[发明专利]汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法

说明书

技术领域

本发明属于动力工程和汽轮机技术领域，具体涉及一种汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法，尤其是汽轮机高温部件发现缺陷后的寿命测试评估方法，可应用于汽轮机发电机组部件的寿命管理与控制。

背景技术

统计表明，目前我国有80％的电量是由火力发电机组承担，在火力发电机组中，最重要的设备是汽轮机。由于汽轮机的一些关键部件工作环境苛刻，不仅在高温下长期运行，而且经常承受剧烈的交变应力作用，因此在这些部件中产生缺陷或裂纹是难以避免的。断裂力学的知识和工程实践表明，通常不能仅仅因为某个部件出现裂纹或缺陷，就简单的认为该部件不安全或不可靠。科学的方法是基于先进的断裂知识，对部件中的缺陷和裂纹进行安全评定，精确合理地预测其剩余寿命，制定有效的检修计划，以延长部件的运行寿命，实现最大的经济效益。

汽轮机高温部件包括汽轮机转子、叶片、汽缸、蒸汽管道等，这些高温部件的寿命预测技术一直是国内外研究的重要课题。

目前，国外已颁布了几部高温含缺陷结构完整性评定规范，如法国原子能委员会(CEA)、法国电力公司(EDF)和法国Framatome联合制定的A16高温含缺陷结构评定方法，日本核燃料再循环开发机构(JNC)提出的含缺陷结构蠕变疲劳裂纹扩展的简化算法，英国能源公司(British Energy)制定的R5高温结构寿命评定规程等，这些规范的评定过程和方法大体相似，而且这些规范对于多个缺陷存在的处理方法过于保守，只是根据裂纹间的几何关系简单地给出是否合并的判定，从而造成一些高温部件过早报废，带来不必要的经济损失。

在国内，已有多项专利技术用于解决汽轮机高温部件寿命评定的问题，如专利CN101038248A“一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统”、CN1908974A“一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及预测方法”、CN86103018A“确定涡轮部件剩余有效寿命的方法”等均是针对运行汽轮机高温部件的寿命及安全问题，基于损伤理论建立的预测方法。但是这些方法没有考虑蠕变断裂和裂纹因素，因而不能处理工程上检测发现缺陷的剩余寿命预测问题。

发明内容

本发明的目的就在于改进现有汽轮机高温部件寿命预测技术中所存在的问题和不足，从而提供一种汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法，能够在高温部件发现缺陷后合理有效地预测其剩余寿命。

本发明的汽轮机高温部件的剩余寿命预测方法包括以下步骤：

一、获得汽轮机高温部件材料的各种材料特性；

二、对汽轮机高温部件进行无损探伤，确定裂纹的准确位置和尺寸大小；

三、对探测到的裂纹尺寸乘上一个安全系数2，然后根据等面积的方法将裂纹规则化为椭圆型裂纹，最后根据椭圆长短轴比a/c的值得到部件的初始裂纹尺寸a；

四、对于多个裂纹，根据裂纹长度a与裂纹间距W的比值a/W，按照以下标准判断是否干涉、合并：

1)当a/W＜0.2，不考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时按单个裂纹处理；

2)当0.2≤a/W≤0.9，考虑裂纹间的干涉，计算断裂参量时乘以相应的干涉系数；

3)当a/W＞0.9，两个裂纹合并为一个大的裂纹，计算断裂参量时按合并后的裂纹处理。

五、建立所测部件的三维有限元模型，并根据实际工况和温度场添加边界条件和相应的载荷，进行数值模拟分析，得到汽轮机高温部件的应力分布，根据得到的最大应力σ_max，以及步骤一得到的材料的断裂韧性K_IC，通过以下公式得到其临界裂纹尺寸a_c：

ac=(KICYσmax)2Qπ]]>

式中：Y表示裂纹的几何修正参数，Q表示考虑屈服区域内应力松弛后的裂纹形状参数。

六、建立汽轮机高温部件剩余寿命预测的数学模型，裂纹扩展增量表示为：