CN116663134A - 汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法、电子设备及存储介质，属于汽轮机阀壳寿命评估技术领域。包括以下步骤：S1.计算阀壳在不同区域、不同负荷下的换热系数，并根据负荷与温度的关系、负荷与换热系数的关系，建立启动曲线的幅值曲线；S2.计算阀壳在启停过程中的瞬态温度场；S3.计算阀壳在启停过程中的低周疲劳寿命。本发明基于瞬态启停温度场分析汽轮机阀壳的低周疲劳寿命，有效评估汽轮机机组在频繁启停，负荷大幅变动时，阀壳的瞬态交变热应力引起的塑性应变，定量给汽轮机阀壳的启停次数，有效的避免阀壳的开裂、失效问题，具有规范性和通用性，适用于汽轮机的阀壳结构的低周疲劳寿命评估，解决汽轮机阀壳寿命无法评估的问题。
Description
技术领域
本申请涉及阀壳低周疲劳寿命评估方法，尤其涉及汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法、电子设备及存储介质，属于汽轮机阀壳寿命评估技术领域。
背景技术
汽轮机机组在频繁启停，负荷大幅变动时，汽轮机部件会承受剧烈的温度变化，以及交变的蒸汽压力，其中阀壳作为主蒸汽进入汽轮机的第一个部件，是保证机组安全启停和运行的关键部件，其主要功能是在危急情况下能迅速自动关闭，切断进入汽轮机的主蒸汽。机组在频繁启停时，阀壳承受着瞬态交变热应力，在设计和运行过程中出现应力超标时，某些应力集中区域可能会产生疲劳裂纹，而无法及时发现，导致部件受损，影响整个机组的正常运行。因此，亟待一种汽轮机阀壳在瞬态启停过程中的寿命评估方法。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在的汽轮机阀壳寿命无法评估的技术问题，本发明提供一种汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法、电子设备及存储介质。本发明采用全三维有限元方法模拟阀壳在启停机过程的瞬态温度场，基于有限元弹塑性分析，得到阀壳的塑性变形量，基于瞬态启停工况，结合阀壳材料的应变寿命曲线，给出阀壳的寿命评估方法，为机组在频繁启停过程中的运行安全性提供了重要的理论支撑。
方案一、汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：
S1.计算阀壳在不同区域、不同负荷下的换热系数，并根据负荷与温度的关系、负荷与换热系数的关系，建立启动曲线的幅值曲线；
S2.计算阀壳在启停过程中的瞬态温度场；
S3.计算阀壳在启停过程中的低周疲劳寿命。
优选的，S1具体包括以下步骤：
S11.建立阀壳的实体模型；
S12.确定机组的启停曲线，根据启动曲线中工况点，确定变负荷工况的热力参数，根据阀壳的结构划分不同的换热区域；热力参数包括温度、压力和流量；
S13.计算阀壳在不同区域、不同负荷下的对流换热系数，并根据负荷与温度的关系、负荷与换热系数的关系，建立与启动曲线相关的幅值曲线。
优选的，计算阀壳在不同区域、不同负荷下的对流换热系数的方法是：
式中，k为修正系数；λ为导热系数；dH为水力直径；Re为雷诺数；Pr为普朗克数。
优选的，S2具体包括以下步骤：
S21.根据阀壳的实体模型，建立阀壳的有限元网格模型；
S22.设置导热系数、密度、弹性模量、泊松比和比热参数；
S23.根据启停曲线，设置各个工况下的瞬态温度场分析步；
瞬态温度场分析步瞬态温度场分析步包括：分析步1为额定负荷工况，运行时间为1000min；分析步2为停机工况，运行时间为4320min；分析步3为机组启机负荷升至20％负荷工况，运行时间为91min；分析步4为20％负荷工况稳定运行，运行时间为49min；分析步5为负荷从20％负荷升至30％负荷工况，运行时间为30min；分析步6为负荷从30％负荷升至50％负荷工况，运行时间为30min；分析步7为负荷从50％负荷升至额度负荷工况，运行时间为1000min；
S24.将幅值曲线加载至对应的分析步，进行瞬态温度场有限元分析。
优选的，S3具体包括以下步骤：
S31.设置密度、弹性模量、泊松比、塑性曲线和线胀系数参数；
S32.基于瞬态温度场合压力值设置机组启停循环载荷分析步；
循环载荷分析步包括：分析步1是基于瞬态温度场的启停机工况；分析步2是施加阀壳气流压力载荷；
