汽輪機(jī)中壓聯(lián)合汽閥螺栓疲勞-蠕變交互作用剩余壽命評(píng)估

張艷飛，謝寶奎，管偉康

（1?內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司,內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2?北方材料科學(xué)與工程研究院,內(nèi)蒙古包頭 014034；3?內(nèi)蒙古能源科研技術(shù)中心有限公司,內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

高溫緊固螺栓是火電廠汽輪機(jī)的重要金屬監(jiān)督部件，在汽輪機(jī)高中低壓缸結(jié)合面、調(diào)節(jié)汽閥、主汽閥、導(dǎo)氣管法蘭等需要密封或者緊固連接的法蘭、密封面上應(yīng)用廣泛，其作用為法蘭、密封面提供足夠的壓力，實(shí)現(xiàn)汽缸、閥門、管道法蘭在運(yùn)行中保持密封，不發(fā)生泄漏?；鹆Πl(fā)電機(jī)組運(yùn)行中曾發(fā)生多起高溫緊固螺栓的斷裂失效事故，為機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來了惡劣影響，在技術(shù)監(jiān)督和失效分析中引起了從業(yè)者的廣泛關(guān)注[1-5]。汽輪機(jī)在長周期運(yùn)行中，其蠕變、疲勞及蠕變-疲勞的交互作用降低了缸體和閥門的高溫緊固螺栓的使用性能，縮短了螺栓的使用壽命;同時(shí)，機(jī)組負(fù)荷變化，汽缸溫差、振動(dòng)，螺栓的裝配工藝及其制造尺寸偏差等均對(duì)螺栓的使用壽命產(chǎn)生了負(fù)面影響[6-7]。在新能源負(fù)荷消納和電力市場改革、市場煤電供求關(guān)系變化、國家持續(xù)提高環(huán)保排放指標(biāo)要求等新形勢下，火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行、兩班制運(yùn)行等運(yùn)行方式也趨于常態(tài)化，對(duì)汽輪機(jī)高溫緊固螺栓壽命產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響，有必要分析螺栓在不同損傷模式下的壽命評(píng)估方法及其影響因素。

1 高溫緊固螺栓主要失效模式

高溫緊固螺栓主要失效模式有蠕變斷裂、脆性斷裂及疲勞斷裂[8-9]。

1.1 蠕變失效

高溫緊固螺栓主要失效模式之一是高溫蠕變。高溫緊固螺栓在預(yù)緊力和高溫的共同作用下，螺栓發(fā)生蠕變現(xiàn)象松弛，隨著機(jī)組的累積運(yùn)行小時(shí)數(shù)增加，螺栓的累積蠕變應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變時(shí)將導(dǎo)致蠕變開裂。低合金耐熱鋼和高合金耐熱鋼的蠕變裂紋擴(kuò)展階段比較短，因此，一旦產(chǎn)生蠕變裂紋，螺栓將很快出現(xiàn)斷裂[10]。汽輪機(jī)高溫緊固螺栓的運(yùn)行工況惡劣，服役條件苛刻，要求高溫緊固螺栓材料應(yīng)具備較高的蠕變強(qiáng)度和一定的蠕變延性。

螺栓材料特性對(duì)蠕變的影響較大，除此之外，螺栓安裝時(shí)的預(yù)緊力對(duì)蠕變損傷的影響也較大。螺栓的預(yù)緊工藝一般為先進(jìn)行冷緊，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行熱緊。不同的冷緊方法和工藝產(chǎn)生的初始冷緊應(yīng)力差異較大，對(duì)其蠕變壽命有重要影響。

1.2 脆性斷裂

對(duì)于高溫緊固螺栓而言，脆性斷裂是一種危害性極大的失效形式，影響高溫緊固螺栓脆性斷裂的主要因素[8]有以下方面：

1）蠕變裂紋、疲勞裂紋可導(dǎo)致高溫緊固螺栓發(fā)生脆性斷裂。

2）對(duì)于強(qiáng)度較高的高溫螺栓而言，其韌性相對(duì)較低，高溫下長周期運(yùn)行，其組織老化導(dǎo)致脆性增加、缺口敏感性增大，在沖擊載荷作用下易發(fā)生脆性斷裂。

3）螺栓原材料冶金質(zhì)量不佳，導(dǎo)致鋼材持久塑性降低、缺口敏感性增大，高溫高應(yīng)力服役過程中，易產(chǎn)生脆性組織，從而發(fā)生脆性斷裂。

4）螺栓加工工藝不當(dāng)、熱處理工藝、鍛造溫度控制不當(dāng)?shù)纫讓?dǎo)致螺栓晶粒粗大，降低沖擊韌性，亦可導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。

