汽輪機焊接轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力模擬及其對疲勞壽命的影響

周慧君

（山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團有限公司，山西 太原 030032）

1 汽輪機焊接轉(zhuǎn)子疲勞

在汽輪機帶負荷穩(wěn)定運行過程中，由于離心力載荷與熱載荷的作用，在汽輪機轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的穩(wěn)定應(yīng)力稱為平均應(yīng)力.靜止的大跨距、上百噸的汽輪機轉(zhuǎn)子在自身重力載荷作用下，在轉(zhuǎn)子重心以上部位的外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，在轉(zhuǎn)子重心以下部位的外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，在汽輪機帶負荷穩(wěn)定運行過程中，轉(zhuǎn)子外表面某一點除了承受離心力載荷與熱載荷產(chǎn)生的穩(wěn)定平均應(yīng)力外，當該點旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子頂部90°位置時，由于轉(zhuǎn)子與葉片的自重單獨作用產(chǎn)生壓應(yīng)力，當該點旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子底部270°位置時，由于轉(zhuǎn)子與葉片的自重單獨作用產(chǎn)生拉應(yīng)力。在帶負荷穩(wěn)定運行工況下，汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到不同位置的交變應(yīng)力是由轉(zhuǎn)子與葉片的自身重力載荷引起的。每轉(zhuǎn)1周，汽輪機轉(zhuǎn)子承受自重作用產(chǎn)生疲勞循環(huán)1次。對于半轉(zhuǎn)速火電或核電汽輪機，每秒疲勞循環(huán)為25次。汽輪機轉(zhuǎn)子的高周疲勞壽命設(shè)計屬于有限壽命設(shè)計，它只保證汽輪機轉(zhuǎn)子在設(shè)計壽命期限內(nèi)可以安全使用.汽輪機轉(zhuǎn)子的高周疲勞壽命分為高周疲勞裂紋萌生壽命和高周疲勞裂紋擴展壽命。

2 汽輪機焊接轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力模擬及其對疲勞壽命的影響

2.1 焊接殘余應(yīng)力模擬

根據(jù)汽輪機轉(zhuǎn)子力學(xué)模型的差異和所承受的離心力載荷與重力載荷選取相應(yīng)的力邊界條件.對汽輪機轉(zhuǎn)子的聯(lián)軸器端面和中心孔內(nèi)表面選取熱流密度為零的第二類傳熱邊界條件，汽輪機轉(zhuǎn)子軸頸部位外表面取為與潤滑油強制對流傳熱的第三類傳熱邊界條件，而對汽輪機轉(zhuǎn)子的其他外表面則取為與蒸汽強制對流傳熱的第三類傳熱邊界條件。轉(zhuǎn)子的焊接過程熱分析、殘余應(yīng)力分析均采用二維有限元模型，然后利用模型的軸對稱性，將計算結(jié)果旋轉(zhuǎn)180生成三維焊接殘余應(yīng)力場，用于后期高周疲勞和臨界裂紋分析。計算轉(zhuǎn)子正常運行狀態(tài)下的受力時，只考慮離心力和重力的作用。目標是計算多道焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及其對疲勞壽命的影響，鑒于近年來窄間隙焊接技術(shù)已廣泛用于轉(zhuǎn)子等大壁厚工件的焊接。

2.2 對疲勞壽命的影響

轉(zhuǎn)子初始裂紋高周疲勞安全性的分析思路在汽輪機轉(zhuǎn)子內(nèi)部或表面總是存在通過現(xiàn)有探傷技術(shù)不能發(fā)現(xiàn)的初始裂紋或缺陷.對于探傷不能發(fā)現(xiàn)的汽輪機轉(zhuǎn)子的初始裂紋或缺陷，汽輪機帶負荷穩(wěn)定運行工況下，在高周疲勞循環(huán)的交變應(yīng)力作用下，保證汽輪機安全運行的前提。在汽輪機帶負荷穩(wěn)定運行工況下，在離心力載荷、熱載荷與重力載荷的共同作用下產(chǎn)生的最大主應(yīng)力與轉(zhuǎn)子由鍛造、焊接與熱處理等制造工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的方向并不相同.在設(shè)計階段，為了保證轉(zhuǎn)子設(shè)計的安全性，同時加載汽輪機額定負荷工況下轉(zhuǎn)子和葉片的離心力載荷、轉(zhuǎn)子溫度分布不均勻引起的熱載荷以及轉(zhuǎn)子和葉片的重力載荷，采用三維有限元分析方法計算得出汽輪機額定負荷運行工況下的轉(zhuǎn)子不同部位的最大主應(yīng)力?？紤]到壓應(yīng)力不會引起裂紋疲勞擴展，因此在對現(xiàn)有汽輪機轉(zhuǎn)子的疲勞裂紋擴展壽命進行預(yù)測時，應(yīng)采用最大主應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和來計算汽輪機轉(zhuǎn)子的應(yīng)力強度因子。

