3 细晶铸造与低周疲劳寿命 从低周疲劳断口的电子扫描观察到,普通...

赵之青

[摘 要]结合我国实际的汽轮机组运行经验可知，在机组运行环境、保养力度不足等因素的影响下，汽轮机组的使用寿命变得越来越短。为了改善这种状况，应该通过获得寿命评价报告的方式，确定汽轮机组的真实寿命数据，为汽轮机组的运维保养提供有效的优化依据。本文从汽轮机转子的应力承受特点入手，对汽轮机转子低周疲劳寿命评价关键技术问题进行分析和研究。

[关键词]汽轮机；转子；低周疲劳；寿命评价

中图分类号：U356 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0041-01

前言：汽轮机转子低周疲劳会对机组的运行质量产生直接影响。对于企业而言，当汽轮机转子低周疲劳寿命发展至一定程度时，汽轮机运行过程很容易发生各类安全事故，为企业带来极大的经济损失。为了改善这种状况，应该通过构建转子低周疲劳寿命评价体系的方式，对汽轮机转子的低周疲劳寿命展开合理评价。

一、汽轮机转子低周疲劳

（一）汽轮机转子的应力承受特点

汽轮机转子的应力承受特点主要包含以下几种：第一，交变周期长特点。汽轮机转子承受应力的交变周期处于汽轮机组的启动、停机周期循环中[1]。第二，低频率特点。这种特点压应力（出现于汽轮机启动阶段）、拉应力（出现于汽轮机停机阶段）的产生时间间隔有关。

（二）汽轮机转子的低周疲劳

汽轮机转子的低周疲劳是指，在停机、启动阶段中，拉应力、压应力分别作用于汽轮机转子表面，使得汽轮机转子处于交变应力的循环作用模式下。这种交变应力的循环作用引发汽轮机转子产生裂纹的过程，即为汽轮机转子的低周疲劳。

（三）低周疲劳的发生时间

通过对以往汽轮机组运行流程的分析可知，汽轮机转子的低周疲劳多发生于机组负荷大幅变化、停机操作、启动操作等阶段中。当汽轮机转子的低周疲劳累积到一定程度时，可能引发裂纹等质量问题。

二、汽轮机转子热疲劳温度变化的监测

这里主要从以下几方面入手，对汽轮机转子热疲劳温度变化的监测进行分析和研究：

（一）监测方法方面

汽轮机转子热疲劳温度的变化可以通过红外辐射的方式进行监测计算。这种监测方法的应用优势主要包含以下几种：第一，抗干扰特点。在实际监测过程中，红外辐射监测法基本不会受到汽轮机转子运行环境中电磁条件的干扰，其温度监测结果的准确性相对较高。第二，非直接接触性特点。红外辐射监测法对汽轮机转热疲劳温度参数的监测确定并不需要与汽轮机转子直接发生接触。

（二）监测结果影响因素方面

在应用红外辐射测温法对汽轮机转子热疲劳温度进行监测的过程中，能够对监测结果产生影响的因素主要包含以下几种：第一，水蒸气因素。12-30微米、5.6-7.6微米是水蒸气吸收的关键阶段[2]。当红外辐射测温过程涉及上述吸收波段时，所得热疲劳温度结果可能存在较大的误差。因此，在选择红外探测设备的过程中，应该事先将上述两个水蒸气吸收的关键阶段避开。第二，汽轮机转子表面发射率因素。这种因素也会从一定程度上影响热疲劳温度测定结果。因此，在开展温度测定工作之前，应详细分析寿命评估对象汽轮机转子的表面发射率情况。

三、汽轮机转子低周疲劳寿命评价关键技术问题

从整体角度来讲，汽轮机转子低周疲劳寿命评价涉及的关键技术问题主要包含以下几种：

（一）寿命计算问题

可用于汽轮机转子低周疲劳寿命计算中的方法主要包含以下几种：

1.局部应力-应变方法

这种计算方法的低周疲劳寿命结果是通过汽轮机转子的局部应力分析产生的。与其他计算方法相比，这种计算方法的计算过程较为简单，但所得寿命计算结果的精确性水平相对较低。

2.温度修正方法

从本质角度来讲，可以将温度修正法的计算过程看成是对汽轮机转子低周疲劳数据的一种拟合处理。这一计算过程虽然可以获得较为准确的低周疲劳寿命结果，但其无法揭示汽轮机转子疲劳性能参数、温度之间存在的物理关系[3]。