1.3 低周疲勞失效

若汽輪發(fā)電機(jī)組頻繁啟停，則高溫緊固螺栓的主要失效機(jī)理為低周疲勞[9]。在汽輪機(jī)的啟停過程中，由于溫度場分布不均程度加劇，使得汽輪機(jī)閥門（主汽閥、調(diào)節(jié)汽閥）、汽缸與緊固螺栓之間的溫差加大，導(dǎo)致熱膨脹不一致，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。一般情況下，汽輪機(jī)閥門（主汽閥、調(diào)節(jié)汽閥）、汽缸使用的材料與緊固螺栓使用的材料不同，結(jié)構(gòu)和尺寸差異較大，在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，由于材料線膨脹系數(shù)和尺寸不同導(dǎo)致在汽輪機(jī)閥門（主汽閥、調(diào)節(jié)汽閥）、汽缸與緊固螺栓之間也存在熱應(yīng)力。在極限工況下，螺栓承受的熱應(yīng)力接近螺栓的預(yù)緊應(yīng)力，對(duì)螺栓低周疲勞壽命的影響起到了不可忽略的作用。此外，過大的螺栓表面粗糙度，過小的螺栓根部圓角半徑，不合理的螺栓結(jié)構(gòu)，不及工藝要求的螺栓加工尺寸等可造成局部位置應(yīng)力集中的因素，均可加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展、開裂。

2 螺栓剩余壽命評(píng)估

剩余壽命是指部件可安全運(yùn)行壽命減去部件已累積運(yùn)行的時(shí)間或疲勞循環(huán)次數(shù)，剩余壽命可使用部件可安全運(yùn)行時(shí)間，剩余疲勞循環(huán)次數(shù)或部件的損傷程度進(jìn)行表示。剩余壽命的評(píng)估方法主要有無損評(píng)估、有損評(píng)估及解析評(píng)估方法。其中，解析評(píng)估法可使用部件的運(yùn)行數(shù)據(jù)求得應(yīng)力和溫度分布，然后利用材料性能參數(shù)估算其壽命消耗。汽輪機(jī)高溫緊固螺栓的壽命損耗主要是由于高溫蠕變損傷、疲勞損傷及蠕變-疲勞交互損傷造成，可采用解析評(píng)估方法估算其剩余壽命。

4號(hào)汽輪機(jī)型號(hào)為NZK200-12?75/535/535，額定功率為200 MW的超高壓參數(shù)、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，于2008年4月投產(chǎn)運(yùn)行，截至2019年12月，累計(jì)運(yùn)行約69 000 h。4號(hào)汽輪機(jī)中壓聯(lián)合汽閥法蘭連接高溫緊固螺栓材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB，規(guī)格為M33mm×3mm×273 mm。

20Cr1Mo1VTiB是我國自主研發(fā)的汽輪機(jī)高溫緊固螺栓用鋼，其主要含有Cr、Mo、V、Ti、B等合金元素，具有較高的綜合力學(xué)性能、抗松弛性，較小的熱脆傾向、缺口敏感性。20Cr1Mo1VTiB鋼的缺點(diǎn)是對(duì)制造工藝要求高，易出現(xiàn)可嚴(yán)重降低螺栓沖擊韌性的晶粒粗大現(xiàn)象。20Cr1Mo1VTi B鋼用作汽輪機(jī)緊固螺栓時(shí)，其最高工作溫度可達(dá)570℃。20Cr1Mo1VTiB鋼化學(xué)成分如表1所示，20Cr1Mo1VTiB鋼力學(xué)性能如表2所示。

表1 20Cr1Mo1VTiB鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 20Cr1Mo1VTiB鋼力學(xué)性能

20Cr1Mo1VTiB鋼彈性模量如表3所示。

表3 20Cr1Mo1VTiB鋼彈性模量

2.1 螺栓受力分析

汽輪機(jī)中壓聯(lián)合汽閥螺栓在變工況以及高溫高應(yīng)力狀態(tài)下工作，承受著高工作應(yīng)力，螺母擰緊產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，高溫工況及溫度分布不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力，螺紋等變截面部位的應(yīng)力集中，長期服役產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，閥門動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力以及變工況運(yùn)行產(chǎn)生的交變應(yīng)力等，應(yīng)力狀態(tài)及其復(fù)雜[10]。

2?1?1 螺栓工作應(yīng)力

汽輪機(jī)運(yùn)行中，螺栓工作應(yīng)力由閥體內(nèi)高溫蒸汽壓力作用于閥門法蘭而產(chǎn)生，可采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中:FZ—蒸汽工作應(yīng)力；

△F—蒸汽壓力；

Cb—螺栓剛度；

Cf—法蘭剛度。

螺紋連接金屬螺栓相對(duì)剛度Cb/（Cb+Cf）為0?2～0?3，此處取0?3。則對(duì)于NZK200-12?75/535/535型汽輪機(jī)，△F為12?75 MPa，由此計(jì)算蒸汽工作應(yīng)力FZ為3?83 MPa。

