淺析汽輪機的熱應力

摘 要：汽輪機是火電廠的重要設備，它的運行情況如何會直接影響到整個企業的效益。在汽輪機的運行過程中，不可避免會產生熱應力，而這些熱應力若得不到有效的控制，則可能導致氣缸裂紋、轉子變形等不良后果，影響汽輪機組的正常工作。鑒于此，文章主要對汽輪機的受熱特征、熱應力產生原因及控制方法等問題進行了探討。

關鍵詞：汽輪機；熱應力；氣缸；轉子

在汽輪機的運行中，熱應力是極易導致設備損壞的一個因素。當物體溫度發生改變時，熱變形在其他物體或者物體內部各部分的相互約束作用下而產生的一種應力，則稱為熱應力[1]。比如，轉子變形、氣缸裂紋或者螺栓裂紋等，都是在熱應力作用下產生的。因此，掌握汽輪機熱應力的產生原因與影響因素，并采取相應的控制措施，才能最大限度地減少熱應力造成的不良后果的發生。

1 汽輪機的受熱特征分析

1.1 氣缸

啟動時，蒸汽熱量利用對流的方式傳遞給氣缸內壁，然后通過導熱方式傳遞至外壁。再經過保溫層直接散向大氣。此時，氣缸內外壁之間會出現溫差，且外壁溫度高出內壁溫度，停機時的溫差情況則相反。內外壁溫差的影響因素主要有這幾個：（1）氣缸壁的厚度，汽缸壁厚度和溫差成正比關系。（2）蒸汽對內壁加熱的強弱程度。加熱較快時，溫度呈雙曲線型分布，溫差主要集中于內壁一側；加熱較穩定時，溫度呈直線型分布，溫差的分布相對均勻；加熱較緩慢時，溫度呈拋物線型分布，內壁溫差則較大[2]。（3）材料的導熱性能。材料導熱性好，溫度易升高。

1.2 轉子

蒸汽熱量通過對流方式傳遞給轉子外表面后，再利用導熱方式將熱量傳至中心孔，最后經過中心孔散至周圍環境。此時，轉子外表面與中心孔之間的溫度相差較大，則產生了溫差。轉子的材料特性、結構和蒸汽對轉子的加熱快慢等因素，直接決定了溫度差的大小。

2 汽輪機的熱應力

2.1 氣缸

啟動氣缸時，氣缸內壁會和蒸汽產生直接接觸，故內壁溫度會快速上升，而外壁溫度的上升相對較慢，氣缸內外壁會出現較大的溫度差。這時候，內壁的金屬會膨脹，而外壁金屬卻未膨脹，內壁需要承受熱壓應力，外壁則承受熱拉應力。如果汽輪機突然停機，或是蒸汽溫度驟降，氣缸外壁溫度會明顯高出內壁溫度，此時內壁承受的則為熱拉應力，外壁承受的則為熱壓應力，且熱應力會隨著溫差的增大而增大。若氣缸金屬材料的熱應力極限已無法承受此時的熱應力，則會導致氣缸發生塑性變形或者永久變形，嚴重時會出現裂紋。

因為熱應力和溫度差之間呈正比例關系，故可將溫度差當作控制熱應力的一個指標。汽輪機啟停過程中，應確保許用值應始終大于熱應力值，且氣缸與法蘭內外壁的溫度差也不能超出規定范圍。另外，氣缸內壁的溫升溫降速度也應控制在一定范圍內，因為汽輪機的啟停與停機快慢直接取決于氣缸內的溫升溫降速度。

2.2 螺栓

在汽輪機的啟動過程中，氣缸螺栓受熱是因為法蘭的傳遞，故其溫度一般低于法蘭溫度，而兩者之間出現的溫度差，則產生了熱拉應力。法蘭會在垂直方向發生膨脹，進而拉長了螺栓。另外，螺栓承受的拉應力還包括扣上氣缸時的預緊拉應力、氣缸內蒸汽產生的抗力。當螺栓金屬材料的強度無法承受起這三種拉應力的總和時，螺栓則會發生塑性變形或斷裂。

