CN113836660A - 适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，包括如下步骤：首先归纳机组的运行因素，并回答待寿命评定转动部件的关键问题；之后依据待寿命评定转动部件的损伤机理、部件当前损伤、累积损伤速度、部件损伤容限，采用等级评定法进行待寿命评定转动部件的剩余寿命评定。本发明的适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，可用于火电超期服役机组转动部件延长寿命评定，从而解决目前国内火电机组运行许可证延续论证转动部件寿命评定方法不确定、不具体问题，使火电机组转动部件延长寿命更全面和合理。

Description

适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法

技术领域

本发明属于火电机组运行许可证延续论证的技术领域，具体涉及一种适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法。

背景技术

在电厂运行中，高、中压汽轮机转子是最重要且应力最高的部件。为了人身安全和避免机组损坏，必须要防止发生灾难性的故障。由于转子严重损坏而造成的长期被迫停机会给发电公司造成严重的经济损失，因此，需要对电厂运行历史进行分析找出偏离设计的数据问题，并对汽轮机转子的服役状态进行确切的评定，作出关于转子的合理延长寿命决策。

汽轮机转子的损伤机理包括蠕变、热疲劳(低周)、蠕变-疲劳交互作用等。在进行汽轮机转子剩余寿命评估时，须将主要的损伤机理结合起来考虑。随着国内早期投产火电机组已运行30年或超过30年，汽轮机转子等部件老化日益严重，超期运行仅靠日常的检验和维修，未对其做出科学的寿命评估，风险性较大。因此，需要提出一种适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，从而解决目前国内火电机组运行许可证延续论证过程中关键转动部件寿命评定方法不确定、不具体的问题，使火电机组转动部件延长寿命更全面和合理。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，包括如下步骤：首先归纳机组的运行因素，并回答待寿命评定转动部件的关键问题；之后依据待寿命评定转动部件的损伤机理、部件当前损伤、累积损伤速度、部件损伤容限，采用等级评定法进行待寿命评定转动部件的剩余寿命评定。

根据本发明的一些优选实施方面，所述等级评定法中：每一级别评定中，首先分别得到汽轮机转子的疲劳寿命损耗f_f和蠕变寿命损耗f_c，之后将疲劳寿命损耗f_f和蠕变寿命损耗f_c相加，得到汽轮机转子总的寿命损耗f_T；对应于寿命延长期LE的剩余寿命评估，并进行剩余寿命结果与预期寿命对比；若汽轮机转子剩余寿命大于预期寿命，则不再需要开展进一步的寿命评定；若剩余寿命小于或等于预期寿命，则进行下一等级的评定。

根据本发明的一些优选实施方面，对于寿命延长期LE(预期寿命)的剩余寿命评估以及剩余寿命结果和预期寿命对比的准则如下：

式中，f_T为运行已产生的总的寿命损耗，f_T预期为预期运行期间的寿命损耗，RL为剩余寿命，LE为预期寿命。

根据本发明的一些优选实施方面，所述等级评定法为三级评定法，包括一级评定、二级评定和三级评定；

所述一级评定中疲劳寿命损耗f_f按照如下步骤得到：将每一运行周期的疲劳损耗累加起来，计算应力交变周期寿命损耗；

所述一级评定中蠕变寿命损耗f_c按照如下步骤得到：

根据汽轮机转子的设计尺寸、叶片重量和转速来计算造成蠕变损伤的离心应力；

根据每一个应力和温度下的蠕变-断裂曲线，获得最小断裂时间，得到转子热端的蠕变寿命损耗；

根据如下公式计算i工况下的寿命损耗f_i：

同时将运行工况进行总和，得到全部蠕变寿命损耗：

上式中，T_i和σ_i分别表示和i工况相对应的运行温度和运行压力。

根据本发明的一些优选实施方面，所述二级评定中疲劳寿命损耗f_f按照如下步骤得到：

测量瞬变和稳态运行过程中金属的温度变化，以及对转子进行无损检测。金属温度可对CLE评价进行修正，转子检测可提供现存缺陷的信息。其中，转子检测至少包括中心孔(如有)超声检测，轴表面圆周方向和轴向超声检测。结合寿命延长期内启动和负荷变化的预期次数对检测结果进行保守分析，计算汽轮机运行热应力交变周期产生的寿命损耗。

