CN102505970B - 汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案是提供了一种汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置及方法，所述的方法，具体步骤为：探伤确定汽轮机转子的裂纹尺寸；计算裂纹所在部位的最大主应力；计算汽轮机转子的临界裂纹尺寸；计算汽轮机转子裂纹扩展寿命；计算超速试验过程转子裂纹扩展寿命累积损耗；计算汽轮机转子内部裂纹扩展寿命累积损耗；计算汽轮机转子内部裂纹扩展剩余寿命；控制汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命；打印输出结果。本发明的优点是实现了汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命的在线计算和定期监控；如果汽轮机转子的裂纹扩展剩余寿命偏短时，通过及时安排计划大修来合理使用汽轮机转子的裂纹扩展剩余寿命，达到了定期监控汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命的技术效果。

Description

汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置及方法

技术领域

本发明涉及汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置及方法，属于汽轮机技术领域。

背景技术

汽轮机转子的特点是尺寸大、高速旋转，汽轮机转子在启动、停机和超速试验过程中产生大的主应力。汽轮机转子在锻造和加工过程中产生的探伤检查不能发现裂纹，在汽轮机运行过程中，汽轮机转子在大的主应力的作用下，将有可能扩展为探伤检查可见裂纹。在汽轮机运行过程中，汽轮机转子在大的主应力的作用下，转子探伤检查可见裂纹不断扩展。当汽轮机转子的裂纹扩展至转子裂纹部位的临界裂纹尺寸时，汽轮机转子就有可能发生脆性断裂，导致汽轮机损坏事故。现有的汽轮机转子寿命监控技术，给出了汽轮机转子的裂纹萌生寿命的监控方法，而在役汽轮机转子的裂纹扩展寿命的监控，还没有合适的装置与方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置及方法，实现汽轮机转子裂纹扩展寿命的定期监控。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置，其特征在于，由超声波探伤仪、计算服务器、数据库服务器、网页服务器和用户端浏览器组成，超声波探伤仪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。

本发明还提供了上述装置所采用的汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控方法，其特征在于，采用C语言编写的汽轮机转子裂纹扩展寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机转子裂纹扩展寿命的监控，具体步骤为：

第一步：探伤确定汽轮机转子的裂纹尺寸：

在汽轮机开缸的检修期间，采用超声波探伤仪确定裂纹的所在部位和裂纹尺寸，裂纹所在部位指的是转子椭圆形裂纹中心位置的三个坐标数值，裂纹尺寸指的是转子的椭圆形裂纹的短轴半径a和长轴半径c；

第二步：计算裂纹所在部位的最大主应力：

对于转子内部裂纹，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110%额定工作转速超速试验共五种瞬态过程的最大主应力，分别用符号σ_1c、σ_1w、σ_1h、σ_1r和σ_10s表示；

第三步：计算汽轮机转子的临界裂纹尺寸：

汽轮机转子第i种瞬态工况的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

$a_{\mathrm{ci}}={\mathrm{\σ}}_{1i}\sqrt{\mathrm{Ma}}$

式中：

σ_1i——第i种瞬态工况的最大主应力

a——椭圆形裂纹短轴半径

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于内部裂纹，

对于表面裂纹，

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

c——椭圆形裂纹长轴半径

θ——过裂纹周线上任意一点的径向线与椭圆长轴的夹角

第四步：计算汽轮机转子裂纹扩展寿命

第i种瞬态工况的汽轮机转子裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

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

式中：

C₀、m₀——转子材料裂纹扩展试验常数；

第五步：计算超速试验过程转子裂纹扩展寿命累积损耗：

在汽轮机转子的超速试验过程中，在转子内部和转子的表面主应力都比较大，汽轮机转子由于超速试验引起的裂纹扩展寿命累积损耗E_f0的计算公式为：

$E_{f0}=\frac{n_{\mathrm{os}}}{N_{\mathrm{fos}}}$

式中：

n_os——汽轮机超速试验次数

N_fos——超速试验过程中的裂纹扩展寿命；

第六步：计算汽轮机转子内部裂纹扩展寿命累积损耗：

在汽轮机的启动过程中，最大主应力出现在转子内部，汽轮机转子内部裂纹扩展寿命累积损耗E_f1的计算公式为：

$E_{f1}=\frac{n_c}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{n_w}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{n_h}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{n_r}{N_{\mathrm{fr}}}$

