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1、汽轮机寿命培训教材汽轮机寿命是指汽轮机从初次投入运行到转子出现第一条裂纹期间能承受的交变应力的周次。因为汽轮机部件在高温下运行，其材料易发生疲劳或蠕变损伤，长期损伤的积累会导致裂纹的产生和发展，或金属材料组织的变化而引起强度降低与脆化等。这些均会使汽轮机部件出现裂纹最终导致材料不能安全工作。如国产300MW机组高压缸内缸曾出现裂纹，国外一台350MW机组在运行4500小时和启停70次后，在转子表面出现裂纹。为确保汽轮机安全连续地运行，应及时分析机组运行情况，准确掌握汽轮机部件的金属材料的高温性能，对部件寿命进行评估。正确评价汽轮机部件的寿命，可以制订正确的启停和运行方式，确定合理的参数变化规律
2、，有效地延长汽轮机寿命，为运行人员安全运行提供操作依据。对寿命损耗估算、监测、以及合理的分配进行分析，为汽轮机管理和运行提供指导。25.1 汽轮机寿命汽轮机寿命取决于其最危险部件的寿命。一般来讲，汽轮机转子作为汽轮机的一个关键部件，其材料性能、几何形状和运行工况都对汽轮机的正常运行影响很大。汽轮机转子的工作环境较恶劣，热应力变化大，运行温度高，又加上转动能量大，结构上应力集中部位多，一旦出现裂纹又不易修复，表面上的小裂纹就会形成转动的不平衡，因此转子是整个机组中最危险的部件，它的寿命决定了整台汽轮机的寿命。转子寿命一般分为无裂纹寿命和剩余寿命两种。所谓无裂纹寿命是指转子的第一次投运开始直到产生
3、第一条工程裂纹（约0.5mm长，0.15mm深）所经过的允许交变载荷的次数，当然还与应力变化幅度以及初始应力有关。第一条裂纹的产生并不意味着转子寿命的终结，还有一定的剩余寿命。所以剩余寿命是指从产生第一条工程裂纹开始直到裂纹扩展到临界裂纹，所经历的交变载荷的次数。有关文献指出，这部分寿命约占汽轮机寿命的10左右，也有专家认为此段时间会更长。无裂纹寿命和剩余寿命之和就是转子的总寿命。从寿命的定义可知，转子寿命并不是指运行时间的长短，而是指转子能够承受交变载荷次数的多少。所以研究汽轮机转子寿命的问题，实际上就是在一定应力幅值下确定转子能够承受交变载荷的次数以及合理分配交变载荷次数，编制汽轮机组按预
4、定寿命进行启、停和负载变化的运行方案，从而达到合理地使用其寿命。25.2 转子材料的疲劳与蠕变损伤转子材料损伤包括低周疲劳损伤和高温蠕变损伤，这是导致转子裂纹的主要因素。所以汽轮机转子的寿命主要应考虑由于材料低周疲劳所损耗的寿命和因材料蠕变行为所损耗的寿命。低周疲劳损伤一般将材料失效的应力循环次数小于104105的疲劳称为低周疲劳。在以往的汽轮机设计中，疲劳强度都是采用高周疲劳，在任何一次应力（或应变）循环中，应力较小，不会产生塑性变形，循环次数小于107时，零件不会损坏。而低周疲劳的应力较大，有较大的塑性变形，对材料产生一定影响，损耗一定寿命。汽轮机在启、停和工况变化时要承受温度循环，如启、
5、停工况机组由盘车状态到冲转启动、并网、带负荷是一个逐渐升温过程。转子外表面承受压应力，中心孔表面承受拉应力；在停机过程中，由减负荷、解列到盘车状态是一个降温过程，转子承受与升温时相反的应力状态，所以一次启、停转子就经受一次应力循环。又由于启、停过程中蒸汽参数高，金属温度变化幅度大，产生的热应力大，所以对转子材料产生的影响也大。由于这一循环过程间隔时间较长，导致部件失效的次数较少，所以汽轮机启、停过程为一低周疲劳损伤过程。转子低周疲劳寿命的确定，首先要确定造成裂纹的周期次数与应力（或应变）的关系，此即转子材料的低周疲劳曲线。低周疲劳损伤的机理分析，它不仅与材料本身的微观结构、物理性质、化学成份有
