核电机组汽轮机低压叶轮叶根槽应力腐蚀裂纹扩展寿命分析.pdf

第 卷 第期 年月P OWE RE QU I PME N TV o l ,N o J u l 收稿日期:;修回日期:作者简介:李思琦(),男,在读硕士研究生,主要研究方向为透平机械强度及安全性.E m a i l:q q c o m核电机组汽轮机低压叶轮叶根槽应力腐蚀裂纹扩展寿命分析李思琦,杨宇,李孝品,王金华,潘强,王军(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司,上海 ;中核核电运行管理有限公司,浙江嘉兴 ;核电运行研究(上海)有限公司,上海 )摘要:分析核电机组汽轮机低压叶轮应力腐蚀发生的机理及应力腐蚀裂纹扩展的原因,结合C l a r k模型和腐蚀环境下的P a i r s模型建立应力腐蚀裂纹扩展寿命的计算模型.以某核电机组汽轮机的低压第级、第级叶轮叶根槽为研究对象,对应力腐蚀裂纹扩展寿命进行研究分析.结果表明:采用种模型计算的裂纹扩展寿命均满足核电机组汽轮机耐用件使用寿命(年)的要求.P a i r s模型下的裂纹扩展寿命相比于C l a r k模型更加保守,在使用C l a r k模型对裂纹扩展寿命估算时,可以选取的安全系数,并且温度变化对C l a r k模型下的裂纹扩展速率有较大的影响.关键词:核电机组;汽轮机;低压叶轮;应力腐蚀;裂纹扩展寿命中图分类号:T K ;TM 文献标志码:A文章编号:X()D O I:/j c n k i f d s b A n a l y s i so nS t r e s sC o r r o s i o nC r a c kP r o p a g a t i o nL i f eo fL o w p r e s s u r eI m p e l l e rB l a d eR o o tG r o o v e i nN u c l e a rP o w e rU n i t S t e a mT u r b i n eL i S iqi,Y a ngY u,L iX i a opi n,W a ngJ i n h u a,P a nQ i a ng,W a ngJ u n(S h a ngh a iP o w e rEqu ipm e n tR e s e a r c hI n s t i t u t eC o,L t d,S h a ngh a i ,C h i n a;C h i n aN u c l e a rP o w e rOpe r a t i o nM a n age m e n tC o,L t d,J i a x i ng ,Z h eji a ngP r o v i n c e,C h i n a;N u c l e a rP o w e rOpe r a t i o nR e s e a r c h(S h a ngh a i)I n s t i t u t eC o,L t d,S h a ngh a i ,C h i n a)A b s t r a c t:A n a lys e s w e r ec o n d u c t e do nt h e m e c h a n i s m o fs t r e s sc o r r o s i o na n dt h ec a u s eo fs t r e s sc o r r o s i o nc r a c kpr opaga t i o no ft h es t e a mt u r b i n el o w pr e s s u r ei mpe l l e ri nn u c l e a rpo w e ru n i t s,a n dt h ec a l c u l a t i o nm o d e l f o r s t r e s s c o r r o s i o nc r a c kpr opaga t i o n l i f ew a s e s t a b l i s h e dc o m b i n e dw i t hC l a r km o d e l a n dP a i r sm o d e l i nt h ec o r r o s i o ne n v i r o n m e n t T a k i ngt h e s e c o n da n dt h i r ds t age i mpe l l e rb