高低周复合疲劳工况下汽轮机转子钢寿命模型

崔 璐， 康文泉， 吴 鹏， 刘 阳， 李 臻， 窦益华

(西安石油大学机械工程学院， 西安 710065)

火力发电在可预知的未来继续在能源结构中，将越来越多地被赋予调峰的职责，机组在频繁的启停操作中，加剧了高温部件疲劳损伤，降低了机组的寿命[1]。作为超超临界汽轮机转子的关键零部件，汽轮机转子在运行工况下的载荷包括由重力、蒸汽压力和离心力等组成的初级载荷以及由启停过程中温度变化和瞬时负荷波动引起的次级载荷[2]。初级载荷以应力控制形式，在高温环境中会引起设备材料蠕变损伤。次级载荷周期性交替引起材料低周疲劳(low cycle fatigue, LCF)损伤[2-5]，同时承受重力、惯性等引起的高周疲劳(high cycle fatigue, HCF)载荷[6]。几种载荷交互作用引起转子表面开裂，降低机组寿命[7]。在传统的寿命设计中，通常将低周疲劳损伤和高周疲劳损伤分别考虑。虽然相对于温差引起的大幅值低周疲劳损伤，高周载荷振幅较低且可控，然而二者交互作用时，材料寿命大幅度降低。为了准确描述和预测高温部件复杂疲劳交互作用下的寿命，复合疲劳(combined cycle fatigue, CCF)载荷成为继恒温低周载荷、变温低周载荷之后的下一个热点研究方向。

目前，多数高低周复合疲劳载荷下寿命模型的研究主要基于累积损伤法则和裂纹扩展模型。Norman等[8]假定了一个独立的Paris定律，使得叠加于热机疲劳的高周载荷促进了裂纹扩展；作为对比，Seifert等[6,9]基于裂纹扩展提出了一种复合寿命模型，对常用于高温设备的10%Cr钢和用于内燃机气缸盖的三种铸铁材料进行了寿命预测，并与实验结果进行了对比，此模型考虑了叠加的高周疲劳会加速裂纹扩展，降低构件的疲劳寿命，且预测结果与实验结果吻合度较好，较为准确地预测了材料的疲劳寿命。……