代海燕 田 宇 王麗艷 李海霞

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

大型汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件由于技術(shù)水平的限制，在制造過程中不可避免地會出現(xiàn)不同大小的原始缺陷[1-2]。對于精加工尺寸外的缺陷，轉(zhuǎn)子鍛件在后期的精加工過程中即可去除，影響不大。然而對于鍛件轉(zhuǎn)子內(nèi)部或者轉(zhuǎn)子精加工尺寸內(nèi)的缺陷，后期會一直存在于轉(zhuǎn)子的實際服役過程中。汽輪機轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下，除承受自身重力、離心力之外，還受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、交變熱應(yīng)力、啟停機時的疲勞應(yīng)力作用。轉(zhuǎn)子內(nèi)部的缺陷在服役過程中是否會發(fā)生擴展形成疲勞裂紋從而影響汽輪機的安全穩(wěn)定性，縮短實際的使用壽命，是汽輪機壽命評估工作中必須關(guān)注的重點課題。

目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)對汽輪機大型轉(zhuǎn)子鍛件的可靠性分析采用的是斷裂力學(xué)方法[3-4]。該方法主要是基于轉(zhuǎn)子材料交變載荷下的疲勞裂紋擴展速率、缺陷尺寸和位置、實際工作應(yīng)力，結(jié)合壽命計算公式估算得到汽輪機轉(zhuǎn)子的剩余壽命[5]。但對于高參數(shù)的超臨界、超超臨界機組，關(guān)于高溫高應(yīng)力引起的蠕變疲勞裂紋擴展壽命損耗計算的實際報告和論證卻很少見。

1 蠕變疲勞裂紋擴展壽命評估模型的建立

1.1 模型建立準則

為了簡化汽輪機疲勞壽命評估的理論模型，降低模型公式的計算量，在評估汽輪機轉(zhuǎn)子剩余壽命時，考慮最嚴苛情況下的汽輪機服役的極限情況。本文參考國內(nèi)外火電機組壽命評估標準建立以下準則[6]：

(1)汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子的失效機理為疲勞損傷和蠕變損傷，裂紋在蠕變與疲勞交互作用下擴展，用疲勞損傷和蠕變損傷線性累積損傷法則評估；

(2)只考慮垂直于裂紋面的應(yīng)力引起的Ι型張開裂紋；

(3)把缺陷偏安全的假定為裂紋，并對缺陷進行干涉判斷。

1.2 蠕變疲勞裂紋擴展壽命計算

根據(jù)高溫構(gòu)件的蠕變疲勞裂紋擴展理論，在穩(wěn)定擴展階段的蠕變疲勞裂紋擴展速率，即單位時間dτ內(nèi)的裂紋擴展量da，參照蠕變疲勞交互作用的類Paris經(jīng)驗公式[7]可以寫為：

(1)

在大范圍蠕變條件下，

(2)

式中，K是蠕變條件下的斷裂力學(xué)參量；A、m、n、B是與試驗溫度、材料相關(guān)的常數(shù)。a是裂紋長(mm)；σc是應(yīng)力(MPa)。

對公式(1)兩邊進行積分，得到蠕變疲勞裂紋擴展壽命時間：

(3)

式中，ac是臨界裂紋尺寸；ai是初始裂紋尺寸。

2 壽命評估模型的實際應(yīng)用

2.1 缺陷位置

國內(nèi)某超臨界汽輪機高壓轉(zhuǎn)子實心鍛件在超聲檢測中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在?1.6～3 mm的38個單個缺陷，超聲檢測顯示的缺陷位置如圖1所示。該轉(zhuǎn)子缺陷數(shù)量較多，并且全部靠近轉(zhuǎn)子中心區(qū)域，都位于精加工尺寸以內(nèi)。

2.2 工作應(yīng)力計算

采用有限元法計算了該轉(zhuǎn)子各個缺陷位置處在450℃工作溫度下的穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力，數(shù)值如表1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子缺陷位置示意圖Figure 1 Schematic diagram of rotor defect location

表1 缺陷處工作應(yīng)力Table 1 Working stress at defect positions

2.3 試驗材料數(shù)據(jù)

