[发明专利]汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的预测与监控方法及装置

权利要求书

1.一种汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的监控装置，其特征在于，由超声波探伤仪和计算服务器组成，超声波探伤仪与汽轮机转子和计算服务器连接。

2.一种汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的预测与监控方法，其特征在于，使用权利要求1所述的汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的监控装置，采用C语言编写的汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的预测与监控，具体步骤为：

第一步：探伤确定汽轮机焊接转子的裂纹尺寸：

在汽轮机焊接转子制造过程，采用超声波探伤仪确定焊缝和热影响区裂纹的所在部位和裂纹尺寸，裂纹所在部位指的是焊接转子焊缝和热影响区的椭圆形裂纹中心位置的三个坐标数值，裂纹尺寸指的是焊接转子焊缝和热影响区内部椭圆形裂纹和焊接转子焊缝和热影响区表面半椭圆形裂纹的短轴半径a和长轴半径c；

第二步：计算汽轮机焊接转子裂纹所在部位的最大主应力：

对于汽轮机焊接转子的裂纹，采用现有的有限元计算分析方法，计算在稳态额定负荷工况下焊缝和热影响区的最大主应力，在汽轮机焊接转子三维模型的某一点旋转到转子底部(270°位置)时确定最大主应力σ₁，在该焊接转子顶部相同半径与相同轴向位置(90°位置)的点的三个正应力和六个剪应力构成三个应力向量，这三个应力向量投影到底部σ₁方向得出该方向上的正应力σ₁；

第三步：计算汽轮机焊接转子的应力幅σ_a：

汽轮机焊接转子在稳态额定负荷工况下，由于叶片和转子重力引起的交变应力幅σ_a的计算公式为：

σa=σ1-σ1′2]]>

第四步：计算汽轮机焊接转子的平均应力σ_m：

汽轮机焊接转子在稳态额定负荷下的平均应力σ_m的计算公式为：

σm=σ1+σ1′2+σr]]>

式中：

σ_r——焊接转子的残余应力；

第五步：计算汽轮机焊接转子的应力比R：

汽轮机焊接转子在稳态额定负荷工况下的应力比R的计算公式为：

R=σm-σaσm+σa]]>

式中：

σ_m——平均应力

σ_a——应力幅；

第六步：计算汽轮机焊接转子的应力强度因子范围ΔK：

汽轮机焊接转子应力强度因子范围ΔK的计算公式为：

ΔK=2σaMa]]>

式中：

σ_a——应力幅

a——椭圆裂纹短轴半径

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于内部裂纹，M=πQ]]>

对于表面裂纹，M=1.21πQ]]>

Q=∫0π2(1-c2-a2c2sin2θ)dθ=∫0π2{1-[1-(ac)2]sin2θ}dθ;]]>

c——椭圆裂纹长轴半径；

θ——过裂纹周线上任意一点径向线与椭圆长轴的夹角；

第七步：确定疲劳裂纹扩展的应力强度因子门槛值ΔK_th^R：

对于汽轮机焊接转子的焊缝和热影响区，应力比为R的疲劳裂纹扩展的应力强度因子门槛值ΔK_th^R的计算公式为：

ΔK_th^R＝ΔK_th⁰(1-R)^m

式中：

ΔK_th⁰——应力比为R＝0的疲劳裂纹扩展的应力强度因子门槛值；

R——应力比；

m——材料试验常数；

第八步：判别汽轮机焊接转子裂纹疲劳扩展的可能性：

若ΔK≤ΔK_th^R，在稳态额定负荷工况的应力幅σ_a作用下，汽轮机焊接转子探伤发现的裂纹不会发生疲劳扩展，汽轮机焊接转子具有无限寿命，其高周疲劳寿命为N_f≥4.0×10¹⁰，进入第十二步；

若ΔK＞ΔK_th^R，在稳态额定负荷工况的应力幅σ_a作用下，汽轮机焊接转子探伤发现的裂纹会发生疲劳扩展，进入第九步；

第九步：计算汽轮机焊接转子的最大应力σ_max：

汽轮机焊接转子在稳态额定负荷工况的最大应力σ_max的计算公式为：

σ_max＝σ_m+σ_a

第十步：计算汽轮机焊接转子的临界裂纹尺寸a_c：

汽轮机焊接转子临界裂纹尺寸a_c的计算公式为

ac=K1C2Mσmax2]]>

式中：

K_1C——断裂韧性；

第十一步：计算汽轮机转子的高周疲劳寿命循环次数：

在ΔK＞ΔK_th^R的情况下，汽轮机焊接转子高周疲劳寿命循环次数N_f的计算公式为：

Nf=2(m0-2)C0σmaxm0Mm02[1a(m0-2)2-1ac(m0-2)2]]]>

式中：

C₀，m₀——疲劳裂纹扩展试验常数；

第十二步：计算汽轮机焊接转子年均高周疲劳循环次数e_y：

对于全转速的电站汽轮机的焊接转子，每秒高周疲劳循环次数为50次，年运行小时按7000小时计算的年均高周疲劳循环次数为e_y＝1.26×10⁹；

对于半转速的电站汽轮机的焊接转子，每秒高周疲劳循环次数为25次，年运行小时按7000小时计算的年均高周疲劳循环次数为e_y＝6.3×10⁸；

第十三步：计算汽轮机焊接转子高周疲劳寿命年数：

汽轮机焊接转子高周疲劳寿命年数τ_CL的计算公式为：

τCL=Nfef]]>

式中：

e_f——年均高周疲劳寿命循环次数；

第十四步：汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的安全性控制：

对于火电汽轮机焊接转子，若τ_CL≥30年，汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的安全性达到要求；若τ_CL＜30年，汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的安全性没有达到要求，需要挖去汽轮机焊接转子的焊接缺陷，重新焊接、探伤，重新进行高周疲劳寿命预测并监控其安全性；

对于核电汽轮机焊接转子，若τ_CL≥60年，汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的安全性达到要求；若τ_CL＜60年，汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的安全性没有达到要求，需要挖去汽轮机焊接转子的焊接缺陷，重新焊接、探伤，重新进行高周疲劳寿命预测并监控其安全性；

第十五步：打印输出结果：

输出汽轮机焊接转子高周疲劳寿命的预测结果与控制措施，应用于汽轮机焊接转子过程的焊接缺陷评定与制造质量控制。