CN102606230B - 汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法。所述的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法为：探伤确定汽轮发电机护环的裂纹尺寸、计算汽轮发电机护环裂纹所在部位的最大主应力、临界裂纹尺寸、护环裂纹扩展寿命、护环裂纹扩展寿命累积损耗、护环裂纹扩展剩余寿命、控制汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命。本发明的优点是实现了汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命的在线计算和定期监控；如果汽轮发电机护环的裂纹扩展剩余寿命偏短时，通过及时安排计划大修(A级检修)来合理使用汽轮发电机护环的裂纹扩展剩余寿命，达到了定期监控汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命的技术效果。

Description

汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法

技术领域

本发明涉及汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法，属于汽轮发电机技术领域。

背景技术

汽轮发电机护环外径大且高速旋转，是汽轮发电机中承受应力最大的一个部件，汽轮发电机护环在启动和超速试验过程中产生大的主应力。汽轮发电机护环在锻造和加工过程中产生的探伤检查不能发现裂纹，在汽轮发电机运行过程中承受大的主应力的作用下，将有可能扩展为探伤检查可见裂纹。在汽轮发电机的运行过程中，汽轮发电机护环在大的主应力的作用下，护环探伤检查可见裂纹不断扩展。当汽轮发电机护环的裂纹扩展至护环裂纹部位的临界裂纹尺寸时，汽轮发电机护环就有可能发生脆性断裂，导致汽轮发电机护环损坏事故。现有的汽轮发电机护环寿命监控技术，给出了汽轮发电机护环的裂纹萌生寿命的监控方法，而在役汽轮发电机护环的裂纹扩展寿命的监控，还没有合适的装置与方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法，实现汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的定期监控。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法，采用汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控装置，所述的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控装置由超声波探伤仪、计算服务器、数据库服务器、网页服务器和用户端浏览器组成，超声波探伤仪与数据库服务器连接，计算服务器与数据库服务器和网页服务器连接，网页服务器分别与数据库服务器、计算服务器和用户端浏览器连接，其特征在于，使用上述的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控装置，采用C语言编写汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控，具体步骤为：

第一步：探伤确定汽轮发电机护环的裂纹尺寸：

在汽轮发电机抽出转子检修期间，采用超声波探伤仪确定护环裂纹的所在部位和裂纹尺寸，裂纹所在部位指的是护环表面椭圆形裂纹中心位置的三个坐标数值，裂纹尺寸指的是护环表面椭圆形裂纹的短轴半径a₁和长轴半径c₁；

第二步：计算汽轮发电机护环裂纹所在部位的最大主应力：

对于汽轮发电机护环的表面裂纹，采用现有的有限元计算分析方法，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110％额定工作转速超速试验共5种瞬态工况的最大主应力，分别用符号σ_1c、σ_1w、σ_1h、σ_1r和σ_10s表示；

第三步：计算汽轮发电机护环的临界裂纹尺寸：

汽轮发电机护环第i种瞬态工况的临界裂纹尺寸a_ci的的计算公式为：

$a_{\mathrm{ci}}=\frac{{K_{1C}}^2}{{{\mathrm{M\σ}}_{1i}}^2}$

式中：

i——取值为1-5的整数；

K_1C——护环材料断裂韧性；

σ_1i——第i种瞬态工况的最大主应力；

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于表面裂纹，

$Q={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}(1-\frac{{c_1}^2-{a_1}^2}{{c_1}^2}{\sin }^2\mathrm{\θ})\mathrm{d\θ}$

a₁——椭圆形裂纹短轴半径；

c₁——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；

第四步：计算汽轮发电机护环裂纹扩展寿命：

第i种瞬态工况的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

$N_{\mathrm{fi}}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\mathrm{\σ}}_{1i}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{{a_1}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{{a_{\mathrm{ci}}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}]$

