曹望廣，戰(zhàn)友亮，曹吉民

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片疲勞壽命分析

曹望廣，戰(zhàn)友亮，曹吉民

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

以大港石化第三聯(lián)合車間煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片為研究對象，采用有限元分析方法對動(dòng)葉片做強(qiáng)度和疲勞壽命的計(jì)算分析，以驗(yàn)證煙氣輪機(jī)12 000 h強(qiáng)制維修時(shí)間是否合理。

煙氣輪機(jī)；動(dòng)葉片；有限元分析法；疲勞壽命；強(qiáng)制維修時(shí)間

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.48

0 引言

動(dòng)葉片作為煙氣輪機(jī)的主要做功元件，長期在高溫、高速、催化劑粒子沖擊的工況下運(yùn)行，承受著離心載荷、熱載荷、沖擊載荷等多種形式載荷，是最易受到損傷的部件。實(shí)踐表明，動(dòng)葉片的使用周期取決于疲勞壽命。

1 煙氣輪機(jī)簡介

公司三聯(lián)合車間催化裝置煙氣輪機(jī)為蘭州煉油機(jī)械廠生產(chǎn)的“YL-13000B”型單級煙氣輪機(jī)，2006年10月經(jīng)檢修技術(shù)改造（雙級改為單級）安裝投產(chǎn)至今，已安全運(yùn)行11 a，動(dòng)葉片由蘭煉機(jī)械廠制造，最初為雙級結(jié)構(gòu)，因工藝操作波動(dòng)和三旋分離效果較差等原因?qū)е麓呋瘎┡軗p嚴(yán)重，跑損的催化劑嚴(yán)重磨損動(dòng)葉片（圖1），多次導(dǎo)致煙氣輪機(jī)停機(jī)，其中一次動(dòng)葉片從根部發(fā)生斷裂。2004年催化裝置檢修期間，將煙氣輪機(jī)改為單級結(jié)構(gòu)，投產(chǎn)后運(yùn)轉(zhuǎn)良好，未出現(xiàn)過因動(dòng)葉片斷裂引起煙氣輪機(jī)停機(jī)的情況。

圖1 煙氣輪機(jī)葉片結(jié)垢

公司所用煙氣輪機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期最長的一次合計(jì)運(yùn)行12 420 h。當(dāng)前，隨著中國石油對催化裝置長周期運(yùn)行和“三年一修”的剛性要求，煙氣輪機(jī)需要承受長周期運(yùn)行的考驗(yàn)。動(dòng)葉片是煙氣輪機(jī)長周期運(yùn)行中最易受到損傷的薄弱部位，因此，有效預(yù)測煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片的疲勞壽命，對煙氣輪機(jī)適時(shí)地預(yù)知維修很有必要（圖2）。

2 分析步驟

建立起煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片整體結(jié)構(gòu)三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS對動(dòng)葉片的三維模型進(jìn)行載荷計(jì)算和有限元分析，計(jì)算出煙氣中的固體催化劑顆粒從不同角度沖擊動(dòng)葉片時(shí)在葉面上產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)。同時(shí)考慮到高溫?zé)煔夂透咚匐x心力對動(dòng)葉片的蠕變損傷影響，根據(jù)線性疲勞損傷累積準(zhǔn)則，綜合確定煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)而完成對YL-13000B煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片的疲勞壽命預(yù)測。

圖2 煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片外形

2.1 建立有限元模型

大港石化YL-13000B型煙氣輪機(jī)為單級輪盤結(jié)構(gòu)，輪盤上安裝有63片動(dòng)葉片，由于動(dòng)葉片在旋轉(zhuǎn)過程中具有周期對稱性，可以任意取1個(gè)周期內(nèi)的1個(gè)對稱段（輪盤的1/63）建模分析。利用Pro/E軟件建立關(guān)鍵點(diǎn)，繪出輪廓線，生成輪盤和動(dòng)葉片模型并對模型做必要簡化，去除不重要的特征（圖 3）。

圖3 輪盤榫槽和動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)模擬

2.2 材料屬性

煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片選用的材料為GH864合金鋼?；瘜W(xué)組成見表1，彈性模量見表2。

2.3 劃分網(wǎng)格

利用軟件對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格（圖4）。注意應(yīng)力集中部位通常存在于動(dòng)葉片實(shí)體幾何形狀變化大的尖銳部位，此處網(wǎng)格要進(jìn)行細(xì)化。本模型為4面體，分為10節(jié)點(diǎn)單元，39 277個(gè)小單元，60 191個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 GH864化學(xué)元素組成

