CN1010130B - 确定涡轮部件已消耗寿命的方法 - Google Patents

Abstract

在预定时间间隔内确定涡轮部件已消耗寿命部分的方法是利用蠕变应变累积速率来提供已消耗寿命部分的示值。

Description

本发明是关于一种确定涡轮部件的剩余有效寿命或者称已消耗寿命的方法。更准确地说是涡轮部件在相当高的温度下工作、是在使材料蠕变的环境下工作时确定其剩余有效寿命的方法。而组成涡轮部件的材料的蠕变则成为确定此部件剩余有效寿命的主要因素。

目前对今后二十年期间电能产量的预估指出，要获得充足的电力，关键在于蒸汽发电厂及其有关能超过三十年服役的涡轮机。通常这一代公用动力厂及其有关涡轮是要被淘汰并用新的装置来代替的。然而现代环境对降低负荷的要求以及新型结构的昂贵价格使得公用电厂更增加了依靠延长寿命的计划作为这些老厂满足所期望的对将来电力输出要求。实际的和经济上的考虑要求寿命的延长是在保持传统的有效性、性能和可靠性的条件下进行。投资资本和所要求的资金回收之间达到最佳平衡需要估计关键涡轮部件目前存在的状况和将来可能的性能，即现实的估计随着采用各种寿命延长方法所带来的危险。

估计现在的状况和确定涡轮部件未来可能的性能，特别对于那些构成部件的其工作是在蠕变范围的部件的材料提出了一个难题，这是因为涡轮部件的复杂性，部件所经受的各种不同的工作条件以及通常使用的剩余有效寿命或已消耗的寿命估算方法的固有的限制。部件在高温下（大于900°F）工作，此处构成部件材料的蠕变和热疲劳的 联合作用是首要关注的。为了得到一个可接受的剩余有效寿命的估算方法需作特殊考虑。

近年来发明了各种技术用来估计电厂部件的剩余有效寿命。这些技术可以归纳为二大类：实际部件的破坏性试验和（或）非破坏性试验;应用材料的性能和部件工作的历史作分析的估计方法。

人们已发现当应用于主涡轮部件时现有技术中已采用的破坏性或非破坏性的检验方法受到了限制。破坏试验需要有那些处于临界区的部件的材料试件，通常这是很困难的，而在非破坏实验中也很难合适地接近涡轮的临界区。另外虽然某些先有的非破坏性技术可以用来估算只是单纯受到蠕变负荷的部件的剩余有效寿命，但许多涡轮部件的正常工作状态是受到蠕变和疲劳损坏二者的联合作用，而疲劳在确定部件的已消耗寿命或寿命极限中是十分重要的因素。蠕变是承受应力的时间间隔的函数，蠕变是无弹性的或者不可回复的（即不可能回到其原始的形状和状态）一种材料畸变。疲劳与时间无关但与应力循环有关，是一种塑性应变而可以最终引起部件断裂的损坏。到目前为止，先有技术还不可能恰当地估计蠕变和疲劳联合作用时部件损坏的程度。另一种已采用的技术是使用蠕变空隙密度作为已消耗蠕变寿命的指标，但它没有提供合适的结果。因而这些先有技术均不能提供具有所需精度的结果，而精确的结果是各种建议的依据，这些建议是有助于做出对涡轮可能的延寿策略的评价和比较的决策过程的。

已消耗寿命的分析估计（从估计的总寿命中减去它可得剩余有效寿命）通常需用具有复杂材料性能的各种最新资料、损坏评价规则和实际的（或理想的）过去和未来的工作条件。任何一种特殊分析方法的精度取决于处理有关实际工作部件中的各种不定因素的方法的能 力。

例如，在美国专利4046002中，墨菲（Murphy）等人发明的，并已转让给本受让人的确定转子消耗的寿命的方法是采用了低循环疲劳损坏，它与应力循环有关，而不是与时间有关的蠕变断裂损坏。涡轮部件每一循环的应力范围与计算的应力范围曲线对比来确定涡轮部件由于循环所造成的消耗寿命值。不考虑采用二个局部应力峰之间的时间间隔来确定应力周期。

在美国专利3950985中，巴克沃尔德（Buchwald）等人的发明采用以麦诺（Miner）的损坏线性积累假设方法为基础。Miner的假设可以下列方程（a）来表示：