式中：

C₀、m₀——护环材料裂纹扩展试验常数；

第五步：计算汽轮发电机护环裂纹扩展寿命累积损耗：

在汽轮发电机的启动和超速试验过程中，最大主应力出现在护环表面，汽轮发电机护环表面裂纹扩展寿命累积损耗E_f的计算公式为：

$E_f=\frac{n_c}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{n_w}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{n_h}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{n_r}{N_{\mathrm{fr}}}+\frac{n_{\mathrm{os}}}{N_{\mathrm{fos}}}$

式中：

n_c——实际运行的冷态启动次数

n_w——实际运行的温态启动次数

n_h——实际运行的热态启动次数

n_r——实际运行的极热态启动次数

n_os——汽轮机超速试验次数

N_fc——冷态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fw——温态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fh——热态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fr——极热态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fos——超速试验过程中的裂纹扩展寿命；

第六步：计算汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命：

汽轮发电机护环的表面裂纹扩展剩余寿命R_L的计算公式为：

$R_L=\frac{0.75-E_f}{e_y}$

式中：e_y为护环年均裂纹扩展寿命损耗，汽轮发电机的设计寿命为40年，年均裂纹扩展寿命损耗定义为

第七步：控制汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命

若汽轮发电机护环的表面裂纹扩展剩余日历寿命R_L<4年，在年内安排计划大修(A级检修)，根据探伤结果予以检修或更换；若4年≤R_L<8年，在1年后但在4年内安排计划大修(A级检修)，根据探伤结果予以检修或更换；若8年≤R_L<16年，在下一次计划大修(A级检修)中，予以详细的探伤检查；若R_L≥16年，按照《发电企业设备检修导则》(DL/T838)安排汽轮发电机的计划大修(A级检修)周期和计划大修项目；

第八步：打印输出结果

输出汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命的计算结果与控制措施，应用于汽轮发电机的优化检修。

优选地，所述第二步的具体步骤为：建立汽轮发电机护环的轴对称有限元计算的力学模型；采用现有有限元分析技术，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110％额定工作转速超速试验共五种瞬态过程的最大主应力。

本发明具有以下特点：在汽轮发电机的服役期间，在汽轮发电机护环计划大修期间，抽出发电机转子，采用超声波探伤仪，探伤得出汽轮发电机护环的表面裂纹所在部位和裂纹尺寸，保存在数据库服务器，使用本发明提供的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法，根据每月不同的启动和停机次数，定量评定汽轮发电机护环的裂纹扩展剩余寿命，为汽轮发电机护环的安全运行和优化检修提供了依据。

本发明的优点是实现了汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命的在线计算和定期监控；如果汽轮发电机护环的裂纹扩展剩余寿命偏短时，通过及时安排计划大修(A级检修)来合理使用汽轮发电机护环的裂纹扩展剩余寿命，达到了定期监控汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命的技术效果。

附图说明

图1为本发明汽轮发电机护环裂纹扩展寿命监控装置的方框图；

图2为本发明汽轮发电机护环裂纹扩展寿命监控方法的流程程；

图3为本发明计算服务器采用的计算机软件框图；

图4为某型号300MW汽轮发电机护环结构的示意图。

图中，6为发电机转子，7为护环，8为中心环。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，本发明汽轮发电机护环裂纹扩展寿命监控装置的方框图，本发明的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命装置由超声波探伤仪1、计算服务器2、数据库服务器3、网页服务器4和用户端浏览器5组成，超声波探伤仪1与数据库服务器3连接，计算服务器2与数据库服务器3和网页服务器4连接，网页服务器4分别与数据库服务器3、计算服务器2和用户端浏览器5连接。

如图2所示，本发明汽轮发电机护环裂纹扩展寿命监控方法的流程图，如图3所示，本发明计算服务器采用的计算机软件框图，该软件安装在汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的计算服务器上，应用于汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的计算与控制。

对于某型号300MW汽轮发电机，护环的结构如图4所示，图4中护环7分别与发电机转轴6和中心环8红套过盈配合，护环材料为1Mn18Cr18N，在该台300MW汽轮发电机的服役期间，采用图1所示的装置、图2所示的流程图和图3所示的计算机软件，计算得出该台汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的计算结果，具体步骤为：

