某E232型煙氣輪機葉片疲勞壽命的研究

林國慶，黃少華，李福來，時 黛

(1．吉林化工學(xué)院機電工程學(xué)院，吉林吉林132022;2．東北煤田地質(zhì)局一二八勘探隊，遼寧沈陽110000;3．贏創(chuàng)特種化學(xué)(吉林)有限公司維修工程部，吉林吉林132000;4．內(nèi)蒙古民族大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000)

某廠催化裂化裝置車間E232型雙級煙氣輪機，于2012年10月因煙機本身故障引起停機．在運行期間，振動幅度突然增大，運行聲音異常，系統(tǒng)連鎖停機，停機后解體發(fā)現(xiàn)二級動葉片自根部發(fā)生斷裂，斷裂葉片葉身飛出，葉根仍在輪盤上，煙機圍帶、殼體及其中一幅板不同程度地被擊傷．經(jīng)過實驗研究證實，引起該葉片斷裂的原因是由疲勞斷裂引起的［1］，因煙機葉片(特別是動葉片)在高速運行中很容易出現(xiàn)斷裂，所以對葉片進行壽命估算顯得尤為重要．

1 葉片疲勞壽命分析方法

1.1 高溫蠕變——疲勞壽命預(yù)測方法

這是一種典型的蠕變——疲勞壽命預(yù)測方法，該法是將不受時間影響的疲勞損傷和受時間影響的蠕變損傷相加得出總損傷，其依據(jù)是認為疲勞是材料的表面現(xiàn)象;而蠕變損傷是晶界裂紋或空穴的生長和互聯(lián)的過程，是內(nèi)部的．用表達式表示如下:

式中:Df為與時間無關(guān)的疲勞損傷，Dc為高溫蠕變斷裂試驗所得損傷．

測定疲勞和蠕變損傷的基本原理為［2］:純疲勞循環(huán)數(shù)Nf的倒數(shù)為一次循環(huán)中疲勞所受的損傷，即1/Nf;若所加的循環(huán)總數(shù)為n，疲勞損傷部分Df可由線性相加得出，即n/Nf．而蠕變損傷常數(shù)項Dc是在某一應(yīng)力下累積保持時間與蠕變持久壽命之比，即t/tR，如果是復(fù)雜或變載荷條件，則線性損傷累積公式可變?yōu)?

通常情況下D值或者大于1或者小于1，如果蠕變—疲勞的交互作用不存在，則D值的大小與1相當(dāng)，且在總損傷值D=1時發(fā)生破壞;相反，如果存在，D值將會明顯偏離1，為了表示蠕變—疲勞的交互作用，Lagneberg及合作者提出通過增加交互作用項來描述這一情況，即:

式中:B為交互作用的系數(shù)，它的大小表示結(jié)構(gòu)交互作用的強弱．

由于煙機是長時間且連續(xù)工作的設(shè)備裝置，工作時間對煙機葉片的疲勞壽命有很大的影響，為了更準(zhǔn)備的對煙機葉片進行疲勞壽命分析，本文在此理論的基礎(chǔ)上采用修正公式進行研究．

1.2 Manson-Coffin理論預(yù)測壽命模型

在進行疲勞壽命預(yù)測時，本文以 Manson-Coffin公式作為模型［3］，其公式為:

式中:Δεeq/2—Mises等效應(yīng)變幅;σ′f—疲勞強度系數(shù);E—彈性模量;ε′f—疲勞塑性系數(shù);b—疲勞強度指數(shù);c—疲勞塑性指數(shù);Nf—低周疲勞壽命循環(huán)次數(shù);對于大多數(shù)光滑金屬試件，b值取 －0．05～ －0．12，一般情況下材料強度越高，b值絕對值越大，在缺少實驗數(shù)據(jù)的情況下，疲勞強度系數(shù)σ′f可以近似取σ′f=σf(材料斷裂時對應(yīng)的應(yīng)力)．由Mises等效應(yīng)變法則:

1.3修正的Manson-Coffin 曲線估計方程

局部應(yīng)力應(yīng)變法是在低周疲勞壽命估算方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在對煙機葉片進行高周疲勞壽命分析時，需要進行一些必要的改進．煙機在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的平均拉伸應(yīng)力σ—m會對疲勞壽命產(chǎn)生影響［4］，在本文進行壽命預(yù)測時，考慮到應(yīng)力松弛的存在，引入Morrow對Manson-Coffin曲線的修正，因為平均應(yīng)力對材料的塑性部分影響不大，主要是材料的彈性部分有影響，所以只要將(4)式用σ—m進行修正就可以了，得到修正的應(yīng)變一壽命曲線，用下式表示:

2 煙機葉片疲勞壽命計算

2.1 葉片相關(guān)性能參數(shù)的確定

葉片材質(zhì)為GH738的鎳基高溫合金，葉片工作溫度650℃，材料密度為8．22 g/cm3，工作溫度下彈性模量為178 GPa，泊松比為0．3，疲勞強度系數(shù)=1929，疲勞強度指數(shù)b=0．112，疲勞塑性系數(shù)=-0．227 ，疲勞塑性指數(shù) c=-0．723 ，多軸比例加載循環(huán)強度系數(shù)=2192，多軸循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)=0．139．本文在研究過程中沒有找到該煙機葉片材料GH738的對應(yīng)資料，且由于試驗條件所限，也沒有通過試驗測量該材質(zhì)的各項參數(shù)指標(biāo)，但由于該材料的參數(shù)與GH141［5］合金參數(shù)類似，因此在計算疲勞壽命時，有些參數(shù)借鑒了該合金的參數(shù)，為了說明試件與實際材料之間的差異，可以用疲勞強度因子Kf來彌補，通常該值在0～1范圍內(nèi)，它的值越接近于1說明試件與材料之間的差異越小，本文在計算時取 Kf=0．8 ．

2.2 葉片疲勞壽命分布

利用 ANSYS 12．0 Workbench 軟件［6］的疲勞計算模塊(AWE Fatigue)獲得了二級動葉片疲勞壽命分布，如圖1所示，圖中的壽命值單位是天．

圖1 二級動葉片壓力面吸力面疲勞壽命

二級動葉片葉身的最小壽命發(fā)生部位在進氣端前緣靠近根部的部位，壽命為1 537．1 d，樅樹榫部位最小壽命發(fā)生在第一對齒的齒根后部，最小壽命值為15 253 d;而在現(xiàn)實使用中，煙機葉片的壽命基本不會超過四年，按照以上計算的內(nèi)容，假設(shè)煙機葉片二十四小時連續(xù)運轉(zhuǎn)，則葉片至少能夠連續(xù)運行為4年2個月，可見葉片在無損傷的情況下可以滿足額定的壽命要求．

2.3 葉片疲勞損傷關(guān)鍵點的疲勞壽命計算

由于該煙機葉片工作環(huán)境復(fù)雜，且在高速運轉(zhuǎn)下運行，如果一些微粒突然撞擊到葉片上，將會受到巨大的沖擊力，很有可能導(dǎo)致煙機機組停機，所以在葉片壽命預(yù)測時必須對顆粒的影響格外注意．在之前對葉片進行有限元分析結(jié)果當(dāng)中，得到了應(yīng)力應(yīng)變的分布情況和最大應(yīng)力點，最大位置發(fā)生在葉片吸力面根部和壓力面葉背部，其中沖蝕較嚴重的部位是吸力面根部前側(cè)和壓力面出氣端，發(fā)生疲勞破壞和葉片斷裂的可能性較大，容易受到損傷，最大應(yīng)力值為571．69 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?．858 5×10－3mm，榫齒與輪盤接觸部位最大等效應(yīng)力值為254．85 MPa．但因受催化劑等顆粒的影響，首先發(fā)生疲勞破壞的位置未必就是應(yīng)力最大位置處，綜合考慮以上因素后，在葉片的主要部位選取了5個關(guān)鍵點如圖2所示，之后逐點考慮催化劑顆粒沖刷時應(yīng)力集中對葉片疲勞壽命的影響．

圖2 關(guān)鍵點位置

催化劑顆粒直徑根據(jù)相關(guān)文獻取最大顆粒直徑15 μm［7］，得到催化劑顆粒從不同入射角度沖擊葉片時計算應(yīng)力集中系數(shù)kt的凹痕尺寸公式:

式中，δ—凹痕深度，D—顆粒直徑，代入式(7)計算后可以得到入射角角度不同時的應(yīng)力集中系數(shù) kt，見表 1．

表1 應(yīng)力集中系數(shù)kt

對于應(yīng)力集中系數(shù)的選取，需要根據(jù)不同的位置來決定，在進氣面葉跟位置時，可以認為入射角度為90°，此時kt=1．516;在葉片盆部位置時，入射角度為60°，kt=1．466;在葉片出氣邊和吸力面位置時，取入射角度為30°，kt=1．399，根據(jù)不同位置的關(guān)鍵點采用了不同的應(yīng)力集中系數(shù)，重新計算了二級動葉片的關(guān)鍵點在催化劑顆粒沖擊損傷后的疲勞壽命，計算結(jié)果分別列在表2中．

