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汽轮机汽缸壁开裂处强度有限元分析

发布于:2021-08-14 20:16
有限元分析

       某电厂5号武汉汽轮发电机厂生产的5150-1型汽轮发电机组,额定功率50 MW;蒸汽压力(8.83±0.44)MPa,蒸汽温度(535±2)℃,1991年投产。汽缸中分面处采用高低波形法兰,运行中局部长期存在漏汽现象。1994年大修揭缸检查发现在汽缸端壁法兰面上存在长度(30~40)mm、深度65 mm的裂纹,附近还有少量尺寸较小的微裂纹。
       汽缸是汽轮机最大部件,它可以近似地看作是承受着温度和压力的密封容器。由于汽缸承受内压和高温,因此,对汽缸的强度有限元分析,应当包括2部分:(1)内压引起的应力,在高压缸端部区域,内压引起的位移和应力最大;(2)由起动或停机过程中内外壁温差引起的热应力,汽缸中分面法兰在汽轮机运行过程中,尤其是起动过程中,是温差较大的部位,因而也是热应力较高的地方。此外,由于端部几何形状突变还将引起应力集中,本汽缸也正是在该处产生了裂纹。首先分析端壁顶点处的应力,由该应力计算出端部弧面上所加的弯矩,该弯矩与内压引起的弯矩合成。
       产生的应力就是产生裂纹处的应力。理论和试验表明,汽缸中分面上的法兰、螺栓连接对此处的位移和应力影响不大。因此,计算这一区域壳体的位移和应力时,可忽略法兰的影响,将这一区域的壳体看作是由圆环和圆柱壳组成的轴对称壳体,按二维壳体理论计算汽缸端壁处的应力。当曲面平均曲率半径与端壁厚度之比R/δ>5时,可将壳体看成薄壳来分析,本汽缸符合这一条件。
       (1)裂纹尖端(汽缸内壁)最大应力强度因子K1<0.6K1c,满足断裂安全判据,本汽缸裂纹是安全的。但其裂纹尖端的K1值已接近断裂判据值,故消除缺陷可提高汽缸运行的安全性。
       (2)汽机起动初期,裂纹处热应力σt=212.5MPa;正常运行时,内压引起的内壁应力σp=260.7MPa。如果汽机遇到热冲击,汽流温度降低,或停机降温速度过快,都将使内壁在原有应力的基础上叠加一个较高的拉伸热应力,使裂纹处峰值应力达到甚至超过屈服应力。裂纹处应力随起动-运行-停机(或热冲击)而变化,这种载荷谱将引起蠕变疲劳交互作用,导致裂纹的萌生、扩展。应定期对该处探伤检查,发现裂纹应及时研究解决措施。
       (3)内压引起的应力是一次应力,无法降低;惟一可控制的应力是热应力引起的峰值应力。因此应严格按照机组起停规程操作,避免升降温速率过快,以使热应力引起的峰值应力降低到最小限度,延长汽缸的使用寿命。


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