周慧君

（山西省工业设备安装集团有限公司，山西 太原 030032）

1 汽轮机焊接转子疲劳

在汽轮机带负荷稳定运行过程中，由于离心力载荷与热载荷的作用，在汽轮机转子中产生的稳定应力称为平均应力.静止的大跨距、上百吨的汽轮机转子在自身重力载荷作用下，在转子重心以上部位的外表面产生压应力，在转子重心以下部位的外表面产生拉应力，在汽轮机带负荷稳定运行过程中，转子外表面某一点除了承受离心力载荷与热载荷产生的稳定平均应力外，当该点旋转到转子顶部90°位置时，由于转子与叶片的自重单独作用产生压应力，当该点旋转到转子底部270°位置时，由于转子与叶片的自重单独作用产生拉应力。在带负荷稳定运行工况下，汽轮机转子旋转到不同位置的交变应力是由转子与叶片的自身重力载荷引起的。每转1周，汽轮机转子承受自重作用产生疲劳循环1次。对于半转速火电或核电汽轮机，每秒疲劳循环为25次。汽轮机转子的高周疲劳寿命设计属于有限寿命设计，它只保证汽轮机转子在设计寿命期限内可以安全使用.汽轮机转子的高周疲劳寿命分为高周疲劳裂纹萌生寿命和高周疲劳裂纹扩展寿命。

2 汽轮机焊接转子残余应力模拟及其对疲劳寿命的影响

2.1 焊接残余应力模拟

根据汽轮机转子力学模型的差异和所承受的离心力载荷与重力载荷选取相应的力边界条件.对汽轮机转子的联轴器端面和中心孔内表面选取热流密度为零的第二类传热边界条件，汽轮机转子轴颈部位外表面取为与润滑油强制对流传热的第三类传热边界条件，而对汽轮机转子的其他外表面则取为与蒸汽强制对流传热的第三类传热边界条件。转子的焊接过程热分析、残余应力分析均采用二维有限元模型，然后利用模型的轴对称性，将计算结果旋转180生成三维焊接残余应力场，用于后期高周疲劳和临界裂纹分析。计算转子正常运行状态下的受力时，只考虑离心力和重力的作用。目标是计算多道焊接产生的残余应力及其对疲劳寿命的影响，鉴于近年来窄间隙焊接技术已广泛用于转子等大壁厚工件的焊接。

2.2 对疲劳寿命的影响

转子初始裂纹高周疲劳安全性的分析思路在汽轮机转子内部或表面总是存在通过现有探伤技术不能发现的初始裂纹或缺陷.对于探伤不能发现的汽轮机转子的初始裂纹或缺陷，汽轮机带负荷稳定运行工况下，在高周疲劳循环的交变应力作用下，保证汽轮机安全运行的前提。在汽轮机带负荷稳定运行工况下，在离心力载荷、热载荷与重力载荷的共同作用下产生的最大主应力与转子由锻造、焊接与热处理等制造工艺产生的残余应力的方向并不相同.在设计阶段，为了保证转子设计的安全性，同时加载汽轮机额定负荷工况下转子和叶片的离心力载荷、转子温度分布不均匀引起的热载荷以及转子和叶片的重力载荷，采用三维有限元分析方法计算得出汽轮机额定负荷运行工况下的转子不同部位的最大主应力。考虑到压应力不会引起裂纹疲劳扩展，因此在对现有汽轮机转子的疲劳裂纹扩展寿命进行预测时，应采用最大主应力与残余应力之和来计算汽轮机转子的应力强度因子。

在工程上，把在离心力载荷、热载荷与重力载荷共同作用下转子上某一点旋转到转子下部。对于探伤不能发现初始裂纹的汽轮机转子，为了保证汽轮机转子初始裂纹在服役期内的高周疲劳循环应力幅作用下安全运行发生裂纹疲劳扩展，即在汽轮机带负荷稳定运行的服役期内，转子高周疲劳寿命达到数量级，转子允许的初始裂纹尺寸应小于转子初始裂纹尺寸的界限值为了保证汽轮机转子高周疲劳设计的安全性，还需要考虑安全系数，以保障转子初始裂纹高周疲劳有一定的安全裕量。若考虑焊接残余应力存在，可以发现焊接接头热影响区附近外表面的临界裂纹尺寸略有降低，而其它部位的临界裂纹尺寸明显增大。

这是因为外表面多为残余压应力，压应力抑制裂纹扩展。焊缝和热影响区处内表面的临界裂纹尺寸相对较小，且小于无焊接残余应力情况下的临界裂纹尺寸。汽轮机启动停机过程中应力变化是转子低周疲劳失效的主要原因。残余应力对转子低周疲劳寿命的影响，转子进汽侧凹槽和焊接接头内表面圆弧段是低周疲劳损伤最大的区域，有焊接残余应力时，转子可经历5722次启停，最危险位置在焊缝外次表面。无焊接残余应力时，转子则可经历5倍以上的启停，可见焊接残余应力对转子低周疲劳寿命的影响非常显著。在焊接接头局部的内、外表面无焊接残余应力时，接头外表面的失效寿命低于内表面，相差大于一个数量级，表明焊接接头的外表面更容易萌生疲劳裂纹。有焊接残余应力时，接头局部内、外表面的疲劳寿命变化幅度非常大。在焊缝和远离焊缝的母材区域，无论外表面还是内表面，疲劳寿命均明显较大。然而在热影响区附近的母材区域，内外表面的疲劳寿命都明显降低。

疲劳寿命分析表明，焊接残余应力导致高周和低周疲劳寿命均有所降低。焊接残余压应力使得转子焊接接头内外表面大部分区域可以允许存在更大的裂纹。焊接转子在60年服役期内的高周疲劳设计是安全的，汽轮机转子初始裂纹疲劳安全性分析方法原则上也可应用于发电机转子与护环的疲劳设计和结构改进。