l a d er o o tgr o o v e so ft h e l o w pr e s s u r es t e a mt u r b i n e i nan u c l e a rpo w e ru n i ta s t h er e s e a r c ho bje c t,t h epr opaga t i o nl i f eo f s t r e s sc o r r o s i o nc r a c k w a sr e s e a r c h e da n da n a lyz e d R e s u l t ss h o wt h a tt h ec r a c kpr opaga t i o nl i f ec a l c u l a t e da c c o r d i ngt ot h es t r e s sc o r r o s i o nc r a c kpr opaga t i o nr a t ew i t ht h et w om o d e l sc a nm e e tt h er equ i r e m e n to ft h es e r v i c e l i f e(ye a r s)o ft h es e r v i c e a b l epa r to ft h es t e a mt u r b i n ei nn u c l e a rpo w e ru n i t s T h ec r a c kpr opaga t i o n l i f ef r o mP a i r sm o d e l i sm o r ec o n s e r v a t i v et h a nt h a tf r o m C l a r km o d e l,a n dt h es a f e tyf a c t o rc a nb es e l e c t e dw i t h i n w h e ne s t i m a t i ngt h ec r a c kpr opaga t i o n l i f ew i t hC l a r km o d e l,w h i l e t h e c h a ngeo ft e mpe r a t u r eh a sas ign i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h ec r a c kpr opaga t i o nr a t ew i t hC l a r km o d e l K e y w o r d s:n u c l e a rpo w e r u n i t;s t e a m t u r b i n e;l o w pr e s s u r e i mpe l l e r;s t r e s s c o r r o s i o n;c r a c kpr opaga t i o nl i f e核电机组汽轮机低压转子、叶轮和叶片长期工作在湿蒸汽环境下,湿蒸汽中溶解或携带的杂质在叶轮红套、叶根槽、叶轮键槽和叶轮表面沉积形成腐蚀介质.同时,汽轮机的叶根槽和叶轮键槽由于外部载荷或者结构装配导致其承受了较大的拉应力,容易产生疲劳破坏.国内外电厂均发生过由于叶根槽或叶根裂纹导致的停堆停机事件,根据美国电力研究所统计结果,在对第期李思琦,等:核电机组汽轮机低压叶轮叶根槽应力腐蚀裂纹扩展寿命分析美国 台核电机组的检查中,有 台机组出现了应力腐蚀开裂的情况,多数应力腐蚀开裂发生在叶轮键槽和叶根槽处.常规火电厂也有类似情况发生,年,北京某热电厂俄罗斯机组出现由于叶根槽应力腐蚀断裂导致机组停机的事故.因此,为了进行有效的预防性检修,应对汽轮机叶根槽及叶根情况有充分的掌握,保障汽轮机组的安全运行,并且针对性地对处于蒸汽过渡区的叶根槽处应力腐蚀裂纹的裂纹扩展寿命进行预测.焦广臣等和谈尚炯分别介绍了应力腐蚀裂纹扩展的种模型,但是没有对应力腐蚀裂纹扩展寿命进行估算.陈钢等介绍了应力腐蚀裂纹扩展寿命的不确定方法评估,计算了运行时间下的失效概率,但是没有对应力腐蚀下的裂纹扩展寿命进行计算.仪剑等只采用C l a r k模型中的裂纹扩展速率分析应力腐蚀裂纹萌生并计算扩展阶段的寿命,但是没有考虑实际运行环境的影响.因此,在分析应力腐蚀裂纹时,需要考虑低压转子运行的实际环境.