CN106321164A - 内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控装置，包括：用于对内缸、外缸与阀壳焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外的内缸、外缸与阀壳内表面进行磁粉探伤的磁粉探伤与着色探伤设备；用于存储探伤数据的数据库服务器；基于所述数据，对内缸、外缸与阀壳内表面裂纹扩展寿命进行计算的计算服务器；用于输出结果的用户端浏览器。本发明还提供了一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法。本发明实现了汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命的在线计算和监控，达到了内缸、外缸与阀壳的制造与加工阶段，对汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的定量评价和监控的效果。

Description

内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在汽轮机和燃气轮机的制造与加工阶段、基于裂纹扩展寿命的、汽轮机和燃气轮机的内缸与外缸及阀壳的内表面制造缺陷的监控装置及方法，属于汽轮机和燃气轮机的技术领域。

背景技术

在汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的铸造、焊接和加工等制造过程中，有可能产生内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷。传统的汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的评定方法，要求内缸、外缸与阀壳焊缝的内表面制造缺陷不超过1mm，要求内缸、外缸与阀壳其他区域的内表面制造缺陷不超过3mm。若探伤发现的内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷大于规定值，内缸、外缸或阀壳予以报废。由于汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的造价昂贵，内缸、外缸与阀壳报的废经济损失大。传统方法，没有考虑汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷所在部位的主应力作用及其裂纹扩展寿命的影响。在汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的制造和加工阶段，基于裂纹扩展寿命的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控，还没有合适的方法可供使用。

申请人已经申请发明专利“汽轮机阀壳与汽缸裂纹扩展寿命的监控装置及方法”，申请号201110413911.3，是汽轮机阀壳与汽缸在发电厂运行阶段，在线计算和定期监控汽轮机阀壳与汽缸的内表面和外表面的裂纹扩展寿命。华东理工大学申请的发明专利“汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法”，申请号200710170946.2，在高温部件发现缺陷后，可以计算裂纹长度等于或超过临界裂纹尺寸的循环次数，该循环次数乘以保载时间来预测剩余寿命。郑善琨等人在《动力工程》1986年第4期发表论文“汽轮机低压转子缺陷评定”，采用缺陷探伤面积与允许的初始缺陷面积进行比较，来评定汽轮机低压转子的缺陷。

现有技术，没有考虑汽轮机和燃气轮机在停机过程中产生的主应力对内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命的影响，因而不能判断带有内表面制造缺陷的汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳能否安全服役到起停寿命10000次。在汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳制造过程中，探伤发现内缸、外缸与阀壳带有内表面制造缺陷后，评价汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳起停寿命能否达到10000次，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提供一种基于裂纹扩展寿命的汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控装置及方法，实现在汽轮机和燃气轮机的制造与加工过程中内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的服役安全性的评价与监控。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的监控装置，其特征在于，包括：

用于对内缸、外缸与阀壳焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外的内缸、外缸与阀壳内表面进行磁粉探伤，以确定内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的所在部位和尺寸的磁粉探伤与着色探伤设备；

用于存储磁粉探伤与着色探伤设备所采集的数据的数据库服务器；

基于数据库服务器内存储的数据，对内缸、外缸与阀壳内表面裂纹扩展寿命进行计算，进而对内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷进行评价与监控的计算服务器；

用于输出内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的评价与监控结果的用户端浏览器；

用于管理网页组件和回应用户端浏览器的请求的网页服务器。

优选地，所述磁粉探伤与着色探伤设备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。

本发明还提供了一种汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于，步骤为：

第一步：探伤确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的当量直径d；

第二步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀；

内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀的计算公式为：

$A_0=\frac{1}{2}\×\frac{10{\mathrm{\πd}}^2}{4}=\frac{5{\mathrm{\πd}}^2}{4}$

式中：

d——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷探伤的当量直径；

第三步：确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径a₀；

把汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷处理为半椭圆形裂纹，半椭圆形裂纹的初始短轴半径为a₀，半椭圆形裂纹的初始长轴半径为c₀，给定a₀/2c₀＝x，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径a₀的计算公式为：

