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400 MW汽轮机中压段调节阀的疲劳寿命预测

摘要

本文介绍了汽轮机中压（IP）段调节阀的疲劳寿命预测。 采用有限元法计算阀体的瞬态温度场和应力场，以中国湖北省400MW汽轮机的运行记录为输入，采用所有实际操作过程包括冷启动， 在FEM计算中考虑热启动，极热启动，关闭和出现停机。采用雨流计数法和局部应力 - 应变法确定阀门的载荷模式，绘制出承受最大应力范围的关键点的循环应力 - 应变曲线。 给出了汽轮机阀门疲劳裂纹萌生寿命的预测方法，并对寿命和裂纹预测与实际工业检验数据进行了对比。 在计算中发现，在涡轮机维修期间，最大应力范围出现在阀体的加强肋附近。该结果表明周向热应力集中区域接近加强肋，并且也暗示在该位置可能出现裂纹。 自2000年以来我们对涡轮机阀门进行检查时，实际上在肋骨附近出现了一些裂纹。疲劳寿命预测也大致符合我们的调查数据。 得出的结论是，在涡轮机出现停机期间的损害是损害疲劳能力的主要部分，该损伤疲劳能力被定义为由于循环操作条件而导致的在阀中产生裂纹的循环次数。 本文还提出了瞬态温度应力场综合研究方法和汽轮机阀门寿命估算方法。

关键词：涡轮阀、瞬态热应力、疲劳损伤、裂缝启动、工业检查

1.介绍

阀门是汽轮机最重要的部件，用于控制蒸汽流量。 由于服务温度和高压工作环境，许多电厂经常发生涡轮阀故障。 因此，这给发电厂的经济和安全服务带来了很大的威胁。 最近，我们对位于中国湖北省的发电厂的中国制造的涡轮阀进行了工业检查。据报道，裂纹是导致阀门故障的主要原因。 自2000年以来，许多透平阀门被发现具有短裂纹或甚至很长的传播裂缝。 仔细检查裂缝并拍摄照片。 在检查过程中，我们发现位于400 MW汽轮机中压部分的一个调节阀上的7个裂纹，如图1所示。其中一张裂纹照片如图2所示，表明裂纹是由疲劳过程引起的。 一些相关的发电厂技术人员认为，涡轮机使用过程中阀体循环应力会产生裂纹，认为阀体的瞬态热应力分析和疲劳寿命估算是必要的。 这是这文中研究的最初动机。

图1 ：调节阀有五个短的两个长裂缝。

图2：200 MW汽轮机阀体疲劳裂纹照片

汽轮机部件的故障多年来引起了研究人员和工程师的极大兴趣。 该领域的许多研究都集中在涡轮叶片的强度和可靠性上。 最近，Dhar等人 [1]提出了涡轮叶片的瞬态应力分析和疲劳寿命估计。 这只是其中一个例子。 与涡轮叶片相比，涡轮阀门还没有被深入研究过。事实上，涡轮机阀门的问题比我们预期的要复杂得多，因为许多不同类型的阀门在涡轮机维修期间服务于负载条件。 调节阀的示意图如图3所示。阀体始终同时承受不断变化的蒸汽压力和温度，并且在阀门开启或关闭操作过程中，阀门轴承也承受冲击压力。 除了上述负载之外，伴随着蒸汽流动的侵蚀和腐蚀也对阀体的强度构成威胁。Peng等人 [2]报道了他们关于涡轮机调节阀三维瞬态温度和应力场的研究，但他们没有给出寿命预测。 张和他的同事[3]给出了汽轮机控制阀的实验研究。 Mazur和他的同事[4]最近研究了固体颗粒冲击对汽轮机主截止阀的侵蚀。 Bulloch和Callagy [5]研究了机械控制系统故障引起的阀杆故障，Miroshnik等人 [6]提出了一个概率性生命评估的胸腔瓣下热应力。 综合上述参考文献的主要原因，阀门的瞬态温度场与汽轮机运行工况有关，温度不均匀会对阀门产生热应力，而且循环热应力引起的疲劳导致阀门失效。

本文将考虑中国制造的400 MW汽轮机中压部分的调节阀。 阀门的瞬态温度和应力场将使用有限元方法计算。 实际的涡轮机记录将用于有限元分析。 结果将用于确定阀的循环应力谱的加载模式。 此外，阀门的疲劳寿命将被估计。 换句话说，本文将对透平阀的疲劳性进行全面的研究。 特别是寿命和裂缝预测将与行业检查数据进行比较。 希望这些结果可供参考，以确定涡轮机运行的合理模式，并避免涡轮机阀门产生裂纹。

