复杂蠕变疲劳载荷对超超临界汽轮机转子钢寿命的影响

作     者：石红梅 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔璐

授予年度：2017年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：低周疲劳载荷 TMF载荷 复合高周疲劳载荷 汽轮机转子钢 寿命 

摘      要：越来越多新能源的发电并网,导致了电力输出的波动性,这就要求火力发电厂更多地进行调峰操作,以保证电力输出的稳定性。调峰过程中机组的频繁启停和变负荷运行,使转子承受着低周疲劳载荷和伴随周期性温度变化的蠕变疲劳载荷（TMF）。另外,由于转子的自重,转子在高速旋转时,承受着高频惯性振动应力的作用,导致了高周疲劳载荷的附加。传统火力发电机组高温部件的设计和寿命评估没有考虑到调峰工况引起的疲劳损伤,造成了疲劳设计和寿命评估的过分保守,使得现代超超临界汽轮机组高温零部件不能发挥其最大潜能而造成经济损失或安全隐患。本文选用新型超超临界汽轮机转子钢材料X12CrMoWVNbN10-1-1进行低周蠕变疲劳实验和高温预载荷模块化实验研究,以及复合高周疲劳的初步研究,分析复杂蠕变疲劳载荷对汽轮机转子钢寿命的影响。低周蠕变疲劳实验选取汽轮机四种典型的运行工况（600℃、550℃、500℃、300℃）进行实验,探讨温度和应变幅对转子钢寿命的影响,并求得其低周疲劳寿命模型。高温预载荷模块化实验选取600℃超超临界汽轮机的三种典型启动工况,即550℃（热启动）、500℃（温启动）及300℃（冷启动）,模拟TMF载荷对转子钢寿命的影响。复合高周疲劳研究选用大量文献数据,分析高周疲劳载荷与低周的交互特性,为后续全面展开复合高周疲劳损伤机理及寿命评估的研究奠定基础。实验结果表明:在低周疲劳载荷下,应变幅或温度的增大都使转子钢的低周疲劳寿命缩短;以实验后试样的塑性应变-循环周期曲线入手,通过线性拟合和公式推导,得到了转子钢的低周疲劳寿命模型,通过模型的计算和验证,此模型可以较精确地预测转子钢的低周疲劳寿命。高温预载荷的模块化实验可以近似模拟TMF载荷下的蠕变疲劳实验;透射电镜分析表明蠕变疲劳实验后转子钢的亚晶粒尺寸增大,位错密度减小,其蠕变疲劳寿命缩短,而亚晶粒尺寸和塑性应变间呈指数关系。附加的高周疲劳载荷进一步降低了转子钢的蠕变疲劳寿命;而高周与低周疲劳载荷的应变幅之比（ΔεHCF/ΔεLCF）与疲劳寿命比（NLCF/HCF/NLCF）在双对数坐标下呈幂函数关系,此关系可初步预测汽轮机转子钢的高低周复合疲劳寿命。