$a_0=\sqrt{5{\mathrm{xd}}^2}$

式中：

d——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷探伤的当量直径；

x——半椭圆形裂纹的初始短轴半径为a₀与2倍初始长轴半径c₀的比值，x＝a₀/2c₀；

第四步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷所在部位的最大应力σ_maxi；

对汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位，计算在无缺陷情况下，缺陷所在部位在正常停机、滑参数停机和事故停机共三种瞬态过程的最大主应力，第i种瞬态工况的最大主应力用σ_1i表示，第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷所在部位的最大应力σ_{max i}的计算公式为：

σ_{max i}＝σ_1i+σ_re

式中：

σ_re——内缸、外缸与阀壳的残余应力；

第五步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的临界裂纹尺寸a_ci；

第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

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

式中：

σ_{max i}——第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳内的表面制造缺陷所在部位的最大应力；

M——与裂纹形状参数Q有关的常数；

对于内缸、外缸与阀壳的内表面缺陷，

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

a——半椭圆形裂纹短轴半径；

c——半椭圆形裂纹长轴半径；

θ-过缺陷周线上任意一点的径向线与半椭圆长轴的夹角；

K_1C——内缸、外缸与阀壳的材料断裂韧性；

第六步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命N_fi；

第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

$N_{fi}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\left({\mathrm{\σ}}_{\max i}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}\[\frac{1}{a_0^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{a_{ci}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}\]$

式中：

a₀——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径；

C₀、m₀——内缸、外缸与阀壳的材料裂纹扩展的试验常数；

第七步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的等效正常停机次数n_ne：

汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的等效正常停机次数n_ne的计算公式可表示为：

$n_{ne}=\frac{\frac{n_{s0}}{N_{fs}}+\frac{n_{e0}}{N_{fe}}}{\frac{1}{N_{fn}}}+n_{n0}$

式中：

n_n0——电站用户要求的正常停机次数；

n_s0——电站用户要求的滑参数停机次数；

n_e0——电站用户要求的事故停机次数；

N_fn——正常停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

N_fs——滑参数停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

N_fe——事故停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

第八步：确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的起停寿命判据值N₀：

将汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的等效正常停机次数n_ne与起停寿命次数N进行比较，按照以下方法确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的起停寿命判据值N₀：

(1)若n_ne＜N次，取N₀＝N次；

(2)若n_ne≥N次，取N₀＝n_ne次；

式中：

n_ne——等效正常停机次数；

第九步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i；

汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i的计算公式为：

$a_i={\[\frac{2{a_{cn}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}{N_0{C}_0(m_0-2){\left({\mathrm{\σ}}_{\max n}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}{a_{cn}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}+2}\]}^{\frac{2}{m_0-2}}$

式中：

a_cn——在正常停机的瞬态过程，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位的最大应力σ_{max n}对应的临界裂纹尺寸；

σ_{max n}——在正常停机的瞬态过程，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位在无缺陷情况下计算的最大主应力；

N₀——内缸、外缸与阀壳起停寿命的判据值；

第十步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许初始裂纹尺寸判据值[a]；

对于汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i，取安全系数为n，得出内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许初始裂纹尺寸判据值[a]的计算公式为：

$\[a\]=\frac{a_i}{n}$

式中：

a_i——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸；

第十一步：汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的评价与监控；

将内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的初始短轴半径a₀和允许初始裂纹尺寸判据值[a]进行比较：

若a₀＜[a]，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷是合格的，表明服役到起停寿命N次，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷不会扩展至临界裂纹尺寸，该内缸、外缸或阀壳可以使用，对内缸、外缸与阀壳的内表面缺陷进行打磨消除，且打磨后内缸、外缸与阀壳的公差在允许的范围内；

若a₀≥[a]，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷是不合格的，应予以报废。

优选地，所述第一步的具体方法为：在汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的制造与加工期间，对内缸、外缸与阀壳的焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外内缸、外缸与阀壳的内表面进行磁粉探伤，确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的所在部位和尺寸。

更优选地，所述缺陷的所在部位指的是内缸、外缸与阀壳的内表面缺陷尖端处三个坐标的数值。

更优选地，所述缺陷的尺寸指的是探伤确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的当量直径d。

优选地，所述第二步中，对于汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷处理为半圆形或半椭圆形，由于制造缺陷的探伤面积有可能小于实际缺陷面积，工程上计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀时，把内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的探伤面积扩大10倍。