表2 GH864的彈性模量

圖4 動(dòng)葉片及榫槽的網(wǎng)格劃分

2.4 有限元分析

2.4.1 載荷和約束條件

通過ANSYS軟件給所建模型施加一繞輪盤轉(zhuǎn)軸的角速度來模擬加載，輪盤轉(zhuǎn)軸與葉片根部的距離為811.9 mm。大港石化催化煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速為5888 r/min，相應(yīng)角速度為616.59 rad/s。

通過分析轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)，動(dòng)葉片安裝在輪盤的榫槽內(nèi)，二者為接觸約束性質(zhì)，其中動(dòng)葉片為熱裝，軸向受到約束，榫槽與動(dòng)葉片的接觸面視作徑向約束。因此，給所建模型施加的約束詳見圖4中的A面與A′面。因兩面為周期性對稱約束，故兩面的網(wǎng)格劃分也相同，兩面上的應(yīng)變和應(yīng)力呈現(xiàn)出周期性相對應(yīng)的特征。動(dòng)葉片溫度選用平均工作溫度650℃，彈性模量隨溫度變化而改變，可從表2中選取。當(dāng)分析動(dòng)葉片的靜機(jī)械強(qiáng)度和模態(tài)時(shí)，固氣兩相流對動(dòng)葉片表面的沖擊產(chǎn)生的壓載可模擬為定常載荷。

2.4.2 應(yīng)力和應(yīng)變分布

以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片的吸、壓力面的應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖5所示。

3 ANSYS疲勞分析步驟

ANSYS軟件中的疲勞分析模塊——AWE Fatigue是以ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范為依據(jù)，也可自己編制相關(guān)準(zhǔn)則程序，并將彈、塑性應(yīng)力應(yīng)變分析和Minner疲勞累積損傷準(zhǔn)則簡化。

圖5 動(dòng)葉片應(yīng)力和應(yīng)變分布

3.1 葉片疲勞壽命分布

不考慮催化劑的應(yīng)力集中，經(jīng)ANSYS軟件的疲勞分析模塊計(jì)算得到動(dòng)葉片壓力面、吸力面的疲勞壽命分布見圖6。圖6中的疲勞壽命單位為h。

從圖可知，煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片的最小疲勞壽命值是36 868 h，分布在樅樹榫第一和第二對齒間齒槽的后部，葉身的最小疲勞壽命值 h，分布在壓力面靠近葉根的中部。

圖6 疲勞壽命分布

3.2 動(dòng)葉片危險(xiǎn)部位確定

動(dòng)葉片關(guān)鍵點(diǎn)的選定要從有限元模型的疲勞計(jì)算分析入手，綜合高應(yīng)力分布區(qū)、應(yīng)力集中分布區(qū)和催化劑沖刷導(dǎo)致的應(yīng)急集中分布區(qū)3方面的情況，初步選定6處關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算（圖7）。

圖7 動(dòng)葉片危險(xiǎn)點(diǎn)

3.3 疲勞壽命估算

在考慮催化劑重刷時(shí)計(jì)算得出的疲勞壽命結(jié)果見表3。

表3 危險(xiǎn)點(diǎn)疲勞壽命

從表3可知，考慮到催化劑重刷因素后，動(dòng)葉片的最小壽命值由36 668 h降低至31 750 h，降低了13.4%，最小壽命值部位也相應(yīng)發(fā)生改變，由樅樹榫第一和第二對齒間齒槽的后部變至吸力面樅樹榫齒根部位。因此，催化劑的沖刷對動(dòng)葉片的影響很大，應(yīng)通過優(yōu)化動(dòng)葉片外形設(shè)計(jì)，選擇高效、高分離精度的三旋產(chǎn)品等手段來提高動(dòng)葉片使用壽命。

再計(jì)算動(dòng)葉片關(guān)鍵點(diǎn)的蠕變壽命。依據(jù)材料熱強(qiáng)曲線、應(yīng)力—壽命曲線，得出關(guān)鍵點(diǎn)的蠕變壽命（表4）。依據(jù)線性損傷累積法則，動(dòng)葉片關(guān)鍵點(diǎn)的總損傷等于疲勞損傷與蠕變損傷的線性疊加，計(jì)算出動(dòng)葉片關(guān)鍵點(diǎn)的總損傷，進(jìn)而推算出動(dòng)葉片的使用壽命（表 5）。

表4 煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片蠕變壽命

表5 煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片總損傷壽命

4 結(jié)論

由表5可知，煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片的最小使用壽命為14 620 h，約合20個(gè)月。實(shí)際生產(chǎn)中，規(guī)定煙氣輪機(jī)連續(xù)運(yùn)行12 000 h進(jìn)行強(qiáng)制大修，更換轉(zhuǎn)子（含動(dòng)葉片）。由此可見，該動(dòng)葉片可以滿足正常生產(chǎn)要求，疲勞強(qiáng)度合格。

TK263.3

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〔編輯 吳建卿〕