大型火電機組汽輪機轉子壽命損耗的分析與研究

吳勇剛

（北京國電京緣科技開發有限責任公司，北京100044）

0 引言

近年來，我國電網峰谷差不斷增大，但抽水蓄能電站建設容量不足。因此，隨著火力發電機組單機容量的不斷增加，大型火電機組已經作為主力機組參與了調峰和負荷變動。由于機組頻繁參與調峰運行，汽輪機轉子會受到交變應力的影響，從而造成汽輪機轉子的低周疲勞和蠕變損耗。隨著時間的積累，轉子必將出現裂紋甚至發生斷裂，嚴重影響汽輪機組的安全穩定運行，甚至引發安全性事故。因此，對汽輪機轉子壽命的分析顯得尤為重要，其已成為生產大功率汽輪機需要考慮的重要因素之一。

1 影響汽輪機轉子壽命的因素

（1）溫度。隨著汽輪機參數和功率的不斷增大，在機組啟停或變負荷時，蒸汽溫度變化劇烈，轉子承受的交變應力會很大，很容易超過屈服應力而產生塑性形變。在汽輪機啟動過程中，汽輪機轉子處于一個逐漸升溫的過程，此時其外表面承受壓應力，而中心孔承受的是拉應力。在停機過程中，汽輪機轉子處于逐漸冷卻的過程中，應力剛好與啟動過程相反，轉子外表面承受拉應力，中心孔承受的則為壓應力。因此，汽輪機組的每一次啟停，轉子都會經歷一次應力循環，長期的啟停或變負荷便會導致材料的低周疲勞損傷，最終影響汽輪機轉子的壽命。

（2）轉速。汽輪機轉子在穩定工況下轉速為3 000 r／min，而如果發生有功負荷與有功電源容量不匹配的情況，汽輪機的工作頻率將會偏離50 Hz的設定頻率，導致機組產生一定的振動。這就破壞了機組的動態平衡，對轉子的穩定性造成很大影響，引起轉子的變形或損壞，縮短轉子的使用壽命。

（3）脆性溫度。汽輪機轉子的金屬材料由韌性狀態轉化為脆性狀態的溫度叫脆性轉變溫度。在此溫度以上時，轉子金屬材料為韌性狀態，斷裂形式為韌性斷裂；在此溫度以下時，處于脆性狀態，斷裂形式為脆性斷裂。隨著轉子工作時間的增加，其脆性轉變溫度逐漸增加，這就使轉子在正常工作的狀態時更易發生脆性破壞。

（4）其他因素。過熱蒸汽、再熱蒸汽品質不佳，或汽輪機組的不合理維護等，都會對轉子的使用壽命產生不利的影響。

2 轉子壽命損耗的分析與計算方法

汽輪機轉子的壽命損耗一般可歸結為低周疲勞損耗和蠕變損耗2部分。通常情況下，低周疲勞損耗大約占到轉子壽命損耗的80%，而蠕變損耗則占轉子總體壽命的20%左右。現對轉子的壽命損耗分析如下：

2．1 轉子低周疲勞損耗及計算方法

汽輪機組的每一次啟停，轉子都會經歷一次交變應力循環，導致轉子產生低周疲勞。機組長期的啟停或變負荷便會導致金屬材料的持續低周疲勞損耗，最終嚴重影響汽輪機轉子的使用壽命。因此，對轉子低周疲勞損耗的研究具有很高的工程應用價值。首先，它可準確地推算和預測轉子的壽命，預防災難性事故；其次，可為工程實際應用提供數據支持，幫助人們根據不同的工程要求選擇適合的材料，并為抗疲勞材料的研究提供理論依據。

在應力集中的部位容易發生最大局部應力和應變，這對轉子的低周疲勞壽命損耗起到了決定性的影響。因此，對于汽輪機轉子的低周疲勞損耗，可以根據局部應力相同的疲勞壽命曲線進行計算。

目前在進行汽輪機轉子低周疲勞損耗的計算中，所用的金屬疲勞曲線和計算公式各不相同，但均比較傾向于 Manson－Coffin公式所列的低周疲勞損耗表達式：

式中，ε為總應變幅度；εe為應變幅度的彈性分量；εp為應變幅度的塑性分量；δf為疲勞強度系數；b為疲勞強度指數；εf為疲勞延性系數；c為疲勞延性指數；E為彈性模量；Nt為低周疲勞壽命。

而應變幅度可根據Mason－Coffin公式分解為彈性應變幅度和塑性應變幅度2部分，它們與應力的關系可以用下式表示：

式中，δ為應力；E為彈性模量；K為循環強度系數；n為循環應變硬化指數。

因此，只要明確了應力值，就可通過材料的低周疲勞曲線計算出致裂循環周次Nf，并通過低周疲勞壽命損耗d＝1／（2 Nf）的計算公式得出汽輪機轉子的低周疲勞損耗。一般情況下，轉子材料的低周疲勞特性曲線需要經多次實驗后通過最小二乘法擬合得出，有文獻提到了目前大型火電機組高中壓轉子廣泛采用的30Cr1 Mo1 V轉子鋼材料在538℃下的低周疲勞特性曲線，如圖1所示。

圖1 538℃下的30Cr1 Mo1V轉子鋼材料低周疲勞特性曲線

2．2 轉子蠕變損耗及計算方法

汽輪機轉子除了易受到低周疲勞損傷外，還會受到蠕變損傷。蠕變指的是在恒定載荷條件下，材料的應變隨著載荷作用時間的累積而增大的現象。時間越長，轉子材料發生蠕變損傷的程度就會越大。雖然在轉子壽命的損耗中，低周疲勞損耗占主導地位，但是蠕變損耗也不能忽視。

在工程實際中，很難得到轉子實驗樣品，因此目前普遍采用非破壞性方法來估計汽輪機轉子的蠕變損耗。轉子的蠕變損耗指數可以用下式表示：

式中，ti為材料實際承受應力、溫度的時間（h）；Ti為對應于應力、溫度、材料發生蠕變的斷裂時間（h）。

而Ti可用Larson－Miner參數P計算：

式中，t為運行溫度（℃）。

3 轉子壽命管理

汽輪機轉子低周疲勞損耗和蠕變損耗這2種損耗與轉子的使用壽命有如下關系：

式中，n為汽輪機組的啟停次數；N為轉子的低周疲勞壽命；t為機組的累計運行時間；tR為轉子的蠕變壽命；B為低周疲勞和蠕變間的影響系數。

4 結語

本文針對汽輪機轉子的壽命損耗進行了分析與研究，詳細介紹了轉子的低周疲勞壽命損耗和蠕變壽命損耗，并給出了計算方法，有一定的工程實際應用價值。一方面，它可準確推算和預測出轉子的使用壽命，保證汽輪機組的安全運行，預防災難性事故的發生；另一方面可為工程實際應用提供數據支持，幫助人們根據不同的工程要求選擇適合的材料，并為抗疲勞金屬材料的研究提供理論依據。

［1］張保衡．大容量火電機組壽命管理與調峰運行［M］．北京：水利電力出版社，1988

［2］史進淵．大功率電站汽輪機壽命預測與可靠性設計［M］．北京：中國電力出版社，2002

［3］程相利，馬致遠．汽輪機高壓轉子啟停熱應力場和壽命損耗計算［J］．汽輪機技術，1992（4）

［4］趙斌，劉輝，李哲．大型汽輪機壽命影響因素分析及其分配管理［J］．民營科技，2008，7（39）