩(wěn)態(tài)蠕變與穩(wěn)態(tài)蠕變的時(shí)間界限值ts=1.5×104h,即t>1.5×10h后,閥殼進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變。按式(10)計(jì)出版社(Bejing:ChinaMachinePress),1982.2丁有宇,等(DingYouyu,etal).汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算(Strengthcal2culationofsteamturbine)M.北京:水利電力出版社(Beijing:WaterResourceandElectricPowerPress),1985.3中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì)主編(ChinaSociatyofPowerEngineering).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)(第二卷汽輪機(jī))(Therm

20、alpowergener2ationtechnicalmanualNo.2SteamTurbine)S.北京:機(jī)械工業(yè)出版社(Beijing:ChinaMachinePress),1999.4WalterTraupel.ThermischeTurbomaschinenM.ZweiterBand,1982.度(SteamTurbineStrength)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社(Bei2jing:ChinaMachinePress),1980.6周順深(ZhouShunshen).蠕變斷裂韌性對(duì)CrMoV鋼蠕變-疲算得出的穩(wěn)態(tài)蠕變的等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的壽命RS=2.4746×106h;按式(1

21、5)計(jì)算得出的閥殼蠕變壽命為106h。若取汽輪機(jī)額定工況下運(yùn)R=2.4657×行的熱彈塑性等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果e代入式(9),計(jì)算得出trs并除以安全系數(shù)n后,有=tr/n=3.0190×105h?？梢缘贸?R:RS=1¬8.17¬8.20。由該汽輪機(jī)主汽閥閥殼蠕變壽命的計(jì)算分析勞交互作用下裂紋開裂和擴(kuò)展的影響(Effectofcreepfracturetoughnessoncrackinitiationandpropagationundercreepfatigueinteraction)J.金屬學(xué)報(bào)(ACTAMetallurgicaSinica),1987

22、,23(3):2172222.7張光榮,王錦橋(ZhangGuangrong,WangJinqiao).低周疲勞和結(jié)果知,國外科技文獻(xiàn)中采用e確定的蠕變壽命與閥殼實(shí)際壽命相差較大。國內(nèi)研究報(bào)告用穩(wěn)態(tài)蠕R接近,但仍有一定差變應(yīng)力esc計(jì)算得出的RS與異。根據(jù)非穩(wěn)態(tài)蠕變過程計(jì)算得出的R介于與RS之間,更符合工程實(shí)際。蠕變交互作用下汽輪機(jī)壽命的計(jì)算方法(Amethodforcalculat2ingthelifeofsteamturbineconsideringthecumulativeactionoflowcyclefatigueandcreeprupture)J.機(jī)械工程學(xué)報(bào)(ChineseJournalofMechanicalEngineering),1989,25(1):73278.8束國剛(ShuGuogang).轉(zhuǎn)子材料的疲勞蠕變交互作用(Inter2actionoffatiguecreepofro