图3：调节阀的结构示意图（参考文献[5]采用）。

2.阀体的有限元分析

2.1。 阀门的有限元模型

首先，使用CAD程序UG创建阀体的几何模型。 包含在超网格中的交互式网格生成算法被用来实现计算域的网格划分，然后通过使用超网格ansys翻译器来建立ANSYS有限元模型。 阀门的有限元模型由7306个实体单元和10104个节点组成，如图4所示。众所周知，FEA的精度主要取决于网格的质量。 因此，所有7306实体单元都是三维六面体单元，具有几何特性的高质量。 该阀由ZG15Cr1MoV铸钢制成，其材料性能列于表1 [7]。由于计算案例覆盖了很宽的温度范围，因此当需要各种温度下的材料特性时，将使用线性插值数据

图4.调节阀体的FM型号。

表格1

ZG15Cr1MoV的材料特性[7]。

表2

六个计算案例的代表参数

T 1是阶段开始时的蒸汽温度，T 2是阶段结束时的蒸汽温度。

2.2。 汽轮机运行记录

涡轮机操作的实际记录被用作FEA程序的输入。 这一步对于疲劳载荷是必不可少的，因为阀门的应力主要是由不同运行条件下不均匀的温度分布引起的。 危急情况下的最大压力是我们最关心的。 因此，本节仔细研究了六种情况，包括启动，冷启动，热启动和极热启动，关闭和出现停机。 值得注意的是，所有数据都是根据近年来在中国湖北省发电厂的实际记录转换而来的。 表2列出了六种情况的代表性参数。

2.3。 温度场的边界条件

为了获得阀体的瞬态温度场，应规定阀体内外表面的边界条件。 事实上，阀门的外表面由保温材料制成的非常厚的层包裹。 由于该层的传热系数非常小，因此被包裹的表面可以近似地认为是绝热边界。 就阀体内表面的边界条件而言，问题非常复杂。 在阀体与蒸汽之间的接触区域中，传热实际上受蒸汽流与阀体壁之间的液 - 固相互作用支配。因此，近年来已经进行了一些使用组合CFD和有限元的研究。 Mazur和他的同事的工作[4]就是其中的一个例子。 但是，阀门内表面的边界条件如下所示以简单的方式分配。 首先，将阀门内表面分成不同导热条件的七个部分，即蒸汽箱，蒸汽输入管，蒸汽输出管，阀的下部，下部与上部的交叉部分，并增强 板和局部导电增强区域（见图4中具有周期的七个数字）。其次，用以下近似公式[2]计算七个分区的放热系数，其中cp是以kJ / kg K为单位的比热，g以Pa s计的运动粘度，k以W / m？C，运动粘度系数m 2 / s，Re Reynolds数，Pr Prandtl数，N u Nusselt数，hm是放热系数。

工程手册[8]采用不同汽轮机运行情况下的蒸汽热参数，必要时采用线性插值数据。 对表2所示的7种情况进行了这种计算，表3中列出的数据是冷启动阶段的结果之一。

表3

冷启动期间七个部件的导热系数

2.4。 机械边界条件

阀门内的应力主要由涡轮机运行过程中不均匀的温度分布和内部蒸汽压力引起。 因此，蒸汽压力施加在阀门壳体的内表面上。 就其他机械边界条件而言，该值的安装位置被视为位移约束。 阀门FEM模型的对称表面上的位移是固定的，并且阀门顶部表面上沿着Y方向的位移（参见图4）全部受到限制。

2.5。 FEA程序

问题的有限元分析包括两个步骤：第一步是使用ANSYS的运行时选项计算阀体内的温度场，第二步是使用ANSYS的运行时选项和重新启动技术来计算热应力场。 计算由ANSYS APDL [9]设计的代码控制。

3.阀门的温度场和应力场

3.1。 阀体的温度场

本节考虑了蒸汽轮机的冷启动，热启动，极热，事故和正常运行记录五种情况。 运行过程中的透明温度场通过使用商业有限元软件ANSYS获得。 在冷启动阶段后1分钟的瞬间，前视图中阀壳上温度等值线的轮廓如图5所示。 a和b节点上的温度随时间的变化（见图5）如图6所示，点a和b选自初始裂纹被发现的危险区域。 从图中可以看出， 从图5和图6可以看出，上下三个区域，蒸汽入口和肋骨增强板的交点为三个区域，其温度梯度比阀壳上的其他部分高，因为在上述三个区域由于壳体厚度安静，且在这些区域的热传导均匀，因此内壁温度比阀壳外壁温度快得多。 因此，结果是合理的。 阀门各处都存在沿径向的温差。 在启动过程中，内壁温度高于外壁温度，在停止和突然停机过程中会出现相反的情况。 从图4还可以看出，在涡轮机启动期间，阀体内外壁之间的温差达到其两个峰值，并且在涡轮出现停机期间

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