式中：

n_c——实际运行的冷态启动次数

n_w——实际运行的温态启动次数

n_h——实际运行的热态启动次数

n_r——实际运行的极热态启动次数

N_fc——冷态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fw——温态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fh——热态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fr——极热态启动过程中裂纹扩展寿命

第七步：计算汽轮机转子内部裂纹扩展剩余寿命：

汽轮机转子内部裂纹扩展剩余寿命R_L1的计算公式为：

$R_{L1}=\frac{1-E_{f0}-E_{f1}}{e_{y1}}$

式中：

e_y1——转子内部年均裂纹扩展寿命损耗，

m——发现裂纹至今的日历年数；

第八步：控制汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命

若汽轮机转子的内部裂纹扩展剩余日历寿命R_L1（或外表面裂纹扩展剩余日历寿命R_L2）<4年，在年内安排计划大修（A级检修），根据探伤结果予以检修或更换；若4年≤R_L1（或R_L2）<8年，在1年后但在4年内安排计划大修（A级检修），根据探伤结果予以检修或更换；若8年≤R_L1（或R_L2）<16年，在下一次计划大修（A级检修）中，予以详细的探伤检查；若R_L1（或R_L2）≥16年，按照《发电企业设备检修导则》（DL/T838）安排汽轮机的计划大修（A级检修）周期和计划大修项目；

第九步：打印输出结果

输出汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命的计算结果与控制措施，应用于汽轮机的优化检修。

优选地，所述第二步的具体步骤为：建立汽轮机转子的轴对称有限元计算的力学模型；采用现有有限元分析技术，对于内部裂纹，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110%额定工作转速超速试验共五种瞬态过程的最大主应力。

本发明具有以下特点：在汽轮机的服役期间，在汽轮机转子计划大修期间，采用超声波探伤仪，探伤得出汽轮机转子的表面裂纹和内部裂纹的所在部位和裂纹尺寸，保存在数据库服务器，使用本发明提供的汽轮机转子裂纹扩展寿命的监控方法，根据每月不同的启动和停机次数，定量评定汽轮机转子的裂纹扩展剩余寿命，为汽轮机转子的安全运行和优化检修提供了依据。

本发明的优点是实现了汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命的在线计算和定期监控；如果汽轮机转子的裂纹扩展剩余寿命偏短时，通过及时安排计划大修（A级检修）来合理使用汽轮机转子的裂纹扩展剩余寿命，达到了定期监控汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命的技术效果。

附图说明

图1为本发明汽轮机转子裂纹扩展寿命监控装置的方框图；

图2为本发明汽轮机转子裂纹扩展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300MW汽轮机低压转子结构的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，本发明汽轮机转子裂纹扩展寿命监控装置的方框图，本发明的汽轮机转子裂纹扩展寿命装置由超声波探伤仪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，超声波探伤仪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。

如图2所示，本发明汽轮机转子裂纹扩展寿命监控方法的流程图，如图3所示，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转子裂纹扩展寿命的计算服务器上，应用于汽轮机转子裂纹扩展寿命的计算与控制。

对于某型号300MW汽轮机，低压转子采用焊接转子的结构如图4所示，在该台300MW汽轮机的服役期间，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，计算得出低压转子裂纹扩展寿命的计算结果。

第一步：在汽轮机开缸的检修期间，采用超声波探伤仪确定裂纹的所在部位和裂纹尺寸，采用超声波探伤仪测得该台300MW汽轮机低压转子中间焊缝对应的转子母材部位A有一椭圆形裂纹，其短轴半径为a=2mm，c=10mm；

第二步：建立汽轮机转子的轴对称有限元计算的力学模型，采用现有的有限元分析技术，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110%额定工作转速超速试验共五种瞬态过程的最大主应力，分别用符号σ_1c、σ_1w、σ_1h、σ_1r和σ_10s表示；

