汽机高温蠕变和低周疲劳对转子寿命的影响

汽轮机转子低周疲劳与高温蠕变的寿命计算及应用前言随着经济的快速发展，我国电力行业已经发展到历史上最为辉煌的时期。电力工业是现代化国家的基本工业，电力生产量更是一个国家家经济发展水平的重要指标。截止到2009年底，我国总装机容量达到87407万kw，超超临界压力1000mw机组已有数十台投入运行。与此同时，国家对于节能减排的重视，使得我们面临新的机遇，新设备，新技术的不断涌现，同时也给我们提出了更高的要求。目前各国都不同程度的遭遇或将遭遇的主要问题是电网发电量不足、电峰谷差逐渐增大及火电机组老化等[2][3]。因此，世界各主要发达国家都非常重视火电机组寿命管理的研究，尤其是研究汽轮机转子寿命评估。对此作了大量的工作，并取得不少成果。目录摘要………………………………………………………………1第一章绪言1．1课题意义………………………………………………21．2汽轮机转子寿命研究现状……………………………31．3目前存在的问题………………………………………3第二章本文的研究内容2．1研究对象………………………………………………42．2研究内容………………………………………………5第三章转子热应力的计算模型3.1转子温度场的数学模型………………………………73.2应力场的数学模型……………………………………103.3有限元理论分析………………………………………12第四章转子蠕变损耗寿命4．1金属疲劳机理及高温力学性能的研究……………144．2材料硬度和机组蠕变寿命损耗之间的关系…………164.3蠕变寿命损耗计算……………………………………18第五章转子低周疲劳寿命损耗计算5.1汽轮机转子低周疲劳失效……………………………215.2转子低周疲劳损伤及寿命计算………………………23第六章疲劳——蠕变计算的应用及价值6.1疲劳——蠕变计算的应用及价值………………………24结论………………………………………………………25参考文献……………………………………………………25摘要现代化的电力系统，电力负荷峰谷差及总量逐渐增大，高参数、大容量的火电机组在今后必将参与调峰。这就对汽轮机组提出了更高的要求，为了满足电网的需求，从运行的经济方面说这样的快速启停可以降低机组的热量损失，从而使得机组运行更经济。与此相矛盾的是机组快速启停必将导致发电设备在此过程中遭遇热冲击，使得机组的寿命损耗增大，这又是非常不合理及不安全的。所以对汽轮机的预期寿命必须加强管理，保证热力发电机组的安全、经济运行。本文从电厂汽轮机转子寿命管理的实际情况出发，以300MW汽轮机组为研究对象，进一步对转子的寿命损耗进行了计算，根据金属材料的疲劳机理，在计算中对材料老化造成的硬度变化值做了修正，研究了疲劳蠕变损耗间的耦合计算。经综合分析及计算结果，合理建议了汽轮机转子寿命管理。关键词：汽轮机转子；硬度值；热应力场；高温蠕变；寿命损伤；第一章绪言1.1课题意义电力工业是现代化国家的基本工业，电力生产量更是一个国家经济发展水平的重要指标。现阶段各国都呈现出能源短缺的局面，可是电力的生产及消费占据着能源领域中非常重要的地位。汽轮机组可快速启停及负荷变动是调峰运行要达到的高度，这也是为了对电网负荷的要求及时响应。热力发电设备如汽轮发电机组的特点是工作在高速、高温、高压的环境，设备运行的安全性特别重要。因为汽轮机组运行在变工况模式下，设备部件承受的载荷，随工况变化程度的加剧而增大，对机组的寿命损害也必将更加严重。所以调峰运行会对电站运行的安全性及经济性影响重大。