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汽轮机汽缸的蠕变疲劳耦合寿命预测(一)

2018/1/15    来源:互联网    作者:唐敏锦  叶兴柱      
关键字:汽轮机  寿命预测  蠕变  有限元  
本文从汽缸裂纹产生的原因、带裂纹汽缸的剩余寿命、汽缸延寿等方面开展工作,基于有限元方法和材料本构预测汽缸在蠕变和疲劳交互作用下的寿命。

0 引言

    联合循环电站采用燃气轮机和汽轮机的组合来实现更高的发电效率,可达50%-60%。这是由于燃气轮机的高温余气被导入到了汽轮机做功,产生了额外的电能。联合循环电站具有绿色环保、高效率、快速启停等优点。在中国,联合循环电站通常用作调峰,典型的工况是两班制运行。由于启停次数多,涡轮机械部件的损伤可能会较大,甚至会导致裂纹萌生。

    中国的某联合循环电站建于2005年,包括F级燃机和135歷汽轮机。2015年大修期间,汽轮机的中压内缸的内壁发现多道裂纹。图1为该汽轮机中压内缸的三维模型。图2展示了中压内缸裂纹的位置和照片。裂纹产生于中压内缸的中分面法兰和垂直法兰的转角内表面。其中,区域A经过了打磨处理,区域B未处理。

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    图1 联合循环汽轮机中压内缸的三维模型

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    图2 大修发现的中压内缸裂纹(区域A:打磨后)

    通常同条件下,厚壁部件的热应力比薄壁部件的大,无论是瞬态还是稳态。联合循环中的燃气轮机的压力较低,气缸壁较薄,同时燃机的研究积累多,其热应力控制得较好,因此燃气轮机允许频繁的、快速的启动和停机。相比较的,联合循环中的汽轮机部分的压力大,汽缸壁厚,应力较大,因此在频繁启停中容易引起大的寿命损耗。此外,在进汽区域等高温高压部位也存在较大的蠕变损耗。

    对于该联合循环汽轮机,中压内缸的进汽温度为550°C,排汽温度为250°C,温差较大,热应力也可能较大,进而容易导致大的寿命损耗。此外,该电站作为调峰电站,经常处于两班制运行,启停频繁,疲劳次数多,可能导致疲劳损耗大。

    本文从汽缸裂纹产生的原因、带裂纹汽缸的剩余寿命、汽缸延寿等方面开展工作,基于有限元方法和材料本构预测汽缸在蠕变和疲劳交互作用下的寿命。

1 有限元应力计算

1.1 有限元寿命预测概述

    汽缸结构的寿命预测是基于材料本构和有限元方法开展。材料本构通常采用简单试样的材料试验获得材料的静强度、蠕变、疲劳和断裂力学参数等,借助有限元方法可以将简单试样、单轴的材料本构规律推广到复杂结构和多轴应力状态。汽缸作为典型的高温高压结构,其寿命主要受蠕变和低周疲劳影响。其寿命一般可分为裂纹萌生寿命阶段和裂纹扩展寿命阶段,其分界点为宏观工程裂纹,可认为约0.3?0.5mm长,0.1~0.15mm深的裂纹。两个寿命阶段均受蠕变和低周疲劳的交互作用影响,如图3。

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    图3 有限元寿命预测的内容

    有限元计算可以得到温度场和应力场,之后应用相关的蠕变疲劳寿命预测理论,可以预测汽缸起裂的时间、开裂后汽缸的剩余寿命等。

1.2 有限元模型

    该汽轮机中压内缸的模型如图4所示。由ABAQUS软件执行有限元计算,采用四面体单元C3D4T,种子总体尺寸35mm,法兰转角处局部尺寸2mm。共有2,267,149个单元和540,124个节点。该模型通过了网格无关性验证。

    中压内缸材料为铸钢G17CrM〇V5_10,其部分材料参数见表1。

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    边界条件主要有温度、压力,均来自实际的运行数据。该联合循环汽轮机中,中压内缸的进汽温度为550°C,排汽温度为250°C,存在较大温差。汽缸中的换热系数较复杂,不同区域的换热系数不同,同时随着时间变化。启动过程中的换热系数主要取决于汽轮机转速和负荷,其计算方式来源于文献及内部资料。

1.3 汽轮机运行曲线

    有限元瞬态计算中,采用了实际的汽轮机运行曲线。疲劳载荷主要来源于运行过程中的不均匀温度及其变化带来的热应力。本文计算了多个工况,包括冷态启动、温态启动、热态启动和停机(自然冷却)工况。典型的启动和停机曲线见图5,不同启动模式及参数见表2,热态启动为两班制运行下的启动方式。

1.4 应力计算结果

    有限元计算得到了稳态和瞬态的温度场和应力场。图6为中压内缸的稳态温度场,图7中有启动和停机过程中内缸进汽金属温度测点(进汽截面12点位置90%深度)的温度曲线。计算得到的温度曲线很好地符合了电站实测的温度曲线,这表明了本文有限元计算中边界条件和计算过程较为精确。

责任编辑:张纯子
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