使用寿命评估

最大程度地延长转子生命周期

燃气和蒸汽涡轮机的涡轮转子可能受到应力、疲劳、腐蚀、脆化或开裂的影响。所有这些因素都可以限制使用寿命。我们的使用寿命评估可以最大限度地延长转子的使用寿命。

最大限度地延长涡轮转子的使用寿命

我们提供:
  • 旨在避免转子的彻底失效或损毁的全方位维护服务
  • 包括侧向和扭转转子动态分析、有限元分析和模态分析的工程设计和技术服务
  • 在我们最先进的实验室进行金相分析和测试服务
一级燃气涡轮机叶片热腐蚀损坏

转子使用寿命的限制

直到最近,只要没有发现明显的损坏,涡轮转子就被认为是永久性的机器。近年来,一些 OEM 厂商表示,涡轮转子的使用寿命有限。 以下流程会限制涡轮转子的寿命,甚至导致转子彻底损坏:

  • 受到外部腐蚀或微动磨损侵害
  • 应力腐蚀开裂
  • 热疲劳
  • 高周疲劳
  • 蠕变
  • 延性损失

评估转子使用寿命

大多数工业燃气涡轮机制造商目前使用等效运行小时数 (EOH) 作为确定燃气涡轮机转子剩余使用寿命的基准。 典型转子的使用寿命为 100,000 至 150,000 EOH。通过及时检查转子零件,通常可以实现大约 50,000 至 100,000 EOH 的单次延伸。

使用寿命限制作用

限制使用寿命的作用

高温和高应力,不论是其中的一个还是二者组合,都可产生限制使用寿命的作用。可以计算和检查这些作用,并且可以评估剩余使用寿命。

使用寿命限制过程进展缓慢。许多过程根本不与 EOH 直接相关,除非已知和考虑了特定的侵害速率。

必须谨慎解释故障的可能原因:

  • 受到外部腐蚀/微动磨损侵害 这是由物理过程决定的,可能会有很大差异。与 EOH 没有固定的关系。
  • 应力腐蚀开裂:这个过程取决于环境的腐蚀性,在燃气涡轮机中可能有很大差异。与 EOH 没有固定的关系。
  • 热疲劳:这个过程取决于启动次数。单独的热疲劳与 EOH 没有固定的关系。
  • 高周疲劳:与 EOH 没有固定的关系。
  • 蠕变:金属温度和应力水平是已知的,或多或少是恒定的。与 OH 有关系(可以通过 EOH 保守地取近似值)。
  • 延性损失:冶金退化取决于温度和时间。由于转子温度在运行中是稳定的,因此延性和 EOH 的渐进损耗之间存在明显的关系。

低合金钢转子具有较低的金属温度(350 ° C 至 400 ° C 或 600 ° F 至 750 ° F)。因此,除了具有温度和/或应力水平升高的局部区域(例如枞树锯齿),不认为蠕变是主要问题。只有在腐蚀性环境下存在非常高的静应力时才能预料到应力腐蚀。

然而,根据 EOH,屈服强度/刚度和蠕变损失是可以限制转子使用寿命的唯一过程。

延长转子使用寿命

延长转子使用寿命

为了延长转子使用寿命,您必须仔细计算稳态(离心)应力和动态(热机械)应力水平。为了计算缺陷对转子使用寿命的影响,您需要合金韧性数据和断裂力学分析,以便:

  • 确定应力断裂的临界缺陷尺寸
  • 确定检测到的缺陷的增长率
  • 将缺陷增长的周期数计算到临界缺陷尺寸的安全分数
  • 使用预期的操作时间段验证结果
回火脆化
Inco 刀片

回火脆化

合金钢表现出从低温下的低延性到高温下的高延性的转变。被称为 FATT(脆性转变温度)的转变温度发生在 Charpy-V-缺口试样出现断裂之后。新材料的 FATT 通常在 0 ° C 到 120 ° C(32 ° F 到 250 ° F)的范围内。合金在 FATT 以下是脆的;在 FATT 以上是延性的。

回火脆化是特定微量元素(锡、锑、磷、砷)迁移到晶界而产生的合金钢中的现象。元素水平在晶界增加,会使 FATT 升至更高的温度。

回火脆化对下平台延性和上平台延性的影响都不大;只有 FATT 的变化使低延性延升至更高的温度时。

对 FATT 变化的敏感性也由镍和铬决定,元素不是变化的根本原因。铬和镍的存在显著增加了这种敏感性。根据定义,含镍合金确实具有良好的延性。然而,当暴露于高温时,它们的性质可能会改变。

回火脆化的后果

当材料性能(特别是延性和韧性)和操作应力水平已知时,可以计算出允许的缺陷尺寸。

有两个重要标准:

  • 在给定应力条件下,不稳定裂纹增长(破裂)的临界缺陷尺寸
  • 在给定应力条件下,缺陷增长的最小缺陷尺寸(较小的缺陷不会增长,并且是安全的)

理想的零件不应包含大于增长最小缺陷尺寸的缺陷。当应力载荷和材料行为都已知时,可以确定缺陷增长行为。在这种情况下,可以使用“安全使用寿命”概念评估缺陷的重要性。“由于对疲劳的敏感性,安全使用寿命”广泛用于航空工程,特别是铝合金中。

燃气涡轮机转子不是采用“安全使用寿命”概念设计的。因此,缺陷应该低于增长的最小缺陷尺寸。在回火脆化材料中,最小和临界缺陷尺寸的验收标准都大大降低。

  • 缺陷增长率不是很依赖于脆化状态。
  • 在高达约 400 ° C(750 ° F)的温度下,当材料温度升高时,缺陷增长率仅略有增加。
  • 在初始加热阶段,转子和圆盘中裂纹增长的条件较差,即在相对低的材料温度下。因此,较高温度下较高的缺陷增长率通常是无关紧要的。
涡轮转子的缺陷

涡轮转子的缺陷

断裂力学使用简化裂纹和其他缺陷模型。缺陷可以有多种形状和尺寸。它们也可以群体出现。

大多数(如果不是全部)检查技术只报告检测迹象的“等效缺陷大小”。这意味着迹象看起来像标准形状和尺寸的缺陷。因此,真正的缺陷可能会更大或更小,或者更危险或没那么危险。

因此,在初始使用寿命评估检查后,强烈建议使用较大的安全系数进行缺陷评估。一旦检测到缺陷,其潜在增长或稳定性可以在将来的检查中确定。后续检查可以使用这些信息降低迹象意义的不确定性。

理想情况下,涡轮转子的第一次检查应在转子’规定使用寿命的约 50% 至 70% 的范围内进行。检查报告可以作为评估使用寿命延长的可靠依据。

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