CN101162234A - 汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机高温部件发现缺陷后的剩余寿命预测方法，包括获取汽轮机高温部件材料在不同温度下的材料性能、对汽轮机高温部件进行无损探伤、将无损探伤获得的裂纹规则化为椭圆型裂纹、多裂纹间干涉与连通的分析和评定、汽轮机高温部件应力分析、汽轮机高温部件剩余寿命预测。本发明的优点是合理计入了疲劳、蠕变对寿命影响的耦合作用，并实现了寿命分析过程中的多裂纹干涉及合并判别，提高了汽轮机高温部件剩余寿命计算的精度，可用于支持高温部件制造过程中缺陷的安全性分析和服役使用寿命的延长，并指导检修计划的合理制定。

Description

汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法

技术领域

本发明属于动力工程和汽轮机技术领域，具体涉及一种汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法，尤其是汽轮机高温部件发现缺陷后的寿命测试评估方法，可应用于汽轮机发电机组部件的寿命管理与控制。

背景技术

统计表明，目前我国有80％的电量是由火力发电机组承担，在火力发电机组中，最重要的设备是汽轮机。由于汽轮机的一些关键部件工作环境苛刻，不仅在高温下长期运行，而且经常承受剧烈的交变应力作用，因此在这些部件中产生缺陷或裂纹是难以避免的。断裂力学的知识和工程实践表明，通常不能仅仅因为某个部件出现裂纹或缺陷，就简单的认为该部件不安全或不可靠。科学的方法是基于先进的断裂知识，对部件中的缺陷和裂纹进行安全评定，精确合理地预测其剩余寿命，制定有效的检修计划，以延长部件的运行寿命，实现最大的经济效益。

汽轮机高温部件包括汽轮机转子、叶片、汽缸、蒸汽管道等，这些高温部件的寿命预测技术一直是国内外研究的重要课题。

目前，国外已颁布了几部高温含缺陷结构完整性评定规范，如法国原子能委员会(CEA)、法国电力公司(EDF)和法国Framatome联合制定的A16高温含缺陷结构评定方法，日本核燃料再循环开发机构(JNC)提出的含缺陷结构蠕变疲劳裂纹扩展的简化算法，英国能源公司(British Energy)制定的R5高温结构寿命评定规程等，这些规范的评定过程和方法大体相似，而且这些规范对于多个缺陷存在的处理方法过于保守，只是根据裂纹间的几何关系简单地给出是否合并的判定，从而造成一些高温部件过早报废，带来不必要的经济损失。

在国内，已有多项专利技术用于解决汽轮机高温部件寿命评定的问题，如专利CN101038248A“一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统”、CN1908974A“一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及预测方法”、CN86103018A“确定涡轮部件剩余有效寿命的方法”等均是针对运行汽轮机高温部件的寿命及安全问题，基于损伤理论建立的预测方法。但是这些方法没有考虑蠕变断裂和裂纹因素，因而不能处理工程上检测发现缺陷的剩余寿命预测问题。

发明内容

本发明的目的就在于改进现有汽轮机高温部件寿命预测技术中所存在的问题和不足，从而提供一种汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法，能够在高温部件发现缺陷后合理有效地预测其剩余寿命。

本发明的汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法包括以下步骤：

一、获得汽轮机高温部件材料的各种材料特性；

二、对汽轮机高温部件进行无损探伤，确定裂纹的准确位置和尺寸大小；

三、对探测到的裂纹尺寸乘上一个安全系数2，然后根据等面积的方法将裂纹规则化为椭圆型裂纹，最后根据椭圆长短轴比a/c的值得到部件的初始裂纹尺寸a；

四、对于多个裂纹，根据裂纹长度a与裂纹间距W的比值a/W，按照以下标准判断是否干涉、合并：

1)当a/W＜0.2，不考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时按单个裂纹处理；

2)当0.2≤a/W≤0.9，考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时乘以相应的干涉系数；

3)当a/W＞0.9，两个裂纹合并为一个大的裂纹，计算断裂参量时按合并后的裂纹处理。

五、建立所测部件的三维有限元模型，并根据实际工况和温度场添加边界条件和相应的载荷，进行数值模拟分析，得到汽轮机高温部件的应力分布，根据得到的最大应力σ_max，以及步骤一得到的材料的断裂韧性K_IC，通过以下公式得到其临界裂纹尺寸a_c：

