汽輪機焊接轉子殘余應力模擬及其對疲勞壽命的影響

周慧君

（山西省工業設備安裝集團有限公司，山西 太原 030032）

1 汽輪機焊接轉子疲勞

在汽輪機帶負荷穩定運行過程中，由于離心力載荷與熱載荷的作用，在汽輪機轉子中產生的穩定應力稱為平均應力.靜止的大跨距、上百噸的汽輪機轉子在自身重力載荷作用下，在轉子重心以上部位的外表面產生壓應力，在轉子重心以下部位的外表面產生拉應力，在汽輪機帶負荷穩定運行過程中，轉子外表面某一點除了承受離心力載荷與熱載荷產生的穩定平均應力外，當該點旋轉到轉子頂部90°位置時，由于轉子與葉片的自重單獨作用產生壓應力，當該點旋轉到轉子底部270°位置時，由于轉子與葉片的自重單獨作用產生拉應力。在帶負荷穩定運行工況下，汽輪機轉子旋轉到不同位置的交變應力是由轉子與葉片的自身重力載荷引起的。每轉1周，汽輪機轉子承受自重作用產生疲勞循環1次。對于半轉速火電或核電汽輪機，每秒疲勞循環為25次。汽輪機轉子的高周疲勞壽命設計屬于有限壽命設計，它只保證汽輪機轉子在設計壽命期限內可以安全使用.汽輪機轉子的高周疲勞壽命分為高周疲勞裂紋萌生壽命和高周疲勞裂紋擴展壽命。

2 汽輪機焊接轉子殘余應力模擬及其對疲勞壽命的影響

2.1 焊接殘余應力模擬

根據汽輪機轉子力學模型的差異和所承受的離心力載荷與重力載荷選取相應的力邊界條件.對汽輪機轉子的聯軸器端面和中心孔內表面選取熱流密度為零的第二類傳熱邊界條件，汽輪機轉子軸頸部位外表面取為與潤滑油強制對流傳熱的第三類傳熱邊界條件，而對汽輪機轉子的其他外表面則取為與蒸汽強制對流傳熱的第三類傳熱邊界條件。轉子的焊接過程熱分析、殘余應力分析均采用二維有限元模型，然后利用模型的軸對稱性，將計算結果旋轉180生成三維焊接殘余應力場，用于后期高周疲勞和臨界裂紋分析。計算轉子正常運行狀態下的受力時，只考慮離心力和重力的作用。目標是計算多道焊接產生的殘余應力及其對疲勞壽命的影響，鑒于近年來窄間隙焊接技術已廣泛用于轉子等大壁厚工件的焊接。

2.2 對疲勞壽命的影響

轉子初始裂紋高周疲勞安全性的分析思路在汽輪機轉子內部或表面總是存在通過現有探傷技術不能發現的初始裂紋或缺陷.對于探傷不能發現的汽輪機轉子的初始裂紋或缺陷，汽輪機帶負荷穩定運行工況下，在高周疲勞循環的交變應力作用下，保證汽輪機安全運行的前提。在汽輪機帶負荷穩定運行工況下，在離心力載荷、熱載荷與重力載荷的共同作用下產生的最大主應力與轉子由鍛造、焊接與熱處理等制造工藝產生的殘余應力的方向并不相同.在設計階段，為了保證轉子設計的安全性，同時加載汽輪機額定負荷工況下轉子和葉片的離心力載荷、轉子溫度分布不均勻引起的熱載荷以及轉子和葉片的重力載荷，采用三維有限元分析方法計算得出汽輪機額定負荷運行工況下的轉子不同部位的最大主應力。考慮到壓應力不會引起裂紋疲勞擴展，因此在對現有汽輪機轉子的疲勞裂紋擴展壽命進行預測時，應采用最大主應力與殘余應力之和來計算汽輪機轉子的應力強度因子。

在工程上，把在離心力載荷、熱載荷與重力載荷共同作用下轉子上某一點旋轉到轉子下部。對于探傷不能發現初始裂紋的汽輪機轉子，為了保證汽輪機轉子初始裂紋在服役期內的高周疲勞循環應力幅作用下安全運行發生裂紋疲勞擴展，即在汽輪機帶負荷穩定運行的服役期內，轉子高周疲勞壽命達到數量級，轉子允許的初始裂紋尺寸應小于轉子初始裂紋尺寸的界限值為了保證汽輪機轉子高周疲勞設計的安全性，還需要考慮安全系數，以保障轉子初始裂紋高周疲勞有一定的安全裕量。若考慮焊接殘余應力存在，可以發現焊接接頭熱影響區附近外表面的臨界裂紋尺寸略有降低，而其它部位的臨界裂紋尺寸明顯增大。

這是因為外表面多為殘余壓應力，壓應力抑制裂紋擴展。焊縫和熱影響區處內表面的臨界裂紋尺寸相對較小，且小于無焊接殘余應力情況下的臨界裂紋尺寸。汽輪機啟動停機過程中應力變化是轉子低周疲勞失效的主要原因。殘余應力對轉子低周疲勞壽命的影響，轉子進汽側凹槽和焊接接頭內表面圓弧段是低周疲勞損傷最大的區域，有焊接殘余應力時，轉子可經歷5722次啟停，最危險位置在焊縫外次表面。無焊接殘余應力時，轉子則可經歷5倍以上的啟停，可見焊接殘余應力對轉子低周疲勞壽命的影響非常顯著。在焊接接頭局部的內、外表面無焊接殘余應力時，接頭外表面的失效壽命低于內表面，相差大于一個數量級，表明焊接接頭的外表面更容易萌生疲勞裂紋。有焊接殘余應力時，接頭局部內、外表面的疲勞壽命變化幅度非常大。在焊縫和遠離焊縫的母材區域，無論外表面還是內表面，疲勞壽命均明顯較大。然而在熱影響區附近的母材區域，內外表面的疲勞壽命都明顯降低。

疲勞壽命分析表明，焊接殘余應力導致高周和低周疲勞壽命均有所降低。焊接殘余壓應力使得轉子焊接接頭內外表面大部分區域可以允許存在更大的裂紋。焊接轉子在60年服役期內的高周疲勞設計是安全的，汽輪機轉子初始裂紋疲勞安全性分析方法原則上也可應用于發電機轉子與護環的疲勞設計和結構改進。