笔者介绍了应力腐蚀机理,使用C l a r k模型和腐蚀环境下的P a i r s模型中的裂纹扩展速率对低压叶轮叶根槽的应力腐蚀裂纹扩展寿命进行估算,为核电机组汽轮机低压叶轮叶根槽的应力腐蚀裂纹扩展寿命分析提供技术支撑.应力腐蚀机理及裂纹扩展前提 应力腐蚀机理应力腐蚀是指处于腐蚀环境介质中的金属材料在拉应力的作用下出现裂纹扩展甚至断裂的现象.应力腐蚀裂纹是在环境介质腐蚀和静拉力的联合作用下的一种脆性开裂特征,影响应力腐蚀的三要素图见图(S C C为应力腐蚀裂纹).金属材料在某些环境介质受到拉应力作用时,即使拉应力远小于材料的屈服极限,也会发生开裂.图影响应力腐蚀的三要素图应力腐蚀裂纹的萌生涉及电化学过程,湿蒸汽中携带的杂质沉积在汽轮机结构复杂的部位形成腐蚀介质,例如叶根槽、叶轮键槽等部位.腐蚀介质电解分离金属表面的氧化钝化层形成点蚀坑.因此,裂纹的扩展涉及材料学科和断裂力学,与材料的应力腐蚀开裂敏感性和工作载荷有关,点蚀坑在高应力及腐蚀环境的共同作用下开始发生裂纹扩展.裂纹扩展前提对处于过渡区和湿蒸汽区工作的转子、叶轮、汽缸和叶片等汽轮机关键部件进行应力腐蚀强度设计的安全性校核时,只对与湿蒸汽有接触的汽轮机关键部件的外表面和有可能沉积蒸汽中腐蚀介质的部位(如套装叶轮内孔、叶轮键槽、叶根、轮缘叶根槽、销钉孔等)进行应力腐蚀强度校核.考虑到压应力通常不会引起应力腐蚀开裂,工程上选择拉应力(最大主应力)进行计算分析.应力腐蚀裂纹扩展的前提主要包含以下个方面.()应力强度因子的判据为KIKI S C C,其中:KI为应力强度因子;KI S C C为材料发生应力腐蚀的应力强度因子阈值.()最大主应力的判据为S C C,其中:为表面最大主应力;S C C为应力腐蚀开裂拉应力阈值.()裂纹尺寸的判据为aaS C C,其中:a为探伤发现的表明初始裂纹的深度;aS C C为应力腐蚀裂纹尺寸的阈值.当以上个判据中有个不成立时,就会发生应力腐蚀裂纹扩展.应力腐蚀裂纹扩展寿命计算 应力腐蚀裂纹扩展速率理论计算计算裂纹扩展速率的模型主要包含C l a r k模型和P a i r s模型.C l a r k模型是针对特定材料在特定的腐蚀环境下,通过实验得到的一种腐蚀缺陷增长率模型.C l a r k模型将材料的屈服强度及环境温度认为是影响转子钢材料的重要参数,具体计算公式为:l nv T y()式中:v为裂纹扩展速率,i n/h r(i n/h r m/s);T为兰氏温度,R(T(t )/,t为摄氏温度,);y为材料 室温下的屈 服强度,k s i(k s i MP a).第 卷P a i r s模型考虑了力学载荷对裂纹扩展速率的影响,其计算公式为:dadC Kn()式中:da/d为裂纹扩展速率;C、n均为材料常数;K为应力强度因子.应力腐蚀裂纹扩展寿命的计算方法应力腐蚀裂纹扩展有个阶段,具体划分见图,其中:阶段是由力学载荷向应力强度因子过渡阶段;阶段是应力强度因子控制阶段,裂纹扩展速率基本不随应力强度因子变化,但受介质、工作温度和材料屈服强度的影响较大;阶段是完全由断裂力学控制的阶段,裂纹的扩展主要受力学载荷的支配.图应力腐蚀裂纹扩展速率随应力强度因子变化曲线在计算应力腐蚀裂纹扩展寿命时,由于阶段的时间很短,将阶段忽略会使计算得到的裂纹扩展寿命更短,进而造成计算结果偏于保守.一般有种计算裂纹扩展寿命的方法.()考虑应力腐蚀裂纹扩展阶段和阶段的精确计算方法.应力腐蚀裂纹扩展速率可以表示为应力强度因子的函数,具体计算公式为:dadF(K)()dKddKdadaddKdaF(K)()FFdKCKI S C CdKdaF(K)dK()式中:F为应力腐蚀裂纹扩展寿命.()只考虑应力腐蚀裂纹扩展阶段的近似算法.当只考虑应力腐蚀裂纹扩展阶段时,具体计算公式为:dadF(K)D()FacaS C CD()式中:D为应力腐蚀裂纹扩展阶段的材料试验常数;ac为汽轮机耐用件的临界裂纹尺寸.为了计算简便,采用第种方法(即只考虑裂纹扩展阶段的保守算法)进行计算.计算实例以某核电机组汽轮机为例,综合考虑影响应力腐蚀发生的三要素,选取低压第级与低压第级动叶进出口蒸汽作为研究对象,相关参数见表.蒸汽在低压第级动叶进口为过热蒸汽,在动叶出口时成为了湿蒸汽,蒸汽从过热蒸汽过渡到湿蒸汽;在低压第级的蒸汽为湿蒸汽,处于W i l s o n区.表某核电机组汽轮机各级动叶进出口蒸汽参数蒸汽位置压力/MP a温度/比焓/(k Jk g)干度蒸汽性质低压第级动叶进口 过热蒸汽低压第级动叶出口 湿蒸汽低压第级动叶进口 湿蒸汽低压第级动叶出口 湿蒸汽 应力计算结果计算选取低压第级及第级的叶轮叶根槽处.