CN105781632B - 汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控 - Google Patents
汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法与系统，实现了汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的定量评定和监控。汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控系统包括数据库服务器、计算服务器、网页服务器和用户端浏览器。在汽轮机设计和使用阶段，如果部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控不合格，通过减少汽轮机的减少年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数，使汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命处于受控状态，达到了控制汽轮机部件日历总寿命的技术效果，为汽轮机高压内缸的定寿延寿和安全运行提供了技术依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法及系统，属于汽轮机技术领域。
背景技术
在汽轮机的起动与负荷变动的瞬态工况，由于力载荷和热载荷引起的低周疲劳作用，导致汽轮机部件内部以及汽缸与阀壳外表面的裂纹萌生与裂纹扩展。在汽轮机带负荷稳定运行过程中，由于工作温度与力载荷引起的蠕变作用，导致汽轮机部件的裂纹萌生与裂纹扩展。高温区工作的汽轮机部件，在汽轮机的使用过程中，在低周疲劳与蠕变作用下，发生裂纹萌生与裂纹扩展。
申请人已经申请发明专利“一种单台汽轮机关键部件低周疲劳寿命管理系统及管理方法”，申请号200710172074.3，管理汽轮机关键部件的低周疲劳裂纹萌生寿命。申请人已经申请发明专利“一种汽轮机高温部件低蠕变寿命预测方法及系统”，申请号200710039899.8，预测汽轮机高温部件的蠕变裂纹萌生寿命。申请人已经申请发明专利“汽轮机的阀壳与汽缸裂纹扩展寿命的监控装置与方法”，申请号201110413911.3，监控汽轮机的阀壳与汽缸的低周疲劳裂纹扩展寿命。申请人已经申请发明专利“汽轮机转子内部裂纹的监控装置及方法”，申请号201110413914.7，监控汽轮机转子的低周疲劳裂纹扩展寿命。申请人已经申请发明专利“汽轮机耐用部件剩余寿命在线监视与控制装置及方法”，监控汽轮机耐用部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生寿命。申请人已经申请发明专利“一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及方法”，申请号为200610030243.5，评定和预测轮机耐用部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生的日历寿命。公开文献报道的汽轮机部件裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命的寿命管理、寿命预测和寿命监控方法，还没有汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生与裂纹扩展的日历总寿命的监控方法。在高温区工作的汽轮机部件，在汽轮机的运行过程中，起动与负荷变动的瞬态工况和带负荷稳定运行工况交替出现，汽轮机部件交替发生低周疲劳与蠕变损伤。在汽轮机的使用阶段，汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生与裂纹扩展的日历总寿命的监控，还没有合适的方法可供使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何实现汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生与裂纹扩展的日历总寿命的监控。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：
第一步、获得汽轮机部件材料力学性能数据；
第二步、获得汽轮机部件的裂纹萌生寿命和应力，包括：
汽轮机部件的冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nc、温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nw、热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nh、极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nr、75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N1、50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N2、蠕变裂纹萌生寿命τR、部件几何形状修正系数F的计算结果，以及冷态起动、温态起动、热态起动、极热态起动、75％额定负荷的负荷变动、50％额定负荷的负荷变动的瞬态工况的最大主应力σ1i、额定负荷工况的稳定蠕变应力σc；
第三步、计算汽轮机部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸acL：
汽轮机部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸acL的计算公式为：
式中：
F——部件几何形状修正系数；
σ1i——第i个瞬态工况的低周疲劳裂纹扩展的最大主应力；
第四步、计算汽轮机部件的低周疲劳裂纹扩展寿命Nfi：
汽轮机部件裂纹从初始裂纹0.0001m扩展到临界裂纹尺寸acL的低周疲劳裂纹扩展寿命Nfi的计算公式为：
式中：
acL——部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸；
C0、m0——部件材料低周疲劳裂纹扩展试验常数；
F——部件几何形状修正系数；
σ1i——第i个瞬态工况的低周疲劳裂纹扩展的最大主应力；
第五步、计算汽轮机部件蠕变裂纹扩展的临界裂纹尺寸acp：
汽轮机部件蠕变裂纹扩展的临界裂纹尺寸acp的计算公式为：
式中：
σc——额定负荷工况的稳定蠕变应力；
第六步、计算汽轮机部件蠕变断裂参量A：
汽轮机部件蠕变断裂断裂参量A的计算公式为：
式中：
B和n——材料蠕变参数；
第七步、计算汽轮机部件的蠕变裂纹扩展寿命τcp：
汽轮机部件裂纹从初始裂纹0.1mm扩展到临界裂纹尺寸acp的蠕变裂纹扩展寿命τcp的计算公式为：
式中：
A——部件蠕变断裂参量；
C4、m4——部件材料蠕变裂纹扩展试验常数；
第八步、计算汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命损耗ey1：
汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命累积损耗ey1的计算公式为：
式中：
yc——年均冷态起动次数；
yw——年均温态起动次数；
yh——年均热态起动次数；
yr——年均极热态起动次数；
y1——年均75％额定负荷的负荷变动次数；
y2——年均50％额定负荷的负荷变动次数；
Nc——冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
Nw——温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
Nh——热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
Nr——极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
N1——75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命；
N2——50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命；
ty——年均运行小时数；
τR——蠕变裂纹萌生寿命；
第九步、计算汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1：
汽轮机部件的的低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1的计算公式为：
第十步、计算汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命损耗ey2：
汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命累积损耗ey2的计算公式为：