（二）寿命评价体系构建问题

汽轮机转子低周疲劳寿命评价体系主要包含以下几种组成部分：

1.基于不停机状态的汽轮机转子低周疲劳寿命评价

在不停机状态下，汽轮机转子低周疲劳寿命评价过程主要包含以下几个步骤：

第一，汽轮机组缺陷问题监测步骤。在正式对汽轮机转子低周疲劳寿命进行评价之前，需要利用汽轮机以往的运行数据资料，对该汽轮机是否存在缺陷问题记录进行综合评估判断。若存在，则应根据汽轮机的具体缺陷类型，分析汽轮机缺陷所在位置的载荷分布状况[4]；若无缺陷问题，则应该按照汽轮机的正常运行状态，对其转子低周疲劳开展准确的寿命评价。

第二，汽轮机转子的应力分析。在这一步骤中，分析工作应该根据汽轮机组是否存在缺陷分别完成。如果评价对象汽轮机组历史运行过程中存在缺陷记录，则应力分析应将汽轮机组的缺陷部分作为主要评价对象；如果评价对象汽轮机组历史运行过程中并未出现缺陷记录，则可以直接按照汽轮机组良好状态对汽轮机转子开展应力分析。

第三，S-N曲线。若既有资料中包含汽轮机转子钢低周疲劳的实验数据，则可以通过数据拟合处理的方式，获得汽轮机转子的S-N曲线，进而完成转子低周疲劳寿命的评价；若既有资料中并不涉及汽轮机转子钢低周疲劳实验数据，则可以通过温度修正法对数据结果作出评价。

第四，转子低周疲劳寿命的评价报告。为了保证寿命评价结果的准确性，应该通过修正后的Miner线性损伤积累积准则对汽轮机组的缺陷位置的疲劳寿命消耗情况进行合理计算[5]。若汽轮机组缺陷位置产生的疲劳损伤超出无裂纹寿命范围，为了防止汽轮机组在后续运行过程中出现安全事故，应建议对汽轮机组进行停机检修处理，对汽轮机组的剩余寿命进行综合判定后，采取相应的更换汽轮机组或维修机组措施；若汽轮机组的疲劳损伤处于无裂纹寿命范围之内，则应按照上述低周疲劳寿命评价流程得出汽轮机转子的低周疲劳寿命报告。

2.汽轮机转子材料试验数据问题

结合我国以往的汽轮机转子低周疲劳寿命评价过程可知，在实际的寿命评价过程中常常会產生汽轮机转子低周疲劳寿命数据缺失的问题。为了保证汽轮机转子低周疲劳寿命的合理评价，这里设计了一种能够解决汽轮机转子低周疲劳寿命数据缺失问题的计算流程：首先，判断汽轮机转子结构的物理性能，并利用有限元分析法对其展开转子应力分析。其次，判断汽轮机转子低周疲劳寿命是否齐全，若齐全，则根据汽轮机转子数据进行全面载荷谱，获得相应的汽轮机转子低周疲劳寿命评价报告[6]；若数据不齐全，则基于特殊载荷谱获得汽轮机转子低周疲劳寿命的评价报告。

结论

汽轮机转子低周疲劳寿命的评价可以通过寿命评价体系来完成：按照判断汽轮机组是否存在缺陷记录、对汽轮机转子进行应力分析、获得S-N曲线、低周疲劳寿命评价报告的流程，获得准确的寿命评价结果。

参考文献

[1] 吕方明.汽轮机转子低周疲劳寿命评价关键技术问题研究[D].华中科技大学，2014.

[2] 张乐义.汽轮机转子材料30Cr2MoV疲劳过程数值模拟与损伤评价方法[D].华中科技大学，2008.

[3] 陈江龙.基于有限元的汽轮机转子低周疲劳寿命预测与在线系统可靠性研究[D].浙江大学，2005.

[4] 丁阳俊，盛德仁，陈坚红，等.某电厂联合循环汽轮机启动过程优化[N].中国电机工程学报，2013，02：9-15+5.

[5] 楼晓阳，盛德仁，陈坚红，等.135MW汽轮机无中心孔转子热应力有限元计算及低周疲劳寿命分析[J].浙江电力，2007，02：10-14.

[6] 朱煜，陈永照，王海涛，等.高参数汽轮机转子启停机疲劳损伤分析[J].热力透平，2016，03：211-215.