汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的監控的製造方法與工藝

2023-10-25 11:48:08 2

本發明涉及一種汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的監控方法及系統，屬於汽輪機技術領域。

背景技術：
在汽輪機的起動與負荷變動的瞬態工況，由於力載荷和熱載荷引起的低周疲勞作用，導致汽輪機部件內部以及汽缸與閥殼外表面的裂紋萌生與裂紋擴展。在汽輪機帶負荷穩定運行過程中，由於工作溫度與力載荷引起的蠕變作用，導致汽輪機部件的裂紋萌生與裂紋擴展。高溫區工作的汽輪機部件，在汽輪機的使用過程中，在低周疲勞與蠕變作用下，發生裂紋萌生與裂紋擴展。申請人已經申請發明專利「一種單臺汽輪機關鍵部件低周疲勞壽命管理系統及管理方法」，申請號200710172074.3，管理汽輪機關鍵部件的低周疲勞裂紋萌生壽命。申請人已經申請發明專利「一種汽輪機高溫部件低蠕變壽命預測方法及系統」，申請號200710039899.8，預測汽輪機高溫部件的蠕變裂紋萌生壽命。申請人已經申請發明專利「汽輪機的閥殼與汽缸裂紋擴展壽命的監控裝置與方法」，申請號201110413911.3，監控汽輪機的閥殼與汽缸的低周疲勞裂紋擴展壽命。申請人已經申請發明專利「汽輪機轉子內部裂紋的監控裝置及方法」，申請號201110413914.7，監控汽輪機轉子的低周疲勞裂紋擴展壽命。申請人已經申請發明專利「汽輪機耐用部件剩餘壽命在線監視與控制裝置及方法」，監控汽輪機耐用部件在低周疲勞與蠕變作用下裂紋萌生壽命。申請人已經申請發明專利「一種汽輪機高溫耐用件日曆壽命在線評定及方法」，申請號為200610030243.5，評定和預測輪機耐用部件在低周疲勞與蠕變作用下裂紋萌生的日曆壽命。公開文獻報導的汽輪機部件裂紋萌生壽命與裂紋擴展壽命的壽命管理、壽命預測和壽命監控方法，還沒有汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下裂紋萌生與裂紋擴展的日曆總壽命的監控方法。在高溫區工作的汽輪機部件，在汽輪機的運行過程中，起動與負荷變動的瞬態工況和帶負荷穩定運行工況交替出現，汽輪機部件交替發生低周疲勞與蠕變損傷。在汽輪機的使用階段，汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下裂紋萌生與裂紋擴展的日曆總壽命的監控，還沒有合適的方法可供使用。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是如何實現汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下裂紋萌生與裂紋擴展的日曆總壽命的監控。為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供一種汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的監控方法，其特徵在於，該方法由以下步驟組成：第一步、獲得汽輪機部件材料力學性能數據；第二步、獲得汽輪機部件的裂紋萌生壽命和應力，包括：汽輪機部件的冷態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nc、溫態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nw、熱態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nh、極熱態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nr、75％額定負荷的負荷變動低周疲勞裂紋萌生壽命N1、50％額定負荷的負荷變動低周疲勞裂紋萌生壽命N2、蠕變裂紋萌生壽命τR、部件幾何形狀修正係數F的計算結果，以及冷態起動、溫態起動、熱態起動、極熱態起動、75％額定負荷的負荷變動、50％額定負荷的負荷變動的瞬態工況的最大主應力σ1i、額定負荷工況的穩定蠕變應力σc；第三步、計算汽輪機部件低周疲勞裂紋擴展的臨界裂紋尺寸acL：汽輪機部件低周疲勞裂紋擴展的臨界裂紋尺寸acL的計算公式為：式中：F——部件幾何形狀修正係數；σ1i——第i個瞬態工況的低周疲勞裂紋擴展的最大主應力；第四步、計算汽輪機部件的低周疲勞裂紋擴展壽命Nfi：汽輪機部件裂紋從初始裂紋0.0001m擴展到臨界裂紋尺寸acL的低周疲勞裂紋擴展壽命Nfi的計算公式為：式中：acL——部件低周疲勞裂紋擴展的臨界裂紋尺寸；C0、m0——部件材料低周疲勞裂紋擴展試驗常數；F——部件幾何形狀修正係數；σ1i——第i個瞬態工況的低周疲勞裂紋擴展的最大主應力；第五步、計算汽輪機部件蠕變裂紋擴展的臨界裂紋尺寸acp：汽輪機部件蠕變裂紋擴展的臨界裂紋尺寸acp的計算公式為：式中：σc——額定負荷工況的穩定蠕變應力；第六步、計算汽輪機部件蠕變斷裂參量A：汽輪機部件蠕變斷裂斷裂參量A的計算公式為：式中：B和n——材料蠕變參數；第七步、計算汽輪機部件的蠕變裂紋擴展壽命τcp：汽輪機部件裂紋從初始裂紋0.1mm擴展到臨界裂紋尺寸acp的蠕變裂紋擴展壽命τcp的計算公式為：式中：A——部件蠕變斷裂參量；C4、m4——部件材料蠕變裂紋擴展試驗常數；第八步、計算汽輪機部件的年均低周疲勞與蠕變裂紋萌生壽命損耗ey1：汽輪機部件的年均低周疲勞與蠕變裂紋萌生壽命累積損耗ey1的計算公式為：式中：yc——年均冷態起動次數；yw——年均溫態起動次數；yh——年均熱態起動次數；yr——年均極熱態起動次數；y1——年均75％額定負荷的負荷變動次數；y2——年均50％額定負荷的負荷變動次數；Nc——冷態起停低周疲勞裂紋萌生壽命；Nw——溫態起停低周疲勞裂紋萌生壽命；Nh——熱態起停低周疲勞裂紋萌生壽命；Nr——極熱態起停低周疲勞裂紋萌生壽命；N1——75％額定負荷的負荷變動低周疲勞裂紋萌生壽命；N2——50％額定負荷的負荷變動低周疲勞裂紋萌生壽命；ty——年均運行小時數；τR——蠕變裂紋萌生壽命；第九步、計算汽輪機部件的低周疲勞與蠕