优选地，所述第四步中，建立汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的三维有限元计算的力学模型，采用有限元分析技术，计算所述最大主应力。

优选地，还包括第十二步：打印输出结果：

输出内缸与外缸及阀壳的等效正常停机次数n_ne、内表面制造缺陷的初始短轴半径a₀、内缸与外缸及阀壳的起停寿命判据值N₀、允许初始裂纹尺寸判据值[a]、内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的评价与监控结果，应用于汽轮机和燃气轮机的内缸与外缸及阀壳的内表面制造缺陷的评价和判废的结论。

本发明在汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的制造与加工期间，对内缸、外缸与阀壳的焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外内缸、外缸与阀壳的内表面进行磁粉探伤，探伤得出汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的所在部位和缺陷尺寸，保存在数据库服务器，使用本发明提供的汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，根据电站用户要求的停机次数，定量评价汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷，判定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷是否合格，确定带有内表面制造缺陷的内缸、外缸与阀壳是可以使用还是予以报废。

本发明提供的装置及方法实现了汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命的在线计算和监控；如果汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷是合格的，表明该内缸、外缸与阀壳可以使用；如果内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷是不合格的，应予以报废。在内缸、外缸与阀壳的制造与加工阶段，实现了汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的定量评价和监控的技术效果。

附图说明

图1为本发明汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的监控装置的方框图；

图2为本发明汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷监控方法的流程；

图3为本发明计算服务器采用的计算机软件框图；

图4为某型号火电汽轮机高压主汽调节阀的阀壳结构的示意图。

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所示为本发明汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的监控装置的方框图，本发明的汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷监控装置由磁粉探伤与着色探伤设备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，磁粉探伤与着色探伤设备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。

磁粉探伤与着色探伤设备1用于对内缸、外缸与阀壳焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外的内缸、外缸与阀壳内表面进行磁粉探伤，以确定内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的所在部位和尺寸。

数据库服务器3用于存储磁粉探伤与着色探伤设备1所采集的数据。

计算服务器2基于数据库服务器3内存储的数据，对内缸、外缸与阀壳内表面裂纹扩展寿命进行计算，进而对内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷进行评价与监控。

用户端浏览器5用于输出内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的评价与监控结果。

网页服务器4用于管理网页组件和回应用户端浏览器5的请求。

如图2所示为本发明汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷监控方法的流程图，如图3所示为本发明计算服务器采用的计算机软件框图，该软件安装在汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的计算服务器上，应用于汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的计算与监控。

对于某型号300MW火电汽轮机，高压主汽调节阀的阀壳的结构如图4所示，在该高压主汽调节阀的阀壳的制造与加工过程中，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，计算得出该高压主汽调节阀的阀壳内表面制造缺陷的评价和监控结果。

第一步：探伤确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的当量直径d：

在该高压主汽调节阀的阀壳制造与加工期间，对该阀壳焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外阀壳内表面进行磁粉探伤，确定阀壳内表面制造缺陷的所在部位D，探伤确定阀壳内表面部位D的制造缺陷的当量直径为d＝2mm；

第二步：计算内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的面积A₀：

对于汽轮机高压主汽调节阀的阀壳部位D的内表面制造缺陷，处理为半圆形或半椭圆形，由于制造缺陷的探伤面积有可能小于实际缺陷面积，工程上计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀时，把内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的探伤面积扩大10倍，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀的计算公式为：

$A_0=\frac{1}{2}\×\frac{10{\mathrm{\πd}}^2}{4}=\frac{5{\mathrm{\πd}}^2}{4}=\frac{5\mathrm{\π}\×2^2}{4}=5\mathrm{\π}{\left(mm\right)}^2$

式中：

d——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的当量直径；

第三步：确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径a₀：

把该高压主汽调节阀的阀壳内表面制造缺陷处理为半椭圆形裂纹，半椭圆形裂纹的初始短轴半径为a₀，半椭圆形裂纹的初始长轴半径为c₀，给定a₀/2c₀＝x＝0.1，阀壳部位D的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径a₀的计算公式为：