$a_c={\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{Y\σ}}_{\max }}\right)}^2\frac{Q}{\mathrm{\π}}$

式中：Y表示裂纹的几何修正参数，Q表示考虑屈服区域内应力松弛后的裂纹形状参数。

六、建立汽轮机高温部件剩余寿命预测的数学模型，裂纹扩展增量表示为：

$\mathrm{da}/\mathrm{dN}=C_0{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^{n_0}+B{\left[{\left(C_t\right)}_{\mathrm{avg}}\right]}^q{t}_h$

经过多次叠代分析，当计算裂纹长度a等于或超过临界裂纹尺寸a_c时，所对应的循环次数N即为剩余寿命(按照启停次数计)，然后用循环次数与保载时间的关系得到该转子的剩余寿命：

剩余寿命＝循环次数×保载时间

在所有裂纹缺陷分析得到的剩余寿命结果中，对应于循环次数与保载时间的乘积最小值就是该转子的实际寿命。

本发明采用实测数据与有限元模拟相结合的方法，根据汽轮机实际工况，充分考虑两种载荷(蠕变、疲劳以及二者的交互作用)和多裂纹间干涉的影响，同时利用与时间相关的断裂力学方法计算高温部件的剩余寿命。与现有的预测技术相比，本发明合理考虑了多裂纹干涉与合并、蠕变疲劳的交互作用，因而使得剩余寿命预测结果精度和可靠性显著提高，同时设计开发的专家系统，有效地减少了工作量和对操作人员专业知识的要求。

附图说明

图1是根据本发明的方法对缺陷进行椭圆规则化的示意图。

图2是根据本发明实施例得到的多个裂纹干涉及合并的循环次数与保载时间的关系图。

图3是本发明预测的含缺陷结构剩余寿命与日本JNC方法预测的剩余寿命的结果的对比。

具体实施方式

本发明是一种汽轮机高温部件发现缺陷后的剩余寿命预测方法，通过实测数据与有限元模拟相结合，充分考虑蠕变-疲劳交互作用和多裂纹间干涉的影响，提高汽轮机高温部件剩余寿命的预测精度。

本发明所述的测试评估方法分为七个步骤，可概括为：获取汽轮机高温部件材料在不同温度下的材料性能、对汽轮机高温部件进行无损探伤、将无损探伤获得的裂纹规则化为椭圆型裂纹、多裂纹间干涉与连通的分析和评定、汽轮机高温部件应力分析、汽轮机高温部件剩余寿命预测。

一、采用多组圆棒缺口或CT试样，利用电子蠕变疲劳试验机，采用直流电位法，试验获得材料的各种材料特性。如可查阅到有现成的数据，也可直接引用。

二、对汽轮机高温部件进行无损探伤，例如采用超声磁粉探伤的检测方法，具体地，首先确定检测部件，架设支架，根据工程经验初步确定部件可能出现裂纹的大体位置，然后进行超声磁粉探伤，确定缺陷(裂纹)的准确位置和尺寸大小。

三、考虑到探测有漏检的可能性以及检测误差，对探测到的裂纹尺寸乘上一个安全系数2，然后根据等面积的方法将裂纹规则化为椭圆型裂纹(图1)，最后根据椭圆长短轴比a/c的值得到部件的初始裂纹尺寸a。

对裂纹进行椭圆规则化时，需要确定的一个重要参量是长短轴比a/c。对表面裂纹进行规则化时，可通过测量缺陷的表面长度和深度确定椭圆率a/c。而在处理内部缺陷时，由于其复杂性和不确定性，可依据下面的方法进行简化：

由于I型椭圆裂纹的短轴端处应力强度因子K_I最大，因此可以根据K_I的值来决定a/c的比值。无限体内椭圆裂纹短轴处的应力强度因子可表示为：

$K_I=\frac{\mathrm{\σ}\sqrt{\mathrm{\πa}}}{\mathrm{\φ}}$

式中：σ——应力

a——裂纹深度(即椭圆短轴长度的半值)

