淺析汽輪機(jī)的熱應(yīng)力

摘 要：汽輪機(jī)是火電廠的重要設(shè)備，它的運(yùn)行情況如何會(huì)直接影響到整個(gè)企業(yè)的效益。在汽輪機(jī)的運(yùn)行過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，而這些熱應(yīng)力若得不到有效的控制，則可能導(dǎo)致氣缸裂紋、轉(zhuǎn)子變形等不良后果，影響汽輪機(jī)組的正常工作。鑒于此，文章主要對(duì)汽輪機(jī)的受熱特征、熱應(yīng)力產(chǎn)生原因及控制方法等問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；熱應(yīng)力；氣缸；轉(zhuǎn)子

在汽輪機(jī)的運(yùn)行中，熱應(yīng)力是極易導(dǎo)致設(shè)備損壞的一個(gè)因素。當(dāng)物體溫度發(fā)生改變時(shí)，熱變形在其他物體或者物體內(nèi)部各部分的相互約束作用下而產(chǎn)生的一種應(yīng)力，則稱為熱應(yīng)力[1]。比如，轉(zhuǎn)子變形、氣缸裂紋或者螺栓裂紋等，都是在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。因此，掌握汽輪機(jī)熱應(yīng)力的產(chǎn)生原因與影響因素，并采取相應(yīng)的控制措施，才能最大限度地減少熱應(yīng)力造成的不良后果的發(fā)生。

1 汽輪機(jī)的受熱特征分析

1.1 氣缸

啟動(dòng)時(shí)，蒸汽熱量利用對(duì)流的方式傳遞給氣缸內(nèi)壁，然后通過導(dǎo)熱方式傳遞至外壁。再經(jīng)過保溫層直接散向大氣。此時(shí)，氣缸內(nèi)外壁之間會(huì)出現(xiàn)溫差，且外壁溫度高出內(nèi)壁溫度，停機(jī)時(shí)的溫差情況則相反。內(nèi)外壁溫差的影響因素主要有這幾個(gè)：（1）氣缸壁的厚度，汽缸壁厚度和溫差成正比關(guān)系。（2）蒸汽對(duì)內(nèi)壁加熱的強(qiáng)弱程度。加熱較快時(shí)，溫度呈雙曲線型分布，溫差主要集中于內(nèi)壁一側(cè)；加熱較穩(wěn)定時(shí)，溫度呈直線型分布，溫差的分布相對(duì)均勻；加熱較緩慢時(shí)，溫度呈拋物線型分布，內(nèi)壁溫差則較大[2]。（3）材料的導(dǎo)熱性能。材料導(dǎo)熱性好，溫度易升高。

1.2 轉(zhuǎn)子

蒸汽熱量通過對(duì)流方式傳遞給轉(zhuǎn)子外表面后，再利用導(dǎo)熱方式將熱量傳至中心孔，最后經(jīng)過中心孔散至周圍環(huán)境。此時(shí)，轉(zhuǎn)子外表面與中心孔之間的溫度相差較大，則產(chǎn)生了溫差。轉(zhuǎn)子的材料特性、結(jié)構(gòu)和蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子的加熱快慢等因素，直接決定了溫度差的大小。

2 汽輪機(jī)的熱應(yīng)力

2.1 氣缸

啟動(dòng)氣缸時(shí)，氣缸內(nèi)壁會(huì)和蒸汽產(chǎn)生直接接觸，故內(nèi)壁溫度會(huì)快速上升，而外壁溫度的上升相對(duì)較慢，氣缸內(nèi)外壁會(huì)出現(xiàn)較大的溫度差。這時(shí)候，內(nèi)壁的金屬會(huì)膨脹，而外壁金屬卻未膨脹，內(nèi)壁需要承受熱壓應(yīng)力，外壁則承受熱拉應(yīng)力。如果汽輪機(jī)突然停機(jī)，或是蒸汽溫度驟降，氣缸外壁溫度會(huì)明顯高出內(nèi)壁溫度，此時(shí)內(nèi)壁承受的則為熱拉應(yīng)力，外壁承受的則為熱壓應(yīng)力，且熱應(yīng)力會(huì)隨著溫差的增大而增大。若氣缸金屬材料的熱應(yīng)力極限已無法承受此時(shí)的熱應(yīng)力，則會(huì)導(dǎo)致氣缸發(fā)生塑性變形或者永久變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋。

因?yàn)闊釕?yīng)力和溫度差之間呈正比例關(guān)系，故可將溫度差當(dāng)作控制熱應(yīng)力的一個(gè)指標(biāo)。汽輪機(jī)啟停過程中，應(yīng)確保許用值應(yīng)始終大于熱應(yīng)力值，且氣缸與法蘭內(nèi)外壁的溫度差也不能超出規(guī)定范圍。另外，氣缸內(nèi)壁的溫升溫降速度也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，因?yàn)槠啓C(jī)的啟停與停機(jī)快慢直接取決于氣缸內(nèi)的溫升溫降速度。

2.2 螺栓

在汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程中，氣缸螺栓受熱是因?yàn)榉ㄌm的傳遞，故其溫度一般低于法蘭溫度，而兩者之間出現(xiàn)的溫度差，則產(chǎn)生了熱拉應(yīng)力。法蘭會(huì)在垂直方向發(fā)生膨脹，進(jìn)而拉長(zhǎng)了螺栓。另外，螺栓承受的拉應(yīng)力還包括扣上氣缸時(shí)的預(yù)緊拉應(yīng)力、氣缸內(nèi)蒸汽產(chǎn)生的抗力。當(dāng)螺栓金屬材料的強(qiáng)度無法承受起這三種拉應(yīng)力的總和時(shí)，螺栓則會(huì)發(fā)生塑性變形或斷裂。

