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汽轮机汽缸的蠕变疲劳耦合寿命预测(二)

2018/1/16    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。

2.2 裂纹萌生寿命预测结果

    图7中的应力循环从0开始,在启动过程中达到最大应力,然后在稳态保持一个相对小些的应力值,最后在停机冷却后落回0。基于该应力循环曲线和方程6的蠕变疲劳寿命损耗理论,可以得到法兰转角处等关键区域的寿命损耗,如表3。

    表3 汽缸在启动和停机过程(自然冷却停机)中的寿命损耗

    10

    法兰转角处的寿命损耗较大,根据预测,裂纹将在运行10.5年后产生。寿命预测与实际的汽轮机汽缸开裂时间也基本符合(运行10年开裂,可能还包括裂纹扩展阶段)。

2.3 起裂原因

    该汽轮机汽缸裂纹产生的原因有两方面,结构原因和运行原因,并且前者影响更大。对于结构原因,中分面法兰和垂直法兰的转角的半径较小,为R40mm,这里产生了较严重的热应力导致的应力集中。此外,整体式内缸结构相比于分段内缸结构,也更容易带来大的内部应力。

    对于运行原因,联合循环机组启动快速而频繁,相比大型燃煤汽轮机,启动次数明显多,因而低周疲劳损耗也更大。此外,最大应力产生于冷态启动。

3 蠕变疲劳裂纹扩展寿命预测

3.1 蠕变疲劳裂纹扩展寿命预测模型

    当裂纹产生后,则涉及裂纹扩展的寿命问题。汽轮机汽缸裂纹的扩展主要由低周疲劳和蠕变引起。疲劳裂纹扩展速率则采用Paris公式:

    11

    式中,三项分别为蠕变与疲劳交互作用下的裂纹扩展速率、疲劳裂纹扩展速率、蠕变裂纹扩展速率。tc为蠕变载荷保持时间。

    裂纹扩展失效的判据为,若某一时刻裂纹深度达到临界裂纹尺寸ac时,且Ki>Kic,则发生失稳断裂。其中,Ki,Kic分别为裂尖应力强度因子和断裂韧性。

    裂纹扩展的寿命,实质上就是确定一个构件中裂纹从初始长度a0扩展到ac所需的循环次数或时间。

3.2 剩余寿命估算

    当汽缸裂纹产生后,则需要确定汽缸的残余寿命。探伤结果表明,裂纹深度约0.5mm,裂纹扩展方向为外表面近似垂直向内扩展。同时保守采用常温下的断裂韧性,启停次数和运行时间按表3中1.5倍计算。

责任编辑:张纯子
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