使用有限元软件计算转子在服役过程(启机—稳态运行—停机)中的温度分布和应力分布及其二者随时间的变化，即转子瞬态有限元分析，然后通过断裂力学方法和转子材料的疲劳性能数据对转子在特定时段内的寿命损耗进行评价。低周疲劳寿命损耗f_f按照如下公式进行计算：

f_f＝∑n_i·Δε_i

其中，i代表冷态、稳态、热态等启停类型；n代表对应启停类型下的启停机次数，Δε_i代表对应启停类型下单次启停机所造成的损伤量(包括短时蠕变+疲劳损伤)；

所述二级评定中蠕变寿命损耗f_c按照如下步骤得到：根据一级评定中的计算方法和实测温度进行蠕变寿命损耗f_c的计算。

根据本发明的一些优选实施方面，三级评定中，对汽轮机转子进行精确的应力分析以确定取样部位，采用套料(用中空钻头钻取材料)试样进行性能测定，测定内容包括：断裂韧性(K_Ic)或脆性转变温度FATT、疲劳裂纹生长速率(da/dN)、蠕变断裂数据

根据本发明的一些优选实施方面，所述三级评定中疲劳寿命损耗f_f按照如下步骤得到：

(1)根据已获得的材料断裂韧性(K_Ic)和启动应力Δσ得到临界危险裂纹大小a_c，从而判断起始裂纹a₁是否满足安全系数要求；当满足安全系数则进行下一步的评定，若不满足则评定结束。

(2)根据已获得的疲劳裂纹生长速率(da/dN)、启动应力Δσ和初始裂纹a₁，计算裂纹扩展到a_c所需要的循环周次N_B,结合已累计运行次数N，进而得到疲劳累积损伤。

根据本发明的一些优选实施方面，所述三级评定中蠕变寿命损耗f_c按照如下步骤得到：根据已获得的蠕变断裂数据

和稳态运行时蠕变工作应力，计算蠕变断裂时间(T_R)，结合已累计运行时间T,进而得到蠕变累积损伤。

根据本发明的一些优选实施方面，归纳机组的运行因素中的所述因素包括：机组运行小时、热态启动、温态启动和冷态启动次数、机组负荷记录、事故史及事故分析报告、检修及更换记录、设计参数、温度记录、振动历史。

根据本发明的一些优选实施方面，回答待寿命评定转动部件的关键问题中的所述关键问题包括：运行是否超过了设计温度、负荷或转速；在延长寿命期间是否会超过设计参数运行(调峰运行等)；转子是否有事故历史等。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，可用于火电超期服役机组转动部件延长寿命评定，从而解决目前国内火电机组运行许可证延续论证转动部件寿命评定方法不确定、不具体问题，使火电机组转动部件延长寿命更全面和合理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例一级评定中汽轮机高压转子的疲劳寿命损耗曲线；

图2为本发明优选实施例三级评定中汽轮机高压转子的剩余寿命评估(三级评定)。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

汽轮机高温转子应力产生是由于转子稳定运行时的离心力和机组在启动、改变负荷以及停机过程中存在的温度梯度。在汽轮机转子的蒸汽入口端(热端)，通常抗蠕变能力必须满足10万小时的应变极限约0.3％；在汽轮机转子蒸汽出口端(冷端)，由于温度差别引起的应力是很高的，所以要求防止裂纹的产生和扩展。

本发明的目的是为了解决目前国内火电机组运行许可证延续论证过程中关键转动部件寿命评定方法不确定、不具体问题，而提供一种适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，本发明的方法逐步进行更加精确的分析，只是在为了增加评定工作可信度时，才要求进行下一步分析，使火电机组转动部件延长寿命更全面和合理。

参见图1-2，本实施例中的适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，在进行汽轮机转子剩余寿命评定时，将蠕变和疲劳二种主要损伤机理结合起来，对超期服役机组转动部件开展寿命评估，具体包括以下步骤：

