大型火电机组汽轮机转子寿命损耗的分析与研究

吴勇刚

（北京国电京缘科技开发有限责任公司，北京100044）

0 引言

近年来，我国电网峰谷差不断增大，但抽水蓄能电站建设容量不足。因此，随着火力发电机组单机容量的不断增加，大型火电机组已经作为主力机组参与了调峰和负荷变动。由于机组频繁参与调峰运行，汽轮机转子会受到交变应力的影响，从而造成汽轮机转子的低周疲劳和蠕变损耗。随着时间的积累，转子必将出现裂纹甚至发生断裂，严重影响汽轮机组的安全稳定运行，甚至引发安全性事故。因此，对汽轮机转子寿命的分析显得尤为重要，其已成为生产大功率汽轮机需要考虑的重要因素之一。

1 影响汽轮机转子寿命的因素

（1）温度。随着汽轮机参数和功率的不断增大，在机组启停或变负荷时，蒸汽温度变化剧烈，转子承受的交变应力会很大，很容易超过屈服应力而产生塑性形变。在汽轮机启动过程中，汽轮机转子处于一个逐渐升温的过程，此时其外表面承受压应力，而中心孔承受的是拉应力。在停机过程中，汽轮机转子处于逐渐冷却的过程中，应力刚好与启动过程相反，转子外表面承受拉应力，中心孔承受的则为压应力。因此，汽轮机组的每一次启停，转子都会经历一次应力循环，长期的启停或变负荷便会导致材料的低周疲劳损伤，最终影响汽轮机转子的寿命。

（2）转速。汽轮机转子在稳定工况下转速为3 000 r／min，而如果发生有功负荷与有功电源容量不匹配的情况，汽轮机的工作频率将会偏离50 Hz的设定频率，导致机组产生一定的振动。这就破坏了机组的动态平衡，对转子的稳定性造成很大影响，引起转子的变形或损坏，缩短转子的使用寿命。

（3）脆性温度。汽轮机转子的金属材料由韧性状态转化为脆性状态的温度叫脆性转变温度。在此温度以上时，转子金属材料为韧性状态，断裂形式为韧性断裂；在此温度以下时，处于脆性状态，断裂形式为脆性断裂。随着转子工作时间的增加，其脆性转变温度逐渐增加，这就使转子在正常工作的状态时更易发生脆性破坏。

（4）其他因素。过热蒸汽、再热蒸汽品质不佳，或汽轮机组的不合理维护等，都会对转子的使用寿命产生不利的影响。

2 转子寿命损耗的分析与计算方法

汽轮机转子的寿命损耗一般可归结为低周疲劳损耗和蠕变损耗2部分。通常情况下，低周疲劳损耗大约占到转子寿命损耗的80%，而蠕变损耗则占转子总体寿命的20%左右。现对转子的寿命损耗分析如下：

2．1 转子低周疲劳损耗及计算方法

汽轮机组的每一次启停，转子都会经历一次交变应力循环，导致转子产生低周疲劳。机组长期的启停或变负荷便会导致金属材料的持续低周疲劳损耗，最终严重影响汽轮机转子的使用寿命。因此，对转子低周疲劳损耗的研究具有很高的工程应用价值。首先，它可准确地推算和预测转子的寿命，预防灾难性事故；其次，可为工程实际应用提供数据支持，帮助人们根据不同的工程要求选择适合的材料，并为抗疲劳材料的研究提供理论依据。

在应力集中的部位容易发生最大局部应力和应变，这对转子的低周疲劳寿命损耗起到了决定性的影响。因此，对于汽轮机转子的低周疲劳损耗，可以根据局部应力相同的疲劳寿命曲线进行计算。

目前在进行汽轮机转子低周疲劳损耗的计算中，所用的金属疲劳曲线和计算公式各不相同，但均比较倾向于 Manson－Coffin公式所列的低周疲劳损耗表达式：

式中，ε为总应变幅度；εe为应变幅度的弹性分量；εp为应变幅度的塑性分量；δf为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；εf为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数；E为弹性模量；Nt为低周疲劳寿命。

而应变幅度可根据Mason－Coffin公式分解为弹性应变幅度和塑性应变幅度2部分，它们与应力的关系可以用下式表示：

式中，δ为应力；E为弹性模量；K为循环强度系数；n为循环应变硬化指数。

因此，只要明确了应力值，就可通过材料的低周疲劳曲线计算出致裂循环周次Nf，并通过低周疲劳寿命损耗d＝1／（2 Nf）的计算公式得出汽轮机转子的低周疲劳损耗。一般情况下，转子材料的低周疲劳特性曲线需要经多次实验后通过最小二乘法拟合得出，有文献提到了目前大型火电机组高中压转子广泛采用的30Cr1 Mo1 V转子钢材料在538℃下的低周疲劳特性曲线，如图1所示。

图1 538℃下的30Cr1 Mo1V转子钢材料低周疲劳特性曲线

2．2 转子蠕变损耗及计算方法

汽轮机转子除了易受到低周疲劳损伤外，还会受到蠕变损伤。蠕变指的是在恒定载荷条件下，材料的应变随着载荷作用时间的累积而增大的现象。时间越长，转子材料发生蠕变损伤的程度就会越大。虽然在转子寿命的损耗中，低周疲劳损耗占主导地位，但是蠕变损耗也不能忽视。

在工程实际中，很难得到转子实验样品，因此目前普遍采用非破坏性方法来估计汽轮机转子的蠕变损耗。转子的蠕变损耗指数可以用下式表示：

式中，ti为材料实际承受应力、温度的时间（h）；Ti为对应于应力、温度、材料发生蠕变的断裂时间（h）。

而Ti可用Larson－Miner参数P计算：

式中，t为运行温度（℃）。

3 转子寿命管理

汽轮机转子低周疲劳损耗和蠕变损耗这2种损耗与转子的使用寿命有如下关系：

式中，n为汽轮机组的启停次数；N为转子的低周疲劳寿命；t为机组的累计运行时间；tR为转子的蠕变寿命；B为低周疲劳和蠕变间的影响系数。

4 结语

本文针对汽轮机转子的寿命损耗进行了分析与研究，详细介绍了转子的低周疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗，并给出了计算方法，有一定的工程实际应用价值。一方面，它可准确推算和预测出转子的使用寿命，保证汽轮机组的安全运行，预防灾难性事故的发生；另一方面可为工程实际应用提供数据支持，帮助人们根据不同的工程要求选择适合的材料，并为抗疲劳金属材料的研究提供理论依据。

［1］张保衡．大容量火电机组寿命管理与调峰运行［M］．北京：水利电力出版社，1988

［2］史进渊．大功率电站汽轮机寿命预测与可靠性设计［M］．北京：中国电力出版社，2002

［3］程相利，马致远．汽轮机高压转子启停热应力场和寿命损耗计算［J］．汽轮机技术，1992（4）

［4］赵斌，刘辉，李哲．大型汽轮机寿命影响因素分析及其分配管理［J］．民营科技，2008，7（39）