核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究

田培民向阳

福建福清核电有限公司福建福清350318

摘要在核电发电机组中，汽轮机可以说是一项重要的设备类型。在本文中，将就核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命进行一定的研究。

关键词：核电汽轮机转子；低周疲劳；高周疲劳；交互作用；裂纹扩展寿命；

1引言

在核电发电机组当中，汽轮机是一项重点组成部分，要想实现其安全、稳定的服役，同关键部件寿命评定以及可靠性预测方式具有着十分密切的联系。对于核电汽轮机转子来说，其具有较长的使用寿命要求、较大的尺寸以及昂贵的价格，在工作运行当中十分关键，同时，因其复杂就结构以及载荷情况的存在，则在实际对其寿命进行预测时则将存在着较大的难度，需要在现有基础上做好其扩展寿命评定以及计算方式的研究。

2发电机组寿命研究概述

在核电汽轮机停机、启动的瞬时情况下，因离心应力以及热应力的存在，则可能使转子裂纹存在低周疲劳扩展情况，在停机、启动当中，其汽轮机转子在半径方向方面具有着不均匀的温度分布特征，则会因此使其因此形成较大的热应力，在以弾性应力方式对热应力进行计算时，也可能因此出现超出材料屈服极限的情况，同时，力荷载同热荷载也将引起较大的合成应力，在该种情况下，每当核电汽轮机完成一次启停之后，转子疲劳则将进行以此循环。以某核电汽轮机为例，其启停次数5940次，设计寿命60年，那么按照数据计算则可以了解到该核电汽轮机每年需要启停99次。对于该种因热应力过大引发的转子疲劳则称之为低周疲劳，而对于因热应力扩大导致的转子疲劳裂纹扩展寿命则可以将其称之为裂纹的扩展寿命。

通常情况下，汽轮机具有基本负荷，当汽轮机带电负荷处于稳定的运行情况下，转子同叶片间重力荷载将引发应力，使其同因热荷载、离心荷载引发的应力实现共同作用，并因此导致转子裂纹高周疲劳扩展问题的发生。在仅仅对叶片以及转子载荷进行考虑的情况下，在核电汽轮转子外表面某点位置进行旋转，在旋转到下方270°位置时，将形成拉应力。当仅仅对叶片以及转子热荷载以及离心力荷载进行考虑时，核电汽轮机转子外部某店当其旋转到下部270°位置时，其具体指则同上部90°位置具有相等的应力。在对叶片重心载荷、转子载荷、热载荷以及离心力载荷进行同时考虑的情况下，同没有对叶片以及转子重力荷载结果进行考虑的情况下进行对比发现，则以发现在汽轮机转子外部某点在旋转到下部270°位置时，其应力将不断增加，并在旋转到上方90°位置时该应力逐渐减小。当汽轮机转子进行为期一周的旋转时，应力减小以及增大都将完成一次循环，转子也将完成一次疲劳循环。如将核电汽轮机每年的运行小时设置为7000h，核电汽轮机转子每秒进行25次疲劳循环，那么每一年的疲劳循环总数即为6.3×108次。对于该种由转子离心力载荷、热载荷以及重力载荷几者间相互共同作用形成的转子疲劳，即属于高周疲劳类型，因该疲劳问题的存在引起的疲劳裂纹扩展寿命则将其称为高周疲劳裂纹扩展寿命。

在近年来的相关研究当中，也有学者逐渐提出了对于汽轮机转子初始裂纹高疲劳安全性设计以及低疲劳裂纹扩展寿命的计算方式。在高周疲劳以及低周疲劳间相互的作用影响情况，转子裂纹扩展寿命在具体计算当中还缺少合适的方式。在汽轮机实际运行当中，停机、启动以及带负荷运行这几种情况不断交替出现，转子交替也将出现高周疲劳以及低周疲劳损伤，在该种情况下，做好交替情况下其扩展寿命的分析则成为了一项重点工作内容。

3转子疲劳应力范围与应力幅

3.1转子低周疲劳应力范围与应力幅

核电汽轮机转子为轴对称力学模型，在该情况下对汽轮机停机、启动过程的热载荷进行加载，即能够对汽轮机在具体启停过程不同时刻情况下转子的温度场。在转子的不同节点，将瞬态温度场计算结果进行输入，在对叶片离心力载荷以及转子离心力载荷进行加载之后完成转子瞬态应力场的计算。而通过进一步对转子瞬态应力场的分析，即能够对汽轮机在停机、启动过程当中所具有的最大主应力。当汽轮机处于启动状态下，转子外表面具有负数热应力值，而转子内部、表面的热应力则为正。汽轮机在停机当中，其外表面具有为证的热应力，而内部通内表面则为负数热应力。一般来说，转子外表面在运行当中拉应力值最大时即是汽轮机设备停机过程，而转子内部、内表面拉应力值最大时即为汽轮机实际启动时。

3.2转子高周疲劳裂纹应力范围与应力幅

在核电汽轮机转子力学模型的基础上对汽轮机额定工况热载荷进行加载，即能够实现汽轮机带负荷运行稳态温度场的计算。在将稳态温度场计算结果输入到转子各点后，对叶片同转子的离心力载荷以及叶片同转子间的载荷进行加载，以此实现转子稳态应力场的计算。

3.3转子疲劳裂纹扩展的两个阶段

第一阶段出现在汽轮机带电负荷运行过程当中，因a小于ath，转子在应力幅影响下则不会发生高周疲劳裂纹扩展情况。在汽轮机设备停机以及启动过程当中，因△K1>△Kth0,此时转子在低疲劳应力幅影响下即能够出现地疲劳裂纹扩展情况。而第二阶段则将出现在汽轮机带负荷运行情况下，因a大于ath，转子在应力幅影响下即会发生裂纹扩展情况。在汽轮机停机以及启动当中，同样因因△K1>△Kth0,转子在低疲劳应力幅影响下即能够出现地疲劳裂纹扩展情况。在第二阶段当中，汽轮机转子则将在高周、低周疲劳的同时影响下出现疲劳裂纹扩展情况。

4结论

在上文中，我们对核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命进行了一定的研究，在高周疲劳情况下，其将对转子裂纹扩展寿命形成较大的影响，在新汽轮机转子设计以及其安全评定工作当中，即需要能够做好高、低周疲劳影响下裂纹的扩展寿命分析。在未来工作当中，需要在现有基础上进一步开展研究，保障安全性评价以及寿命计算分析的科学性以及准确性。

参考文献：

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