S33.设置阀壳的边界约束、管口的盲板力和阀壳内部气流压力；
S34.根据瞬态温度场有限元分析，加载瞬态温度场；
S35.进行阀壳的弹塑性有限元低周疲劳分析，得到阀壳的等效塑性应变；
S36.根据阀壳材料的应变寿命曲线，评估阀壳的等效塑性应变，得到阀壳的低周疲劳寿命。
优选的，根据阀壳材料的应变寿命曲线，评估阀壳的等效塑性应变，得到阀壳的低周疲劳寿命，方法是，通过如下公式：
式中，Δεt为真实总应变范围；Δεe为真实弹性应变范围；Δεp为真实塑性应变范围；E为杨氏弹性模量；σ′f为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；ε′f为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。
方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法的步骤。
方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法。
本发明的有益效果如下：本发明基于瞬态启停温度场分析了汽轮机阀壳的低周疲劳寿命，有效的评估了汽轮机机组在频繁启停，负荷大幅变动时，阀壳的瞬态交变热应力引起的塑性应变，可以定量给出汽轮机阀壳的启停次数，可以有效的避免阀壳的开裂、失效等问题，该评估方法具有规范性和通用性，适用于汽轮机的阀壳结构的低周疲劳寿命评估。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法流程示意图；
图2是汽轮机阀壳实体模型示意图；
图3是汽轮机阀壳有限元网格模型示意图；
图4是换热计算区域划分示意图；
图5是汽轮机机组启停曲线；
图6是汽轮机阀壳瞬态温度场变化示意图；
图7是汽轮机阀壳盲板力加载示意图；
图8是汽轮机阀壳内部压力加载示意图；
图9是汽轮机阀壳约束设置示意图；
图10是循环载荷下汽轮机阀壳的塑变云图；
图11是汽轮机阀壳材料的应变-寿命特性曲线示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1、参照图1-图4说明本实施方式，汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：
S1.计算阀壳在不同区域、不同负荷下的换热系数，并根据负荷与温度的关系、负荷与换热系数的关系，建立启动曲线的幅值曲线；
S11.建立阀壳的实体模型；
具体的，对汽轮机阀壳实体模型，进行有限元网格划分，网格划分采用六面体和五面体的实体单元，划分后的汽轮机阀壳有限元网格模型参照图3所示。
S12.确定机组的启停曲线，根据启动曲线中工况点，确定变负荷工况的热力参数，根据阀壳的结构划分不同的换热区域；热力参数包括温度、压力和流量；
具体的，参照图4所示，将阀壳的结构划分不同的换热区域；
具体的，启停曲线包括机组的停机和启机过程，即，启动曲线和启停曲线；停机和启机过程的时间根据实际情况确定，参照图5，启停过程总共分为8段，第1段为额定工况稳定运行，第2段为从稳定运行到停机，第3段为从停机到20％负荷工况，第4段为20％负荷工况稳定运行，第5段为从20％负荷工况稳定运行到30％负荷工况，第6段为从30％负荷工况到50％负荷工况，第7段为从50％负荷工况到额定负荷工况，第8段为额定负荷稳定运行。
S13.计算阀壳在不同区域、不同负荷下的对流换热系数，并根据负荷与温度的关系、负荷与换热系数的关系，建立与启动曲线相关的幅值曲线；
具体的，换热系数是指热流和阀壳金属壁面之间换热时，每小时每平方米面积上，当热流和金属之间的温差为1度时所传递的热量；
计算阀壳在不同区域、不同负荷下的对流换热系数的方法是：
式中，k为修正系数；λ为导热系数；dH为水力直径；Re为雷诺数；Pr为普朗克数；
S2.计算阀壳在启停过程中的瞬态温度场；
S21.根据阀壳的实体模型，建立阀壳的有限元网格模型；
S22.设置导热系数、密度、弹性模量、泊松比和比热参数；
S23.根据启停曲线，设置各个工况下的瞬态温度场分析步；
瞬态温度场分析步瞬态温度场分析步包括：分析步1为额定负荷工况，运行时间为1000min；分析步2为停机工况，运行时间为4320min；分析步3为机组启机负荷升至20％负荷工况，运行时间为91min；分析步4为20％负荷工况稳定运行，运行时间为49min；分析步5为负荷从20％负荷升至30％负荷工况，运行时间为30min；分析步6为负荷从30％负荷升至50％负荷工况，运行时间为30min；分析步7为负荷从50％负荷升至额度负荷工况，运行时间为1000min；