步骤1：

归纳基本运行因素，包括但不限于：机组运行小时；热态启动、温态启动和冷态启动次数；机组负荷记录；事故史及事故分析报告；检修及更换记录；设计参数；温度记录；振动历史等。

归纳机组基本运行记录，综合考虑机组启停次数以及运行总时长等因素，例如：整个机组服役期间累计运行时间为200000小时，累计启停次数为300次，采用平均单次运行时间，即6666小时为特征循环时间，保证在300次启停次数下，机组的运行时长与实际一致，进而保证长时蠕变损伤积累的一致性，保证最终结果的准确性。

步骤2

回答待寿命评定汽轮机转子的关键问题：运行是否超过了设计温度、负荷或转速；在延长寿命期间是否会超过设计参数运行(调峰运行等)；转子是否有事故历史等。

该步骤主要重点关注机组发生快速启停、频繁调峰、超温超压等偏离设计参数等极端运行工况，在这些工况下转子寿命损耗大，且评估难度更大；这种情况寿命损耗难以准确评估，虽然也可以适用本发明的方法，但是需要新的相关曲线，可能需要结合制造厂的设计经验，所以下述实施例将出现过上述极端运行工况的汽轮机转子排除在外，只评定正常运行工况下的汽轮机转子。

步骤3

依据汽轮机转子损伤机理、部件当前损伤、累积损伤速度、部件损伤容限，采用三级评定法进行剩余寿命评定。一级评定是裂纹萌生阶段；二级评定是裂纹扩展阶段。

每一级别评定中，首先分别得到汽轮机转子的疲劳寿命损耗f_f和蠕变寿命损耗f_c，之后将疲劳寿命损耗f_f和蠕变寿命损耗f_c相加，得到汽轮机转子总的寿命损耗f_T；对应于寿命延长期LE的剩余寿命评估，并进行剩余寿命与寿命损耗之间的结果对比；若汽轮机转子剩余寿命大于蠕变和疲劳预期损耗，则不再需要开展进一步的寿命评定；若剩余寿命小于或等于预期寿命，则进行下一等级的评定。

具体方法如下：

步骤3.1：一级评定

1)将每一运行周期的疲劳损耗累加起来，计算应力交变周期寿命损耗(简称CLE)，即疲劳寿命损耗f_f。一个典型CLE系列曲线(温度变化速率对金属表面温度变化总量的关系)见图1，以开始出现裂纹即作为寿命终止。

2)根据汽轮机转子的设计尺寸、叶片重量和转速来计算造成蠕变损伤的离心应力。

根据每一个应力和温度下的蠕变-断裂曲线，获得最小断裂时间，根据公式(1)估算转子热端的蠕变寿命损耗。

根据如下公式计算i工况下的蠕变寿命损耗f_i：

同时可以将运行工况进行总和(如果多于一种运行工况)，得到全部蠕变损耗：

上式中，T_i和σ_i分别表示和i工况相对应的运行温度和运行压力。

其中，蠕变-断裂曲线既可以从制造厂的资料中得到也可以全新计算绘制。

3)将疲劳寿命损耗f_f和蠕变寿命损耗f_c相加，得到汽轮机转子总的寿命损耗f_T。

对于寿命延长期LE(预期寿命)的剩余寿命评估以及剩余寿命结果和预期寿命对比的准则如下：

式中，f_T为运行已产生的总的寿命损耗，f_T预期为预期运行期间的寿命损耗，RL为剩余寿命，LE为预期寿命。剩余寿命与剩余寿命损耗相对应，预期寿命与预期寿命损耗相对应。寿命是时间，损耗是百分比份额。

若汽轮机转子剩余寿命RL(Remaining Life)大于预期寿命损耗，则不再需要开展进一步的寿命评定，但需要根据运行记录进行定期的设备维修和无损检测工作。在寿命延长期中，如果剩余寿命小于或等于预期寿命，则必须进行二级评定。