式中：
Nfc——冷态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nfw——温态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nfh——热态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nfr——极热态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nfl——75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nf2——50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹扩展寿命；
τcp——部件的蠕变裂纹扩展寿命；
第十一步、计算汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2：
汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2的计算公式为：
第十二步、计算汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt：
汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt的计算公式为：
τCLt＝τCL1+τCL2 (10)
第十三步、确定汽轮机部件日历总寿命的判据值τ0：
第十四步、在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控：
在汽轮机的设计和使用阶段，对于汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生与裂纹扩展的日历总寿命进行优化控制：
(1)若τCLt≥τ0，原方案汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控合格，表明汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命处于受控状态，汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控结束；
(2)若τCLt＜τ0，原方案汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控不合格，表明需要对汽轮机部件的年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数进行优化改进，并减少年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数，重新执行第八步至第十三步，直到τCLt≥τ0为止，汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控结束。
优选地，所述第一步中，汽轮机部件的材料力学性能数据包括材料断裂韧性KIC、材料低周疲劳裂纹扩展试验常数C0与m0、材料蠕变参数B和n、材料蠕变裂纹扩展试验常数C4与m4。
优选地，所述第十三步中，通常对于火电站汽轮机τ0＝30年，对于核电站汽轮机τ0＝60年。
本发明还提供了一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控系统，采用上述的汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法，其特征在于：包括数据库服务器、计算服务器、网页服务器和用户端浏览器，将汽轮机部件材料力学性能数据及汽轮机部件的裂纹萌生寿命和应力数据存入数据库服务器，数据库服务器连接计算服务器，计算服务器根据设定的计算方法进行计算，计算服务器连接超网页服务器，网页服务器连接用户端浏览器，通过用户端浏览器显示汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控的计算结果和优化控制措施。
本发明提供的汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控方法与系统，实现了汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的定量评定和监控。在汽轮机设计和使用阶段，如果部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控不合格，通过减少汽轮机的减少年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数，使汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命处于受控状态，达到了控制汽轮机部件日历总寿命的技术效果，为汽轮机高压内缸的定寿延寿和安全运行提供了技术依据。
附图说明
图1为本发明汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控系统的方框图；
图2为本发明汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控方法的流程图；
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600MW汽轮机高压内缸结构的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控系统的方框图，所述的汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控系统包括数据库服务器1、计算服务器2、网页服务器3和用户端浏览器4，数据库服务器1连接计算服务器2，计算服务器2连接网页服务器3，网页服务器3连接用户端浏览器4，数据库服务器1中贮存汽轮机部件的力学性能数据、寿命与应力计算结果，包括材料断裂韧性KIC、材料低周疲劳裂纹扩展试验常数C0与m0、材料蠕变参数B和n、材料蠕变裂纹扩展试验常数C4与m4。寿命与应力计算结果，包括冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nc、温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nw、热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nh、极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nr、75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N1、50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N2、蠕变裂纹萌生寿命τR、部件几何形状修正系数F的计算结果，以及冷态起动、温态起动、热态起动、极热态起动、75％额定负荷的负荷变动、50％额定负荷的负荷变动的瞬态工况的最大主应力σ1i、额定负荷工况的稳定蠕变应力σc。
如图2所示，为本发明所采用方法的流程图。如图3所示，为汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的计算服务器所采用的计算机软件框图。该软件安装在汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的计算服务器上，应用于汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控。
以下结合具体应用实例来说明本发明。
某型号600MW汽轮机，高压内缸的结构如图4所示，图4中11、12……17表示第一、二……七只红套环，该高压内缸的寿命薄弱部位是汽缸外表面的部位A。在该汽轮机的设计和使用阶段，应用图1所示的系统、图2所示的方法和图3所示的计算机软件，开展该汽轮机高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控。电站业主要求该汽轮机内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的判据值τ0＝30年，原方案该汽轮机的年均冷态起动次数yc、年均温态起动次数yw、年均热态起动次数yh、年均极热态起动次数yr、年均75％额定负荷的负荷变动次数y1、年均50％额定负荷的负荷变动次数y2、年均运行小时数ty列于表1，该高压内缸的寿命薄弱部位A的冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nc、温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nw、热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nh、极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nr、75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N1、50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N2、蠕变裂纹萌生寿命τR、部件几何形状修正系数F的计算结果列于表2。