S24.将幅值曲线加载至对应的分析步，进行瞬态温度场有限元分析；
具体的，阀壳总共为12个区域，每个区域对应一组热力参数，每组热力参数在不同的负荷工况下，根据计算公式可以得到这12区域的换热系数和温度。对阀壳12区域的换热系数和温度，制作成横坐标为启停时间，纵坐标为换热系数的曲线，以及横坐标为启停时间，纵坐标为温度的曲线，总共为24曲线。根据启停分析步规定的启停时间，将换热系数和启停时间曲线，将温度和启停时间曲线，加载至对应的时间区域，进行阀壳的瞬态温度场分析。计算得到的启停瞬态温度场如图6所示，其中温度场云图为8个负荷拐点的温度场终态云图。
S3.计算阀壳在启停过程中的低周疲劳寿命；
具体的，基于弹塑性有限元计算，对阀壳进行材料参数设置，必须设置阀壳材料在不同温度下的塑性参数，以及不同温度下的线胀系数。其中阀壳受到的循环载荷主要分为两部分，一是启停引起的瞬态温度场循环载荷如图6所示，二是阀壳内部的压力循环载荷如图7所示。具体包括以下步骤：
S31.设置密度、弹性模量、泊松比、塑性曲线和线胀系数参数；
S32.基于瞬态温度场合压力值设置机组启停循环载荷分析步；
在进行了两个启停循环载荷分析步后，等效塑性应变趋于稳定状态；每个循环载荷分析步包括：分析步1是基于瞬态温度场的启停机工况；分析步2是施加阀壳气流压力载荷。
具体的，压力值为给定值。
S33.设置阀壳的边界约束、管口的盲板力和阀壳内部压力；
对阀壳法兰盘端面和两处径向弹簧支撑区域进行约束设置；
具体的，为了平衡管道内部蒸汽载荷，对阀壳的进、出汽口设置盲板力如图8所示，盲板力是根据阀壳内部气流压力和管口直径，以及施加力的面积决定，其中盲板力＝阀壳内部气流压力*受力面积。如图9所示，对阀壳法兰盘端面(约束1)，以及两处径向弹簧支撑区域(约束2和约束3)进行约束设置；其中，约束1约束阀壳法兰盘端面的轴向和周向位移，约束2和约束3约束阀壳径向位移；
具体的，阀壳内部气流压力为给定值。
在阀壳的进、出口设置盲板力，根据阀壳内部压力和管口直径和施加力的面积确定盲板力；
S34.根据瞬态温度场有限元分析，加载瞬态温度场；
S35.进行阀壳的弹塑性有限元低周疲劳分析，得到阀壳的等效塑性应变；
S36.根据阀壳材料的应变寿命曲线，评估阀壳的等效塑性应变，得到阀壳的低周疲劳寿命。
具体的，基于启停瞬态温度场和内部压力的循环载荷，得到阀壳在循环载荷下的塑性变形，如图10所示。对于阀壳内部局部出现塑变量(云图中红色区域)，采用应变与疲劳寿命关系来评估阀壳的低周疲劳寿命，阀壳材料的应变-寿命特性曲线如图11所示，以总应变Δε为纵坐标图，以破坏前的循环寿命Nf为横坐标；
根据阀壳材料的应变寿命曲线，评估阀壳的等效塑性应变，得到阀壳的低周疲劳寿命，方法是，通过如下公式：
式中，Δεt为真实总应变范围；Δεe为真实弹性应变范围；Δεp为真实塑性应变范围；E为杨氏弹性模量；σ′f为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；ε′f为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数；
根据疲劳强度系数σ′f、疲劳强度指数b、疲劳延伸系数ε′f、疲劳延伸指数c均为材料试验得到的系数，将已知系数、弹性应变和塑性应变带入上述公式中，得到阀壳在机组启停循环载荷工况下的低周疲劳寿命。
具体的，弹性应变为弹性模量，是阀壳材料的物理参数；
实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例3、计算机可读存储介质实施例
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (8)
1.汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.计算阀壳在不同区域、不同负荷下的换热系数，并根据负荷与温度的关系、负荷与换热系数的关系，建立启动曲线的幅值曲线；
S2.计算阀壳在启停过程中的瞬态温度场；
