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某電廠5號(hào)武漢汽輪發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的5150-1型汽輪發(fā)電機(jī)組，額定功率50 MW；蒸汽壓力(8.83±0.44)MPa，蒸汽溫度(535±2)℃，1991年投產(chǎn)。汽缸中分面處采用高低波形法蘭，運(yùn)行中局部長(zhǎng)期存在漏汽現(xiàn)象。1994年大修揭缸檢查發(fā)現(xiàn)在汽缸端壁法蘭面上存在長(zhǎng)度(30～40)mm、深度65 mm的裂紋，附近還有少量尺寸較小的微裂紋。
汽缸是汽輪機(jī)最大部件，它可以近似地看作是承受著溫度和壓力的密封容器。由于汽缸承受內(nèi)壓和高溫，因此，對(duì)汽缸的強(qiáng)度有限元分析，應(yīng)當(dāng)包括2部分：(1)內(nèi)壓引起的應(yīng)力，在高壓缸端部區(qū)域，內(nèi)壓引起的位移和應(yīng)力最大；(2)由起動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中內(nèi)外壁溫差引起的熱應(yīng)力，汽缸中分面法蘭在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，尤其是起動(dòng)過(guò)程中，是溫差較大的部位，因而也是熱應(yīng)力較高的地方。此外，由于端部幾何形狀突變還將引起應(yīng)力集中，本汽缸也正是在該處產(chǎn)生了裂紋。首先分析端壁頂點(diǎn)處的應(yīng)力，由該應(yīng)力計(jì)算出端部弧面上所加的彎矩，該彎矩與內(nèi)壓引起的彎矩合成。
產(chǎn)生的應(yīng)力就是產(chǎn)生裂紋處的應(yīng)力。理論和試驗(yàn)表明，汽缸中分面上的法蘭、螺栓連接對(duì)此處的位移和應(yīng)力影響不大。因此，計(jì)算這一區(qū)域殼體的位移和應(yīng)力時(shí)，可忽略法蘭的影響，將這一區(qū)域的殼體看作是由圓環(huán)和圓柱殼組成的軸對(duì)稱殼體，按二維殼體理論計(jì)算汽缸端壁處的應(yīng)力。當(dāng)曲面平均曲率半徑與端壁厚度之比R/δ>5時(shí)，可將殼體看成薄殼來(lái)分析，本汽缸符合這一條件。
(1)裂紋尖端(汽缸內(nèi)壁)最大應(yīng)力強(qiáng)度因子K1<0.6K1c，滿足斷裂安全判據(jù)，本汽缸裂紋是安全的。但其裂紋尖端的K1值已接近斷裂判據(jù)值，故消除缺陷可提高汽缸運(yùn)行的安全性。
(2)汽機(jī)起動(dòng)初期，裂紋處熱應(yīng)力σt=212.5MPa；正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)壓引起的內(nèi)壁應(yīng)力σp=260.7MPa。如果汽機(jī)遇到熱沖擊，汽流溫度降低，或停機(jī)降溫速度過(guò)快，都將使內(nèi)壁在原有應(yīng)力的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)較高的拉伸熱應(yīng)力，使裂紋處峰值應(yīng)力達(dá)到甚至超過(guò)屈服應(yīng)力。裂紋處應(yīng)力隨起動(dòng)-運(yùn)行-停機(jī)(或熱沖擊)而變化，這種載荷譜將引起蠕變疲勞交互作用，導(dǎo)致裂紋的萌生、擴(kuò)展。應(yīng)定期對(duì)該處探傷檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)研究解決措施。
(3)內(nèi)壓引起的應(yīng)力是一次應(yīng)力，無(wú)法降低；惟一可控制的應(yīng)力是熱應(yīng)力引起的峰值應(yīng)力。因此應(yīng)嚴(yán)格按照機(jī)組起停規(guī)程操作，避免升降溫速率過(guò)快，以使熱應(yīng)力引起的峰值應(yīng)力降低到最小限度，延長(zhǎng)汽缸的使用壽命。
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