该汽轮机高压内缸原方案在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控不合格，需要在使用阶段采取优化改进方案。所采取得优化该基金方案是减少年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数，经过优化改进后该汽轮机高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控合格。该汽轮机高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控结果列于表3、表4、表5和表6。
表1汽轮机的相关使用工况
表2汽轮机的相关参数计算结果
| 序号 | 项目 | 指标值 |
| 1 | 冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nc/次 | 3910 |
| 2 | 温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nw/次 | 3330 |
| 3 | 热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nh/次 | 3540 |
| 4 | 极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nr/次 | 3660 |
| 5 | 75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N1/次 | 4710 |
| 6 | 50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N2/次 | 17660 |
| 7 | 蠕变裂纹萌生寿命τR/h | 111180 |
| 8 | 部件几何形状修正系数F | 1.1237 |
该汽轮机高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控方法具体为：
第一步、输入汽轮机部件材料力学性能数据：
输入汽轮机部件的材料力学性能数据，所述的力学性能数据包括材料断裂韧性材料低周疲劳裂纹扩展试验常数C0＝3.5与m0＝10-10、材料蠕变参数B＝1.10076×10-30和n＝10.4、材料蠕变裂纹扩展试验常数C4＝1.12344×10-2与m4＝0.7178；
第二步、输入汽轮机部件的裂纹萌生寿命和应力：
从数据库服务器中调用汽轮机部件的冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nc、温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nw、热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nh、极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nr、75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N1、50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N2、蠕变裂纹萌生寿命τR、部件几何形状修正系数F的计算结果；输入冷态起动、温态起动、热态起动、极热态起动、75％额定负荷的负荷变动、50％额定负荷的负荷变动的瞬态工况的最大主应力σ1i、额定负荷工况的稳定蠕变应力σc；
第三步、计算汽轮机部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸acL：
汽轮机部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸acL的计算公式为：
式中：
F——部件几何形状修正系数
σ1i——第i个瞬态工况的低周疲劳裂纹扩展的最大主应力；
第四步、计算汽轮机部件的低周疲劳裂纹扩展寿命Nfi：
汽轮机部件裂纹从初始裂纹0.0001m扩展到临界裂纹尺寸acL的低周疲劳裂纹扩展寿命Nfi的计算公式为：
式中：
acL——部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸
C0、m0——部件材料低周疲劳裂纹扩展试验常数
F——部件几何形状修正系数
σ1i——第i个瞬态工况的低周疲劳裂纹扩展的最大主应力；
该汽轮机高压内缸的第三步至第四步的计算结果列于表3；
表3汽轮机高压内缸的第三步至第四步的计算结果
第五步、计算汽轮机部件蠕变裂纹扩展的临界裂纹尺寸acp：
汽轮机部件蠕变裂纹扩展的临界裂纹尺寸acp的计算公式为：
式中：
σc——额定负荷工况的稳定蠕变应力；
第六步、计算汽轮机部件蠕变断裂参量A：
汽轮机部件蠕变断裂参量A的计算公式为：
式中：
B和n——材料蠕变参数；
第七步、计算汽轮机部件的蠕变裂纹扩展寿命τcp：
汽轮机部件裂纹从初始裂纹0.1mm扩展到临界裂纹尺寸acp的蠕变裂纹扩展寿命τcp的计算公式为：
式中：
A——部件蠕变断裂参量
C4、m4——部件材料蠕变裂纹扩展试验常数；
第八步、计算汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命损耗ey1：
汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命累积损耗ey1的计算公式为：
式中：
yc——年均冷态起动次数
yw——年均温态起动次数
yh——年均热态起动次数
yr——年均极热态起动次数
y1——年均75％额定负荷的负荷变动次数
y2——年均50％额定负荷的负荷变动次数
Nc——冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命
Nw——温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命
Nh——热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命
Nr——极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命
N1——75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命
N2——50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命
ty——年均运行小时数
τR——蠕变裂纹萌生寿命；
第九步、计算汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1：
汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1的计算公式为：
第十步、计算汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命损耗ey2：
汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命累积损耗ey2的计算公式为：
式中：
Nfc——冷态起动低周疲劳裂纹扩展寿命
Nfw——温态起动低周疲劳裂纹扩展寿命
Nfh——热态起动低周疲劳裂纹扩展寿命
Nfr——极热态起动低周疲劳裂纹扩展寿命
Nfl——75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹扩展寿命
Nf2——50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹扩展寿命
τcp——部件的蠕变裂纹扩展寿命；
第十—步、计算汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2：
汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2的计算公式为：
第十二步、计算汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt：
汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt的计算公式为：
τCLt＝τCL1+τCL2 (20)
