冀潤景

(中國電能成套設備有限公司，北京，100080)

汽輪機轉子中心孔必要性的綜合分析

冀潤景

(中國電能成套設備有限公司，北京，100080)

文章針對汽輪機轉子是否有必要開中心孔的議題，從壽命、可靠性、應力腐蝕影響、鍛件制造過程、運行維護等方面，對中心孔轉子與實心轉子進行了全面的對比分析，討論了轉子開中心孔的必要性。

可靠性，應力腐蝕，鍛件，中心孔

0 引言

關于汽輪機轉子中心孔的討論，一直以來都是見仁見智的。早期的轉子由于鍛造水平低下，不得不開孔，隨著鍛造技術發(fā)展，目前國內火電機組大多數采用實心轉子。隨著我國清潔能源的發(fā)展規(guī)劃出臺，開展核電建設勢在必行，對大容量、大體積的汽輪機設備的需求將會不斷增加。相對火電機組，核電汽輪機轉子體積更大，末級葉片更長，工作環(huán)境多處在濕蒸汽區(qū)，選擇中心孔轉子或實心轉子的討論，又逐漸開始。本文從壽命、可靠性、應力腐蝕影響、鍛件制造過程、運行維護等方面，對中心孔轉子與實心轉子進行了綜合的對比分析，討論了轉子開中心孔的必要性。

1 壽命和可靠性分析

轉子壽命和可靠性的分析主要是通過計算各部分應力值，按斷裂力學理論得出脆斷缺陷臨界尺寸，并按初始缺陷尺寸擴展至脆斷缺陷臨界尺寸計算疲勞周數。由于轉子運行中主要承受各種溫度變化造成的熱應力以及離心應力 （特別是低壓轉子），因此在應力計算時，應同時考慮熱應力和離心應力。轉子壽命和可靠性分析流程見圖1。

圖1 轉子壽命和可靠性分析流程

1.1 熱應力計算方法

熱應力的計算通常可采用解析法和數值計算2種方式，國內進行解析計算一般有3種公式：一維解析法、一維差分法、控制模型法。解析法是由導熱微分方程出發(fā)，利用積分變換導出汽輪機轉子溫度的迭代公式，從而求出轉子的熱應力。

有分析表明[1]，一維解析法、控制模型法相對來說更適合穩(wěn)態(tài)下的計算，不適應啟停機過程，而采用一維差分法可以得到比較準確的應力值。以下對一維差分法進行分析。

將轉子假設為無限長圓柱體的一維模型，設轉子外徑Rout，內徑Rin（對實心轉子，Rin=0），切斷面上溫度分布對稱于轉子軸線，溫度的變化可近似看作時間和半徑的函數。其一維非穩(wěn)定熱傳導方程即溫度的偏微分方程為：

式中：

r—轉子半徑；

t—轉子溫度；

τ—時間；

c—轉子材料比熱；

ρ—轉子材料密度；

λ—轉子材料導熱系數。

將轉子沿半徑方向分割成n個截面，半徑差為Δr，則式（1）轉化為：

則有

式中：

T'i—第i個截面經過Δτ時間后的溫度。

外表面邊界條件按已知換熱系數和周圍流體溫度的第3類邊界條件處理：

式中：α—換熱系數。

同樣通過差分簡化，則外表面溫度為：

內孔溫度大約為：Tin=T1（6）

轉子平均溫度為：

通過式（3）、（4）、（6）、（7）可計算出各點的溫度值及轉子平均溫度，通過熱應力基本方程式可計算出各點熱應力為：

1.2 離心應力計算方法

在應力場計算中，可假定除熱應力外，轉子僅受到離心應力作用。對于空心圓柱轉子，由離心力導致的切向應力[2]為：（9）

式中：

ω—轉子旋轉速度；

υ—柏松比。

由葉片、圍帶等離心力造成的切向應力為：

1.3 對材料脆性斷裂的分析

利用Von Mises公式，將離心應力與熱應力合成：

有計算結果表明[3]，對中心孔轉子和實心轉子，在表面的應力狀態(tài)相似，但中心孔表面的應力是相對實心轉子相應位置的2倍，特別是低壓末級葉輪近中心部位，這一差距相對要更大一些。

另外，通過有限元方法進行數值計算，雖計算時間較長，但可以得到較為準確的應力分布。文獻[4]中有限元計算的結果表明，在某些特征點這一差距達到4.9倍。

一般來說，火電汽輪機高壓轉子多采用Cr-Mo-V鋼材料，低壓轉子及核電汽輪機轉子多采用Ni-Cr-Mo-V鋼材料。Ni、Cr的同時存在導致Sb、Sn和P在晶界的偏析比Ni、Cr單獨存在時要多[5]，在晶界出現(xiàn)富集，造成轉子材料在一定溫度下長期運行或長期時效后脆變溫度升高，因此在長期運行后，存在啟停過程中，部分轉子在脆變溫度以下工作的情況。

