[发明专利]汽轮机转子低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命监控方法

摘要

本发明提供了一种汽轮机转子低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命监控方法，其特征在于，具体步骤包括：输入汽轮机转子的材料牌号；计算轮机转子高周疲劳裂纹扩展的最大应力、应力范围、临界裂纹尺寸、裂纹尺寸界限值、汽轮机转子的高周疲劳裂纹扩展寿命，计算轮机转子低周疲劳裂纹扩展的最大应力、应力范围、临界裂纹尺寸，低周疲劳裂纹扩展寿命、汽轮机转子的第一阶段疲劳裂纹扩展日历寿命，汽轮机转子的第二阶段疲劳裂纹扩展日历寿命，确定汽轮机转子裂纹扩展日历寿命的判据值τ₀，低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的设计监控。本发明实现了汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的定量评定、设计监控和运行监控。

主权项

一种汽轮机转子低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命监控方法，其特征在于，使用一种汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的监控系统，所述的汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的监控系统包括数据库服务器、计算服务器、超声波探伤仪、网页服务器和用户端浏览器，数据库服务器连接计算服务器，计算服务器连接超声波探伤仪和网页服务器，网页服务器连接用户端浏览器，采用C语言编写汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的监控，具体步骤包括：第一步、输入汽轮机转子的材料牌号：输入汽轮机转子的材料牌号，由材料牌号确定汽轮机转子材料的断裂力学性能数据，所述的断裂力学性能数据包括材料裂纹扩展试验常数C₀与m₀、材料断裂韧性K_IC和材料疲劳裂纹扩展门槛值第二步：计算轮机转子高周疲劳裂纹扩展的最大应力σ_maxH：采用现有的有限元计算分析方法，计算在稳态额定负荷下汽轮机转子表面的最大主应力σ_270°和最大主应力σ_270°方向上的正应力σ_90°，汽轮机转子的高周疲劳裂纹扩展的最大应力σ_maxH的计算公式为：σ_maxH＝σ_270°+σ_re               (1)式中：σ_re——转子的残余应力；第三步：计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的应力范围Δσ_H：在汽轮机带额定负荷稳定运行工况下，转子高周疲劳裂纹扩展的最小应力σ_minH＝σ_90°+σ_re，汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的应力范围Δσ_H的计算公式为：Δσ_H＝σ_maxH‑σ_minH＝σ_270°‑σ_90°                 (2)第四步：计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a_cH：汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a_cH的计算公式为：$a_{\mathrm{cH}}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^2}{M{\mathrm{\σ}}_{\max H}^{\text{2}}}---\left(3\right)$式中：K_IC——转子材料断裂韧性；M——与裂纹形状参数Q有关的常数，对于表面裂纹，$Q={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}(1-\frac{c^2-a^2}{c^2}{\sin }^2\mathrm{\θ})\mathrm{d\θ}$a——椭圆形裂纹短轴半径c——椭圆形裂纹长轴半径θ——过裂纹周线上任意一点的径向线与椭圆长轴的夹角；第五步：计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a_th：汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a_th的计算公式为：$a_{\mathrm{th}}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th}}^R\right)}^2}{{\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_H\right)}^{2}M}---\left(4\right)$式中：——转子材料疲劳裂纹扩展门槛值第六步：计算汽轮机转子的高周疲劳裂纹扩展寿命N_fH：在汽轮机转子的椭圆形裂纹短轴半径a大于a_th的转子疲劳裂纹扩展的第二阶段，汽轮机转子的裂纹从高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a_th至高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a_cH的高周疲劳裂纹扩展寿命N_fH的计算公式为：$N_{\mathrm{fH}}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_H\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{a_{\mathrm{th}}^{\frac{m_0-2}{2}}}-\frac{1}{a_{\mathrm{cH}}^{\frac{m_0-2}{2}}}]---\left(5\right)$式中：a_cH——高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸；Δσ_H——高周疲劳裂纹扩展的应力范围；第七步：计算轮机转子低周疲劳裂纹扩展的最大应力σ_maxL：对于转子的外表面裂纹，采用现有的有限元计算分析方法，计算第1种瞬态工况即汽轮机停机过程、第2种瞬态工况即110％额定工作转速超速试验和第3种瞬态工况即120％额定工作转速超速运行共三种瞬态工况的最大主应力，第i种瞬态工况的最大主应力用σ_1i表示，i＝1，2，3，汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的最大应力σ_maxLi的计算公式为：σ_maxLi＝σ_1i+σ_re                   (6)式中：σ_re——转子的残余应力；第八步：计算汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的应力范围Δσ_Li：在汽轮机静止状态下转子的应力为零，即转子低周疲劳裂纹扩展的最小应力σ_minL＝0，三种瞬态工况的汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的应力范围Δσ_Li的计算公式为：Δσ_Li＝σ_maxLi‑σ_minL＝σ_maxLi                  (7)第九步：计算汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a_cL：三种瞬态工况汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a_cLi的计算公式为：$a_{\mathrm{cLi}}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^2}{M{\mathrm{\σ}}_{\max