第三步：计算汽轮机转子的临界裂纹尺寸：

汽轮机转子第i种瞬态工况的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

$a_{\mathrm{ci}}={\mathrm{\&sigma;}}_{1i}\sqrt{\mathrm{Ma}}$

式中：

σ_1i——第i种瞬态工况的最大主应力

a——椭圆形裂纹短轴半径

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于内部裂纹，

对于表面裂纹，

$Q={\&Integral;}_0^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}(1-\frac{c^2-a^2}{c^2}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})\mathrm{d\&theta;}$

c——椭圆形裂纹长轴半径

θ——过裂纹周线上任意一点的径向线与椭圆长轴的夹角

第四步：计算汽轮机转子裂纹扩展寿命

第i种瞬态工况的汽轮机转子裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

$N_{\mathrm{fi}}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\mathrm{\&sigma;}}_{1i}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{a^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{{a_{\mathrm{ci}}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}]$

式中：

C₀、m₀——转子材料裂纹扩展试验常数，C₀=9.2×10^-12、m₀=2.54；

该台300MW汽轮机低压转子部位A对应不同的启动工况和超速试验工况的最大主应力σ_1i、临界裂纹尺寸a_ci和裂纹扩展寿命N_fi计算结果列于表1；

[表1]

第五步：该台300MW汽轮机从1989年9月投运，至2011年9月共进行超速试验25次，该台汽轮机低压转子由于超速试验引起的裂纹扩展寿命累积损耗E_f0的计算结果为：

$E_{f0}=\frac{n_{\mathrm{os}}}{N_{\mathrm{fos}}}=\frac{25}{1608}=0.015547$

第六步：该台汽轮机从1989年9月投运至2011年9月，实际运行的冷态启动次数n_c=71，实际运行的温态启动次数n_w=502，实际运行的热态启动次数n_h=2106次，实际运行的极热态启动次数n_r=108次，该台300MW汽轮机低压转子部位A的裂纹扩展寿命累积损耗E_f1的计算结果为：

$E_{f1}=\frac{n_c}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{n_w}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{n_h}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{n_r}{N_{\mathrm{fr}}}=\frac{71}{2167}+\frac{502}{3292}+\frac{2106}{3865}+\frac{108}{3688}=0.759429$

第七步：该台汽轮机低压转子发现裂纹至今已服役22年，m=22，有 $e_{y1}=\frac{E_{f0}+E_{f1}}{m}=\frac{0.015547+0.759429}{22}=0.035226,$ 该台300MW汽轮机低压转子部位A裂纹扩展剩余寿命R_L1的计算结果为：

第八步和第九步：该型号300MW汽轮机低压转子部位A裂纹扩展剩余寿命的计算结果4年≤R_L1=6.4年<8年，推荐的控制措施为：在1年后但在4年内安排计划大修（A级检修），根据探伤结果予以检修或更换，打印输出结果。

采用本发明提供的汽轮机转子裂纹扩展寿命的监控装置及方法，定量计算出该台300MW汽轮机低压转子的裂纹扩展剩余寿命并推荐出控制措施，根据该低压转子的裂纹扩展寿命来安排计划大修（A级检修），为该台300MW汽轮机低压转子的安全运行和优化检修提供了依据。

Claims (2)

1.一种汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控方法，采用一种汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置，所述的汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控装置由超声波探伤仪、计算服务器、数据库服务器、网页服务器和用户端浏览器组成，超声波探伤仪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，其特征在于，采用C语言编写的汽轮机转子裂纹扩展寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机转子裂纹扩展寿命的监控，具体步骤为：

第一步：探伤确定汽轮机转子的裂纹尺寸：

在汽轮机开缸的检修期间，采用超声波探伤仪确定裂纹的所在部位和裂纹尺寸，裂纹尺寸指的是转子的椭圆形裂纹的短轴半径a和长轴半径c；

第二步：计算裂纹所在部位的最大主应力：

对于内部裂纹，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110%额定工作转速超速试验共五种瞬态过程的最大主应力，分别用符号σ_1c、σ_1w、σ_1h、σ_1r和σ_10s表示；