∫^t ₀dt/t（σ，θ）＝1 （a）

此处t（σ，θ）是对于应力的σ和温度为θ时断裂的时间。Miner假设表明破坏产生在公式（a）左边部分的积分等于1。按照美国专利3950985，公式（a）中的t（σ，θ）值是由图1中的曲线来确定，因而这是应力为基础的方法，它没有考虑蠕变应变积累的量。

在日本专利JP-昭-57-29947中，公开了一种方法，该方法是根据蠕变应变损坏到蠕变时间损坏之间的关系来确定涡轮部件已消耗寿命的，在这里残余寿命t₂可以下列方程表示：

$t_2\mathrm{=\; t}{}_1(\frac{1}{{\phi }_c}\mathrm{-\; 1\; )}$

其中，t₁为高温部件的使用时间，Φ_c为蠕变损坏率。

因而本发明的目的是提供一种精确地确定涡轮部件剩余有效寿命或已消耗寿命的方法。

本发明的另一个目的是提供一种精确地确定涡轮部件剩余有效寿 命或已消耗寿命的方法，其中包括有温度应力的效应，蠕变应变的积累效应和蠕变应变积累速率效应。

几乎每个涡轮部件都在高温下工作即高于900F，虽然工作条件（例如温度，外加的力）保持不变，但由于蠕变使应力的状态发生了变化，这是由于在部件中的非均匀的应力分布导致非均匀的蠕变，其中在最大的应力区蠕变最大。因而造成在部件中的应力重新分布，另外由弹性应变转变成非弹性应变，比如，或许由于蠕变而引起应力下降。这些例子包括在应力集中区，如在螺钉的螺纹根部的局部高应力的弛豫以及由位移控制的应力，如在螺钉中的热应力和名义轴向应力的弛豫。因为这些应力随时间而改变，由常规的恒定负荷断裂数据即应力相对于断裂的时间函数来精确地确定部件的寿命是很困难的。

到目前为止一直采用计算蠕变应变的积累以及积累应变与材料应变能力的对比方法来为确定破坏准则。而本发明是用蠕变应变积累速率来评价已在预定温度下工作的一个部件在预定时间间隔内在预定的蠕变应变率下的损坏数值。

根据本发明确定涡轮部件已消耗寿命的方法包括：确定一条当涡轮部件工作时蠕变应变相对于时间的曲线，确定一个在预定时间间隔内相应的蠕变应变的变化速率，确定相当于蠕变应变变化速率下所造成断裂的时间，并用预定的时间间隔除以产生损坏值的断裂时间，此损坏值表示为在总的部件的已消耗寿命中在预定时间间隔内这一部分寿命。从数个预定时间间隔内的断裂时间和变化速率可用来产生相应的数个破坏值，然后把它们累计来确定工作时部件总的破坏值。

本发明方法的使用及步骤及其进一步的目的和优点可以参照相应的附图能更好的理解。

图1是一条典型的恒定负荷下蠕变曲线。实线是由一个试验件的测量数据所得，虚线是由一个涡轮部件在预定温度下工作的数据外推而得。

图2是一组恒定负荷下蠕变曲线，实线是由试验件的测量数据所得，虚线是对涡轮部件在一个预定温度下、数个预定负荷条件时的数据外推而得。

图3是一个试验件在预定温度范围内到断裂时平均蠕变速率对断裂时间的函数关系曲线。

图4是涡轮部件计算的蠕变曲线，表示了根据本发明的部分迭代过程。

图5是一个典型的涡轮切向进口轮的燕尾榫的局部透视图。

图6A和6B是根据本发明对于在图5中所示的典型的涡轮切向进口轮楔形榫的名义和集中的应力和蠕变应变的曲线。

参照图1可见一个试验件在恒定载荷下典型的蠕变应变相对于时间的曲线，实线代表试验件通过三个蠕变阶段即第一区，第二区和第三区所测量的蠕变应变。其终点是在破坏（即断裂点）点，其时间为t_r而延伸率为ε_L。根据本发明在第一和第二蠕变区域的实线是非常接近于公式（1）

