高低周復合疲勞工況下汽輪機轉子鋼壽命模型

崔 璐， 康文泉， 吳 鵬， 劉 陽， 李 臻， 竇益華

(西安石油大學機械工程學院， 西安 710065)

火力發電在可預知的未來繼續在能源結構中，將越來越多地被賦予調峰的職責，機組在頻繁的啟停操作中，加劇了高溫部件疲勞損傷，降低了機組的壽命[1]。作為超超臨界汽輪機轉子的關鍵零部件，汽輪機轉子在運行工況下的載荷包括由重力、蒸汽壓力和離心力等組成的初級載荷以及由啟停過程中溫度變化和瞬時負荷波動引起的次級載荷[2]。初級載荷以應力控制形式，在高溫環境中會引起設備材料蠕變損傷。次級載荷周期性交替引起材料低周疲勞(low cycle fatigue, LCF)損傷[2-5]，同時承受重力、慣性等引起的高周疲勞(high cycle fatigue, HCF)載荷[6]。幾種載荷交互作用引起轉子表面開裂，降低機組壽命[7]。在傳統的壽命設計中，通常將低周疲勞損傷和高周疲勞損傷分別考慮。雖然相對于溫差引起的大幅值低周疲勞損傷，高周載荷振幅較低且可控，然而二者交互作用時，材料壽命大幅度降低。為了準確描述和預測高溫部件復雜疲勞交互作用下的壽命，復合疲勞(combined cycle fatigue, CCF)載荷成為繼恒溫低周載荷、變溫低周載荷之后的下一個熱點研究方向。

目前，多數高低周復合疲勞載荷下壽命模型的研究主要基于累積損傷法則和裂紋擴展模型。Norman等[8]假定了一個獨立的Paris定律，使得疊加于熱機疲勞的高周載荷促進了裂紋擴展；作為對比，Seifert等[6,9]基于裂紋擴展提出了一種復合壽命模型，對常用于高溫設備的10%Cr鋼和用于內燃機氣缸蓋的三種鑄鐵材料進行了壽命預測，并與實驗結果進行了對比，此模型考慮了疊加的高周疲勞會加速裂紋擴展，降低構件的疲勞壽命，且預測結果與實驗結果吻合度較好，較為準確地預測了材料的疲勞壽命。……