第三步：计算汽轮机转子的临界裂纹尺寸：

汽轮机转子第i种瞬态工况的临界裂纹尺寸a_ci的计算公式为：

$a_{\mathrm{ci}}={\mathrm{\&sigma;}}_{1i}\sqrt{\mathrm{Ma}}$

式中：

σ_1i——第i种瞬态工况的最大主应力

a——椭圆形裂纹短轴半径

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于内部裂纹，

对于表面裂纹，

$Q={\&Integral;}_0^{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}(1-\frac{c^2-a^2}{c^2}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})\mathrm{d\&theta;}$

c——椭圆形裂纹长轴半径

θ——过裂纹周线上任意一点的径向线与椭圆长轴的夹角

第四步：计算汽轮机转子裂纹扩展寿命

第i种瞬态工况的汽轮机转子裂纹扩展寿命N_fi的计算公式为：

$N_{\mathrm{fi}}=\frac{2}{(m_0-2)C_0{\mathrm{\&sigma;}}_{1i}^{m_0}{M}^{\frac{m_0}{2}}}[\frac{1}{a^{\frac{(m_0-2)}{2}}}-\frac{1}{{a_{\mathrm{ci}}}^{\frac{(m_0-2)}{2}}}]$

式中：

C₀、m₀——转子材料裂纹扩展试验常数；

第五步：计算超速试验过程转子裂纹扩展寿命累积损耗：

汽轮机转子由于超速试验引起的裂纹扩展寿命累积损耗E_f0的计算公式为：

$E_{f0}=\frac{n_{\mathrm{os}}}{N_{\mathrm{fos}}}$

式中：

n_os——汽轮机超速试验次数

N_fos——超速试验过程中的裂纹扩展寿命；

第六步：计算汽轮机转子内部裂纹扩展寿命累积损耗：

汽轮机转子内部裂纹扩展寿命累积损耗E_f1的计算公式为：

$E_{f1}=\frac{n_c}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{n_w}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{n_h}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{n_r}{N_{\mathrm{fr}}}$

式中：

n_c——实际运行的冷态启动次数

n_w——实际运行的温态启动次数

n_h——实际运行的热态启动次数

n_r——实际运行的极热态启动次数

N_fc——冷态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fw——温态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fh——热态启动过程中裂纹扩展寿命

N_fr——极热态启动过程中裂纹扩展寿命

第七步：计算汽轮机转子内部裂纹扩展剩余寿命：

汽轮机转子内部裂纹扩展剩余寿命R_L1的计算公式为：

$R_{L1}=\frac{1-E_{f0}-E_{f1}}{e_{y1}}$

式中：

e_y1——转子内部年均裂纹扩展寿命损耗，

m——发现裂纹至今的日历年数；

第八步：控制汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命

若汽轮机转子的内部裂纹扩展剩余日历寿命R_L1或外表面裂纹扩展剩余日历寿命R_L2<4年，在年内安排计划大修，根据探伤结果予以检修或更换；若4年≤R_L1或R_L2<8年，在1年后但在4年内安排计划大修，根据探伤结果予以检修或更换；若8年≤R_L1或R_L2<16年，在下一次计划大修中，予以详细的探伤检查；若R_L1或R_L2≥16年，按照《发电企业设备检修导则》安排汽轮机的计划大修周期和计划大修项目；

第九步：打印输出结果

输出汽轮机转子裂纹扩展剩余寿命的计算结果与控制措施，应用于汽轮机的优化检修。

2.如权利要求1所述的汽轮机转子内部裂纹扩展寿命的监控方法，其特征在于，所述第二步的具体步骤为：建立汽轮机转子的轴对称有限元计算的力学模型，采用现有的有限元分析技术，计算冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动和110%额定工作转速超速试验共五种瞬态过程的最大主应力；对于外部裂纹，计算滑参数停机、正常停机、事故停机和110%额定工作转速超速试验共四种瞬态过程的最大主应力。

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