6、关，而且还与温度变化量、温度变化速率、加载频率和加载方式等有关。因此只有对具体的转子材料进行大量的低周疲劳试验，才能得到适用于该材料的低周疲劳曲线。高温蠕变损伤金属在高温下工作，即使所受的应力低于金属在该温度下的屈服点，但在这样应力的长期作用下也会发生缓慢的、连续的塑性变形（这种变形在温度不太高或应力不太大的情况下几乎觉察不出来），这一现象叫蠕变，长期的塑性变形必然会对材料产生损伤。汽轮机转子长期处于高温下工作，因此应考虑满负荷稳定运行时高温蠕变所造成的损伤。这也是带基本负荷机组要考虑的问题之一.疲劳与蠕变产生的总损伤评价低周疲劳和高温蠕变产生的总损伤，采用线性累积损伤法，即认为疲劳与蠕变独立
7、发生作用，然后把二者简单叠加起来，因此总损伤为或 =当1时，发生初始裂纹。实验证明，值的范围在0.51.5之间，所以蠕变与疲劳的简单叠加对寿命预测产生误差，一般情况下，0.51.0。实际上，金属材料的破坏是由蠕变疲劳交互作用的结果。式中 总应变范围； 循环频率；,，材料常数，对CrMoV钢，0.094，0.885，-0.092，0.033，-0.759，0.034。参数波动产生的损伤汽轮机运行过程中，由于各种原因，蒸汽参数会上下波动，尤其是调峰运行机组。参数波动的结果，将导致金属材料工作应力呈波形变化，也会产生疲劳损伤。因为任何一个应力时间过程，都可将不规则的工作应力波形分解成一系列光滑的半波
8、，每一半波均能产生疲劳损伤。25.3 转子寿命分析已知转子寿命可分为无裂纹寿命和剩余寿命，估算方法只讨论无裂纹寿命的估算。由于蠕变损伤在整个寿命损伤中仅占20左右，而且转子材料的蠕变断裂曲线目前还不完善，因此估算寿命时多以疲劳损伤为主。低周疲劳产生的寿命损伤的估算步骤如下。（1）选定启动停机过程中各种参数的变化规律，确定计算工况。一般来说，启停过程中的参数变化可参照机组的启、停曲线确定。包括主蒸汽的压力、温度，再热蒸汽的压力、温度，调节级后的蒸汽压力和温度，各主要监视段的压力、温度以及汽缸金属温度随负荷变化的关系。（2）根据气流参数、工况特性和转子的结构特点及汽流的流动特性，计算汽流与转子各部
9、位的换热系数。准确地确定某转子的换热系数较为困难，目前只能根据一些经验公式进行估算。（3）对选定的计算循环（启、停），计算各个不同工况下转子的温度和应力场。目前多采用二维或三维有限元方法进行计算，求得转子各部位在任一工况下的温度分布和应力分布。（4）根据确定的温度场和应力场，确定转子上最危险的部位，即温度最高应力最大的部位，也就是需要监督的部位。转子的寿命损伤就是决定于这些部位的寿命损伤。计算表明，国产125MW机组最危险的部位为转子的调节级处与中压第一级处的部分。根据该机组调节级处热应力与蒸汽温度的变化量与温升率之间的关系曲线,在同一温度变化量下，温升率越大，热应力越大。在较小的温度变化量时
10、，即使采用大温升率，也不会产生太大的热应力。因此尽管这些部位是最危险的，一旦考虑了工况的变化，如启动温升率和温升量，也可能使热应力不致很大。（5）确定最危险部位的应力和应变。由于转子外表面的结构复杂，突变的部位多，易造成应力集中，该处表面应力比内孔表面大得多，因此主要考虑外表面的应力和应变。（6）根据危险部位的应力和应变，查转子材料的低周疲劳损伤曲线，即可得到致裂周次和相应的寿命损耗率1/，以及启动一次或停机一次的寿命损耗率1/2。已知在计算热应力过程中，温度变化量和温升率是影响热应力的主要因素，因此这两个因素也是影响寿命的重要因素，也是汽轮机启、停或负荷变化过程中的两个主要控制指标。因此常根
11、据某部位的不同温度变化量和温升率，和利用上述方法求出的对应的寿命损耗率作用，得到转子的寿命损耗曲线。25.4 影响转子寿命的其它因素除了上述提到的因素，如低周疲劳、高温蠕变、蒸汽参数（温度变化量、温度变化率）、材料特性以外，还有一些结构方面的因素。1.主轴汽封弹性槽经过有限元计算，国产机组尤其是125MW和300MW，在靠近调节级的主轴汽封弹性槽处的热应力最大，因为此处有较大的应力集中，所以在估算转子寿命时，必须考虑这一部位。2.转子中心孔应力转子中心孔表面在汽轮机承受交变载荷时，其应力也是交变的，虽然表面无应力集中的部位，但热应力和离心应力叠加后，可达到较高的值，中心孔处径向应力为零，切相应