按斷裂力學理論，對于中心孔轉子表面，脆斷臨界尺寸：

對實心轉子內部：

式中：

Q—裂紋形狀參數；

K1c—應力強度因子；

acr—臨界裂紋深度。

將式（13）、（14）相比可知，中心孔轉子內表面的脆斷臨界裂紋深度較實心轉子要小得多，約五分之一。也就是說，中心孔轉子要比實心轉子更容易發(fā)生脆性斷裂。

1.4 疲勞壽命分析

當初始裂紋尺寸小于臨界裂紋尺寸時，裂紋在機組啟停中交變應力作用下逐漸擴展。由初始裂紋深度a0擴展到臨界裂紋深度所需經歷的交變應力循環(huán)周數N，即裂紋擴展壽命[5]為：

式中：

A1、m—材料常數；

Δσ—交變應力范圍。

通過分析可知，由于較實心轉子，中心孔轉子內表面臨界裂紋深度明顯較小，由同樣的初始裂紋尺寸發(fā)展到相應的臨界裂紋尺寸，所需的疲勞循環(huán)周數明顯要小得多。國內某汽輪機廠對300 MW汽輪機低壓轉子進行了計算，假設初始缺陷尺寸為5 mm，擴展到相應的臨界尺寸，實心轉子的循環(huán)周數為中心孔轉子的21倍[3]。因此可以說，相同設計的轉子在有相同缺陷時，實心轉子的疲勞斷裂壽命大于中心孔轉子。

需要說明的是，上述斷裂力學和疲勞壽命分析，對火電汽輪機的低壓轉子和核電汽輪機轉子是完全適用的，但對火電汽輪機高、中壓轉子是否適用還需進一步討論，這主要是由于分析高中壓轉子的壽命時，還需考慮蠕變的影響，另外斷裂力學的分析在高溫 （大于400℃）情況下，發(fā)展的也不是很成熟。

2 應力腐蝕的影響分析

低壓轉子及核電汽輪機轉子在濕蒸汽狀態(tài)下運行，表面產生一層很薄的鈍化膜。在飽和線附近的 “鹽區(qū)”內，由于雜質沉積溶解，氯離子濃度高導致鈍化層被電離分解，侵入基材形成點蝕坑。點蝕坑在應力和腐蝕共同作用下裂紋擴展，形成應力腐蝕破壞。

應力腐蝕通常發(fā)生在葉輪表面、長葉片根部、紅套部件鍵槽等應力集中部位。西屋公司曾建立過關于應力腐蝕裂紋擴展速度的經驗公式，得到美國核管會的承認及業(yè)界的廣泛采用[6]：

1nR=-4.968-（7 302/T）+0.027 8σys（16）

式中：

R—裂紋擴展速度；

T—工作溫度；

σys—材料室溫下屈服強度。

從式中可看出，控制裂紋擴展速度主要靠降低部件工作溫度和材料屈服強度來實現(xiàn)。如國內常用的低壓轉子及核電轉子材料30Cr2Ni4MoV，其室溫下屈服強度要求值為621～686 MPa。

由前文，中心孔轉子中心部位的應力水平高于實心轉子，則在設計時有可能因為中心部位應力過高，需采用屈服強度更高的材料。因此在控制應力腐蝕方面，中心孔轉子明顯劣于實心轉子。

3 鍛件制造質量分析

轉子鍛件的生產過程需把握以下關鍵點：（1）保證大直徑轉子鍛件中心部位充分壓實；（2）細化鑄態(tài)組織，保證鍛件組織均勻，性能合格；（3）做好缺陷控制和探傷工作。過去受冶煉、鍛造、熱處理、材料性能、檢測等技術限制，轉子中心部位雜質偏析、組織疏松、晶粒粗大等問題很難避免，需打中心孔去除，但隨著這些技術的發(fā)展，實心轉子應用越發(fā)廣泛、技術越發(fā)成熟。

3.1 冶煉過程

冶煉的目的是減少鋼中有害雜質元素含量，提高鋼的純凈度。目前通過電弧爐煉 （EAF）、鋼包精煉（LF）、電渣重溶（ESR）、真空澆注（VCD）等技術，能夠大大提高純度。

以 1 000 MW核電汽輪機低壓轉子的30Cr2Ni4MoV為例，其轉子鍛件重量170 t左右，直徑2.8 m，鋼錠重量達到619 t，目前國內已掌握了多包合澆溫度差異控制、超純凈的冶煉等技術，并完成該鍛件試制，其P達到0.003%，S達到0.002%，并能有效控制超大鋼錠宏觀偏析。