S3.计算阀壳在启停过程中的低周疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，其特征在于，S1具体包括以下步骤：
S11.建立阀壳的实体模型；
S12.确定机组的启停曲线，根据启动曲线中工况点，确定变负荷工况的热力参数，根据阀壳的结构划分不同的换热区域；热力参数包括温度、压力和流量；
S13.计算阀壳在不同区域、不同负荷下的对流换热系数，并根据负荷与温度的关系、负荷与换热系数的关系，建立与启动曲线相关的幅值曲线。
3.根据权利要求2所述汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，其特征在于，计算阀壳在不同区域、不同负荷下的对流换热系数的方法是：
式中，k为修正系数；λ为导热系数；dH为水力直径；Re为雷诺数；Pr为普朗克数。
4.根据权利要求3所述汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，其特征在于，S2具体包括以下步骤：
S21.根据阀壳的实体模型，建立阀壳的有限元网格模型；
S22.设置导热系数、密度、弹性模量、泊松比和比热参数；
S23.根据启停曲线，设置各个工况下的瞬态温度场分析步，包括：分析步1为额定负荷工况，运行时间为1000min；分析步2为停机工况，运行时间为4320min；分析步3为机组启机负荷升至20％负荷工况，运行时间为91min；分析步4为20％负荷工况稳定运行，运行时间为49min；分析步5为负荷从20％负荷升至30％负荷工况，运行时间为30min；分析步6为负荷从30％负荷升至50％负荷工况，运行时间为30min；分析步7为负荷从50％负荷升至额度负荷工况，运行时间为1000min；
S24.将幅值曲线加载至对应的分析步，进行瞬态温度场有限元分析。
5.根据权利要求4所述汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，其特征在于，S3具体包括以下步骤：
S31.设置密度、弹性模量、泊松比、塑性曲线和线胀系数参数；
S32.基于瞬态温度场合压力值设置机组启停循环载荷分析步，包括：分析步1是基于瞬态温度场的启停机工况；分析步2是施加阀壳气流压力载荷；
S33.设置阀壳的边界约束、管口的盲板力和阀壳内部气流压力；
S34.根据瞬态温度场有限元分析，加载瞬态温度场；
S35.进行阀壳的弹塑性有限元低周疲劳分析，得到阀壳的等效塑性应变；
S36.根据阀壳材料的应变寿命曲线，评估阀壳的等效塑性应变，得到阀壳的低周疲劳寿命。
6.根据权利要求5所述汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法，其特征在于，根据阀壳材料的应变寿命曲线，评估阀壳的等效塑性应变，得到阀壳的低周疲劳寿命，方法是，通过如下公式：
式中，Δεt为真实总应变范围；Δεe为真实弹性应变范围；Δεp为真实塑性应变范围；E为杨氏弹性模量；σ′f为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；ε′f为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。
7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6任一项所述的汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法。
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| CN202310407052.XA Pending CN116663134A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 汽轮机阀壳低周疲劳寿命评估方法、电子设备及存储介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116663134A (zh) |
-
2023
- 2023-04-17 CN CN202310407052.XA patent/CN116663134A/zh active Pending
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