該轉(zhuǎn)子材質(zhì)為30Cr1Mo1V，為了確保評價結(jié)果更具安全性，壽命評估計算過程中采用下限的屈服強度值600 MPa和下限斷裂韌度值44 MPa·m1/2，而裂紋擴展速率采用上限值，本次所采用的450℃下的蠕變疲勞裂紋擴展的經(jīng)驗公式為da/dτ=0.01123K0.7178。

2.4 計算結(jié)果及分析

汽輪機轉(zhuǎn)子安全性評價結(jié)果一般用轉(zhuǎn)子的壽命損耗來評估轉(zhuǎn)子的剩余壽命。轉(zhuǎn)子蠕變疲勞裂紋擴展的壽命損耗值為30年壽命期占蠕變疲勞裂紋擴展壽命的比值。經(jīng)過該理論模型計算所得的實際該轉(zhuǎn)子38處缺陷位置的蠕變疲勞裂紋擴展壽命損耗數(shù)值見表2。該轉(zhuǎn)子所有缺陷中，6號缺陷位置處壽命損耗值最大，其值為0.76%。電廠一般要求，汽輪機機組30年的壽命期內(nèi)的總循環(huán)壽命消耗應(yīng)不超過70%，以保證機組在設(shè)計使用壽命期內(nèi)能可靠安全地運行。因此，各缺陷處蠕變疲勞裂紋擴展引起的壽命損耗非常小，幾乎可以忽略。

表2 各缺陷處總循環(huán)壽命損耗Table 2 Total cycle life loss at each defect position

圖2 壽命損耗情況分析Figure 2 Life loss analysis

分析模型公式和計算程序中各因素數(shù)值影響比例，通過計算，可以得到不同缺陷當量、工作應(yīng)力下的壽命損耗數(shù)值。由圖2可知，當工作應(yīng)力相同時，不同大小的缺陷的壽命損耗接近；當工作應(yīng)力小于150 MPa時，蠕變疲勞裂紋擴展導(dǎo)致的壽命損耗最大為0.15%，可以忽略不計；當工作應(yīng)力小于200 MPa時，壽命損耗很小，最大為

1.6%；當工作應(yīng)力達到250 MPa時，蠕變疲勞裂紋擴展導(dǎo)致的壽命損耗接近10%。因此，當工作應(yīng)力大于200 MPa時，蠕變疲勞裂紋擴展將較大縮短轉(zhuǎn)子實際的使用壽命；當工作應(yīng)力小于200 MPa，小于3 mm當量的缺陷幾乎不影響轉(zhuǎn)子在壽命期內(nèi)運行的安全可靠性，可不考慮蠕變疲勞裂紋擴展對轉(zhuǎn)子總壽命的影響，減少轉(zhuǎn)子安全性評價工作的計算量。

3 結(jié)語

(1)結(jié)合汽輪機壽命評估理論模型建立的準則，分析了轉(zhuǎn)子蠕變疲勞裂紋擴展引起壽命損耗的計算方法。

(2)依據(jù)理論模型，對超臨界機組汽輪機轉(zhuǎn)子內(nèi)部實際存在的當量值在?1.6～3 mm范圍內(nèi)的38處缺陷進行了壽命評估分析，結(jié)果表明，蠕變疲勞裂紋擴展引起的壽命損耗非常小，最大為0.76%。

(3)分析缺陷當量、工作應(yīng)力對轉(zhuǎn)子壽命損耗的影響，發(fā)現(xiàn)缺陷當量大小對轉(zhuǎn)子壽命損耗影響不大；當工作應(yīng)力大于200 MPa時，蠕變疲勞裂紋擴展將較大縮短轉(zhuǎn)子實際的使用壽命；當工作應(yīng)力小于200 MPa時，對于當量尺寸小于3 mm的缺陷可不考慮蠕變疲勞裂紋擴展對轉(zhuǎn)子總壽命的影響，從而可以減少轉(zhuǎn)子安全性評價工作的計算量，對實際壽命評估工作有一定的理論指導(dǎo)意義。