吳勇剛

（北京國電京緣科技開發(fā)有限責(zé)任公司，北京100044）

0 引言

近年來，我國電網(wǎng)峰谷差不斷增大，但抽水蓄能電站建設(shè)容量不足。因此，隨著火力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，大型火電機(jī)組已經(jīng)作為主力機(jī)組參與了調(diào)峰和負(fù)荷變動。由于機(jī)組頻繁參與調(diào)峰運行，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子會受到交變應(yīng)力的影響，從而造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的低周疲勞和蠕變損耗。隨著時間的積累，轉(zhuǎn)子必將出現(xiàn)裂紋甚至發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運行，甚至引發(fā)安全性事故。因此，對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命的分析顯得尤為重要，其已成為生產(chǎn)大功率汽輪機(jī)需要考慮的重要因素之一。

1 影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命的因素

（1）溫度。隨著汽輪機(jī)參數(shù)和功率的不斷增大，在機(jī)組啟?；蜃冐?fù)荷時，蒸汽溫度變化劇烈，轉(zhuǎn)子承受的交變應(yīng)力會很大，很容易超過屈服應(yīng)力而產(chǎn)生塑性形變。在汽輪機(jī)啟動過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子處于一個逐漸升溫的過程，此時其外表面承受壓應(yīng)力，而中心孔承受的是拉應(yīng)力。在停機(jī)過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子處于逐漸冷卻的過程中，應(yīng)力剛好與啟動過程相反，轉(zhuǎn)子外表面承受拉應(yīng)力，中心孔承受的則為壓應(yīng)力。因此，汽輪機(jī)組的每一次啟停，轉(zhuǎn)子都會經(jīng)歷一次應(yīng)力循環(huán)，長期的啟?；蜃冐?fù)荷便會導(dǎo)致材料的低周疲勞損傷，最終影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命。

（2）轉(zhuǎn)速。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在穩(wěn)定工況下轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，而如果發(fā)生有功負(fù)荷與有功電源容量不匹配的情況，汽輪機(jī)的工作頻率將會偏離50 Hz的設(shè)定頻率，導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生一定的振動。這就破壞了機(jī)組的動態(tài)平衡，對轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性造成很大影響，引起轉(zhuǎn)子的變形或損壞，縮短轉(zhuǎn)子的使用壽命。

（3）脆性溫度。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的金屬材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為脆性狀態(tài)的溫度叫脆性轉(zhuǎn)變溫度。在此溫度以上時，轉(zhuǎn)子金屬材料為韌性狀態(tài)，斷裂形式為韌性斷裂；在此溫度以下時，處于脆性狀態(tài)，斷裂形式為脆性斷裂。隨著轉(zhuǎn)子工作時間的增加，其脆性轉(zhuǎn)變溫度逐漸增加，這就使轉(zhuǎn)子在正常工作的狀態(tài)時更易發(fā)生脆性破壞。

（4）其他因素。過熱蒸汽、再熱蒸汽品質(zhì)不佳，或汽輪機(jī)組的不合理維護(hù)等，都會對轉(zhuǎn)子的使用壽命產(chǎn)生不利的影響。

2 轉(zhuǎn)子壽命損耗的分析與計算方法

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命損耗一般可歸結(jié)為低周疲勞損耗和蠕變損耗2部分。通常情況下，低周疲勞損耗大約占到轉(zhuǎn)子壽命損耗的80%，而蠕變損耗則占轉(zhuǎn)子總體壽命的20%左右?，F(xiàn)對轉(zhuǎn)子的壽命損耗分析如下：

2．1 轉(zhuǎn)子低周疲勞損耗及計算方法

汽輪機(jī)組的每一次啟停，轉(zhuǎn)子都會經(jīng)歷一次交變應(yīng)力循環(huán)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生低周疲勞。機(jī)組長期的啟?；蜃冐?fù)荷便會導(dǎo)致金屬材料的持續(xù)低周疲勞損耗，最終嚴(yán)重影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的使用壽命。因此，對轉(zhuǎn)子低周疲勞損耗的研究具有很高的工程應(yīng)用價值。首先，它可準(zhǔn)確地推算和預(yù)測轉(zhuǎn)子的壽命，預(yù)防災(zāi)難性事故；其次，可為工程實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，幫助人們根據(jù)不同的工程要求選擇適合的材料，并為抗疲勞材料的研究提供理論依據(jù)。