ε＝Ae^Bσ（1+Cε^F） （1）

此处    ε＝蠕变应变

σ＝应力

A，B，C和F为材料常数，它们可以很快地由如图2中的曲线所表示的一组数据中导出。

公式（1）是由两部分组成，第一部分Ae^Bσ代表了第二区蠕变速 率，而第二部分（1+Cε^F）是一个修正项，是预定选择来模拟第一区蠕变的蠕变率。无需模拟第三区的蠕变，它具有小型实验室试件的收缩成颈状（即减小了断面积）的特点从而引起蠕变速率的增加，对第二区蠕变的外推和延伸如在图1中虚线所示，申请人确信能较好的代表实际涡轮部件蠕变应变的积累，因为部件一般不进入第三蠕变区，即使进入到此区域也只占总的部件寿命中很小一部分。为了与模型一致，应变能力ε_r定义为将第二蠕变区外推至断裂时间t_r时所得的蠕变应变，t_r可由一个试件来确定。

参照图2，它表示了数个恒定负荷（即恒定的外加力）加在试验件上在预定温度下的断裂试验中所得的结果。曲线σ₁，σ₂，σ₃和σ₄各自代表预定的逐渐下降的恒定负荷的结果。可以看到各个应变能力ε_r1，ε_r2，ε_r3和ε_r4是随着相应的断裂时间t_r1，t_r2，t_r3和t_r4的增加而下降的。也可以看到以高的应变速率积累蠕变应变，例如σ₁就会在较短时间t_rn时破坏，但其具有较高的应变能力ε_m，此处n是一个整数，这表明不仅应变积累的绝对值而且其积累的速率对于作为以应变为基础的破坏准则是很重要的。使用这些概念，材料的一个性能是到破坏时的平均蠕变率ε_avg，它定义为：

_avg＝ε_r/t_r（2）

申请人确信这些原理和现象可有益地直接应用于在组成部件的材料处于蠕变状态下工作的涡轮部件，为了获得较精确地表示部件的已消耗寿命或者部件的剩余有效寿命，采用上述技术是很有用的，这比过去的方法要更为准确。

图3是采用对数坐标（log-log）表示试件平均断裂蠕变速率

_avg随断裂时间t_r变化的曲线，试件是涡轮在高温区域采用的典型材 料。绘图用的数据由断裂试验获得，试验是在涡轮部件预期的高温工作范围内的各个不同预定温度下进行而完成的，即从约900°F到约1100°F，且在一个应力水平范围内使断裂破坏从比较短的时间到很长的时间内发生，即约90小时到约60，000小时。由绘制图3的试验数据得到几个重要观测结果，在这样大的断裂时间范围内，即约90小时到约60，000小时，数据的分散带相对来说是窄的，（即令人满意地处于两个偏差范围内），而且对温度没有明显的依赖关系，至少在本试验采用的温度范围内是这样的。不考虑对温度的依赖关系，就可以避免许多分析的复杂性。图3所示曲线也证实了延伸现象，（即物体没产生裂纹时的变形）或应变能力，随着时间增长，象预料那样，能外延到比较长的使用时间，即大于100，00小时。因试验数据表明，log（