變裂紋萌生日曆壽命τCL1：汽輪機部件的的低周疲勞與蠕變裂紋萌生日曆壽命τCL1的計算公式為：第十步、計算汽輪機部件的年均低周疲勞與蠕變裂紋擴展壽命損耗ey2：汽輪機部件的年均低周疲勞與蠕變裂紋擴展壽命累積損耗ey2的計算公式為：式中：Nfc——冷態起動低周疲勞裂紋擴展壽命；Nfw——溫態起動低周疲勞裂紋擴展壽命；Nfh——熱態起動低周疲勞裂紋擴展壽命；Nfr——極熱態起動低周疲勞裂紋擴展壽命；Nfl——75％額定負荷的負荷變動低周疲勞裂紋擴展壽命；Nf2——50％額定負荷的負荷變動低周疲勞裂紋擴展壽命；τcp——部件的蠕變裂紋擴展壽命；第十一步、計算汽輪機部件的低周疲勞與蠕變裂紋擴展日曆壽命τCL2：汽輪機部件的低周疲勞與蠕變裂紋擴展日曆壽命τCL2的計算公式為：第十二步、計算汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命τCLt：汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命τCLt的計算公式為：τCLt＝τCL1+τCL2(10)第十三步、確定汽輪機部件日曆總壽命的判據值τ0：第十四步、在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的監控：在汽輪機的設計和使用階段，對於汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下裂紋萌生與裂紋擴展的日曆總壽命進行優化控制：(1)若τCLt≥τ0，原方案汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控合格，表明汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命處於受控狀態，汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控結束；(2)若τCLt＜τ0，原方案汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控不合格，表明需要對汽輪機部件的年均運行小時數、年均起動次數與年均負荷變動次數進行優化改進，並減少年均運行小時數、年均起動次數與年均負荷變動次數，重新執行第八步至第十三步，直到τCLt≥τ0為止，汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控結束。優選地，所述第一步中，汽輪機部件的材料力學性能數據包括材料斷裂韌性KIC、材料低周疲勞裂紋擴展試驗常數C0與m0、材料蠕變參數B和n、材料蠕變裂紋擴展試驗常數C4與m4。優選地，所述第十三步中，通常對於火電站汽輪機τ0＝30年，對於核電站汽輪機τ0＝60年。本發明還提供了一種汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的監控系統，採用上述的汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的監控方法，其特徵在於：包括資料庫伺服器、計算伺服器、網頁伺服器和用戶端瀏覽器，將汽輪機部件材料力學性能數據及汽輪機部件的裂紋萌生壽命和應力數據存入資料庫伺服器，資料庫伺服器連接計算伺服器，計算伺服器根據設定的計算方法進行計算，計算伺服器連接超網頁伺服器，網頁伺服器連接用戶端瀏覽器，通過用戶端瀏覽器顯示汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控的計算結果和優化控制措施。本發明提供的汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控方法與系統，實現了汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的定量評定和監控。在汽輪機設計和使用階段，如果部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命的監控不合格，通過減少汽輪機的減少年均運行小時數、年均起動次數與年均負荷變動次數，使汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命處於受控狀態，達到了控制汽輪機部件日曆總壽命的技術效果，為汽輪機高壓內缸的定壽延壽和安全運行提供了技術依據。附圖說明圖1為本發明汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控系統的方框圖；圖2為本發明汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控方法的流程圖；圖3為本發明計算伺服器採用的計算機軟體框圖；圖4為某型號600MW汽輪機高壓內缸結構的示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。如圖1所示，本發明汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控系統的方框圖，所述的汽輪機部件在低周疲勞與蠕變作用下日曆總壽命監控系統包括資料庫伺服器1、計算伺服器2、網頁伺服器3和用戶端瀏覽器4，資料庫伺服器1連接計算伺服器2，計算伺服器2連接網頁伺服器3，網頁伺服器3連接用戶端瀏覽器4，資料庫伺服器1中貯存汽輪機部件的力學性能數據、壽命與應力計算結果，包括材料斷裂韌性KIC、材料低周疲勞裂紋擴展試驗常數C0與m0、材料蠕變參數B和n、材料蠕變裂紋擴展試驗常數C4與m4。壽命與應力計算結果，包括冷態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nc、溫態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nw、熱態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nh、極熱態起停低周疲勞裂紋萌生壽命Nr、75％額定負荷的...