在應(yīng)力集中的部位容易發(fā)生最大局部應(yīng)力和應(yīng)變，這對轉(zhuǎn)子的低周疲勞壽命損耗起到了決定性的影響。因此，對于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的低周疲勞損耗，可以根據(jù)局部應(yīng)力相同的疲勞壽命曲線進(jìn)行計算。

目前在進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子低周疲勞損耗的計算中，所用的金屬疲勞曲線和計算公式各不相同，但均比較傾向于 Manson－Coffin公式所列的低周疲勞損耗表達(dá)式：

式中，ε為總應(yīng)變幅度；εe為應(yīng)變幅度的彈性分量；εp為應(yīng)變幅度的塑性分量；δf為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；εf為疲勞延性系數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；E為彈性模量；Nt為低周疲勞壽命。

而應(yīng)變幅度可根據(jù)Mason－Coffin公式分解為彈性應(yīng)變幅度和塑性應(yīng)變幅度2部分，它們與應(yīng)力的關(guān)系可以用下式表示：

式中，δ為應(yīng)力；E為彈性模量；K為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

因此，只要明確了應(yīng)力值，就可通過材料的低周疲勞曲線計算出致裂循環(huán)周次Nf，并通過低周疲勞壽命損耗d＝1／（2 Nf）的計算公式得出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的低周疲勞損耗。一般情況下，轉(zhuǎn)子材料的低周疲勞特性曲線需要經(jīng)多次實驗后通過最小二乘法擬合得出，有文獻(xiàn)提到了目前大型火電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子廣泛采用的30Cr1 Mo1 V轉(zhuǎn)子鋼材料在538℃下的低周疲勞特性曲線，如圖1所示。

圖1 538℃下的30Cr1 Mo1V轉(zhuǎn)子鋼材料低周疲勞特性曲線

2．2 轉(zhuǎn)子蠕變損耗及計算方法

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子除了易受到低周疲勞損傷外，還會受到蠕變損傷。蠕變指的是在恒定載荷條件下，材料的應(yīng)變隨著載荷作用時間的累積而增大的現(xiàn)象。時間越長，轉(zhuǎn)子材料發(fā)生蠕變損傷的程度就會越大。雖然在轉(zhuǎn)子壽命的損耗中，低周疲勞損耗占主導(dǎo)地位，但是蠕變損耗也不能忽視。

在工程實際中，很難得到轉(zhuǎn)子實驗樣品，因此目前普遍采用非破壞性方法來估計汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的蠕變損耗。轉(zhuǎn)子的蠕變損耗指數(shù)可以用下式表示：

式中，ti為材料實際承受應(yīng)力、溫度的時間（h）；Ti為對應(yīng)于應(yīng)力、溫度、材料發(fā)生蠕變的斷裂時間（h）。

而Ti可用Larson－Miner參數(shù)P計算：

式中，t為運行溫度（℃）。

3 轉(zhuǎn)子壽命管理

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子低周疲勞損耗和蠕變損耗這2種損耗與轉(zhuǎn)子的使用壽命有如下關(guān)系：

式中，n為汽輪機(jī)組的啟停次數(shù)；N為轉(zhuǎn)子的低周疲勞壽命；t為機(jī)組的累計運行時間；tR為轉(zhuǎn)子的蠕變壽命；B為低周疲勞和蠕變間的影響系數(shù)。

4 結(jié)語

本文針對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命損耗進(jìn)行了分析與研究，詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)子的低周疲勞壽命損耗和蠕變壽命損耗，并給出了計算方法，有一定的工程實際應(yīng)用價值。一方面，它可準(zhǔn)確推算和預(yù)測出轉(zhuǎn)子的使用壽命，保證汽輪機(jī)組的安全運行，預(yù)防災(zāi)難性事故的發(fā)生；另一方面可為工程實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，幫助人們根據(jù)不同的工程要求選擇適合的材料，并為抗疲勞金屬材料的研究提供理論依據(jù)。

［1］張保衡．大容量火電機(jī)組壽命管理與調(diào)峰運行［M］．北京：水利電力出版社，1988

［2］史進(jìn)淵．大功率電站汽輪機(jī)壽命預(yù)測與可靠性設(shè)計［M］．北京：中國電力出版社，2002

［3］程相利，馬致遠(yuǎn)．汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子啟停熱應(yīng)力場和壽命損耗計算［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，1992（4）

［4］趙斌，劉輝，李哲．大型汽輪機(jī)壽命影響因素分析及其分配管理［J］．民營科技，2008，7（39）