_avg）和log（t_r）之间呈线性关系，所以就可容易地导出一个数学表达式。断裂时间t_r与平均断裂蠕变速率

_avg之间的关系可用下式表示：

log（t_r）＝log（P）+Qlog（ _avg） （3a）

或t_r＝P（ _avg）^Q（3b）

式中P和Q是系数，由图3曲线确定。象所要求的那样，容易确定统计分散带，用来指出预定可信度的预期数据的极限。

按照本发明，可采用断裂时间t_r与平均断裂蠕变速率

_avg之间这一关系式，连同计算蠕变应变的方法来确定涡轮部件已消耗的寿命，当然，工作于蠕变区域涡轮部件的材料应当与获得绘制图3曲线数据而采用的试件材料相类似。

参看图4，该图表示采用方程（1）计算的典型涡轮部件蠕变应变

_n随时间的变化。该图还表示了与应变速率 ₁，

₂，

₃，和

₄ 相关的许多时间间隔△t₁，△t₂，△t₃和△t₄。对于时间间隔△t₁，可将

₁代替方程（3a）或（3b）中的 _avg，确定断裂时间t_r1。据此，断裂时间t_r1＝P

^Q ₁。在△t₁时间间隔内已消耗断裂寿命的分数，或断裂损伤△D₁可由下式计算：

△D_n＝△t/t_m（4）

式中D_n＝间隔n的损伤应变速率，其中n为整数，

△t-预定应变速率下的工作时间，

t_m-间隔n的预定应变速率的断裂时间。

对于每一个剩下的时间间隔，所指示的应变速率

₂，

₃和

₄是不相同的，这将产生不同的断裂时间t_r2，t_r3和t_r4以及不同的损伤增量D₂，D₃和D₄。

如图4所示，最好是这样开始一个新的间隔，（而前一个间隔结束）以可使图4中每一小段应变速率ε曲线近似地视为直线，这样一来，涡轮部件通过n个间隔的总损伤量或已消耗的寿命是每一间隔的损伤增量△D_n之和。用下列方程（5）表示：

$D_r\mathrm{=\; \sum \; (}\frac{{\mathrm{△t}}_1}{t_{\mathrm{r\; 1}}}+\frac{{\mathrm{△t}}_2}{t_{\mathrm{r\; 2}}}\mathrm{+\; \dots \dots +}\frac{{\mathrm{△t}}_n}{t_{\mathrm{r\; n}}}\mathrm{)\; (5)}$

式中D_r＝总累积损伤量，

n-间隔数。

总累积损伤量D_r或部件已消耗的寿命可在能进行加法运算的装置中累加，如微处理机。在装置计算限制的范围内可尽量使时间间隔△t_n任意小。

参考图5，它表示了典型涡轮切向进口轮燕尾榫20的局部立体 图。例如采用热装压配合和合适的键与键槽两者或两者之一，可将燕尾榫20牢固地固定到旋转轴10上，旋转轴具有轴线15。另一种方法，可把燕尾榫20同轴10加工成一个整体。燕尾榫20包含多个轴向延伸（相对于轴10）的肋条22，23，24，肋条由燕尾榫20侧壁上的切槽15、16和17构成。肋条22，23和24对齐的部分沿圆周相互离开一个预定的距离，形成安装切口25，用于安放叶片燕尾（图中未表示），叶片燕尾具有良好的结构，使其同肋条22，23，24和切口15，16和17紧配合，而且还具有气动叶片或叶片（图中未表示），它们固定到相应的叶片燕尾的径向外部。叶片燕尾和相关的叶片可运转地沿园周方向绕轴10装配。具有稍微不同形状燕尾的这样一种结构在美国专利1，415，266中，Rice作了说明，且已转让给本受让人。

在轮子燕尾榫20上的作用力及其产生的应力主要是叶片燕尾与径向固定在轮子燕尾榫20外部相关部件的质量、轴10的旋转速度和叶轮燕尾槽20的工作温度三个参数的函数。可以采用任一便利的方法确定该质量、温度和旋转速度（角速度）。例如在带动发电机的涡轮装置中位置检测仪可用来提供角速度，可采用美国专利4，046，002公布的仪器检测温度，质量可由涡轮设计数据得到。尽管质量和角速度应当能够由曲线族中选择一条适当曲线，例如图2所示曲线，以及由温度决定采用哪一个曲线族，但是仍有可能简化计算。许多涡轮，例用带动发电机的通用涡轮，基本上以一个恒定角速度运转，即3600转/分（美国）或3000转/分（欧洲），以及在基本上恒定的输入气体温度下运转。此外，如前面图3所示，平均断裂蠕变速率随断裂时间的变化在约900°F至约1100°F温度范围内没有呈现出明显对温度的依赖关系。许多蒸汽涡轮具有这一范围的输入温 度。因而象这样一个以900°F至1100°F范围内的气体输入温度运行的涡轮，作为一种较好的近似处理，只需知道它在该条件下运行的时间就可以了。而涡轮内的温度分布或温度梯度可由上述测量方法，设计标准或运行经验来确定，而不需要额外的试验。

参考图6A和6B，它们分别表示图5所示燕尾榫20名义应力与蠕变应变图。名义应力σ（NOM）或名义蠕变应变ε（NOM）是燕尾榫20的最宽部分或称基底21上平均应力或平均蠕变应变。集中应力σ（CONC）或集中蠕变应变ε（CONC）是燕尾槽20中的最大应力或最大蠕变应变，最典型的是出现在燕尾槽20中切口15，16和17区域中。名义和集中应力之间关系基本上是燕尾榫20几何特性的函数，可由R.E.Peterson，John    Wiley和Sons    Inc.（1974）的应力集中系数与下列的斯托威尔斯（Stowell′s）方程联合求得：