虽然机组工作年限平均设定在25～30年，可是电厂从节约成本及满足电力需求的角度考虑，还需尽量利用在役机组，所以既使机组已达到甚至超过服役年限也不会马上停产。因此，研究发电机组的寿命问题对发电设备是否在安全、经济的模式下工作非常重要。汽机转子的寿命问题在发电设备寿命问题中比较突出[3]。因为转子长时间在高温、高压的恶劣环境下作业，温度在机组启停过程中剧烈的变化，非常容易产生裂纹。而出现转子上的裂纹难以修复，因此可以说转子的寿命可以代表整个汽轮机组的寿命。实际上，研究汽轮机转子的寿命管理，不管是对调峰机组还是对只承担基本负荷、中间负荷的汽轮发电机组都很具价值，且将产生巨大的经济、社会双重效益。1.2汽轮机转子寿命研究现状汽轮机转子运行在高温、高压的恶劣环境下，机组的长期运行必将产生寿命损耗：其一，低周疲劳损耗，是由机组在其启停过程中产生的热应力变化造成；其二，高温蠕变损耗，是由高温疲劳造成的。近年来，火电机组不断追求大容量、超临界，汽机研究者对转子的寿命损耗非常关注，进行了较为深入的研究。1.3目前存在的问题世界各国尽管在理论上对汽轮机转子寿命评估的研究，取得很大的成绩，并提出了许多的计算模型，如最大应变范围划分法、频率修正法、应力修正法等。因为现如今对于疲劳-蠕变交互作用机理并未透切，这些模型虽在一定程度上课解决疲劳蠕变引起的问题，但进行预测都不很精确，所以它的评价方法尚难确定。现今在这方面的研究仍存在的几个问题如下[3]:(l)材料老化对寿命的影响[4];(2)带裂纹转子可靠性研究[5];(3)热冲击问题的研究[6];(4)低周疲劳曲线的合理使用[7];(5)汽轮机强迫冷却安全分析[8];(6)无损诊断方法[3]。本文着重对材料老化对寿命的影响进行了计算分析。第二章本文的研究内容2.1研究对象本论文的研究对象为某电厂正在运行的汽轮机，该机组已运行十年，本论文的一些基本参数均出自该厂的实际运行数据。该汽轮机生产型号为N300-16.7/537/537，由上海汽轮机有限公司生产。高压转子是由整体合金钢锻件加工而成，转子带有中心孔，材料为30Cr1Mo1V。机组采用高中压合缸的方式布置，所以高中压汽缸中段是高温部分集中处。本文用于计算的转子简化模型见图1.1.图1.1转子简化模型2.2研究内容在确保机组安全的基础上，寻求机组启动过程的最佳温升率，达到延长汽轮机转子使用寿命的目的，再而提高机组启停的经济性。本论文的主要研究工作如下：（1）以热力发电机组及转子的工作原理为理论基础，把握汽轮机组在运行工况下的基本情况，熟悉火力发电厂的整个流程及各系统的运行机理;（2）研究转子温度场、应力场的有限元计算原理，确定计算几何模型，简化模型并对其划分网格；（3）学习ALGOR有限元软件，并运用该软件对转子进行有限元计算及热应力分析。根据有限元的计算结果，研究转子在各工况下温度场及应力场的分布情况，考察转子基本热应力的变化规律；（4）研究金属材料的疲劳机理，引入材料硬度这一特性参数，确定金属材料硬度计算方法及与机组运行时间之间存在的变化关系。机组正常运行时，因高温引起的蠕变寿命损耗占主导，基于金属材料硬度随时间变化的情况下，考虑其对转子高温蠕变损耗的影响；（5）汽轮机转子在机组启动过程中因为承受交变热应力而产生低周疲劳，探讨低周疲劳的基本特征及影响因素，采用连续介质模型，并考虑转子材料硬度情况，对转子低周疲劳寿命损伤进行计算；（6）机组的疲劳寿命损耗与蠕变寿命损耗并不是独立存在，疲劳中的蠕变成分随着温度的升高逐渐增加，这就必须以考虑疲劳-蠕变的相互作用为前提，计算总损耗。本文采用常用的线形与非线性累计理论进行计算，并对比计算结果；（7）探讨温升率对机组寿命损耗的影响，并基于转子材料硬度变化时怎样调节机组启动温升率，以使得机组寿命损耗量低；（8）计算结果综合分析，为转子寿命管理提出合理建议。