[发明专利]确定涡轮部件已消耗寿命的方法

说明书

本发明是关于一种确定涡轮部件的剩余有效寿命或者称已消耗寿命的方法。更准确地说是涡轮部件在相当高的温度下工作、是在使材料蠕变的环境下工作时确定其剩余有效寿命的方法。而组成涡轮部件的材料的蠕变则成为确定此部件剩余有效寿命的主要因素。

目前对今后二十年期间电能产量的预估指出，要获得充足的电力，关键在于蒸汽发电厂及其有关能超过三十年服役的涡轮机。通常这一代公用动力厂及其有关涡轮是要被淘汰并用新的装置来代替的。然而现代环境对降低负荷的要求以及新型结构的昂贵价格使得公用电厂更增加了依靠延长寿命的计划作为这些老厂满足所期望的对将来电力输出要求。实际的和经济上的考虑要求寿命的延长是在保持传统的有效性、性能和可靠性的条件下进行。投资资本和所要求的资金回收之间达到最佳平衡需要估计关键涡轮部件目前存在的状况和将来可能的性能，即现实的估计随着采用各种寿命延长方法所带来的危险。

估计现在的状况和确定涡轮部件未来可能的性能，特别对于那些构成部件的其工作是在蠕变范围的部件的材料提出了一个难题，这是因为涡轮部件的复杂性，部件所经受的各种不同的工作条件以及通常使用的剩余有效寿命或已消耗的寿命估算方法的固有的限制。部件在高温下（大于900°F）工作，此处构成部件材料的蠕变和热疲劳的联合作用是首要关注的。为了得到一个可接受的剩余有效寿命的估算方法需作特殊考虑。

近年来发明了各种技术用来估计电厂部件的剩余有效寿命。这些技术可以归纳为二大类：实际部件的破坏性试验和（或）非破坏性试验;应用材料的性能和部件工作的历史作分析的估计方法。

人们已发现当应用于主涡轮部件时现有技术中已采用的破坏性或非破坏性的检验方法受到了限制。破坏试验需要有那些处于临界区的部件的材料试件，通常这是很困难的，而在非破坏实验中也很难合适地接近涡轮的临界区。另外虽然某些先有的非破坏性技术可以用来估算只是单纯受到蠕变负荷的部件的剩余有效寿命，但许多涡轮部件的正常工作状态是受到蠕变和疲劳损坏二者的联合作用，而疲劳在确定部件的已消耗寿命或寿命极限中是十分重要的因素。蠕变是承受应力的时间间隔的函数，蠕变是无弹性的或者不可回复的（即不可能回到其原始的形状和状态）一种材料畸变。疲劳与时间无关但与应力循环有关，是一种塑性应变而可以最终引起部件断裂的损坏。到目前为止，先有技术还不可能恰当地估计蠕变和疲劳联合作用时部件损坏的程度。另一种已采用的技术是使用蠕变空隙密度作为已消耗蠕变寿命的指标，但它没有提供合适的结果。因而这些先有技术均不能提供具有所需精度的结果，而精确的结果是各种建议的依据，这些建议是有助于做出对涡轮可能的延寿策略的评价和比较的决策过程的。

已消耗寿命的分析估计（从估计的总寿命中减去它可得剩余有效寿命）通常需用具有复杂材料性能的各种最新资料、损坏评价规则和实际的（或理想的）过去和未来的工作条件。任何一种特殊分析方法的精度取决于处理有关实际工作部件中的各种不定因素的方法的能力。

例如，在美国专利4046002中，墨菲（Murphy）等人发明的，并已转让给本受让人的确定转子消耗的寿命的方法是采用了低循环疲劳损坏，它与应力循环有关，而不是与时间有关的蠕变断裂损坏。涡轮部件每一循环的应力范围与计算的应力范围曲线对比来确定涡轮部件由于循环所造成的消耗寿命值。不考虑采用二个局部应力峰之间的时间间隔来确定应力周期。

在美国专利3950985中，巴克沃尔德（Buchwald）等人的发明采用以麦诺（Miner）的损坏线性积累假设方法为基础。Miner的假设可以下列方程（a）来表示：

∫^t₀dt/t（σ，θ）＝1 （a）

此处t（σ，θ）是对于应力的σ和温度为θ时断裂的时间。Miner假设表明破坏产生在公式（a）左边部分的积分等于1。按照美国专利3950985，公式（a）中的t（σ，θ）值是由图1中的曲线来确定，因而这是应力为基础的方法，它没有考虑蠕变应变积累的量。

在日本专利JP-昭-57-29947中，公开了一种方法，该方法是根据蠕变应变损坏到蠕变时间损坏之间的关系来确定涡轮部件已消耗寿命的，在这里残余寿命t₂可以下列方程表示：