汽轮机汽缸蠕变 疲劳耦合寿命预测

唐敏锦 叶兴柱

摘要：为探索汽轮机汽缸裂纹产生的原因、带裂纹汽缸的剩余寿命、汽缸延寿等问题，开展蠕变和疲劳交互作用下的汽缸寿命预测。利用有限元计算汽缸在稳态和启停工况下的应力情况。基于蠕变-疲劳耦合理论进行裂纹萌生和扩展的寿命预测，从运行方式和汽缸结构2方面开展优化。研究结果表明：该中压内缸中分面法兰的拐角处存在较大的热应力集中，其寿命损伤大导致裂纹萌生。经过结构修复，机组寿命显著延长。

关键词：汽轮机； 中压内缸； 低周疲劳； 蠕变； 启停机

中图分类号：TM611.31

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2018）01-0055-06

Abstract： To study the reason of steam turbine cylinder crack initiation， the remaining life of cracked cylinder， the life extension of cylinder， and the life prediction of cylinder under the interaction of creep and fatigue is carried out. The stress fields of the cylinder in the steady condition and the startup and shutdown condition are calculated using finite element method. The fatigue life of crack initiation and growth are predicted based on the creep-fatigue coupling theory. The optimization on the operation mode and cylinder structure is studied. The analysis results show that there is an evident thermal stress concentration at the corner of flange in the intermediate pressure inner cylinder， which leads to the crack initiation. After the structure repairing， the fatigue life of assembling unit is prolonged significantly.

Key words： steam turbine； intermediate pressure inner cylinder； low cycle fatigue； creep； startup and shutdown

0 引 言

联合循环电站采用燃气轮机和汽轮机的组合方式，可实现高达50%～60%的发电效率。这是由于燃气轮机的高温余气被导入到汽轮机做功，产生额外的电能。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较大，甚至会导致裂纹萌生。

某联合循环电站建于2005年，包括F级燃机和135 MW汽轮机。2015年大修期间，汽轮机中压内缸的内壁发现多道裂纹。该汽轮机中压内缸裂纹的位置示意和照片见图1，中压内缸的三维模型见图2。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，其中图1c）为区域A经过打磨处理后的照片，区域B未处理。

在同等条件下，厚壁部件的热应力通常比薄壁部件的大，不论是瞬态的还是稳态的。[1]联合循环中的燃气轮机压力较低，汽缸壁较薄，同时燃气轮机的研究积累较多，其热应力控制得较好，因此，燃气轮机允许频繁、快速的启动和停机。联合循环中的汽轮机部分压力大、汽缸壁厚，应力较大，因此在频繁启停中容易引起寿命损耗。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 ℃，排汽温度为250 ℃，温差较大，热应力也较大，容易导致寿命损耗增大。此外，该电站为调峰电站，经常处于两班制运行状态，启停频繁，也可能导致疲劳损耗增大。

因此，从汽缸裂纹产生的原因、带裂纹汽缸的剩余寿命、汽缸延寿等方面入手，基于有限元方法和材料本构参数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基于材料本构参数和有限元法开展。[2-3]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材料本构参数，借助有限元方法可以将简单试样的单轴材料本构关系推广到复杂结构和多轴应力状态。汽缸是典型的高温、高压结构，其寿命主要受蠕变和低周疲劳影响。疲劳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，一般认为是长0.3～0.5 mm，深0.1～0.15 mm的裂纹。2個寿命阶段均受蠕变和低周疲劳交互作用的影响，见图3。

有限元计算可以得到温度场和应力场，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

该汽轮机中压内缸有限元模型见图4。在Abaqus中进行有限元计算，采用四面体单元C3D4T，种子总体尺寸为35 mm，法兰转角处局部尺寸为2 mm，共有2 267 149个单元和540 124个节点。该模型通过网格无关性验证。中压内缸材料为铸钢G17CrMoV5-10，屈服极限为434.5 MPa，其部分材料参数[4]见表1。模型边界条件主要为温度和压力，二者均来自实际的运行数据。在该联合循环汽轮机中，汽缸的传热系数较复杂，不同区域的传热系数不同，并且随时间变化。启动过程中的传热系数主要取决于汽轮机的转速和负荷，其计算方式可参考文献[5]。

1.3 汽轮机运行曲线

有限元瞬态计算采用实际的汽轮机运行曲线。疲劳载荷主要是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，不同启动模式参数见表2，每年共计启停200次，热态启动为两班制运行下的启动方式。

1.4 应力计算结果

有限元计算可得到中压内缸稳态和瞬态的温度场（见图6）和应力场。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）的温度曲线见图7。计算得到的温度曲线与电站实测的温度曲线符合，表明本文有限元计算中边界条件和计算过程较精确。

中压内缸进汽区内表面金属温度达548.4 ℃，外表面温度为254.3 ℃。该区域的汽缸壁内外温差达294.1 ℃，容易导致热应力增大。

中压内缸的稳态von Mises应力见图8。在中分面法兰和垂直法兰的转角处，存在较严重的应力集中。该区域的热-机耦合应力超过汽缸材料的屈服极限，因此其低周疲劳寿命损耗是汽缸开裂的重要原因。