在工程上，把在離心力載荷、熱載荷與重力載荷共同作用下轉(zhuǎn)子上某一點旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子下部。對于探傷不能發(fā)現(xiàn)初始裂紋的汽輪機轉(zhuǎn)子，為了保證汽輪機轉(zhuǎn)子初始裂紋在服役期內(nèi)的高周疲勞循環(huán)應(yīng)力幅作用下安全運行發(fā)生裂紋疲勞擴展，即在汽輪機帶負荷穩(wěn)定運行的服役期內(nèi)，轉(zhuǎn)子高周疲勞壽命達到數(shù)量級，轉(zhuǎn)子允許的初始裂紋尺寸應(yīng)小于轉(zhuǎn)子初始裂紋尺寸的界限值為了保證汽輪機轉(zhuǎn)子高周疲勞設(shè)計的安全性，還需要考慮安全系數(shù)，以保障轉(zhuǎn)子初始裂紋高周疲勞有一定的安全裕量。若考慮焊接殘余應(yīng)力存在，可以發(fā)現(xiàn)焊接接頭熱影響區(qū)附近外表面的臨界裂紋尺寸略有降低，而其它部位的臨界裂紋尺寸明顯增大。

這是因為外表面多為殘余壓應(yīng)力，壓應(yīng)力抑制裂紋擴展。焊縫和熱影響區(qū)處內(nèi)表面的臨界裂紋尺寸相對較小，且小于無焊接殘余應(yīng)力情況下的臨界裂紋尺寸。汽輪機啟動停機過程中應(yīng)力變化是轉(zhuǎn)子低周疲勞失效的主要原因。殘余應(yīng)力對轉(zhuǎn)子低周疲勞壽命的影響，轉(zhuǎn)子進汽側(cè)凹槽和焊接接頭內(nèi)表面圓弧段是低周疲勞損傷最大的區(qū)域，有焊接殘余應(yīng)力時，轉(zhuǎn)子可經(jīng)歷5722次啟停，最危險位置在焊縫外次表面。無焊接殘余應(yīng)力時，轉(zhuǎn)子則可經(jīng)歷5倍以上的啟停，可見焊接殘余應(yīng)力對轉(zhuǎn)子低周疲勞壽命的影響非常顯著。在焊接接頭局部的內(nèi)、外表面無焊接殘余應(yīng)力時，接頭外表面的失效壽命低于內(nèi)表面，相差大于一個數(shù)量級，表明焊接接頭的外表面更容易萌生疲勞裂紋。有焊接殘余應(yīng)力時，接頭局部內(nèi)、外表面的疲勞壽命變化幅度非常大。在焊縫和遠離焊縫的母材區(qū)域，無論外表面還是內(nèi)表面，疲勞壽命均明顯較大。然而在熱影響區(qū)附近的母材區(qū)域，內(nèi)外表面的疲勞壽命都明顯降低。

疲勞壽命分析表明，焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致高周和低周疲勞壽命均有所降低。焊接殘余壓應(yīng)力使得轉(zhuǎn)子焊接接頭內(nèi)外表面大部分區(qū)域可以允許存在更大的裂紋。焊接轉(zhuǎn)子在60年服役期內(nèi)的高周疲勞設(shè)計是安全的，汽輪機轉(zhuǎn)子初始裂紋疲勞安全性分析方法原則上也可應(yīng)用于發(fā)電機轉(zhuǎn)子與護環(huán)的疲勞設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進。