$a_0=\sqrt{5{\mathrm{xd}}^2}=\sqrt{5\×0.1\×2^2}=1.41mm$

式中：

d——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的当量直径；

x——半椭圆形裂纹的初始短轴半径为a₀与2倍初始长轴半径c₀的比值，x＝a₀/2c₀；

第四步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷所在部位的最大应力σ_{max i}：

建立汽轮机高压主汽调节阀的阀壳的三维有限元计算的力学模型，采用有限元分析的现有技术，对该阀壳内表面制造缺陷部位D，计算在无缺陷情况下，缺陷部位D在正常停机、滑参数停机与事故停机共三种瞬态过程的最大主应力，第i种瞬态工况的最大主应力用σ_1i表示，第i种瞬态工况的阀壳内表面制造缺陷所在部位的最大应力σ_{max i}的计算公式为：

σ_{max i}＝σ_1i+σ_re

式中：

σ_re——阀壳的残余应力；

第五步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的临界裂纹尺寸a_ci：

第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

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

式中：

σ_{max i}——第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷所在部位的最大应力；

M——与裂纹形状参数Q有关的常数；

对于内缸、外缸与阀壳的内表面缺陷，

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

a——半椭圆形裂纹短轴半径；

c——半椭圆形裂纹长轴半径；

θ——过缺陷周线上任意一点的径向线与半椭圆长轴的夹角；

K_1c——内缸、外缸与阀壳的材料断裂韧性，

第六步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命N_fi：

第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命N_fi(单位：次)的计算公式为：

$N_{fi}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\left({\mathrm{\σ}}_{\max i}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}\[\frac{1}{a_0^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{a_{ci}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}\]$

式中：

a₀——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径；

C₀、m₀——内缸、外缸与阀壳材料的裂纹扩展试验常数，C₀＝10^-10，m₀＝3.5；

对于该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳部位D在滑参数停机、正常停机与事故停机共三种瞬态过程的最大应力σ_maxi、临界裂纹尺寸a_ci和裂纹扩展寿命N_fi的计算结果列于表1；

[表1]

第七步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的等效正常停机次数n_ne：

该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳部位D的内表面制造缺陷的等效正常停机次数n_ne(单位：次)的计算公式可表示为：

式中：

n_n0——电站用户要求的正常停机次数，n_n0＝3700次；

n_s0——电站用户要求的滑参数停机次数，n_s0＝100次；

n_e0——电站用户要求的事故停机次数，n_e0＝150次；

N_fn——正常停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

N_fs——滑参数停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

N_fe——事故停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

第八步：确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的起停寿命判据值N₀：

将该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳部位D的等效正常停机次数n_ne与10000次进行比较，按照以下方法确定该阀壳内表面制造缺陷的起停寿命判据值N₀：

由于n_ne＝3937次＜10000次，故取N₀＝10000次；

式中：

n_ne——等效正常停机次数；

第九步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i：

该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i的计算公式为：

$\begin{array}{c}{a}_i={\[\frac{2{a_{cn}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}{N_0{C}_0(m_0-2){\left({\mathrm{\σ}}_{\max n}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}{a_{cn}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}+2}\]}^{\frac{2}{m_0-2}}\\ ={\[\frac{2\×{0.0116}^{\frac{(3.5-2)}{2}}}{10000\×{10}^{-10}\×(3.5-2)\×{\left(334.53\right)}^{3.5}\×{4.31969}^{\frac{3.5}{2}}\×{0.0116}^{\frac{(3.5-2)}{2}}+2}\]}^{\frac{2}{3.5-2}}\\ =0.008\left(mm\right)\end{array}$

式中：

a_cn——在正常停机的瞬态过程，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位的最大主应力σ_{max n}对应的临界裂纹尺寸；

σ_{max n}——在正常停机的瞬态过程，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位在无缺陷情况下计算的最大主应力；

N₀——内缸、外缸与阀壳的起停寿命的判据值；

a_i——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸，本实施例a_i＝0.008mm的主要原因在于正常停机过程的σ_{max n}＝334.53MPa，应力过大；

第十步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许初始裂纹尺寸判据值[a]：

对于该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i，取安全系数n＝2，得出该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳内表面制造缺陷的允许初始裂纹尺寸判据值[a]的计算公式为：