该汽轮机高压内缸的第八步至第十二步的计算结果列于表4；
表4汽轮机高压内缸的第八步至第十二步的计算结果
| 序号 | 项目 | 计算结果 |
| 1 | 年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命损耗ey1 | 0.082763324 |
| 2 | 低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1/年 | 12.08 |
| 3 | 年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命损耗ey2 | 0.145915199 |
| 4 | 低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2/年 | 6.85 |
| 5 | 7在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt/年 | 18.93 |
第十三步、确定汽轮机部件日历总寿命的判据值τ0：
根据电站业主要求确定汽轮机部件日历总寿命的判据值τ0，通常对于火电站汽轮机τ0＝30年；
第十四步、在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控：
在汽轮机的设计和使用阶段，应用部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生与裂纹扩展的日历总寿命的监控系统，对于汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生与裂纹扩展的日历总寿命的监控进行优化运行控制：
(1)若τCLt≥τ0，原方案部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控合格，表明汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命处于受控状态，汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控结束，进入第十五步；
(2)由于τCLt＝18.93年＜τ0＝30年，原方案部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控不合格，表明需要对汽轮机部件的年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数进行优化改进，并减少年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数，优化改进方案的年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数列于表5，重新执行第八步至第十三步，计算结果列于表6，至此τCLt＝30.03年≥τ0＝30年，汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控结束，进入第十五步；
表5优化改进方案的相关参数
表6重新执行第八步至第十三步的计算结果
| 序号 | 项目 | 计算结果 |
| 1 | 年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命损耗ey1 | 0.0614464333 |
| 2 | 低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1/年 | 16.27 |
| 3 | 年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命损耗ey2 | 0.072675825 |
| 4 | 低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2/年 | 13.76 |
| 5 | 7在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt/年 | 30.03 |
第十五步、打印输出结果
根据需要打印输出汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控的计算结果和优化控制措施。
采用本发明提供的汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控方法与系统，定量监控该600MW汽轮机高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命。原方案该高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命为18.93年，通过对原方案日历总寿命监控结果开展优化改进，使得该600MW汽轮机高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命达到了用户要求的30年，优化改进后该高压内缸在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命处于受控状态，为该600MW汽轮机高压内缸的定寿延寿和安全运行提供了技术依据。
Claims (4)
1.一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：
第一步、获得汽轮机部件材料力学性能数据；
第二步、获得汽轮机部件的裂纹萌生寿命和应力，包括：
汽轮机部件的冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nc、温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nw、热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nh、极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命Nr、75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N1、50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命N2、蠕变裂纹萌生寿命τR、部件几何形状修正系数F的计算结果，以及冷态起动、温态起动、热态起动、极热态起动、75％额定负荷的负荷变动、50％额定负荷的负荷变动的瞬态工况的最大主应力σ1i、额定负荷工况的稳定蠕变应力σc；
第三步、计算汽轮机部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸acL：
汽轮机部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸acL的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>L</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>C</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
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<msubsup>
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<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>i</mi>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
KIC——材料断裂韧性；
F——部件几何形状修正系数；
σ1i——第i个瞬态工况的低周疲劳裂纹扩展的最大主应力；
第四步、计算汽轮机部件的低周疲劳裂纹扩展寿命Nfi：
汽轮机部件裂纹从初始裂纹0.0001m扩展到临界裂纹尺寸acL的低周疲劳裂纹扩展寿命Nfi的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>2</mn>
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<mo>(</mo>
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<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
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<msub>
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<mn>0</mn>