第一步：在该台汽轮发电机的抽出转子检修期间，采用超声波探伤仪确定护环裂纹的所在部位和裂纹尺寸，采用超声波探伤仪测得该台300MW汽轮发电机护环内表面部位A有一椭圆形裂纹，其短轴半径为a₁＝2mm，长轴半径c₁＝5mm；

第二步：建立汽轮发电机护环的轴对称有限元计算的力学模型，采用现有的有限元计算分析方法，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110％额定工作转速超速试验共5种瞬态过程的最大主应力，分别用符号σ_1c、σ_1w、σ_1h、σ_1r和σ_10s表示；

第三步：计算汽轮发电机护环的临界裂纹尺寸：汽轮发电机护环第i种瞬态工况的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

$a_{\mathrm{ci}}=\frac{{K_{1C}}^2}{{{\mathrm{M\&sigma;}}_{1i}}^2}$

式中：

i——取值为1-5的整数；

K_1C——护环材料断裂韧性，对于1Mn18Cr18N护环材料，

σ_1i——第i种瞬态工况的最大主应力，取值等于σ_1c、σ_1w、σ_1h、σ_1r或σ_10s；

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于表面裂纹，

$Q={\&Integral;}_0^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}(1-\frac{{c_1}^2-{a_1}^2}{{c_1}^2}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})\mathrm{d\&theta;}$

a₁——椭圆形裂纹短轴半径

c₁——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；

第四步：计算汽轮发电机护环裂纹扩展寿命：第i种瞬态工况的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

$N_{\mathrm{fi}}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\mathrm{\&sigma;}}_{1i}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{{a_1}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{{a_{\mathrm{ci}}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}]$

式中：C₀、m₀——护环材料裂纹扩展试验常数，对于1Mn18Cr18N护环材料，

C₀＝1.33×10^-12、m₀＝3.03；

该台300MW汽轮发电机护环部位A对应不同的启动工况和超速试验工况的最大主应力σ_1i、临界裂纹尺寸a_ci和裂纹扩展寿命N_fi计算结果列于表1；

[表1]

第五步：该台汽轮发电机从1989年9月投运至2011年9月，实际运行的冷态启动次数n_c＝71，实际运行的温态启动次数n_w＝502，实际运行的热态启动次数n_h＝2106次，实际运行的极热态启动次数n_r＝108次，共进行超速试验25次，该台300MW汽轮发电机护环部位A的裂纹扩展寿命累积损耗E_f的计算结果为：

$E_f=\frac{n_c}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{n_w}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{n_h}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{n_r}{N_{\mathrm{fr}}}+\frac{n_{\mathrm{os}}}{N_{\mathrm{fos}}}=\frac{71}{28540}+\frac{502}{25512}+\frac{2106}{26483}+\frac{108}{19516}+\frac{25}{18521}=0.1086$

第六步：该台300MW汽轮发电机护环部位A裂纹扩展剩余寿命R_L1的计算结果为：

第七步和第八步：该台300MW汽轮发电机护环部位A裂纹扩展剩余寿命的计算结果为R_L＝25.7年≥16年，推荐的控制措施为：按照《发电企业设备检修导则》(DL/T838)安排汽轮发电机的计划大修(A级检修)周期和计划大修项目。采用本发明提供的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控装置及方法，定量计算出该台300MW汽轮发电机护环的裂纹扩展剩余寿命并推荐出控制措施，根据该护环的裂纹扩展寿命来安排计划大修(A级检修)，为该台300MW汽轮发电机护环的安全运行和优化检修提供了依据。

Claims (2)

1.一种汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法，采用一种汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控装置，所述的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控装置由超声波探伤仪、计算服务器、数据库服务器、网页服务器和用户端浏览器组成，超声波探伤仪与数据库服务器连接，计算服务器与数据库服务器和网页服务器连接，网页服务器分别与数据库服务器、计算服务器和用户端浏览器连接，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控，具体步骤为：