另外，目前大型鋼錠普遍向短粗型發(fā)展，高徑比不斷減小，增加了鋼錠模的錐度，易造成鋼水由底部向冒口部位的有向結晶，利于補縮、減少疏松，使偏析區(qū)移向冒口部位，最后作料頭切除。短粗型鋼錠 （見圖2）可提高心部質量，有時不鐓粗只拔長也能滿足鍛造比。

圖2 短粗型鋼錠示意圖

3.2 鍛造過程

鍛造的主要過程包括：切頭去尾、鐓粗、拔長、精鍛，目的除了將鋼錠鍛造到接近零件的形狀外，更主要的是改善鍛件內部質量，破壞鑄態(tài)組織、細化晶粒、均勻組織、鍛合縮孔、氣孔、疏松等缺陷。當前的主要鍛造技術有FM（不對稱平砧）、WHF（寬砧大壓下量）、FML（低鍛壓力）、JTS（中心壓實）、TER等，均已在大型鍛件生產中應用。當前的鍛壓技術能夠改善或完全消除鋼錠的內部缺陷，保證足夠的鍛造比，對鍛件心部進行壓實[7]。

3.3 熱處理及探傷過程

鍛造后的熱處理一般分為鍛后熱處理 （正火+回火）和調質熱處理（淬火+回火），通過熱處理可使內部金相組織均勻、消除內應力、晶粒細化、擴散氫氣、防止白點和裂紋，提高材料的綜合性能。以1 000 MW核電汽輪機低壓轉子30Cr2Ni4MoV為例，該材料力學性能好，熱加工工藝性好，但易產生晶粒粗大和混晶。其鍛后熱處理通過3次正回火，進行重結晶處理，通過過冷使晶粒細化、氫氣擴散，最后調質滿足性能。技術要求鍛件平均晶粒度不超過3.0級，A、B、C、D、DS 5種類型夾雜物不超過2.5級。

另外，材料的可熱處理不斷發(fā)展，以30Cr2Ni4MoV為例，具有較好淬透性，采用噴水深冷淬火工藝，可得到良好的心部機械性能，也不產生裂紋。熱處理的技術也得到長足發(fā)展，目前軸類大鍛件均采用井式爐調質，保證鍛件在垂直懸掛狀態(tài)下進行淬火及回火，其內部組織轉變和應力釋放均可以在自由懸掛狀態(tài)下充分完成。

在以上工藝得到充分執(zhí)行的情況下，目前通過外部取樣進行的機械性能試驗情況，可以判斷得出心部的性能情況。文獻[3]通過對比了國內外幾個廠家的鍛件情況，證明心部的性能可以達到要求，通過外部試樣的機械性能，完全可以保證心部的機械性能，轉子鍛件外部取樣位置見圖3。

圖3 轉子鍛件外部取樣位置

轉子鍛件生產過程中，要經過多次超聲波探傷，包括：

（1）鍛后毛坯探傷。在轉子軸向對稱180°位置各打一條母線作為轉子探傷各部的檢測區(qū)，采用低頻1 MHz探頭進行探傷，通過波形分析整個轉子各部組織是否均勻、有無疏松和縮孔現(xiàn)象。

（2）調質前直探頭縱波探傷。

（3）調質后直探頭縱波探傷以及葉根槽開槽部位斜探頭橫波探傷。 這些探傷工作可保證足夠的靈敏度并降低衰減，使得心部質量可通過外部探傷檢查到位。

4 運行維護階段分析

相對實心轉子，中心孔轉子可在在役檢查時進行內孔超聲波探傷或內孔表面的渦流探傷，對服役中的轉子質量進行評估。但在中心孔轉子再運行維護方面，卻存在著很多麻煩、甚至問題。

4.1 運行中進油造成的問題分析

很多文獻表明[8-10]，因中心孔內滯留液體導致機組振動異常的問題，在很多電廠運行中出現(xiàn)過，且這一類問題診斷難度大。進油的原因一是探傷時中心孔內涂的油沒有清理干凈；二是運行中孔內的空氣受熱膨脹逸出，停機冷卻后，孔內的空氣也冷卻收縮，外界的空氣就會通過鍵與聯(lián)軸器的間隙和中心孔堵頭上的排氣孔進入轉子中心孔，同時將來自噴油管的對盤車齒輪的潤滑油帶入。隨著機組啟停次數增加，進入中心孔的潤滑油也越積越多。

