汽輪機(jī)汽缸蠕變,疲乏耦合壽命預(yù)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——汽輪機(jī)汽缸蠕變,疲乏耦合壽命預(yù)計(jì)常用作調(diào)峰，典型的工況是兩班制運(yùn)行。由于啟停次數(shù)多，渦輪機(jī)械部件的損傷可能較大，甚至?xí)?dǎo)致裂紋萌生。

某聯(lián)合循環(huán)電站建于2023年，包括F級(jí)燃機(jī)和135MW汽輪機(jī)。2023年大修期間，汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸的內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)多道裂紋。該汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸裂紋的位置示意和照片見圖1，中壓內(nèi)缸的三維模型見圖2。裂紋產(chǎn)生于中壓內(nèi)缸的中分面法蘭和垂直法蘭的轉(zhuǎn)角內(nèi)表面，其中圖1c）為區(qū)域A經(jīng)過打磨處理后的照片，區(qū)域B未處理。

在同等條件下，厚壁部件的熱應(yīng)力尋常比薄壁部件的大，不管是瞬態(tài)的還是穩(wěn)態(tài)的。[1]聯(lián)合循環(huán)中的燃?xì)廨啓C(jī)壓力較低，汽缸壁較薄，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的研究積累較多，其熱應(yīng)力控制得較好，因此，燃?xì)廨啓C(jī)允許頻繁、快速的啟動(dòng)和停機(jī)。聯(lián)合循環(huán)中的汽輪機(jī)部分壓力大、汽缸壁厚，應(yīng)力較大，因此在頻繁啟停中簡單引起壽命損耗。此外，在進(jìn)汽區(qū)域等高溫、高壓部位也存在較大的蠕變損耗。

對(duì)于該聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)，中壓內(nèi)缸的進(jìn)汽溫度為550℃，排汽溫度為250℃，溫差較大，熱應(yīng)力也較大，簡單導(dǎo)致壽命損耗增大。此外，該電站為調(diào)峰電站，經(jīng)常處于兩班制運(yùn)行狀態(tài)，啟停頻繁，也可能導(dǎo)致疲乏損耗增大。

因此，從汽缸裂紋產(chǎn)生的原因、帶裂紋汽缸的剩余壽命、汽缸延壽等方面入手，基于有限元方法和材料本構(gòu)參數(shù)預(yù)計(jì)汽缸在蠕變和疲乏交互作用下的壽命。

1有限元應(yīng)力計(jì)算

1.1有限元壽命預(yù)計(jì)概述

汽缸結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)計(jì)基于材料本構(gòu)參數(shù)和有限元法開展。[2-3]尋常采用簡單試樣的材料試驗(yàn)獲得材料的靜強(qiáng)度、蠕變、疲乏和斷裂力學(xué)參數(shù)等材料本構(gòu)參數(shù)，借助有限元方法可以將簡單試樣的單軸材料本構(gòu)關(guān)系推廣到繁雜結(jié)構(gòu)和多軸應(yīng)力狀態(tài)。汽缸是典型的高溫、高壓結(jié)構(gòu)，其壽命主要受蠕變和低周疲乏影響。疲乏壽命一般可分為裂紋萌生壽命階段和裂紋擴(kuò)展壽命階段，其分界點(diǎn)為宏觀工程裂紋，一般認(rèn)為是長0.3～0.5mm，深0.1～0.15mm的裂紋。2個(gè)壽命階段均受蠕變和低周疲乏交互作用的影響，見圖3。

有限元計(jì)算可以得到溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)用相關(guān)的蠕變疲乏壽命預(yù)計(jì)理論，可以預(yù)計(jì)汽缸起裂的時(shí)間、開裂后汽缸的剩余壽命等。

1.2有限元模型

該汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸有限元模型見圖4。在Abaqus中進(jìn)行有限元計(jì)算，采用周邊體單元C3D4T，種子總體尺寸為35mm，法蘭轉(zhuǎn)角處局部尺寸為2mm，共有2267149個(gè)單元和540124個(gè)節(jié)點(diǎn)。該模型通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。中壓內(nèi)缸材料為鑄鋼G17CrMoV5-10，屈服極限為434.5MPa，其部分材料參數(shù)[4]見表1。模型邊界條件主要為溫度和壓力，二者均來自實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在該聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)中，汽缸