φ——第二类椭圆积分

当椭圆面积S一定时，椭圆短轴处的应力强度因子又可以表示为：

K_I＝σ(πS)^1/4M

$M=\frac{{(a/c)}^{1/4}}{\mathrm{\φ}}$

根据椭圆率a/c与形状修正系数M的关系，利用极值原理，并充分考虑屈服区域内应力松弛的影响，可以得到在a/c＝0.4时对应的应力强度因子K_I最大。因此为了增加计算的保守性，在规则化时，取椭圆率a/c＝0.4对缺陷进行简化。

四、对于多个裂纹，根据裂纹长度a与裂纹间距W的比值a/W，按照以下标准判断是否干涉、合并：

1)当a/W＜0.2，不考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时按单个裂纹处理；

2)当0.2≤a/W≤0.9，考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时乘以相应的干涉系数；

3)当a/W＞0.9，两个裂纹合并为一个大的裂纹，计算断裂参量时按合并后的裂纹处理。

对于第2)种情况，干涉裂纹间韧带失效是根据J积分的最大值进行判定，当J_max≥J_IC时，裂纹将发生连体，其中J_max＝J_e+J_p，J_e表示J积分的弹性部分，J_p表示J积分的塑性部分。

五、建立所测部件的三维有限元模型，并根据实际工况和温度场添加边界条件和相应的载荷，然后进行数值模拟分析，得到部件的应力分布，包括部件所承受的最大应力，应力幅，以及正常工作时的应力，根据得到的最大应力σ_max，以及步骤一得到的材料的断裂韧性K_IC，通过以下公式得到其临界裂纹尺寸a_c：

$a_c={\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{Y\σ}}_{\max }}\right)}^2\frac{Q}{\mathrm{\π}}$

式中：Y表示裂纹的几何修正参数，Q表示考虑屈服区域内应力松弛后的裂纹形状参数。

六、建立汽轮机高温部件剩余寿命预测的数学模型，采用疲劳对裂纹扩展贡献与蠕变对裂纹扩展贡献直接叠加，并计入保载时间内疲劳对蠕变的影响，裂纹扩展增量由两部分组成，表达式如下：

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}={\left(\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}\right)}_{\mathrm{cycle}}+{\left(\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}\right)}_{\mathrm{time}}$

式中：右边第一项表示疲劳载荷引起的裂纹扩展增量，第二项表示由蠕变以及蠕变疲劳交互作用引起的裂纹扩展增量，其中：

${(\mathrm{da}/\mathrm{dN})}_{\mathrm{cycle}}=C_0{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^{n_0}$

ΔK表示应力强度因子幅值，C₀和n₀分别是疲劳裂纹扩展系数和疲劳裂纹扩展指数；

(da/dN)_time＝B[(Ct)_avg]^qt_h

B和q为材料常数，t_h为保载时间，表示汽轮机一个启动工作时间区间的度量。

因此总的裂纹扩展增量可表示为：

$\mathrm{da}/\mathrm{dN}=C_0{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^{n_0}+B{\left[{\left(C_t\right)}_{\mathrm{avg}}\right]}^q{t}_h$

按照以上方法，经过多次叠代分析，当计算裂纹长度a等于或超过临界裂纹尺寸a_c时，所对应的循环次数N即为剩余寿命(按照启停次数计)，然后用循环次数与保载时间的关系得到该转子的剩余寿命：

剩余寿命＝循环次数×保载时间

在所有裂纹缺陷分析得到的剩余寿命结果中，对应于循环次数与保载时间的乘积最小值就是该转子的实际寿命。

本发明采用极值原理对超声磁粉探伤的缺陷进行规则化，并利用实测数据与有限元模拟相结合的方法，根据汽轮机实际工况，充分考虑蠕变、疲劳以及二者的交互作用和多裂纹间干涉的影响，同时利用与时间相关的断裂力学方法计算高温部件的剩余寿命。本发明与现有的预测技术相比，可提高预测精度和寿命评估结果的可靠性，有效地节约维修成本。

下面结合优选实施例对本发明的汽轮机高温部件剩余寿命预测方法作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明的目的，而非用于限定本发明的范围。