中心孔進油使轉子振動異常，根據誘發(fā)機理分為2類故障：

（1）軸系失穩(wěn)：由于轉子的旋轉，孔內的液體沿徑向被甩偏，在液體粘性剪切力的作用，旋轉的內孔表面會拖動液體沿轉動方向移動一個角度，使得液體離心力相對于高點有一個超前角。這樣，離心力可以分解出一個與轉子渦動方向一致的切向力，誘發(fā)轉子向前渦動，造成轉子失穩(wěn)。

（2）轉子熱彎曲：心孔內存油而未充滿時，在高速旋轉的離心力作用下，油被甩到孔壁上形成油膜。由于轉子存在一定的撓度，致使中心孔的幾何中心和轉子的旋轉中心不重合，因而孔壁上的油膜厚度不同，當轉子溫度升高時，油與孔壁間產生熱交換，油吸熱而氣化。由于不同厚度的油膜與孔壁間的熱交換的程度不同，使轉子徑向產生溫差，引起轉子熱彎曲。

4.2 中心孔探傷可靠性分析

中心孔超探需采用專用的探傷設備，通常都采用機械傳動方式。作為電廠用戶，需配置專門的探傷設備并根據自己設備的情況制定相應規(guī)程。中心孔探傷的范圍為距中心孔表面0.125～3 inch，恰屬于超探的近場區(qū)，因此在探頭選擇上有局限性，只能使用雙晶探頭[11]。

探傷時，探頭被機械裝置固定在中心孔上，靠機械裝置傳動和沿轉子軸向移動來運動，運動方式是：正轉375°，沿轉子軸向前移Δz，再反轉375°，沿轉子軸向前移Δz，依次下去。這里Δz是可調的 “位移增量”，其大小的選擇比較麻煩，若選擇過大，則降低可檢率，選擇過小，則影響工作周期。

另外，中心孔探傷的可靠性還受表面粗糙度、耦合技術的好壞 （取決于表面狀況和機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性）等影響較大。

4.3 檢修工藝分析

中心孔轉子檢修，需制定專門的檢修工藝。檢修中，由于孔塞與孔為過盈配合，為保證內壁不損傷，需采用破壞方法，機加工取出孔塞。探傷后，需重新加工孔塞，采用冷裝工藝回裝，之前還需要充惰性氣體[12]。造成檢修工作量增大。

5 成本及其他分析

開中心孔，大大增加了轉子的生產周期，以1 000 MW核電低壓轉子為例，開中心孔需花費6個月工期。對用戶來說，也意味著采購周期的延長。另外，中心孔加工中需專門的加工設備、耗費大量的冷卻液，成本較高。

另外，有報道稱，日本已研制出一種中心孔應力測量儀，可在運行時監(jiān)控中心孔表面應力水平，據了解日本國內電廠普遍采用中心孔轉子。而國內在線監(jiān)測方面的研究，還僅限于傳熱計算，因此說在這方面，中心孔帶來的好處不大。

6 結論

（1）對火電低壓轉子及核電汽輪機轉子來說，實心轉子有內部應力水平低、發(fā)生脆斷可能性小的優(yōu)點。

（2）實心轉子應力水平低，可選用低屈服材料，抗應力腐蝕優(yōu)勢明顯。

（3）當前的冶煉、鍛造及熱處理技術，可以支持轉子不必開中心孔。

（4）中心孔轉子在運行、維護方面，存在一定的風險以及不可靠性。

7 建議

對大容量火電低壓轉子和核電汽輪機轉子，應盡量采用實心轉子。對火電高壓轉子，則需考慮蠕變影響，進一步綜合考慮。

若轉子探傷發(fā)現(xiàn)內部缺陷，必須開中心孔時，應對中心孔棒料進行斷裂韌性、低周疲勞性能和疲勞裂紋擴展速率的測試并分析，綜合評價質量。

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圖7 正常變槳和提前變槳時風機功率曲線對比

4 結論

高原型風機空氣密度低，葉片較易失速，從而影響機組的發(fā)電量，也威脅到機組的安全。根據高原型風機的運行特點，可以采取提高風機額定轉速、降低葉片設計葉尖速比、提前變槳等措施來提高高原型風機的氣動性能。

General Analysis of Necessity for Turbine Rotor Center Hole

Ji Runjing

（China Power Complete Equipment Co.,Ltd.,Beijing,100080）

Regarding with the topic of whether it is necessary to machine center hole of turbine rotor,this paper carried on comparative analysis of hollow rotor and non-hollow rotor,taking account into several aspects of service life,reliability,influence of stress corrosion,manufacturing process and maintainance,and the necessity of center hole was discussed.

reliability,stress corrosion,forging,center hole

TK262

B

1674-9987（2015）03-0050-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.012

冀潤景 （1981-)，男，研究生，工程師，目前從事核電設備監(jiān)造技術及管理工作。