【文章內(nèi)容簡介】 車去表面裂紋后，新表面還可有相當高的疲勞壽命。 槽形狀的改變對熱應力集中的影響 熱應力集中的影響因素 ? 幾何形狀 ? 熱載荷 ? 材料的物理特性 熱應力集中 ? 熱應力的數(shù)值可以用簡單的虎克定律表達： ? 前述公式只是針對光軸而言，實際轉(zhuǎn)子存在應力集中現(xiàn)象 其中 : ——熱應力集中系數(shù) ——無熱應力集中時光軸上的公稱應力 tE????????eqthK ?? ??m ax 幾何形狀對應力集中的影響 ? 國產(chǎn) N200機組由于高、中壓轉(zhuǎn)子彈性槽的幾何形狀設計不甚合理，槽太深且底部拐角圓弧太小，導致了嚴重的熱應力集中現(xiàn)象。 ? 熱應力集中主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的軸向應力，切向應力集中現(xiàn)象輕微。 汽機轉(zhuǎn)子局部幾何形狀對應力集中的影響 熱載荷的影響 ? 熱應力集中系數(shù)與一般的機械應力集中系數(shù)不同，其值除與幾何形狀有關(guān)外，還與熱載荷有關(guān)。 熱應力集中系數(shù) vs 機械應力集中系數(shù) ? 在相同的幾何尺寸下，熱應力集中系數(shù)要比機械應力集中系數(shù)大；軸的直徑越大，兩者相差越多；當軸徑較小時，兩者趨于相等。 暖機過程對應力集中的影響 物理特性對應力集中的影響 當應力接近或超過材料的屈服極限時，應力進入塑性范 圍，真實應力集中系數(shù)減小，而應變系數(shù)增大。 熱應力集中系數(shù)的計算 （經(jīng)驗公式計算） 葉輪根部或軸肩根部 ? 當啟動進入準穩(wěn)態(tài)后 2111 ?????? ???DDrDK eqth軸肩處： DDDD seq ?葉輪根部： DDDD eq 1? 或 DLDDDD seq ??兩葉輪之間、單葉輪根部的應力集中情況 軸封彈性槽的熱應力集中系數(shù) ? 式中： Kt —— 理論集中系數(shù)， ? —— 槽的深度； r —— 槽底圓角半徑； ?or —— 相當于槽底直徑的光軸公稱當量應力； ?o —— 相當于槽面直徑的光軸公稱當量應力； 因為熱應力與轉(zhuǎn)子直徑的平方成正比，為了簡化計算，可以將上述式中的當量應力比，代以相應直徑平方之比。 ?????? ????oorttth KKK ??)1(121熱應力集中系數(shù)隨啟動時間的變化 ? 變化關(guān)系可由下式近似表達 ? 式中： Kth — 進入準穩(wěn)態(tài)時的集中系數(shù)； ? — 啟動到達的時間， min。 Kt — 啟動到達時間 t 時的熱應力集中系數(shù)。 影響熱應力的因素 ? 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)材料 ? 溫度的變化 ? 壓力的變化 材料對熱應力的影響 熱應力的基本方程式為： ——彈性模量 ——線脹系數(shù) ——泊松比 mth tE ??? ???1轉(zhuǎn)子鋼熱物性的變化 溫度的變化對熱應力的影響 ? 溫升率對熱應力的影響 ? 從圖中三條曲線對比可以看出，溫升率越大，熱應力水平越高，而且熱應力在開始階段迅速達到最大值，隨后呈下降趨勢。 調(diào)節(jié)級汽室汽溫與轉(zhuǎn)子溫度 ? 計算熱應力時，調(diào)節(jié)級和中壓第一級汽室汽溫是一個最重要的參數(shù)。很多降低熱應力的技術(shù)措施，都與調(diào)整這個區(qū)域的汽溫有關(guān) ? 汽輪機定速之前，調(diào)節(jié)級汽溫難以確定（理論計算和實際測試都存在困難） 調(diào)節(jié)級室汽溫的降落幅度 ? 調(diào)節(jié)級室汽溫的降落幅度與進汽調(diào)節(jié)方式、新汽參數(shù)以及調(diào)節(jié)級的設計焓降有關(guān) N125機組熱態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)時調(diào)節(jié)級汽溫降落幅度計算值見下表 由表可見：新汽壓力越低，汽溫降落的幅度越小。因此在啟動時，新汽的壓力以低些為宜。 N125機組兩班制運行調(diào)節(jié)級汽溫實測 N200機組啟動過程中調(diào)節(jié)級汽溫變化曲線 (實測 ) 汽溫波動對熱應力的影響 ? 當啟動或正常運行時，由于鍋爐燃燒或其它不定因素，常常引起主汽溫的波動，導致調(diào)節(jié)級汽溫也隨之發(fā)生變化。調(diào)節(jié)級汽溫對汽缸和轉(zhuǎn)子熱應力的影響，除了汽溫變化幅度 外，汽溫的 變化頻率 也是一個重要的因素。 ? 計算表明，如果汽溫波動不超過 25℃ ，在轉(zhuǎn)子和汽缸上不會產(chǎn)生有害的熱應力。 壓力的變化對熱應力的影響 ? 蒸汽的壓力往往影響放熱系數(shù) 在一般粗略的計算中 ， 可以把兩者之間的關(guān)系歸納為： 轉(zhuǎn)子光軸處： 高壓軸封入口： 外表面可以視為第三類邊界條件： 壓力越大，對流系數(shù)就越大。 p?? 0 0 p??? ?fttnt ??????? ?? |汽輪機啟動時高中壓轉(zhuǎn)子的溫度變化 熱沖擊 ? 金屬材料受到劇烈的加熱或冷卻，引起內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫差，形成很大的沖擊熱應力的現(xiàn)象稱為 熱沖擊 。 – 熱沖擊時承受很大的熱應力，有時僅一次熱沖擊就可能造成零部件的永久性破壞。 – 汽輪機熱態(tài)啟動時，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常運行中，鍋爐汽包水位失調(diào)而造成滿水等均可能產(chǎn)生汽輪機的熱沖擊。 – 同樣，當電網(wǎng)或發(fā)電機故障而引起汽輪機甩負荷后帶廠用電或空負荷運行，也將造成汽輪機的熱沖擊。 ? 熱沖擊可能對汽輪機產(chǎn)生嚴重的損傷，因此，在機組啟停和正常運行中，應特別注意。 壽命損耗 ? 疲勞損傷 – 由材料力學可知，金屬材料在交變應力反復作用下，會出現(xiàn)疲勞損傷。 – 即使應力不超過材料的屈服極限，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)（交變應力反復作用），金屬材料也將產(chǎn)生微觀裂紋。 – 如果應力足夠大，則循環(huán)次數(shù)不多，材料也將斷裂。 壽命損耗（續(xù) 1） ? 壽命 – 工程上，將致裂疲勞循環(huán)周次（致裂壽命）稱為：有效壽命。 – 工程上，將產(chǎn)生宏觀初始裂紋至斷裂之間的循環(huán)周次（即斷裂壽命與致裂壽命之差）稱為：殘余壽命。 ? 低周疲勞 – 汽輪機在啟停和工況變化過程中，轉(zhuǎn)子承受交變熱應力。這種交變熱應力循環(huán)的特點是：交變循環(huán)周期長，頻率低，疲勞裂紋萌發(fā)的循環(huán)次數(shù)少，故稱為低周疲勞 影響壽命損耗的因素 ? 影響汽輪機壽命的因素有很多，如蠕變斷裂、熱脆性、熱疲勞以及高溫介質(zhì)的氧化和腐蝕等。 ? 主要的影響因素是受到交變熱應力作用引起的低周疲勞壽命損耗，以及受到高溫和工作應力作用而產(chǎn)生的蠕變損耗。 (a)540℃ (b) 565℃ 兩種溫度下， 斷口掃描電鏡圖片 高溫蠕變 ? 蠕變即金屬在高溫下，長期承受一定的工作應力，即使應力不超過金屬在該溫度下的許用應力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。 565℃ 下蠕變裂紋擴展圖 高溫蠕變 ? 蠕變即金屬在高溫下，長期承受一定的工作應力，即使應力不超過金屬在該溫度下的許用應力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。 565℃ 下蠕變裂紋擴展圖 時效過程中組織變化 (a) 原始試樣 (b)660℃ 時效 300小時 (c) 660℃ 時效 500小時 (d)660℃ 時效 800小時 660℃ 溫度下不同時效時間的金相組織照片 低周疲勞 ? 汽輪機在啟停過程中轉(zhuǎn)子所承受的是交變熱應力。啟動加熱時轉(zhuǎn)子表面承受壓應力，停機時為拉應力，在這種交變應力作用下，經(jīng)過一定周次的循環(huán)，就會在金屬表面出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴展以致斷裂。 ? 汽輪機轉(zhuǎn)子承受的這種交變應力的特點是交變周期長、頻率低、疲勞裂紋的循環(huán)周期少，故稱為低周疲勞。 低周疲勞特性對壽命的損耗 ? 1983年前蘇聯(lián)文獻中公布的轉(zhuǎn)子鋼 疲勞特性曲線 ? 從圖中看到，所受熱應力越大，循環(huán)周次 (即金屬材料的疲勞壽命 )就越少；工作溫度越高，循環(huán)周次就越少。 低周疲勞特性對壽命的損耗 (續(xù) ) ? 30Cr2MoV鋼 500℃ 時的低周疲勞曲線 轉(zhuǎn)子疲勞壽命損耗 的計算 ? 依據(jù)材料的低周疲勞特性曲線進行計算，首先求 式中， ——計算點的公稱當量應力； ——材料的彈性模量； ——彈、塑性應變集中系數(shù)； ? 