$\[a\]=\frac{a_i}{n}=\frac{0.008}{2}=0.004\left(mm\right)$

式中：

a_i——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸；

第十一步：汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的评价与监控：

将内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的初始短轴半径a₀和允许初始裂纹尺寸判据值[a]进行比较：

由于a₀＝1.41mm≥[a]＝0.004mm，该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳内表面部位D的制造缺陷是不合格的，应予以报废；

第十二步：打印输出结果：

输出内缸与外缸及阀壳的等效正常停机次数n_ne＝3937次、内表面制造缺陷的初始短轴半径a₀＝1.41mm、内缸与外缸及阀壳的起停寿命判据值N₀＝10000次、允许初始裂纹尺寸判据值[a]＝0.004mm，该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳内表面部位D的制造缺陷是不合格的，应当报废。

按照传统的方法，该300MW汽轮机高压主汽调节阀的阀壳内表面部位D磁粉探伤，发现阀壳的内表面制造缺陷有当量直径为2mm，小于传统方法规定值3mm，可以使用。采用本发明提供的汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，得出内表面制造缺陷的初始短轴半径a₀＝1.41mm，定量计算出该台核电汽轮机高压阀壳的有内表面制造缺陷部位D的允许初始裂纹尺寸判据值[a]＝0.004mm，该阀壳内表面部位D的内表面制造缺陷是不合格的，表明该阀壳应予以报废。

Claims (9)

1.一种内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的监控装置，其特征在于，包括：

用于对内缸、外缸与阀壳焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外的内缸、外缸与阀壳内表面进行磁粉探伤，以确定内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的所在部位和尺寸的磁粉探伤与着色探伤设备(1)；

用于存储磁粉探伤与着色探伤设备(1)所采集的数据的数据库服务器(3)；

基于数据库服务器(3)内存储的数据，对内缸、外缸与阀壳内表面裂纹扩展寿命进行计算，进而对内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷进行评价与监控的计算服务器(2)；

用于输出内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的评价与监控结果的用户端浏览器(5)；

用于管理网页组件和回应用户端浏览器(5)的请求的网页服务器(4)。

2.如权利要求1所述的一种内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的监控装置，其特征在于：所述磁粉探伤与着色探伤设备(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。

3.一种内缸、外缸与阀壳内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于，步骤为：

第一步：探伤确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的当量直径d；

第二步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀；

内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀的计算公式为：

$A_0=\frac{1}{2}\×\frac{10{\mathrm{\πd}}^2}{4}=\frac{5{\mathrm{\πd}}^2}{4}$

式中：

d——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷探伤的当量直径；

第三步：确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径a₀；

把汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷处理为半椭圆形裂纹，半椭圆形裂纹的初始短轴半径为a₀，半椭圆形裂纹的初始长轴半径为c₀，给定a₀/2c₀＝x，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径a₀的计算公式为：

$a_0=\sqrt{5{\mathrm{xd}}^2}$

式中：

d——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷探伤的当量直径；

x——半椭圆形裂纹的初始短轴半径为a₀与2倍初始长轴半径c₀的比值，x＝a₀/2c₀；

第四步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷所在部位的最大应力σ_{max i}；

对汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位，计算在无缺陷情况下，缺陷所在部位在正常停机、滑参数停机和事故停机共三种瞬态过程的最大主应力，第i种瞬态工况的最大主应力用σ_1i表示，第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷所在部位的最大应力σ_{max i}的计算公式为：

σ_{max i}＝σ_1i+σ_re

式中：

σ_re——内缸、外缸与阀壳的残余应力；

第五步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的临界裂纹尺寸a_ci；

第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

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

式中：

σ_{max i}——第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳内的表面制造缺陷所在部位的最大应力；

M——与裂纹形状参数Q有关的常数；

对于内缸、外缸与阀壳的内表面缺陷，

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

a——半椭圆形裂纹短轴半径；

c——半椭圆形裂纹长轴半径；

θ——过缺陷周线上任意一点的径向线与半椭圆长轴的夹角；

K_1C——内缸、外缸与阀壳的材料断裂韧性；

第六步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命N_fi；

第i种瞬态工况的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

$N_{fi}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\left({\mathrm{\σ}}_{\max i}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}\[\frac{1}{a_0^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{a_{ci}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}\]$

