蠕变疲劳裂纹扩展对汽轮机转子寿命的影响

代海燕 田 宇 王丽艳 李海霞

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

大型汽轮机转子锻件由于技术水平的限制，在制造过程中不可避免地会出现不同大小的原始缺陷[1-2]。对于精加工尺寸外的缺陷，转子锻件在后期的精加工过程中即可去除，影响不大。然而对于锻件转子内部或者转子精加工尺寸内的缺陷，后期会一直存在于转子的实际服役过程中。汽轮机转子工作状态下，除承受自身重力、离心力之外，还受到扭转应力、交变热应力、启停机时的疲劳应力作用。转子内部的缺陷在服役过程中是否会发生扩展形成疲劳裂纹从而影响汽轮机的安全稳定性，缩短实际的使用寿命，是汽轮机寿命评估工作中必须关注的重点课题。

目前，国内外研究机构对汽轮机大型转子锻件的可靠性分析采用的是断裂力学方法[3-4]。该方法主要是基于转子材料交变载荷下的疲劳裂纹扩展速率、缺陷尺寸和位置、实际工作应力，结合寿命计算公式估算得到汽轮机转子的剩余寿命[5]。但对于高参数的超临界、超超临界机组，关于高温高应力引起的蠕变疲劳裂纹扩展寿命损耗计算的实际报告和论证却很少见。

1 蠕变疲劳裂纹扩展寿命评估模型的建立

1.1 模型建立准则

为了简化汽轮机疲劳寿命评估的理论模型，降低模型公式的计算量，在评估汽轮机转子剩余寿命时，考虑最严苛情况下的汽轮机服役的极限情况。本文参考国内外火电机组寿命评估标准建立以下准则[6]：

(1)汽轮机高中压转子的失效机理为疲劳损伤和蠕变损伤，裂纹在蠕变与疲劳交互作用下扩展，用疲劳损伤和蠕变损伤线性累积损伤法则评估；

(2)只考虑垂直于裂纹面的应力引起的Ι型张开裂纹；

(3)把缺陷偏安全的假定为裂纹，并对缺陷进行干涉判断。

1.2 蠕变疲劳裂纹扩展寿命计算

根据高温构件的蠕变疲劳裂纹扩展理论，在稳定扩展阶段的蠕变疲劳裂纹扩展速率，即单位时间dτ内的裂纹扩展量da，参照蠕变疲劳交互作用的类Paris经验公式[7]可以写为：

(1)

在大范围蠕变条件下，

(2)

式中，K是蠕变条件下的断裂力学参量；A、m、n、B是与试验温度、材料相关的常数。a是裂纹长(mm)；σc是应力(MPa)。

对公式(1)两边进行积分，得到蠕变疲劳裂纹扩展寿命时间：

(3)

式中，ac是临界裂纹尺寸；ai是初始裂纹尺寸。

2 寿命评估模型的实际应用

2.1 缺陷位置

国内某超临界汽轮机高压转子实心锻件在超声检测中发现转子内部存在∅1.6～3 mm的38个单个缺陷，超声检测显示的缺陷位置如图1所示。该转子缺陷数量较多，并且全部靠近转子中心区域，都位于精加工尺寸以内。

2.2 工作应力计算

采用有限元法计算了该转子各个缺陷位置处在450℃工作温度下的稳态工作应力，数值如表1所示。

图1 转子缺陷位置示意图Figure 1 Schematic diagram of rotor defect location

表1 缺陷处工作应力Table 1 Working stress at defect positions

2.3 试验材料数据

该转子材质为30Cr1Mo1V，为了确保评价结果更具安全性，寿命评估计算过程中采用下限的屈服强度值600 MPa和下限断裂韧度值44 MPa·m1/2，而裂纹扩展速率采用上限值，本次所采用的450℃下的蠕变疲劳裂纹扩展的经验公式为da/dτ=0.01123K0.7178。

2.4 计算结果及分析

汽轮机转子安全性评价结果一般用转子的寿命损耗来评估转子的剩余寿命。转子蠕变疲劳裂纹扩展的寿命损耗值为30年寿命期占蠕变疲劳裂纹扩展寿命的比值。经过该理论模型计算所得的实际该转子38处缺陷位置的蠕变疲劳裂纹扩展寿命损耗数值见表2。该转子所有缺陷中，6号缺陷位置处寿命损耗值最大，其值为0.76%。电厂一般要求，汽轮机机组30年的寿命期内的总循环寿命消耗应不超过70%，以保证机组在设计使用寿命期内能可靠安全地运行。因此，各缺陷处蠕变疲劳裂纹扩展引起的寿命损耗非常小，几乎可以忽略。

表2 各缺陷处总循环寿命损耗Table 2 Total cycle life loss at each defect position

图2 寿命损耗情况分析Figure 2 Life loss analysis

分析模型公式和计算程序中各因素数值影响比例，通过计算，可以得到不同缺陷当量、工作应力下的寿命损耗数值。由图2可知，当工作应力相同时，不同大小的缺陷的寿命损耗接近；当工作应力小于150 MPa时，蠕变疲劳裂纹扩展导致的寿命损耗最大为0.15%，可以忽略不计；当工作应力小于200 MPa时，寿命损耗很小，最大为

1.6%；当工作应力达到250 MPa时，蠕变疲劳裂纹扩展导致的寿命损耗接近10%。因此，当工作应力大于200 MPa时，蠕变疲劳裂纹扩展将较大缩短转子实际的使用寿命；当工作应力小于200 MPa，小于3 mm当量的缺陷几乎不影响转子在寿命期内运行的安全可靠性，可不考虑蠕变疲劳裂纹扩展对转子总寿命的影响，减少转子安全性评价工作的计算量。

3 结语

(1)结合汽轮机寿命评估理论模型建立的准则，分析了转子蠕变疲劳裂纹扩展引起寿命损耗的计算方法。

(2)依据理论模型，对超临界机组汽轮机转子内部实际存在的当量值在∅1.6～3 mm范围内的38处缺陷进行了寿命评估分析，结果表明，蠕变疲劳裂纹扩展引起的寿命损耗非常小，最大为0.76%。

(3)分析缺陷当量、工作应力对转子寿命损耗的影响，发现缺陷当量大小对转子寿命损耗影响不大；当工作应力大于200 MPa时，蠕变疲劳裂纹扩展将较大缩短转子实际的使用寿命；当工作应力小于200 MPa时，对于当量尺寸小于3 mm的缺陷可不考虑蠕变疲劳裂纹扩展对转子总寿命的影响，从而可以减少转子安全性评价工作的计算量，对实际寿命评估工作有一定的理论指导意义。