以下举例对公式2作进一步的补充说明。例如：汽轮机转子在服役工况(540℃，15Mpa)下，累计运行时间为20万小时，累计启停次数为300次，计算得到已产生的蠕变寿命损耗f_c为0.45，已产生的疲劳寿命损耗f_f为0.15，那么已产生总的寿命损耗为0.6，剩余寿命损耗为1-0.6＝0.4，假设汽轮机转子预期延寿运行5年，根据预期延寿运行工况下蠕变和疲劳寿命损耗计算，得到总的预期寿命损耗为0.3，则0.4＞0.3，汽轮机转子可以延寿运行5年。

步骤3.2：二级评定

1)在二级评定中，需要测量瞬变和稳态运行过程中金属的温度变化，以及对转子进行无损检测。

其中，金属温度可对CLE评价进行修正，转子检测可提供现存缺陷的信息。转子检测至少包括中心孔(如有)超声检测，轴表面圆周方向和轴向超声检测。

2)结合寿命延长期内启动和负荷变化的预期次数对检测结果进行保守分析，典型的保守因素如下：

A.考虑检测的不精确性，所有缺陷指示的尺寸乘以2；

B.径向平面中的缺陷指示都假定为裂纹；

C.采用断裂力学方法，计算汽轮机运行热应力交变周期产生的寿命损耗，即(裂纹扩展)疲劳寿命损耗f_f。

使用有限元软件计算转子在服役过程(启机-稳态运行-停机)中的温度分布和应力分布及其二者随时间的变化，即转子瞬态有限元分析，然后通过断裂力学方法和转子材料的疲劳性能数据对转子在特定时段内的疲劳寿命损耗f_f进行评价。(裂纹扩展)疲劳寿命损耗f_f(低周疲劳损耗)可表示为：

f_f＝∑n_i·Δε_i (3)

其中，i代表冷态、稳态、热态等启停类型；n代表对应启停类型下的启停机次数，Δε_i代表对应启停类型下单次启停机所造成的损伤量(包括短时蠕变+疲劳损伤)。

3)蠕变寿命损耗的评价仍如一级评定一样，但是在二级评定中使用了实测温度。

4)将疲劳寿命损耗f_f部分和蠕变寿命损耗f_c部分相加即为汽轮机转子总的寿命损耗f_T，剩余寿命用前述公式(2)方法计算。若剩余寿命小于或等于寿命延长期限(预期寿命)，则要继续进行三级评定。

步骤3.3：三级评定

通过精确应力分析和实际材料性能测定，来达到提高三级评定精确度的目的。对汽轮机转子进行精确的应力分析以确定取样部位，采用套料(用中空钻头钻取材料)试样进行性能测定，测定内容包括：断裂韧性(K_Ic)或脆性转变温度FATT、疲劳裂纹生长速率(da/dN)、蠕变断裂数据

等，具体评定流程如图2所示，详细步骤为：

(1)根据已测定获得的材料断裂韧性(K_Ic)和启动应力Δσ得到临界危险裂纹大小a_c，从而判断起始裂纹a₁是否满足安全系数要求；当满足安全系数则进行下一步的评定，若不满足则评定结束。

(2)根据已测定获得的疲劳裂纹生长速率(da/dN)、启动应力Δσ和初始裂纹a₁，计算裂纹扩展到a_c所需要的循环周次N_B，结合已累计运行次数N，进而得到疲劳累积损伤，即(裂纹扩展)疲劳寿命损耗f_f。

(3)根据已获得的蠕变断裂数据

和稳态运行时蠕变工作应力，计算蠕变断裂时间(T_R)，结合已累计运行时间T，进而得到蠕变累积损伤，即蠕变寿命损耗f_c。

(4)将疲劳寿命损耗f_f部分和蠕变寿命损耗f_c部分相加即为汽轮机转子总的寿命损耗f_T，剩余寿命用前述公式(2)方法计算。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于火电超期服役汽轮机转子寿命的评定方法，其特征在于，包括如下步骤：首先归纳机组的运行因素，并回答待寿命评定转动部件的关键问题；之后依据待寿命评定转动部件的损伤机理、部件当前损伤、累积损伤速度、部件损伤容限，采用等级评定法进行待寿命评定转动部件的剩余寿命评定。