2?1?2 預(yù)緊應(yīng)力

中壓聯(lián)合汽閥螺栓采用冷緊方式，其預(yù)緊應(yīng)力為冷緊力。預(yù)緊力使裝配件緊固地連接在一起，壓緊墊片，防止蒸汽泄漏。由于螺栓在高溫運(yùn)行中產(chǎn)生應(yīng)力松弛，需預(yù)緊應(yīng)力比汽輪機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)力松弛大，裝配件就不會(huì)松動(dòng)。預(yù)緊應(yīng)力根據(jù)汽輪機(jī)制造廠提供的螺栓安裝力矩?fù)Q算獲得。預(yù)緊計(jì)算如下：

式中:Mt—力矩；

d—公稱直徑；

F0—緊固力；

K—力矩系數(shù)，國內(nèi)設(shè)計(jì)一般取0?2。

該規(guī)格螺栓冷緊力矩推薦值為1 383 N·m。中壓聯(lián)合汽閥螺栓預(yù)緊應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 螺栓預(yù)緊應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2?1?3 熱應(yīng)力

在汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中，螺栓受熱主要源于法蘭。當(dāng)溫度較高的法蘭沿厚度方向膨脹時(shí)，會(huì)使溫度較低的螺栓受到拉伸。汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)溫升速率及溫差控制要求如表5所示。不同溫度條件下的螺栓熱應(yīng)力如表6所示。

表5 冷態(tài)啟動(dòng)溫升速率及溫差控制要求

表6 不同溫度條件下的螺栓熱應(yīng)力

2?1?4應(yīng)力集中

螺紋相當(dāng)于缺口作用，在固定端第1圈螺紋牙底處應(yīng)力最高，應(yīng)力集中將使螺栓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，加速螺栓壽命損耗。閥門螺栓一般采用粗制螺紋螺栓，其應(yīng)力集中系數(shù)為1?5～1?6，本文計(jì)算取應(yīng)力集中系數(shù)KJ為1?54。

2.2 蠕變損傷

螺栓在高溫狀態(tài)下長期運(yùn)行會(huì)發(fā)生蠕變，產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，并降低螺栓的預(yù)緊力。蠕變損傷可根據(jù)應(yīng)力松弛量進(jìn)行計(jì)算。設(shè)σ0為應(yīng)力初始值（即螺栓預(yù)緊應(yīng)力），σ為汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)某一時(shí)刻的應(yīng)力值，ε0為應(yīng)變初始值。使用Norton公式可完整表達(dá)中壓聯(lián)合汽閥螺栓的蠕變過程，其表達(dá)式如下：

按照上述計(jì)算模型，基于材料數(shù)據(jù)，對(duì)中壓聯(lián)合汽閥法蘭連接螺栓的剩余壽命進(jìn)行計(jì)算。4號(hào)機(jī)組年平均有效利用6 000 h，每年安排1次檢修（含A修）。計(jì)算螺栓材料的特性參數(shù)及計(jì)算條件如表7所示。為分析螺栓預(yù)緊應(yīng)力對(duì)蠕變損傷的影響，選取了3種不同的螺栓初始預(yù)緊應(yīng)力分別計(jì)算其相應(yīng)的蠕變損傷，計(jì)算得到的每一加載周期產(chǎn)生的蠕變損傷量如表8所示。

表7 蠕變損傷的技術(shù)參數(shù)

由表8可知，螺栓的蠕變損傷量與初始預(yù)緊應(yīng)力有關(guān)，螺栓的預(yù)緊應(yīng)力由245?12 MPa依次增加10%至269?63 MPa，294?14 MPa時(shí)，螺栓的蠕變損傷則由0?015 6依次增加至0?020 4，0?025 1，增加率分別為30?8%，23?0%，蠕變損傷增加速率遠(yuǎn)高于預(yù)緊應(yīng)力增加速率。螺栓的預(yù)緊力受不同的冷緊和熱緊工藝影響，往往使得預(yù)緊力偏離設(shè)計(jì)值，從而影響螺栓的蠕變壽命；因此，螺栓的裝配規(guī)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行裝配工藝，減少預(yù)緊力偏差。