K_σ＝1+（K_T-1） (S)/(S_n)

其中 K_σ＝非弹性应力集中系数

K_r＝弹性应力集中系数

S＝集中应力割线模量

S_n＝名义应力割线模量

K_σ也定义为集中应力除以各义应力所得的商。可以与图4曲线类似地利用图6B集中蠕变应变曲线。

因此，对于预定时间间隔，凡是在高温下即大于约900°F受到应力的情况，按照本发明计算涡轮部件断裂蠕变损伤的方法包括确定部件中蠕变应变累积速率。损伤应变速率可由方程（6）求得：

$D_r\mathrm{=\; \sum }\frac{{\mathrm{△t}}_n}{{\mathrm{△\; t}}_{\mathrm{r\; n}}}\mathrm{(6)}$

其中D_r是部件累积损伤应变速率，△t_n是在预定蠕变应变速率ε′_n下部件工作时间，t_m是在预定蠕变应变速率ε′_n下涡轮部件的断列时间。因累积损伤应变速率D_r表示涡轮部件所累积已消耗寿命的分数，当D_T等于1时，预计部件将产生破坏，所以涡轮部件剩余有效寿命等于总时间（即从部件开始工作到D_T等于1所经历的时间）减去部件实际使用的总时间。例如，由于部件将持续工作到将来基本上是同样的状况，所以用假设上述工作状态就可确定在任一时刻下D_T等于1的时间。

方程（6）可应用于任一载荷情况，或工作状态，对于该情况，拉伸蠕变应变性能是可以估算的或可查明、或可确定的。特别是它可用于应力不保持常数的情况，因工作时间内工作应力通常是变化的，这种情况使现行技术预定部件已消耗寿命或剩余有效寿命的方法失效，或产生不能允许的误差。例如起初出现集中应力大于名义应力的地方，由于蠕变过程的影响，集中应力趋于削弱减小，因而工作情况未必改变时，却改变了应力。

因此已说明和阐述了一个精确确定涡轮部件剩余有效寿命或已消耗寿命的方法，其中部件经受蠕变损伤的作用，而同时还包括蠕变累积速率的作用。

上述是对本发明方法及其实施例的具体描述，而对于熟悉本领域的技术人员来说可以在不脱离本发明的基础上做各种改进和变化，这些改进和变化都被认为是属于本发明。

Claims (7)

1、一种用于确定涡轮部件已消耗寿命的方法，其实施步骤依次为：

a、确定涡轮工作部件蠕变应变随时间的变化曲线；

b、确定第一预定时间间隔内蠕变应变相应的变化速率；

其特征是：

c、确定相应的蠕变应变变化速率相应的断裂时间；

d、预定时间间隔除以断裂时间产生损伤值，损伤值表示在预定时间间隔内工作部件已消耗寿命部分。

2、按权利要求1所述方法，其特征是：对于许多预定时间间隔，重复确定相应蠕变应变化速率的步骤，断裂时间和分割作用，而且还包括各组预定时间间隔内确定工作部件已消耗寿命部分的累积损伤值。

3、按权利要求2所述方法，其特征是：凡是部件受到名义集中蠕多应变作用，确定蠕变应变随时间变化曲线包括确定集中蠕变应变随时间变化曲线。

4、按权利要求1所述方法，其特征是：确定相应的断裂时间包括从第二蠕变区通过第三蠕变区外延的蠕变应变随时间变化曲线。

5、按权利要求2所述方法，其特征是：确定蠕变应变随时间变化曲线的步骤包括确定部件工作温度和选择相应于确定的温度下蠕变随时间变化曲线。

6、按权利要求2所述方法，其特征是：确定相应断裂时间的步骤包括确定在额定设计工作状态下部件工作时间，其中各组预定时间间隔总和等于额定设计工作状态下的工作时间。

7、按权利要求2所述方法，其特征是：可把许多预定时间间隔中的每一个选择得足够小，使相应蠕变应变多化速率能线性近似，即对于相应的时间间隔，蠕变应变随时间变化曲线为直线。

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