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<mo>(</mo>
<mi>F</mi>
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</msqrt>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
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<msubsup>
<mi>&sigma;</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>i</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</msubsup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
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<mfrac>
<mrow>
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<mi>m</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</msup>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msubsup>
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<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>L</mi>
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<mfrac>
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<mn>0</mn>
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</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</msubsup>
</mfrac>
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<mo>&rsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
acL——部件低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸；
C0、m0——部件材料低周疲劳裂纹扩展试验常数；
F——部件几何形状修正系数；
σ1i——第i个瞬态工况的低周疲劳裂纹扩展的最大主应力；
第五步、计算汽轮机部件蠕变裂纹扩展的临界裂纹尺寸acp：
汽轮机部件蠕变裂纹扩展的临界裂纹尺寸acp的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msubsup>
<mi>K</mi>
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<mi>I</mi>
<mi>C</mi>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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<msubsup>
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<mi>c</mi>
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</msubsup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
σc——额定负荷工况的稳定蠕变应力；
第六步、计算汽轮机部件蠕变断裂参量A：
汽轮机部件蠕变断裂断裂参量A的计算公式为：
<mrow>
<mi>A</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1.21</mn>
<mi>B</mi>
<mi>&pi;</mi>
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</msqrt>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
B和n——材料蠕变参数；
第七步、计算汽轮机部件的蠕变裂纹扩展寿命τcp：
汽轮机部件裂纹从初始裂纹0.1mm扩展到临界裂纹尺寸acp的蠕变裂纹扩展寿命τcp的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
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<mn>1</mn>
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<msub>
<mi>m</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
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<msub>
<mi>C</mi>
<mn>4</mn>
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<mi>A</mi>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
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</mfrac>
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<msubsup>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>p</mi>
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<mrow>
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<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
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<mi>m</mi>
<mn>4</mn>
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</mrow>
</msubsup>
<mo>-</mo>
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<mn>0.0001</mn>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
A——部件蠕变断裂参量；
C4、m4——部件材料蠕变裂纹扩展试验常数；
第八步、计算汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命损耗ey1：
汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹萌生寿命累积损耗ey1的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
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<msub>
<mi>N</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>h</mi>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>h</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
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<mi>t</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mi>R</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
yc——年均冷态起动次数；
yw——年均温态起动次数；
yh——年均热态起动次数；