第三章有限元及转子热应力数值计算理论基础3.1转子温度场的数学模型由于汽轮机转子本身的对称性，在对转子不稳定的温度场进行计算时，可把转子材料视为各向同性的且分布均匀，整个转子无内热源。在可以满足较长的时间、较大计算机内存、较复杂的准备数据工作条件下，可以利用轴对称二级有限元法求解温度场。根据能量守衡定理和傅立叶定律，温度)(、、rzt在D区域中满足的偏微分方程如下式：22221rtrtrztCtp（2.1）式中：r——径向坐标；——时间间隔；——材料的导热率；pC——材料的比热；——材料的密度。对式（2.1）进行求解需要得知的物体边界上的边界条件和初始条件）（r,zft0-，对汽轮机转子而言，边界条件即传热学中第三类边界条件，也就是转子表面的换热速度，由介质与边界的换热条件得：)(-ttntfT（2.2）式中：——转予表面与蒸汽的放热系数ft——接触转子表面的汽温当放热系数=0时，式(2.2)可以化为绝热边界条件，无交换热量，例如转子中心孔边界；若时，被加热物体表面与介质的温度相等，第三类边界条件变成第一类边界条件[31]。式(2.2)中的第三类边值问题由变分原理，转化成式（2.3）的极值问题：222J[(,,)](){[()()]}22fpTDttttzrtttrdsCtdrdzrz（2.3）0t)],,([Jrzt在求式（2.3）的极值时，离散区域D，由于全部单元是整个区域D分散成的，故有：01kEiitJ（2.4）边界单元：drdzrtztttCrdstttDpjmf]})()[(2{)2(J222e（2.5）内部单元如下：drdzrtztttCp]})()[(2{J22e（2.6）假设温度),,(trz在单元体中是线性分布的基础上，对单元体进行变分计算，得：JJJeiiiiijimiiiiijimejjjijjjmjjjijjjmemmimjmmmmmimjmmmTkkkpTnnnTkkkpTnnnTkkkpTnnn（2.7）式（2.7）中i、m、j分别为三角单元三个顶点处的编号。见图2.1。图2.1三角单元由式（2.5）及式（2.4），可以联合求解节点处的温度，节点总数为n，得到的变形式见下：0tKPtN（2.8）式（2.8）中N是nn变温正定对称矩阵，K是nn刚度正定对称矩阵；用伽辽金格式对t项进行有限差分展开，则式（2.8）变为：-23tt3-PKNNK（）（）（2.9）式（2.9）稳定的条件：-+30KN（2.10）在第一类边界条件下，的限定条件为：（2.11）式中：、、pc——分别是转子材料的密度、导热率和比热；x——三角形单元的平均边长。3.2应力场的数学模型解出在非稳态温度变化下的单元上各节点位移，是求解转子应力场的关键。实际运行中，机组的温度场都是不稳定的，在该条件下求解单元内的应力及应变，系统中单元各节点的位移用列矩阵表示为：TmmjjiiTrmrjriwuwuwue（2.12）单元内的位移为：eeINININNwufmji（2.13）这里iN、jN、mN为位移形函数，把上式代入下式几何方程中：Trzzurwzwruruzr（2.14）可知单元内的应变为：emjiBBBeB（2.15）若考虑温度热载荷效应，则应变为：TTotttt01110（2.16）得到应变后，可以利用弹性力学求出应力：4/)(2xcp)()(00erzzrBDD（2.17）221000010101211ED（2.18）其中[D]是弹性矩阵，在轴对称前提下，单元的虚功方程见下式：dzrdrdReTeT)(（2.19）其中：