无温度、纯压力的模拟计算结果显示，在该区域并没有明显的应力集中，这表明法兰转角处的应力集中主要由热应力引起。

法兰转角处的稳态应力达到930 MPa（有限元等效弹性值）。在启动和停机过程（自然冷却）中，该区域的应力均为压应力。应力大小受温度变化快慢影响，最大应力发生在冷态启动过程中的升温阶段，达到1 070 MPa（弹性值）。

2 蠕变和疲劳裂纹萌生寿命预测

2.1 预测模型

在汽轮机启停过程中，低周疲劳的裂纹萌生寿命预测采用基于Manson-Coffin方程的局部应变法。[6]采用Ramberg-Osgood模型[7]描述循环载荷下的应力-应变关系。为方便工程应用，采用线性损伤叠加理论预测蠕变和疲劳交互作用下的寿命损耗。

Manson-Coffin方程为

有限元初步计算得到的通常是等效弹性值，需要通过Ramberg-Osgood模型和Neuber理论[8]计算得到真实应变幅。

2.2 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，在稳态保持相对较小的应力值，在停机冷却后回落到0。基于该应力循环曲线和式（7）的蠕变和疲劳寿命损耗理论，可以得到法兰转角处等关键区域的寿命损耗（见表3），在每年启停200次的情况下，蠕变和疲劳寿命损耗每年总计为0.095 6。法兰转角处的寿命损耗较大，根据预测，裂纹将在运行10.5 a后产生。寿命预测与实际的汽轮机汽缸开裂时间（运行10 a开裂，可能还包括裂纹扩展阶段）基本符合。

2.3 起裂原因

该汽轮机汽缸裂纹产生的原因有结构原因和运行原因2个方面，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半径较小，只有40 mm，会产生较严重的热应力导致应力集中。此外，与分段式内缸结构相比，整体式内缸结构更容易带来内部应力的增大。对于运行原因，联合循环机组启动快速而频繁，与大型燃煤汽轮机相比，启动次数明显较多，因而低周疲劳损耗也更大。此外，最大应力产生于冷态启动时。

3 蠕变和疲劳裂纹扩展寿命预测

3.1 预测模型

一旦裂纹产生，就会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。

式中：tc为蠕变载荷保持时间。式（10）从左到右3项分别为蠕变和疲劳交互作用下的裂纹扩展速率、疲劳裂纹扩展速率和蠕变裂纹扩展速率。

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，且KI>KIC。其中，KI和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，需要确定汽缸的残余寿命。探伤结果表明，裂纹深度约0.5 mm，裂纹扩展方向为与外表面近似垂直向内扩展。保守采用常温下的断裂韧性，启停次数和运行时间按表3中的1.5倍计算。

基于前文的应力范围，结合蠕变和疲劳裂纹扩展理论和材料断裂力学参数，可以估算该汽缸法兰转角区域的剩余寿命约为5 a。

因此，该汽缸的剩余寿命不满足机组使用需求，需要对其进行延寿修复和优化。

4 汽缸延寿

4.1 运行方式优化

由于最大应力发生在冷态启动过程中，因此通过略微降低温度升高速度可以减小最大应力。不过，由于稳态应力值本身较大，因此运行优化后的效果并不明显。从裂纹修复后到裂纹萌生的寿命延长为15 a，仍然不满足汽轮机30 a使用寿命的需求。

4.2 结构优化

大修期间对该中压内缸进行修复和优化，水平法兰和垂直法兰转角的半径从40 mm增加到80 mm。采用鎳基合金堆焊的方式进行修复，尤其是水平法兰和垂直法兰区域。结构优化后，最大等效von Mises应力降低为750 MPa（见图9）。修复后汽缸的裂纹萌生寿命达到50 a（见表4），满足使用需求。

5 结 论

某联合循环汽轮机在投运10 a后产生裂纹。从汽缸裂纹产生的原因、带裂纹汽缸的剩余寿命、汽缸延寿等方面入手，基于有限元方法和材料本构参数预测汽缸在蠕变和疲劳交互作用下的寿命，主要结论如下：

（1）与燃气轮机相比，汽轮机压力大、汽缸壁厚，容易产生应力集中和寿命损耗，通常其启停速度和次数受到限制。在联合循环机组中，汽轮机必须与燃气轮机同时联合工作，有必要对其进行优化，使其与燃气轮机寿命相近。此外，大型燃煤汽轮机的灵活运行需求、太阳能热-电汽轮机的开发也均需要精确的寿命分析。

（2）基于有限元方法，成功预测汽轮机汽缸在蠕變和疲劳交互作用下的寿命。裂纹萌生寿命预测解释裂纹产生的原因，裂纹扩展的寿命预测表明汽缸剩余寿命不满足需求。

（3）该汽轮机中压内缸法兰转角由于内外温差大和小转角结构原因，有较严重的应力集中，导致裂纹萌生。这种小转角结构在今后的设计中需要尽量避免。通过堆焊修复并结构优化，汽缸寿命得到大幅延长。

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（编辑 武晓英）