实施例1

某发电厂一在役中高压转子，材料为CrMoV钢，常规检查时，发现内部存在一些缺陷。由于生产以及制造转子时间的限制，该设备需要继续运行一段时间后才可以进行大修。

为确保该转子在此后这段时间内运行的可靠性，现采用本发明的剩余寿命预测方法预测其剩余寿命并给出安全性判定。

确定材料特性

采用CrMoV钢的CT试样，利用电子蠕变疲劳试验机，采用直流电位法，获得CrMoV钢的材料特性，具体如下：

常温下的疲劳裂纹扩展常数C₀＝1.43×10^-8，裂纹扩展指数n₀＝2.7；

在工作温度(522℃)下，蠕变裂纹扩展系数B＝0.0375，扩展指数q＝0.75；

断裂韧性K_IC＝55.5MPa√m。

无损检测确定缺陷的具体位置和尺寸大小

架设操作支架，根据工程经验初步确定部件可能出现裂纹的大体位置，然后通过超声磁粉探伤检测，确定缺陷或裂纹的准确位置以及尺寸大小，具体如以下表1所示。

表1

序号	坐标Z(mm)	角度θ(℃)	裂纹长度a(mm)	与中心孔的距离W(mm)	中心孔的直径D(mm)*	缺陷面积S(mm2)
							123456	25.471.1276.2114.3144.78177.8	101517304050	0.7090.8741.1390.9611.1921.433	29.97233.47733.52829.64256.89651.943	114.3114.3114.3114.3114.3114.3	1.9683.0005.0973.6265.5818.0645

缺陷规则化

考虑到探测有漏检的可能性以及其它缺陷评定规范的规定，对无损探伤得到的缺陷或裂纹乘上一个安全系数2，然后根据等面积的方法将缺陷规则化为椭圆型裂纹，本实施例中，检测到的裂纹均为内部裂纹，因此在规则化时，取椭圆率a/c＝0.4对缺陷进行简化，最后根据椭圆长短轴比a/c的值得到部件的初始裂纹尺寸a，见表1。

判定裂纹是否干涉或合并

根据裂纹长度a与裂纹间距W的比值a/W，按照以下标准判断是否干涉、合并：

1)当a/W＜0.2，不考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时按单个裂纹处理；

2)当0.2≤a/W≤0.9，考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时乘以相应的干涉系数；

3)当a/W＞0.9，两个裂纹合并为一个大的裂纹，计算断裂参量时按合并后的裂纹处理。

经过分析，裂纹2和3之间存在干涉。

确定应力分布

建立转子三维有限元模型，对转子进行应力分析，得到转子冷态启动时的应力幅Δσ＝405MPa，工作时应力σ_h＝156MPa，最大应力σ_max＝405MPa。

根据得到的最大应力σ_max，以及步骤一得到的材料的断裂韧性K_IC，通过以下公式得到其临界裂纹尺寸a_c＝7.36mm：

$a_c={\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{Y\σ}}_{\max }}\right)}^2\frac{Q}{\mathrm{\π}}$

计算剩余寿命

保载时间取值为24、48、100、200、500、720、2000和4320h，根据不同的保载时间，分别计算出每一条裂纹达到临界裂纹尺寸时所对应的循环次数，然后以保载时间为横坐标，循环次数为纵坐标(为了便于观察，纵坐标取对数)，即可得出该转子循环次数与保载时间的关系图见图2。

根据以下计算式：

剩余寿命＝循环次数×保载时间

当循环次数与保载时间的乘积最小时，所得到的剩余寿命即为该转子的实际寿命。

经上述分析计算，该转子的实际寿命大约为5000h，说明该转子还可正常运行半年的时间，但在运行期间，必须对转子进行时时监控，防止意外事故的发生。

实施例2

根据国外研究者的试验数据，将试验结果、按照日本JNC方法预测的寿命以及按照本发明的方法预测的寿命进行对比。

试样材料为361L不锈钢板，板厚为24.5mm，有一半椭圆型表面裂纹，裂纹长度为2c＝87.2mm，深度为a＝7.9mm，试验温度为650℃，疲劳裂纹扩展常数C₀＝6.2×10^-8，裂纹扩展指数n₀＝2.46；蠕变裂纹扩展系数B＝0.0071，扩展指数q＝0.73，保载时间为1h，最大应力σ_max＝141.5MPa，应力幅Δσ＝283MPa。