式中：

a₀——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的半椭圆形裂纹的初始短轴半径；

C₀、m₀——内缸、外缸与阀壳的材料裂纹扩展的试验常数；

第七步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的等效正常停机次数n_ne：

汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的等效正常停机次数n_ne的计算公式可表示为：

$n_{ne}=\frac{\frac{n_{s0}}{N_{fs}}+\frac{n_{e0}}{N_{fe}}}{\frac{1}{N_{fn}}}+n_{n0}$

式中：

n_n0——电站用户要求的正常停机次数；

n_s0——电站用户要求的滑参数停机次数；

n_e0——电站用户要求的事故停机次数；

N_fn——常停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

N_fs——滑参数停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

N_fe——事故停机过程中的疲劳裂纹扩展寿命；

第八步：确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的起停寿命判据值N₀：

将汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的等效正常停机次数n_ne与起停寿命次数N进行比较，按照以下方法确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的起停寿命判据值N₀：

(1)若n_ne＜N次，取N₀＝N次；

(2)若n_ne≥N次，取N₀＝n_ne次；

式中：

n_ne——等效正常停机次数；

第九步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_j；

汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i的计算公式为：

$a_i={\[\frac{2{a_{cn}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}{N_0{C}_0(m_0-2){\left({\mathrm{\σ}}_{\max n}\right)}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}{a_{cn}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}+2}\]}^{\frac{2}{m_0-2}}$

式中：

a_cn——在正常停机的瞬态过程，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位的最大应力σ_maxn对应的临界裂纹尺寸；

σ_maxn——在正常停机的瞬态过程，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷部位在无缺陷情况下计算的最大主应力；

N₀——内缸、外缸与阀壳起停寿命的判据值；

第十步：计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许初始裂纹尺寸判据值[a]；

对于汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸a_i，取安全系数为n，得出内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许初始裂纹尺寸判据值[a]的计算公式为：

$\[a\]=\frac{a_i}{n}$

式中：

a_i——内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的允许裂纹尺寸；

第十一步：汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的评价与监控；

将内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的初始短轴半径a₀和允许初始裂纹尺寸判据值[a]进行比较：

若a₀＜[a]，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷是合格的，表明服役到起停寿命N次，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷不会扩展至临界裂纹尺寸，该内缸、外缸或阀壳可以使用，对内缸、外缸与阀壳的内表面缺陷进行打磨消除，且打磨后内缸、外缸与阀壳的公差在允许的范围内；

若a₀≥[a]，内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷是不合格的，应予以报废。

4.如权利要求3所述的一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于：所述第一步的具体方法为：在汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的制造与加工期间，对内缸、外缸与阀壳的焊缝内表面进行着色探伤，对除焊缝以外内缸、外缸与阀壳的内表面进行磁粉探伤，确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的所在部位和尺寸。

5.如权利要求4所述的一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于：所述缺陷的所在部位指的是内缸、外缸与阀壳的内表面缺陷尖端处三个坐标的数值。

6.如权利要求4所述的一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于：所述缺陷的尺寸指的是探伤确定内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的当量直径d。

7.如权利要求3所述的一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于：所述第二步中，对于汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷处理为半圆形或半椭圆形，由于制造缺陷的探伤面积有可能小于实际缺陷面积，工程上计算内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的面积A₀时，把内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的探伤面积扩大10倍。

8.如权利要求3所述的一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于：所述第四步中，建立汽轮机和燃气轮机的内缸、外缸与阀壳的三维有限元计算的力学模型，采用有限元分析技术，计算所述最大主应力。

9.如权利要求3所述的一种内缸、外缸与阀壳的内表面制造缺陷的监控方法，其特征在于：还包括第十二步：打印输出结果：

输出内缸与外缸及阀壳的等效正常停机次数n_ne、内表面制造缺陷的初始短轴半径a₀、内缸与外缸及阀壳的起停寿命判据值N₀、允许初始裂纹尺寸判据值[a]、内缸与外缸及阀壳的内表面制造缺陷的评价与监控结果，应用于汽轮机和燃气轮机的内缸与外缸及阀壳的内表面制造缺陷的评价和判废的结论。