L_i}^2}---\left(8\right)$σ_maxLi——低周疲劳裂纹扩展的最大应力；第十步：计算汽轮机转子的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N_fi，1：在汽轮机转子的椭圆形裂纹短轴半径a不大于a_th的转子疲劳裂纹扩展的第一阶段，三种瞬态工况汽轮机转子裂纹从初始裂纹a₀至高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a_th的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N_fi，1的计算公式为：$N_{\mathrm{fi},1}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Li}}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{a_0^{\frac{m_0-2}{2}}}-\frac{1}{a_{\mathrm{th}}^{\frac{m_0-2}{2}}}]---\left(9\right)$式中：a₀——探伤发现的初始裂纹(或缺陷)尺寸，在探伤没有发现缺陷的情况下，假定a₀＝2mm；Δσ_Li——低周疲劳裂纹扩展的应力范围；C₀、m₀——转子材料裂纹扩展试验常数；第十一步：计算汽轮机转子的第二阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N_fi，2：在汽轮机转子的椭圆形裂纹短轴半径a大于a_th的转子疲劳裂纹扩展的第二阶段，三种瞬态工况汽轮机转子裂纹从高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a_th至低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a_cLi的第二阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N_fi，2的计算公式为：$N_{\mathrm{fi},2}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Li}}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{a_{\mathrm{th}}^{\frac{m_0-2}{2}}}-\frac{1}{a_{\mathrm{cLi}}^{\frac{m_0-2}{2}}}]---\left(10\right)$式中：a_cL——低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸；第十二步：计算汽轮机转子的第一阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ_CL，f1：在汽轮机转子的椭圆形裂纹短轴半径a不大于a_th的转子疲劳裂纹扩展的第一阶段，汽轮机转子外表面裂纹的疲劳裂纹扩展日历寿命τ_CL，f1的计算公式为：${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{CL},f1}=\frac{1}{\frac{y_n}{N_{f\mathrm{1,1}}}+\frac{y_{110}}{N_{f\mathrm{2,1}}}+\frac{y_{120}}{N_{f\mathrm{3,1}}}}---\left(11\right)$式中：y_n——年均停机次数y₁₁₀——年均110％超速试验次数y₁₂₀——年均120％超速运行次数N_f1，1——汽轮机停机过程中转子的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N_f2，1——汽轮机110％超速试验过程中转子的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N_f3，1——汽轮机120％超速运行过程中转子的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命；第十三步：计算汽轮机转子的第二阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ_CL，f2：在汽轮机转子的裂纹尺寸a大于a_th的转子疲劳裂纹扩展的第二阶段，汽轮机转子外表面裂纹的疲劳裂纹扩展日历寿命τ_CL，f2的计算公式为：${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{CL},f2}=\frac{1}{\frac{y_n}{N_{f\mathrm{1,1}}}+\frac{y_{110}}{N_{f\mathrm{2,1}}}+\frac{y_{120}}{N_{f\mathrm{3,1}}}+\frac{y_H}{N_{\mathrm{fH}}}}---\left(12\right)$式中：y_H——年均高周疲劳次数N_fH——高周疲劳裂纹扩展寿命；第十四步：确定汽轮机转子裂纹扩展日历寿命的判据值τ₀：根据电站业主要求确定汽轮机转子裂纹扩展日历寿命的判据值τ₀，通常对于火电站汽轮机τ₀＝30年，对于核电站汽轮机τ₀＝60年；判断处于汽轮机转子的设计阶段还是使用阶段，若为汽轮机转子的设计阶段，进入第十五步，若为汽轮机转子的使用阶段，进入第十六步；第十五步：低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的设计监控：在汽轮机转子的设计阶段，应用汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的监控系统，对于汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命进行优化设计控制：(1)若τ_CL，f1+τ_CL，f2≥τ₀，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命的设计监控合格，表明汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命处于受控状态，汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的设计监控结束，进入第十八步；(2)若τ_CL，f1+τ_CL，f2＜τ₀，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对汽轮机转子的结构进行优化改进，增大转子表面的结构圆角半径，返回第一步重新执行，直到(τ_CL，f1+τ_CL，f2)≥τ₀为止，汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的设计监控结束，进入第十八步；第十六步：计算汽轮机转子疲劳裂纹扩展剩余日历寿命R_Lf统计汽轮机转子从首次并网投入运行日至裂纹扩展剩余日历寿命评定日之间的日历年数称为运行日历寿命τ，当τ≤τ_CL，f1时，转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展剩余日历寿命R_Lf的计算公式为：R_Lf＝(τ_CL，f1‑τ)+τ_CL，f2     (13)当τ＞τ_CL，f1时，转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展剩余日历寿命R_Lf的计算公式为：R_Lf＝(τ_CL，f1+τ_CL，f2)‑τ     (14)第十七步：低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的运行监控：在汽轮机转子的使用阶段，应用汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的监控系统，对于汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命进行优化运行控制：(1)若R_Lf≥(τ₀‑τ)年，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展剩余日历寿命的运行监控合格，表明汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命处于受控状态，汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的运行监控结束，进入第十八步；(2)若R_Lf＜(τ₀‑τ)年，转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展剩余日历寿命的设计监控不合格，表明在运行阶段需要对汽轮机转子的年均停机次数进行优化改进，减少年均停机次数，返回第一步重新执行，直到R_Lf≥(τ₀‑τ)为止，汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命的运行监控结束；第十八步：打印输出结果根据需要打印输出汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的裂纹扩展寿命监控的计算结果和优化控制措施。