12、力由两个部分组成，一是由转动时自身的离心力产生的切向应力分量，二是由于叶轮作用在转子外表面的径向应力引起的中心孔表面的切向应力，在研究转子寿命时，切向应力是不能忽略的。经计算，国产125MW机组中心孔切向应力在调节级处最大，其值为10.49kg/mm2。由于中心孔表面处裂纹不易直观发现，因此为了保证中心孔表面不要产生过大的寿命损耗，在加工过程中要求轴孔表面没有肉眼能观察到的破坏金属连续性的缺陷。只要轴孔表面最大应力在弹性范围内，即可认为安全。据国外经验，把0.9作为转子中心孔的极限允许应力时，未发现过问题。3.调节级后温度因为已知调节级处是转子最危险部位，该处的蒸汽温度对寿命损耗率起决定性作用
13、，所以作为寿命分析的信号源的该处蒸汽温度一定要尽可能地准确测量。目前，有些厂家用内缸内壁温度代替此温度，这是不准确的。测量调节级后的汽温时，一是要定准位置，能代表蒸汽流的平均温度；二要容易更换。国产汽轮机过去的不足之处在于测汽温的热电偶未暴露在汽流中，不能代表真实的汽温，另外汽缸内壁温度则处在两进汽导管之间，不能恰当代表调节级后的温度。国外机组的作法，是从外缸打一孔直到内缸内壁进行测温，且在夹层中插一套管，以防热电偶断在夹层中。25.5 机组的寿命管理汽轮机高温零部件的寿命，对于电站的可靠性和经济性至关重要，延长这些部件的寿命，已经成为一个重要的课题。与带基本负荷的机组相比，调峰机组具有如下两
14、个显著特点：频繁的启动和停机；频繁的变动负荷。因此，蒸汽参数及金属温度均有频繁的变化，使得受热部件产生较大的交变应力，所以调峰机组的寿命损耗比基本负荷机组大，机组的寿命管理更为重要。机组寿命管理的任务就是正确评价汽轮机部件的寿命（包括无裂纹寿命和剩余），合理分配机组服役期内各种工况下的寿命损耗率，延长汽轮机的使用寿命。做好机组寿命管理工作，有助于合理使用材料，充分利用设备潜力，可以避免灾难性事故（如断轴事故）的发生。过渡工况的热状态机组启动、停机或者负荷变化的工况称为过渡工况，调峰运行的机组无论采用什么运行方式，过渡工况总是频繁出现。根据机组的寿命理论，寿命损伤大多数发生在过渡工况，因此研究过
15、渡工况的参数变化规律对做好寿命管理极其重要。在过渡工况下，受热部件周围的换热情况是随时变化的，以冷态启动为例说明转子热应力的变化。冷态启动时，蒸汽加热转子，刚开始起动时，金属温度较低，蒸汽接触到金属后可能发生凝结，这是产生相变的换热过程，换热强度比无相变时大的多，因此此时蒸汽对金属的加热很快，产生的热应力较大。随着金属温度的提高，凝结现象逐渐消失，对金属的加热速度变慢，转子的热应力也有所缓和。所以冷态启动时冲转参数应选择适当，尽量减小热冲击。启动进入暖机阶段后，蒸汽的压力和温度基本不变，换热系数比较稳定，转子的温度分布渐趋均匀。以暖机转速升高到额定转速，升速率较高，此时虽然蒸汽参数变化不大，但
16、流量增加，转速升高，换热系数也会增加很快，热应力又开始增加，一般情况下过临界转速后仍要暖机，以缓解此时的热应力。并列带负荷阶段，蒸汽的压力温度、流量均增加。换热系数剧增，导致热应力又加大。带满负荷后，工况开始稳定，转子内部的等温线沿径向分布，热应力减少。过渡工况下，主要是由于径向温度梯度产生的热应力加上旋转产生的离心应力，在转子外表面和中心孔表面出现高应力区域，在稳态工况下，热应力几乎消失，离心应力作用于中心孔的应力增大。过渡工况下的热应力与蒸汽参数的变化量和变化速度有较大的关系，尤其是温度变化量和温度变化率。调峰机组低负荷运行时的负荷变化率对于寿命损伤影响很大。所以在降负荷或升负荷时应根据金属温度以及允许的疲劳循环次数确定合理的变化率。利用机组的变负荷曲线，就可以有效地进行负荷变化时的寿命管理。当然这种曲