法蘭和螺栓的溫度差越大，螺栓承受的熱拉應力也越大。實踐表明，如果汽輪機的其他部件溫升率在允許范圍內，螺栓熱拉應力不會達到危險的程度，但蒸汽溫若是遠遠高出氣缸溫度，則會導致螺栓熱拉應力的異常增大，或是超出許用值。因此，大功率的汽輪機都應安裝有螺栓加熱裝置，從而有利于將法蘭和螺栓的溫度差控制在一定范圍內，避免螺栓拉應力超過許用值。一般來說，法蘭與螺栓的溫度差允許值主要是這兩個：中參數的機組，在40～50℃范圍內；高參數的機組，在20～35℃范圍內[3]。

經過長時間運行的機組，會出現應力松弛的情況，螺栓緊力也會減小，這會在一定程度減少螺栓損壞的可能，但會降低氣缸法蘭接觸面的嚴密性。因此，對于長時間運行后的機組，如果螺栓材料出現松弛而不能確保法蘭接觸面的嚴密性時，應充分利用停車的機會，及時旋緊螺栓。

2.3 轉子

如果運行工況出現變動，汽輪機轉子的橫截面會出現溫度差，進而產生熱應力。當汽輪機在冷態下啟動時，轉子中心與表面的溫度與環境溫度相差不大。在機組中轉子帶負荷的情況下，轉子表面的溫度會快速飆升，如果達到了額定的負荷，溫度其實和第一級氣缸的溫度非常接近。這時，轉子中心的溫度與轉子表面溫度相差較大，則產生了溫度差，形成熱應力。轉子表面的是熱壓應力，轉子中心的是熱拉應力。停機時，剛好相反，轉子中心是熱壓應力，轉子表面是熱拉應力。

一般情況下，汽輪機轉子的最大熱應力主要出現于高壓轉子調節級或者中壓轉子第一級周邊。所以，若想實現對轉子熱應力的控制，可通過控制調節級氣缸內溫度來完成。實踐表明，以氣缸法蘭的熱應力允許值為標準，對轉子的最大允許溫度變化率進行控制，基本能將轉子熱應力控制在許用值范圍內。如果是大型汽輪機組的轉子，還必須考慮轉子的使用壽命。在交變熱應力的反復、循環作用下，轉子很容易出現低疲勞損傷，然后產生裂紋。啟停時，加熱或者冷卻的速度越快，轉子的耗損也會越大，也更容易產生裂紋。所以，在生產過程中，應盡可能減少汽輪機組的啟停次數與頻率，避免負荷出現劇烈變動。

在低溫條件下，金屬材料的機械性能也會改變，由原本的韌性變為脆性，當達到一個特定的指時，則會發生脆性斷裂，而這一溫度被稱為脆性轉變溫度。通常情況下，大功率汽輪機的低壓轉子脆性轉變溫度在0℃左右，高中壓轉子約為120℃[4]。因此，功率不同的汽輪機運行期間，必須注意控制好轉子的脆性轉變溫度，減少轉子損壞的可能。

3 結束語

實踐發現，汽輪機受熱時產生的熱應力，直接取決于受熱的快慢，及溫度升高的速度。如果加熱的速度很快，熱應力就大；加熱的速度慢，熱應力則小。因此，為了避免熱應力過大，必須對溫度的提升速度進行嚴格控制，確保熱應力被控制在一個合理的范圍內，從而有利于減少汽輪機損壞，延長汽輪機的使用壽命。

參考文獻

[1]侯國順.核電廠汽輪機熱應力控制技術的研究[J].硅谷，2014（22）：49-50.

[2]黃海躍，楊宇，石兆元.核電CPR1000汽輪機啟動程序中熱應力控制策略[J].發電沒備，2014，28（2）：90-93.

[3]雷小東.國產N300MW汽輪機的熱應力分析[J].中國科技信息，2013（7）：104+106.

[4]韓煒，何青，沈克偉，等.1000MW超超臨界汽輪機轉子啟動過程的熱應力分析[J].華電技術，2013，35（2）：27-32+84.

作者簡介：陸啟毅（1987，1-），男，本科，廣西武鳴人，助理工程師，現工作于神華國華廣投（柳州）發電有限責任公司，主要從事集控運行方面的工作。