浅析汽轮机的热应力

热用力就是当物体温度变化时, 热变形受到其他物体约束或物体内部各部分之间的相互约束所产生的应力。对于运行中的汽轮机, 热应力是造成设备损坏的主要因素之一, 例如气缸裂纹, 转子变形, 螺栓裂纹甚至断裂等都是由于热应力的多次反复交变而产生的。现将气缸, 转子, 螺栓热应力产生原因, 影响因素及控制方法进行简要分析。

一、气缸的热应力

汽轮机启动时, 气缸的内壁直接与蒸汽接触, 所以内壁温度上升很快, 相对来说外壁温度上升较慢, 这样气缸内外壁存在较大的温度差, 此时内壁金属膨胀, 外壁金属还未膨胀, 使内壁承受热压应力, 外壁承受热拉应力。当汽轮机停机或蒸汽温度突然降低时, 气缸外壁温度可能比内壁温度高, 使得内壁受热拉应力, 外壁受热压应力。如果温差很大, 热应力也会很大。当此热应力超过气缸金属材料的许用应力极限时, 就会引起气缸的塑性变形或永久变形甚至产生裂纹。

由于热应力与温度差成正比, 温度差可作为控制热应力的指标。在汽轮机的启停中, 要控制热应力不超过许用值, 必须控制气缸和法兰内外壁的温度差在规定范围之内。除此之外, 还须控制气缸内壁温升温降速度。气缸内壁温升温降的速度大小也决定了汽轮机转速和负荷变化的快慢, 也就是汽轮机启动和停机的快慢。

二、转子的热应力

在运行工况变动时, 汽轮机转子的横截面也会产生温度差, 产生热应力。汽轮机冷态下启动时, 转子中心和转子表面的温度都接近环境温度。随着机组冲转和带负荷, 转子表面温度迅速升高, 当达到额定负荷时, 温度接近于第一级气缸的温度。此时转子中心温度则是滞后于转子表面温度的, 这样就产生了温度差, 引起了热应力。转子表面产生热压应力, 转子中心产生热拉应力。停机时, 则正好相反, 转子表面温度低于转子中心温度, 转子表面产生热拉应力, 转子中心产生热压应力。

汽轮机转子热应力最大值一般出现在高压转子的调节级和中压转子的第一级附近, 所以可以用控制调节级气缸内壁温度的方法来控制转子的热应力。实践中, 一般按照气缸法兰的热应力允许值来控制转子最大允许的温度变化率, 这样转子的热应力就不会超过许用值。而对于大型汽轮机组的转子, 还要考虑其使用寿命。交变热应力的多次反复循环会使转子因低周疲劳而产生裂纹。因此在生产中要尽量减少汽轮机组的启停次数和负荷的剧烈变动。

三、螺栓的热应力

汽轮机启动过程中, 气缸螺栓的受热主要是通过法兰的传递, 所以法兰的温度要高于螺栓的温度。螺栓与法兰的温度差使螺栓承受了热拉应力。法兰在垂直方向上的膨胀, 使得螺栓被拉长。此外, 螺栓还承受扣上汽缸时的预紧拉应力以及汽缸内部蒸汽工作压力引起的拉应力。当这三种拉应力的和超过螺栓金属材料的强度极限时, 螺栓将产生塑性变形, 甚至断裂。

螺栓所承受的热拉应力随着法兰与螺栓的温度差的增大而增大。尤其是主气门, 调速气门, 第一级气缸的法兰螺栓之间的温度差最大。实践中, 一般只要汽轮机的其他部件在允许的温升率下, 螺栓的热拉应力就不大可能到危险程度。但当蒸汽温度比气缸温度高很多时, 螺栓的热拉应力就会增大很多, 有可能超过许用值。大功率汽轮机一般有螺栓加热装置, 可以很好的控制法兰与螺栓的温度差, 从而控制螺栓的拉应力不超过许用值。

对于长时间运行的机组, 因为有应力松弛的现象, 螺栓的紧力会逐渐减小, 螺栓损坏的可能性也将减小, 但是气缸法兰接触面的严密性会变差。所以, 当机组长时间运行后, 螺栓材料因应力松弛现象不能保证法兰接触面严密性时, 要利用停车机会将螺栓旋紧。

实践证明, 汽轮机受热引起的热应力与受热的快慢程度有关, 即与温度升高的速度有关。加热快时热应力大, 加热慢时热应力小。所以必须控制好温度的提升速度, 才能保证汽轮机的安全, 最大限度的延长机组的使用寿命。