yr——年均极热态起动次数；
y1——年均75％额定负荷的负荷变动次数；
y2——年均50％额定负荷的负荷变动次数；
Nc——冷态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
Nw——温态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
Nh——热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
Nr——极热态起停低周疲劳裂纹萌生寿命；
N1——75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命；
N2——50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹萌生寿命；
ty——年均运行小时数；
τR——蠕变裂纹萌生寿命；
第九步、计算汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1：
汽轮机部件的的低周疲劳与蠕变裂纹萌生日历寿命τCL1的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mrow>
<mi>C</mi>
<mi>L</mi>
<mn>1</mn>
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</msub>
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<mi>y</mi>
<mn>1</mn>
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</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
第十步、计算汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命损耗ey2：
汽轮机部件的年均低周疲劳与蠕变裂纹扩展寿命累积损耗ey2的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
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<mi>f</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
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</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mi>w</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>h</mi>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
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</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
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<msub>
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<mi>c</mi>
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</mrow>
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</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
Nfc——冷态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nfw——温态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nfh——热态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nfr——极热态起动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nf1——75％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹扩展寿命；
Nf2——50％额定负荷的负荷变动低周疲劳裂纹扩展寿命；
τcp——部件的蠕变裂纹扩展寿命；
第十一步、计算汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2：
汽轮机部件的低周疲劳与蠕变裂纹扩展日历寿命τCL2的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mrow>
<mi>C</mi>
<mi>L</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
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</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>9</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
第十二步、计算汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt：
汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命τCLt的计算公式为：
τCLt＝τCL1+τCL2 (10)
第十三步、确定汽轮机部件日历总寿命的判据值τ0：
第十四步、在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控：
在汽轮机的设计和使用阶段，对于汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下裂纹萌生与裂纹扩展的日历总寿命进行优化控制：
(1)若τCLt≥τ0，原方案汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控合格，表明汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命处于受控状态，汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控结束；
(2)若τCLt＜τ0，原方案汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控不合格，表明需要对汽轮机部件的年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数进行优化改进，并减少年均运行小时数、年均起动次数与年均负荷变动次数，重新执行第八步至第十三步，直到τCLt≥τ0为止，汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控结束。
2.如权利要求1所述的一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法，其特征在于：所述第一步中，汽轮机部件的材料力学性能数据包括材料断裂韧性KIC、材料低周疲劳裂纹扩展试验常数C0与m0、材料蠕变参数B和n、材料蠕变裂纹扩展试验常数C4与m4。
3.如权利要求1所述的一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法，其特征在于：所述第十三步中，通常对于火电站汽轮机τ0＝30年，对于核电站汽轮机τ0＝60年。
4.一种汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控系统，采用如权利要求1～3任一项所述的汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命的监控方法，其特征在于：包括数据库服务器、计算服务器、网页服务器和用户端浏览器，将汽轮机部件材料力学性能数据及汽轮机部件的裂纹萌生寿命和应力数据存入数据库服务器，数据库服务器连接计算服务器，计算服务器根据设定的计算方法进行计算，计算服务器连接网页服务器，网页服务器连接用户端浏览器，通过用户端浏览器显示汽轮机部件在低周疲劳与蠕变作用下日历总寿命监控的计算结果和优化控制措施。
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