表8 蠕變損傷技術(shù)結(jié)果

2.3 疲勞損傷

經(jīng)典Coffin-Manson公式可表達(dá)螺栓在交變熱應(yīng)力和預(yù)緊力工況下的低周疲勞壽命，見式（8）：

式中:△εt—總應(yīng)變范圍；

Nf—低周疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）；

C1—材料疲勞延性常數(shù)，取值0?009 7；

C2—材料疲勞塑性常數(shù)，取值2?8；

α1—材料常數(shù)，取值0?095；

α2—材料常數(shù)，取值0?831。

螺栓在高溫下運(yùn)行，受調(diào)峰工況影響，考慮其應(yīng)力加載頻率影響見式（9）：

式中：V—每分鐘應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)[10]。

由式（9）可計(jì)算出螺栓材料在某一應(yīng)變水平Δεti下的疲勞壽命Nfi，在該應(yīng)變水平下循環(huán)Ni次產(chǎn)生的疲勞損傷見式（10）:

在調(diào)峰運(yùn)行的一個(gè)應(yīng)力循環(huán)周期內(nèi)，螺栓的疲勞損傷受螺栓承受的循環(huán)應(yīng)力（包括機(jī)組啟停時(shí)的熱應(yīng)力循環(huán)、預(yù)緊應(yīng)力加熱應(yīng)力循環(huán)）影響。表9計(jì)算了中壓聯(lián)合汽閥螺栓在調(diào)峰運(yùn)行模式下的疲勞損傷情況。根據(jù)中壓聯(lián)合汽閥螺栓的運(yùn)行工況，疲勞損傷計(jì)算中，機(jī)組啟停工況下螺栓與閥門法蘭的壁溫差最大值為55℃，穩(wěn)態(tài)工況下螺栓與閥門法蘭的壁溫差值為10℃。表10為考慮應(yīng)力集中時(shí)，螺栓疲勞損傷的計(jì)算結(jié)果，其中應(yīng)力集中系數(shù)K取值1?54。

表9 疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

表10 疲勞損傷計(jì)算結(jié)果（考慮應(yīng)力集中）

2.4 蠕變-疲勞損傷

線性累積損傷法把所得的疲勞壽命損耗和蠕變壽命損耗線性累積相加，是壽命估算方法中相對(duì)簡單的一種方法。目前國內(nèi)疲勞一蠕變壽命估算問題主要采用相對(duì)簡單線性累積損傷法。高溫緊固螺栓在運(yùn)行中同時(shí)承受蠕變和疲勞的作用，產(chǎn)生的蠕變和疲勞損傷分別按照上述公式進(jìn)行計(jì)算，其交互作用可以忽略，則可將蠕變和疲勞損傷按線性進(jìn)行累加，見式（11）:

當(dāng)累積損傷D達(dá)到單位1時(shí)，材料達(dá)到壽命終結(jié)。

4號(hào)機(jī)組年平均啟停1次，運(yùn)行周期6 000 h。疲勞-蠕變壽命計(jì)算結(jié)果如表11所示。考慮螺栓應(yīng)力集中系數(shù)K時(shí)，疲勞-蠕變壽命周期明顯縮短，其壽命約為不考慮應(yīng)力集中系數(shù)時(shí)的1/6。螺紋固定端第1圈螺紋應(yīng)力集中相當(dāng)于缺口作用，加速了螺栓蠕變壽命和疲勞壽命的損耗。實(shí)際制造中應(yīng)采取較大圓角過渡，減小應(yīng)力集中，可有效延長螺栓壽命。

表11 疲勞-蠕變壽命計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

1）中壓聯(lián)合汽閥螺栓的蠕變壽命與螺栓的初始預(yù)緊應(yīng)力水平有關(guān)，螺栓蠕變損傷量隨著螺栓預(yù)緊應(yīng)力的增加而增加，且蠕變損傷增加速率高于螺栓預(yù)緊力增加速率。

2）中壓聯(lián)合汽閥螺栓的疲勞壽命與調(diào)峰運(yùn)行方式有關(guān)。在調(diào)峰運(yùn)行方式下，螺栓疲勞損傷量隨著螺栓熱應(yīng)力的增加而增加。采取降低機(jī)組升溫速率、減小螺栓與閥門法蘭溫差等措施降低螺栓熱應(yīng)力，從而延長螺栓疲勞壽命。

3）中壓聯(lián)合汽閥螺栓壽命評(píng)估結(jié)果表明，在考慮應(yīng)力集中情況下，疲勞-蠕變交互作用下剩余壽命可安全運(yùn)行6個(gè)檢修周期（按照每個(gè)周期6 000 h計(jì)算），不能滿足機(jī)組設(shè)計(jì)壽命的要求，需要采取降低參數(shù)運(yùn)行、縮短檢驗(yàn)周期或者在6個(gè)檢修周期后更換中壓聯(lián)合汽閥螺栓的措施。

4）相較于有損評(píng)估方法和無損評(píng)估方法，解析評(píng)估方法能夠在不破壞部件完整性的條件下，獲得較為準(zhǔn)確的剩余壽命值，可用于部件在線剩余壽命監(jiān)測、評(píng)估部件蠕變壽命和疲勞壽命損耗情況，為實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組壽命管理提供支撐。