第一步：探伤确定汽轮发电机护环的裂纹尺寸：

在汽轮发电机抽出转子检修期间，采用超声波探伤仪确定护环裂纹的所在部位和裂纹尺寸，裂纹所在部位指的是护环表面椭圆形裂纹中心位置的三个坐标数值，裂纹尺寸指的是护环表面椭圆形裂纹的短轴半径a₁和长轴半径c₁；

第二步：计算汽轮发电机护环裂纹所在部位的最大主应力：

对于汽轮发电机护环的表面裂纹，采用现有的有限元计算分析方法，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110％额定工作转速超速试验共5种瞬态工况的最大主应力，分别用符号σ_1c、σ_1w、σ_1h、σ_1r和σ_10s表示；

第三步：计算汽轮发电机护环的临界裂纹尺寸：

汽轮发电机护环第i种瞬态工况的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

$a_{\mathrm{ci}}=\frac{{K_{1C}}^2}{{{\mathrm{M\&sigma;}}_{1i}}^2}$

式中：

i——取值为1-5的整数；

K_1C——护环材料断裂韧性；

σ_1i——第i种瞬态工况的最大主应力；

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于表面裂纹，

$Q={\&Integral;}_0^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}(1-\frac{{c_1}^2-{a_1}^2}{{c_1}^2}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})\mathrm{d\&theta;}$

σ₁——椭圆形裂纹短轴半径；

c₁——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；

第四步：计算汽轮发电机护环裂纹扩展寿命：

第i种瞬态工况的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

$N_{\mathrm{fi}}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\mathrm{\&sigma;}}_{1i}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{{a_1}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{{a_{\mathrm{ci}}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}]$

式中：

C₀、m₀——护环材料裂纹扩展试验常数；

第五步：计算汽轮发电机护环裂纹扩展寿命累积损耗：

在汽轮发电机的启动和超速试验过程中，最大主应力出现在护环表面，汽轮发电机护环表面裂纹扩展寿命累积损耗E_f的计算公式为：

$E_f=\frac{n_c}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{n_w}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{n_h}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{n_r}{N_{\mathrm{fr}}}+\frac{n_{\mathrm{os}}}{N_{\mathrm{fos}}}$

式中：

n_c——实际运行的冷态启动次数

n_w——实际运行的温态启动次数

n_h——实际运行的热态启动次数

n_r——实际运行的极热态启动次数

n_os——汽轮机超速试验次数

N_fc——冷态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fw——温态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fh——热态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fr——极热态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fos——超速试验过程中的裂纹扩展寿命；

第六步：计算汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命：

汽轮发电机护环的表面裂纹扩展剩余寿命R_L的计算公式为：

$R_L=\frac{0.75-E_f}{e_y}$

式中：e_y为护环年均裂纹扩展寿命损耗，汽轮发电机的设计寿命为40年，年均裂纹扩展寿命损耗定义为

第七步：控制汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命

若汽轮发电机护环的表面裂纹扩展剩余日历寿命R_L<4年，在年内安排计划大修，根据探伤结果予以检修或更换；若4年≤R_L<8年，在1年后但在4年内安排计划大修，根据探伤结果予以检修或更换；若8年≤R_L<16年，在下一次计划大修中，予以详细的探伤检查；若R_L≥16年，按照《发电企业设备检修导则》DL/T838安排汽轮发电机的计划大修周期和计划大修项目；

第八步：打印输出结果

输出汽轮发电机护环裂纹扩展剩余寿命的计算结果与控制措施，应用于汽轮发电机的优化检修。

2.如权利要求1所述的汽轮发电机护环裂纹扩展寿命的监控方法，其特征在于，所述第二步的具体步骤为：建立汽轮发电机护环的轴对称有限元计算的力学模型；采用现有有限元分析技术，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110％额定工作转速超速试验共五种瞬态过程的最大主应力。