表2 二級動葉片關(guān)鍵點疲勞壽命計算結(jié)果

從表2可以看出，考慮催化劑顆粒沖擊損傷后的疲勞壽命之后，葉片的最小壽命點由進氣端前緣靠近根部變?yōu)閴毫γ媾璨靠拷~跟的部位，二級動葉片的疲勞壽命降低了17．5%，降低到3年4個月，仍然滿足4年的工作要求．二級動葉片受到催化劑顆粒沖擊的影響比較大，可投用四旋［8］，定期將催化劑細粉收集罐排空，使臨界流束噴嘴時刻保持通暢，以保證三旋有足夠的推動力，確保三旋可以長周期高效率的運行，從而降低三旋出口煙氣中的催化劑濃度，加強三旋分離效果，既而提高葉片的疲勞壽命，延長煙機的使用壽命．

2.4 煙機葉片總損傷的計算

在高溫下(65℃)工作的煙機葉片，計算疲勞損傷時必須考慮蠕變帶來的影響，關(guān)于高溫蠕變的損傷計算可以從圖3～5中獲取計算時所需的各項數(shù)據(jù)［5］，得出在所選取的5個關(guān)鍵點的蠕變壽命，結(jié)果見表3．

表3 二級動葉片關(guān)鍵點蠕變壽命

圖3 GH738熱強參數(shù)綜合曲線

圖4 GH738不同溫度的持久應(yīng)力-壽命曲線

圖5 GH738在650℃蠕變曲線

按照線性累積損傷準(zhǔn)則公式，即:

便可得到葉片的總損傷量，進而計算出葉片的使用壽命，見表4．

表4 二級動葉片關(guān)鍵點總損傷壽命

通過表4中可以看出，根據(jù)壽命取決于最小壽命的原則可以得出該臺煙機二級動葉片的最小壽命為514天，約為1年5個月的時間;但根據(jù)實際工程中的情況［9］，工廠通常每隔8個月就要進行一次檢修，而且根據(jù)規(guī)定，在檢修煙機葉片時，無論葉片是否損壞，都需要將原有葉片更換成新的葉片，也就是說，在工程中，煙機葉片的壽命被強制性的規(guī)定為8個月，因此，通過以上對煙機葉片的壽命計算中，雖然二級葉片壽命比一級的短，但仍大于8個月，如果在沒有意外事故發(fā)生的情況下，二級動葉片疲勞強度符合使用要求．

3 結(jié) 論

(1)利用ANSYS對葉片進行疲勞壽命分析，得到多軸低周疲勞時葉片無催化劑顆粒沖擊損傷的疲勞壽命分布，在此基礎(chǔ)上考慮催化劑等顆粒對葉片的影響，選取不同入射角度的5個關(guān)鍵點，計算應(yīng)力集中對其疲勞壽命的影響，計算葉片的總損傷，從而計算二級動葉片的壽命，其結(jié)果證實該煙機二級動葉片疲勞強度符合使用要求．

(2)葉片壽命的分析結(jié)果不但可以得到一些定性方面的數(shù)據(jù)，還具有一定程度的量化指導(dǎo)意義．該種疲勞壽命估算方法不僅為煙機葉片設(shè)計提供了一個從壽命消耗方面評價葉片安全性的新評估方法，并且為在煙機運行方式日益復(fù)雜的情況下，進行葉片壽命管理提供了新思路及實用工具．

(3)實際葉片的疲勞壽命影響因素很多，限于作者水平有限只考慮了催化劑顆粒的大小及入射角度、應(yīng)力集中系數(shù)等的影響，因此在實際分析時還要根據(jù)實際情況作進一步的實際處理，希望在以后的研究過程中會出現(xiàn)更準(zhǔn)確的計算方式．

［1］ 陳福來，帥健，丁克勤．煙氣輪機葉片應(yīng)力分析與壽命評估方法評述［J］．石油化工設(shè)備，2006，5(1):56-63．

［2］ 蔡能等．高溫多軸疲勞損傷與壽命預(yù)測研究進展［J］．機械強度，2004，26(5):576-582．

［3］ 李新玲，胡基才．汽輪機葉片的疲勞壽命計算［J］．湖北電力，2007，31(5):42-44．

［4］ 彭立強．大型燃氣輪機渦輪葉片疲勞壽命研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2008．

［5］ 中國航空材料手冊編輯委員會．中國航空材料手冊，第2卷．變形高溫合金［M］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989．

［6］ 宋志安，于濤，李紅艷，等．機械結(jié)構(gòu)有限元分析—ANSYS與ANSYS Workbench工程應(yīng)用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2010．

［7］ Xi Chen．Foreign object damage on the leading edge of a thin blade［J］，Mechanics ofMaterials，2005，37:447-457．

［8］ 李德勝．提高催化裂化裝置能量回收機組運行水平的研究［J］．應(yīng)用科技，2006，33(8):68-70．

［9］ 李多民．化工過程機器［M］．北京:中國石化出版社，2006．