低压第级叶轮叶根槽最大主应力分布见图;低压第级叶轮叶根槽最大主应力分布见图.图低压第级叶轮叶根槽最大主应力分布云图图低压第级叶轮叶根槽最大主应力分布云图由图和图可得:低压第级叶轮叶根槽处最大主应力为 MP a,位于第四齿根;低压第级叶轮叶根槽处最大主应力为 MP a,也位于第四齿根.低压第级和低压第第期李思琦,等:核电机组汽轮机低压叶轮叶根槽应力腐蚀裂纹扩展寿命分析级叶轮叶根槽处的最大主应力与屈服强度之比分别为 和 ,满足应力腐蚀强度的设计判据.裂纹扩展寿命计算假设由于叶轮自身存在缺陷,导致机组运行一段时间后经探伤发现表面有初始裂纹并发生裂纹扩展.采用应力腐蚀裂纹扩展寿命的近似算法计算应力腐蚀裂纹扩展寿命.分别用C l a r k模型的裂纹扩展速率,以及在、的N a OH水溶液 介质中对试样施加()s(s为屈服强度极限)范围内的载荷,即采用腐蚀环境下P a i r s模型的裂纹扩展速率进行计算.低压第级和第级叶轮叶根槽裂纹扩展寿命分别见图和图.图低压第级叶轮叶根槽裂纹扩展寿命图低压第级叶轮叶根槽裂纹扩展寿命从图和图可以看到:从裂纹开始扩展至临界裂纹尺寸导致叶轮失效的时间在 h以上,远大于核电机组汽轮机耐用件使用寿命(年)的要求,理论上可认为低压第级、第级叶轮的叶根槽在服役期间不会由于应力腐蚀而失效.同时,图和图说明分别通过采用C l a r k经验公式得到的裂纹扩展速率和采用腐蚀环境下P a i r s模型得到的裂纹扩展速率,计算初始裂纹长度应力腐蚀裂纹扩展寿命时存在较大偏差.这是因为采用C l a r k模型更多地考虑了材料的屈服强度及零部件的工作温度对应力腐蚀裂纹扩展速率的影响,忽略了力学载荷的因素.因此,在使用C l a r k经验公式估算应力腐蚀裂纹扩展寿命时应当考虑引入适当的安全系数.根据图和图,可以将安全系数取为,尽可能地使得到的裂纹扩展寿命更加保守.对比图和图中C l a r k模型下的裂纹扩展寿命,裂纹扩展到相同的尺寸时,低压第级叶轮叶根槽所需要的时间更长.这是由于低压第级叶轮工作环境温度比第级低,因此相比于低压第级叶轮叶根槽,根据式()计算得到的低压第级 叶轮叶根槽 裂纹 扩 展 速 率 更小.同时,工作环境温度对C l a r k模型计算得到的裂纹扩展速率影响较大,低压第级与低压第级叶轮叶根槽的工作环境温度相差 K,导致使用C l a r k模型计算得到的裂纹扩展速率相差较大.为了保证机组在服役期间的安全运行,应对低压转子及压叶轮定期进行探伤检查,对于不同深度的裂纹,应采取不同的处理措施.对于较深的裂纹,需要对其进行安全性评估和缺陷扩展寿命估算,进一 步采取措施,以保证机组 的 安 全运行.结语选取处于蒸汽过渡区的低压第级和处于W i l s o n区的低压第级叶轮叶根槽处进行应力腐蚀研究,先对这两级叶轮进行应力计算,然后分别采用C l a r k模型裂纹扩展速率和特定环境下的P a i r s模型裂纹扩展速率对应力腐蚀裂纹扩展寿命进行估算,得到的结论如下:()低压第级和低压第级叶轮叶根槽处的最 大 主 应 力 分 别 为 MP a和 MP a,满足应力腐蚀强度的设计判据.()当初始裂纹开始扩展后,尽管在设计阶段采用C l a r k模型计算应力腐蚀裂纹扩展寿命十分方便,只需要通过叶轮的工作温度及材料的屈服强度就可以进行计算,但是C l a r k模型未考虑实际载荷及实际的工作环境,与P a i r s模型下的应力腐蚀寿命相差较大.因此,在采用C l a r k模型估算应力腐蚀裂纹扩展寿命时,从更加保守的角度考虑,可以将安全系数取为.()工作环境温度对C l a r k模型计算得到的第 卷裂纹扩展寿命影响较大,较小的温差就可以使应力腐蚀裂纹速率相差较大.参考文献:焦广臣,王炜哲,蒋浦宁,等核电机组汽轮机转子结构应力腐蚀裂纹扩展研究J汽轮机技术,():,史进渊大功率电站汽轮机寿命预测与可靠性设计M北京:中国电力出版社,宋利俄罗斯汽轮机低压转子叶轮叶根槽裂纹原因分析J热加工工艺,():,谈尚炯核电汽轮机低压转子的应力腐蚀寿命预测建模及计算分析D上海:上海交通大学,陈钢,蒋浦宁,王炜哲,等汽轮机部件应力腐蚀寿命评估方法研究J热力透平,():,仪剑,黄庆华,王海涛汽轮机低压转子的应力腐蚀寿命预测J热力透平,():,蒋浦宁核电汽轮机防应力腐蚀裂纹技术J热力透平,():,C HE NG,J I AN GP,Y EX,e t a l S t