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
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:
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。