由于裂纹尺寸和形状、试样应力分布已确定，因此可直接进行循环次数的计算。在计算中，裂纹增量取Δa＝0.01mm，临界裂纹尺寸取a_c＝12.7mm。将计算结果与试验数据以及按照JNC方法预测的裂纹扩展曲线进行比较，结果如图3所示。

由图3的结果可见，相比日本JNC方法，本发明的方法预测的结果更加接近试验数据。

综上所述，本发明采用极值原理对超声磁粉探伤的缺陷进行规则化，并利用实测数据与有限元模拟相结合的方法，根据汽轮机实际工况，充分考虑蠕变、疲劳以及二者的交互作用和多裂纹间干涉的影响，同时利用与时间相关的断裂力学方法计算高温部件的剩余寿命。与现有的预测技术相比，本发明的方法可提高预测精度和寿命评估结果的可靠性，同时设计开发的专家系统，可以有效地降低维修成本，减少对操作人员专业知识的要求。

Claims (6)

1.一种汽轮机高温部件发现缺陷后的剩余寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：

一、获得汽轮机高温部件材料的各种材料特性；

二、对汽轮机高温部件进行无损探伤，确定裂纹的准确位置和尺寸大小；

三、对探测到的裂纹尺寸乘上一个安全系数2，然后根据等面积的方法将裂纹规则化为椭圆型裂纹，根据椭圆长短轴比a/c的值得到部件的初始裂纹尺寸a；

四、对于多个裂纹，根据裂纹长度a与裂纹间距W的比值a/W，按照以下标准判断是否干涉、合并：

1)当a/W＜0.2，不考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时按单个裂纹处理；

2)当0.2≤a/W≤0.9，考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时乘以相应的干涉系数；

3)当a/W＞0.9，两个裂纹合并为一个大的裂纹，计算断裂参量时按合并后的裂纹处理。

五、建立所测部件的三维有限元模型，并根据实际工况和温度场添加边界条件和相应的载荷，进行数值模拟分析，得到汽轮机高温部件的应力分布，根据得到的最大应力σ_max，以及步骤一得到的材料的断裂韧性K_IC，通过以下公式得到其临界裂纹尺寸a_c：

$a_c={\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{Y\σ}}_{\max }}\right)}^2\frac{Q}{\mathrm{\π}}$

式中：Y表示裂纹的几何修正参数，Q表示考虑屈服区域内应力松弛后的裂纹形状参数。

六、建立汽轮机高温部件剩余寿命预测的数学模型，裂纹扩展增量表示为：

$\mathrm{da}/\mathrm{dN}=C_0{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^{n_0}+B{\left[{\left(C_t\right)}_{\mathrm{avg}}\right]}^q{t}_h$

经过多次叠代分析，当计算裂纹长度a等于或超过临界裂纹尺寸a_c时，所对应的循环次数N即为剩余寿命(按照启停次数计)，然后用循环次数与保载时间的关系得到该转子的剩余寿命：

剩余寿命＝循环次数×保载时间

在所有裂纹缺陷分析得到的剩余寿命结果中，对应于循环次数与保载时间的乘积最小值就是该转子的实际寿命。

2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：步骤一中所述材料性能包括：常温下的疲劳裂纹扩展常数C₀、裂纹扩展指数n₀，在工作温度下的蠕变裂纹扩展系数B、扩展指数q，断裂韧性K_IC。

3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：步骤二中所述无损探伤检测方法为超声磁粉探伤检测。

4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：步骤三中，对表面裂纹进行规则化时，通过测量缺陷的表面长度和深度确定椭圆率a/c；在处理内部缺陷时，取椭圆率a/c＝0.4对缺陷进行椭圆规则化。

5.根据权利要求1的汽轮机高温部件剩余寿命预测方法，其特征在于：在所述的多裂纹间干涉与连通步骤中，多裂纹间连通原则是基于J积分判据。

6.根据权利要求1的汽轮机高温部件剩余寿命预测方法，其特征在于：在所述的数学建模步骤中，采用疲劳对裂纹扩展贡献与蠕变对裂纹扩展贡献直接叠加，并计入保载时间内疲劳对蠕变的影响。

Images