r e s s c o r r o s i o nc r a c k i n ga n dc o r r o s i o nf a t i g u ea n a l y s i so fn u c l e a rs t e a mt u r b i n er o t o rC/T u r b oE x p o:P o w e rf o rL a n d,S e a,a n dA i r Am e r i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s,:V B T A 李庆芬断裂力学及其工程应用M哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,史进渊,杨宇,邓志成,等汽轮机零部件强度有限元分析的设计判据J热力透平,():郑善琨汽轮机低压转子在应力腐蚀环境中的可靠性J发电设备,():(上接第 页)O p t i m i z e ds t r u c t u r a l d i s s i m i l a rm e t a lw e l do v e r l a y f o rm i t i g a t i o no fPWRc l a s si t e m s,s e c t i o n,d i v i s i o n:A S MEB P V CC a s eN SN e wY o r k,A l t e r n a t i v ee x a m i n a t i o nr e q u i r e m e n t sa n da c c e p t a n c es t a n d a r d s f o r c l a s s PWRp i p i n ga n dv e s s e l n o z z l eb u t tw e l d s f a b r i c a t e dw i t hUN SN o rUN SW w e l d f i l l e rm a t e r i a lw i t ho rw i t h o u ta p p l i c a t i o no f l i s t e dm i t i g a t i o na c t i v i t i e ss e c t i o n,d i v i s i o nS u p p:A S MEB P V CC A S EN SN e wY o r k,N i c k e l a l l o yr e a c t o rc o o l a n t i n l a ya n do n l a yf o rm i t i g a t i o no fPWRf u l lp e n e t r a t i o nc i r c u m f e r e n t i a ln i c k e la l l o yd i s s i m i l a rm e t a lw e l d s i nc l a s si t e m s,s e c t i o n,d i v i s i o n:A S MEB P V CC a s eN SN e wY o r k,S i m i l a ra n dd i s s i m i l a rm e t a lw e l d i n gu s i n ga m b i e n t t e m p e r a t u r em a c h i n eG T AWt e m p e rb e a dt e c h n i q u e,s e c t i o n,d i v i s i o n:A S ME B P V C C a s e N SN e w Y o r k,M i t i g a t i o no fF l a w si nN P S(D N)a n d s m a l l e rn o z z l e sa n dn o z z l ep a r t i a l p e n e t r a t i o nw e l d s i nv e s s e l sa n dp i p i n gb yu s eo f am e c h a n i c a l c o n n e c t i o nm o d i f i c a t i o n,s e c t i o n,d i v i s i o n:A S MEB P V CC a s eN SN e wY o r k,