2.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于，所述等级评定法中：每一级别评定中，首先分别得到汽轮机转子的疲劳寿命损耗f_f和蠕变寿命损耗f_c，之后将疲劳寿命损耗f_f和蠕变寿命损耗f_c相加，得到汽轮机转子总寿命损耗f_T；对所述待寿命评定转动部件进行剩余寿命评估，并进行剩余寿命结果和预期寿命对比；若汽轮机转子剩余寿命大于预期寿命，则不再需要开展进一步的寿命评定；若剩余寿命小于或等于预期寿命，则进行下一等级的评定。

3.根据权利要求2所述的评定方法，其特征在于，所述剩余寿命评估以及剩余寿命结果和预期寿命对比按照如下公式进行：

式中，f_T为运行已产生的总的寿命损耗，f_T预期为预期运行期间的寿命损耗，RL为剩余寿命，LE为预期寿命。

4.根据权利要求2所述的评定方法，其特征在于，所述等级评定法为三级评定法，包括一级评定、二级评定和三级评定；

所述一级评定中疲劳寿命损耗f_f按照如下步骤得到：将每一运行周期的疲劳损耗累加起来，计算应力交变周期寿命损耗；

所述一级评定中蠕变寿命损耗f_c按照如下步骤得到：

根据汽轮机转子的设计尺寸、叶片重量和转速来计算造成蠕变损伤的离心应力；

根据每一个应力和温度下的蠕变-断裂曲线，获得最小断裂时间，得到转子热端的蠕变寿命损耗；

根据如下公式计算i工况下的寿命损耗f_i：

同时将运行工况进行总和，得到全部蠕变寿命损耗：

上式中，T_i和σ_i分别表示和i工况相对应的运行温度和运行压力。

5.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于，所述二级评定中疲劳寿命损耗f_f按照如下步骤得到：

测量瞬变和稳态运行过程中待寿命评定转动部件的金属的温度变化，以及对转子进行无损检测；结合寿命延长期内待寿命评定转动部件的启动和负荷变化的预期次数对检测结果进行保守分析；

计算转子在服役过程中的温度分布和应力分布及其二者随时间的变化，通过断裂力学方法和转子材料的疲劳性能数据对转子的寿命损耗进行评价；

疲劳寿命损耗f_f按照如下公式进行计算：

f_f＝∑n_i·Δε_i

其中，i代表冷态、稳态、热态的启停类型；n代表对应启停类型下的启停机次数，Δε_i代表对应启停类型下单次启停机所造成的损伤量；

所述二级评定中蠕变寿命损耗f_c按照如下步骤得到：根据一级评定中的计算方法和实测温度进行蠕变寿命损耗f_c的计算。

6.根据权利要求5所述的评定方法，其特征在于，所述三级评定中，对汽轮机转子进行取样和性能测定，测定内容包括：断裂韧性或脆性转变温度、疲劳裂纹生长速率、蠕变断裂数据。

7.根据权利要求6所述的评定方法，其特征在于，所述三级评定中疲劳寿命损耗f_f按照如下步骤得到：

(1)根据已获得的材料断裂韧性和启动应力得到临界危险裂纹大小，从而判断起始裂纹是否满足安全系数要求；当满足安全系数则进行下一步的评定，若不满足则评定结束；

(2)根据已获得的疲劳裂纹生长速率、启动应力和初始裂纹，计算裂纹扩展到所需要的循环周次，结合待寿命评定转动部件已累计的运行次数，进而得到疲劳寿命损耗f_f。

8.根据权利要求6所述的评定方法，其特征在于，所述三级评定中蠕变寿命损耗f_c按照如下步骤得到：根据已获得的蠕变断裂数据和稳态运行时蠕变工作应力，计算蠕变断裂时间，结合待寿命评定转动部件已累计的运行时间，进而得到蠕变寿命损耗f_c。

9.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于，归纳机组的运行因素中的所述因素包括：机组运行小时、热态启动、温态启动和冷态启动次数、机组负荷记录、事故史及事故分析报告、检修及更换记录、设计参数、温度记录、振动历史。

10.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于，回答待寿命评定转动部件的关键问题中的所述关键问题包括：运行是否超过了设计温度、负荷或转速；在延长寿命期间是否超过设计参数运行。

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