算出后 ，即可查得 ，則啟動（或停機）一次的壽命損耗為 ??? KEeqt ??? )/2(高溫蠕變 ? 蠕變即金屬在高溫下，長期承受一定的工作應力，即使應力不超過金屬在該溫度下的許用應力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。 ? 實驗證明，金屬的蠕變與金屬材料所承受的工作應力和工作溫度有密切的關(guān)系。在工作應力和工作溫度一定時，蠕變發(fā)展過程呈現(xiàn)三個階段： – 第一階段，是蠕變不穩(wěn)定階段； – 第二階段，是蠕變的穩(wěn)定階段，蠕變速度恒定； – 第三階段，蠕變速度增加很快，直至斷裂。在汽輪機壽命管理時，第三階段時間不能計入蠕變壽命。 高溫蠕變 ? 汽輪機的工作溫度很高，其汽缸、轉(zhuǎn)子等零部件會發(fā)生蠕變，損耗壽命。轉(zhuǎn)子的蠕變壽命損耗率 的計算公式如下： ? 式中： t—在某種工作條件下累積運行時間； —在相應條件下金屬部件臨界點蠕變斷裂時間。 ac tt??高溫蠕變對壽命的損耗 ? 從圖中可看出，在同一應力下，轉(zhuǎn)子工作溫度越高，蠕變斷裂時間越短，同一溫度下，轉(zhuǎn)子承受的應力越大，蠕變斷裂時間就越短。 ? 蠕變損耗累積到一定程度時 ， 會導致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋 ， 引起蠕變變形 ， 發(fā)生動靜摩擦事故 。 通常規(guī)定汽輪機運行十萬小時后 ，總的變形量不得超過 %。 低溫脆性 amp。FATT ? 低溫脆性是指高強度合金鋼在某一低溫范圍內(nèi)，韌性特性顯著下降的一種現(xiàn)象。 ? 在工程應用上 ， 把進行材料沖擊試驗時斷口形貌中韌性和脆性破壞面積各占 50％ 時所對應的試驗溫度 ， 稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度 ， 記作 FATT。 –材料溫度＞ FATT， 呈現(xiàn)韌性破壞 –材料溫度＜ FATT， 呈現(xiàn)脆性破壞 ， 發(fā)生脆性損傷的可能性增加 。 –材料在高溫環(huán)境下長期工作 ， 其 FATT有緩慢升高的現(xiàn)象 ? 對汽輪機轉(zhuǎn)子材料的 FATT有明確的要求 ， 而且對預防汽輪機轉(zhuǎn)子脆性損傷也有具體的措施 –對 CrMoV轉(zhuǎn)子鋼來講 ， FATT=80～ 130℃ 。 ? 現(xiàn)代斷裂力學認為：金屬材料低溫脆性破壞的根本原因在于材料在鍛造、熱處理過程中形成的潛在微小裂紋。 低溫脆性破壞的預防 ? 自從 50年代相繼發(fā)生了多起高強度合金鋼低溫脆性破壞的嚴重事故后，低溫脆性破壞引起了人們的高度重視。 ? 經(jīng)反復實踐與研究 ， 已形成了一系列行之有效的防止汽輪機轉(zhuǎn)子低溫脆性破壞措施 。 例如： –ABB規(guī)定冷態(tài)啟動時低速暖機和帶初負荷暖機； –東芝要求機組在冷啟時盤車狀態(tài)下高壓缸暖機和帶初負荷曖機； –G／ A公司機組冷啟的中速暖機和中壓缸啟動方式等都是為了在低應力狀態(tài)下加熱轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子金屬溫度超過材料的 FATT后再轉(zhuǎn)向高應力狀態(tài)下工作。 壽命的管理與控制 ? 對汽輪機壽命的評估方法，一般采用線性累積損傷法，即轉(zhuǎn)子的累積總壽命損耗率Ｍ為低周疲勞損傷與高溫蠕變損傷之和： ? 由上式可知，轉(zhuǎn)子的使用壽命有壽命分配問題。 ?? ????i aiii icf ttNM1??汽輪機壽命管理 ? 汽輪機壽命管理 包括兩層內(nèi)容： 在國家宏觀指定的服役年限內(nèi) ， 根據(jù)機組的帶負荷方式進行 壽命預分配 ， 制定汽輪機壽命分配表 ， 指導運行 ， 以取得最大的經(jīng)濟效益； 進行汽輪機 壽命的離線或在線監(jiān)測 在汽輪機啟、停和變負荷運行時，控制蒸汽溫度和負荷的變化率，控制汽輪機部件的熱應力，使機組的壽命損耗不超過其預分配值，在機組規(guī)定的使用年限內(nèi)，實現(xiàn)最佳的安全經(jīng)濟運行，使機組發(fā)揮最佳的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)機組運行壽命的科學管理 。 汽輪機壽命的合理分配 ? 目前通常認為汽輪機的服役年限為 30年。在這 30年的時間里，如何合理分配汽輪機的壽命，充分利用汽輪機的壽命，以取得最大的經(jīng)濟效益是汽輪機壽命分配的出發(fā)點。 ? 對于帶基本負荷的機組，汽輪機壽命的損耗主要為高溫蠕變和正常檢修啟停