法蘭和螺栓的溫度差越大，螺栓承受的熱拉應(yīng)力也越大。實(shí)踐表明，如果汽輪機(jī)的其他部件溫升率在允許范圍內(nèi)，螺栓熱拉應(yīng)力不會(huì)達(dá)到危險(xiǎn)的程度，但蒸汽溫若是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出氣缸溫度，則會(huì)導(dǎo)致螺栓熱拉應(yīng)力的異常增大，或是超出許用值。因此，大功率的汽輪機(jī)都應(yīng)安裝有螺栓加熱裝置，從而有利于將法蘭和螺栓的溫度差控制在一定范圍內(nèi)，避免螺栓拉應(yīng)力超過許用值。一般來說，法蘭與螺栓的溫度差允許值主要是這兩個(gè)：中參數(shù)的機(jī)組，在40～50℃范圍內(nèi)；高參數(shù)的機(jī)組，在20～35℃范圍內(nèi)[3]。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的機(jī)組，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛的情況，螺栓緊力也會(huì)減小，這會(huì)在一定程度減少螺栓損壞的可能，但會(huì)降低氣缸法蘭接觸面的嚴(yán)密性。因此，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的機(jī)組，如果螺栓材料出現(xiàn)松弛而不能確保法蘭接觸面的嚴(yán)密性時(shí)，應(yīng)充分利用停車的機(jī)會(huì)，及時(shí)旋緊螺栓。

2.3 轉(zhuǎn)子

如果運(yùn)行工況出現(xiàn)變動(dòng)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的橫截面會(huì)出現(xiàn)溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)汽輪機(jī)在冷態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子中心與表面的溫度與環(huán)境溫度相差不大。在機(jī)組中轉(zhuǎn)子帶負(fù)荷的情況下，轉(zhuǎn)子表面的溫度會(huì)快速飆升，如果達(dá)到了額定的負(fù)荷，溫度其實(shí)和第一級(jí)氣缸的溫度非常接近。這時(shí)，轉(zhuǎn)子中心的溫度與轉(zhuǎn)子表面溫度相差較大，則產(chǎn)生了溫度差，形成熱應(yīng)力。轉(zhuǎn)子表面的是熱壓應(yīng)力，轉(zhuǎn)子中心的是熱拉應(yīng)力。停機(jī)時(shí)，剛好相反，轉(zhuǎn)子中心是熱壓應(yīng)力，轉(zhuǎn)子表面是熱拉應(yīng)力。

一般情況下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的最大熱應(yīng)力主要出現(xiàn)于高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)或者中壓轉(zhuǎn)子第一級(jí)周邊。所以，若想實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的控制，可通過控制調(diào)節(jié)級(jí)氣缸內(nèi)溫度來完成。實(shí)踐表明，以氣缸法蘭的熱應(yīng)力允許值為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)轉(zhuǎn)子的最大允許溫度變化率進(jìn)行控制，基本能將轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力控制在許用值范圍內(nèi)。如果是大型汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子，還必須考慮轉(zhuǎn)子的使用壽命。在交變熱應(yīng)力的反復(fù)、循環(huán)作用下，轉(zhuǎn)子很容易出現(xiàn)低疲勞損傷，然后產(chǎn)生裂紋。啟停時(shí)，加熱或者冷卻的速度越快，轉(zhuǎn)子的耗損也會(huì)越大，也更容易產(chǎn)生裂紋。所以，在生產(chǎn)過程中，應(yīng)盡可能減少汽輪機(jī)組的啟停次數(shù)與頻率，避免負(fù)荷出現(xiàn)劇烈變動(dòng)。

在低溫條件下，金屬材料的機(jī)械性能也會(huì)改變，由原本的韌性變?yōu)榇嘈?，?dāng)達(dá)到一個(gè)特定的指時(shí)，則會(huì)發(fā)生脆性斷裂，而這一溫度被稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。通常情況下，大功率汽輪機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子脆性轉(zhuǎn)變溫度在0℃左右，高中壓轉(zhuǎn)子約為120℃[4]。因此，功率不同的汽輪機(jī)運(yùn)行期間，必須注意控制好轉(zhuǎn)子的脆性轉(zhuǎn)變溫度，減少轉(zhuǎn)子損壞的可能。

3 結(jié)束語

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)受熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，直接取決于受熱的快慢，及溫度升高的速度。如果加熱的速度很快，熱應(yīng)力就大；加熱的速度慢，熱應(yīng)力則小。因此，為了避免熱應(yīng)力過大，必須對(duì)溫度的提升速度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保熱應(yīng)力被控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，從而有利于減少汽輪機(jī)損壞，延長(zhǎng)汽輪機(jī)的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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[4]韓煒，何青，沈克偉，等.1000MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)過程的熱應(yīng)力分析[J].華電技術(shù)，2013，35（2）：27-32+84.

作者簡(jiǎn)介：陸啟毅（1987，1-），男，本科，廣西武鳴人，助理工程師，現(xiàn)工作于神華國(guó)華廣投（柳州）發(fā)電有限責(zé)任公司，主要從事集控運(yùn)行方面的工作。