浅析汽轮机的热应力

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摘 要：汽轮机是火电厂的重要设备，它的运行情况如何会直接影响到整个企业的效益。在汽轮机的运行过程中，不可避免会产生热应力，而这些热应力若得不到有效的控制，则可能导致气缸裂纹、转子变形等不良后果，影响汽轮机组的正常工作。鉴于此，文章主要对汽轮机的受热特征、热应力产生原因及控制方法等问题进行了探讨。

关键词：汽轮机；热应力；气缸；转子

在汽轮机的运行中，热应力是极易导致设备损坏的一个因素。当物体温度发生改变时，热变形在其他物体或者物体内部各部分的相互约束作用下而产生的一种应力，则称为热应力[1]。比如，转子变形、气缸裂纹或者螺栓裂纹等，都是在热应力作用下产生的。因此，掌握汽轮机热应力的产生原因与影响因素，并采取相应的控制措施，才能最大限度地减少热应力造成的不良后果的发生。

1 汽轮机的受热特征分析

1.1 气缸

启动时，蒸汽热量利用对流的方式传递给气缸内壁，然后通过导热方式传递至外壁。再经过保温层直接散向大气。此时，气缸内外壁之间会出现温差，且外壁温度高出内壁温度，停机时的温差情况则相反。内外壁温差的影响因素主要有这几个：（1）气缸壁的厚度，汽缸壁厚度和温差成正比关系。（2）蒸汽对内壁加热的强弱程度。加热较快时，温度呈双曲线型分布，温差主要集中于内壁一侧；加热较稳定时，温度呈直线型分布，温差的分布相对均匀；加热较缓慢时，温度呈抛物线型分布，内壁温差则较大[2]。（3）材料的导热性能。材料导热性好，温度易升高。

1.2 转子

蒸汽热量通过对流方式传递给转子外表面后，再利用导热方式将热量传至中心孔，最后经过中心孔散至周围环境。此时，转子外表面与中心孔之间的温度相差较大，则产生了温差。转子的材料特性、结构和蒸汽对转子的加热快慢等因素，直接决定了温度差的大小。

2 汽轮机的热应力

2.1 气缸

启动气缸时，气缸内壁会和蒸汽产生直接接触，故内壁温度会快速上升，而外壁温度的上升相对较慢，气缸内外壁会出现较大的温度差。这时候，内壁的金属会膨胀，而外壁金属却未膨胀，内壁需要承受热压应力，外壁则承受热拉应力。如果汽轮机突然停机，或是蒸汽温度骤降，气缸外壁温度会明显高出内壁温度，此时内壁承受的则为热拉应力，外壁承受的则为热压应力，且热应力会随着温差的增大而增大。若气缸金属材料的热应力极限已无法承受此时的热应力，则会导致气缸发生塑性变形或者永久变形，严重时会出现裂纹。

因为热应力和温度差之间呈正比例关系，故可将温度差当作控制热应力的一个指标。汽轮机启停过程中，应确保许用值应始终大于热应力值，且气缸与法兰内外壁的温度差也不能超出规定范围。另外，气缸内壁的温升温降速度也应控制在一定范围内，因为汽轮机的启停与停机快慢直接取决于气缸内的温升温降速度。

2.2 螺栓

在汽轮机的启动过程中，气缸螺栓受热是因为法兰的传递，故其温度一般低于法兰温度，而两者之间出现的温度差，则产生了热拉应力。法兰会在垂直方向发生膨胀，进而拉长了螺栓。另外，螺栓承受的拉应力还包括扣上气缸时的预紧拉应力、气缸内蒸汽产生的抗力。当螺栓金属材料的强度无法承受起这三种拉应力的总和时，螺栓则会发生塑性变形或断裂。

法兰和螺栓的温度差越大，螺栓承受的热拉应力也越大。实践表明，如果汽轮机的其他部件温升率在允许范围内，螺栓热拉应力不会达到危险的程度，但蒸汽温若是远远高出气缸温度，则会导致螺栓热拉应力的异常增大，或是超出许用值。因此，大功率的汽轮机都应安装有螺栓加热装置，从而有利于将法兰和螺栓的温度差控制在一定范围内，避免螺栓拉应力超过许用值。一般来说，法兰与螺栓的温度差允许值主要是这两个：中参数的机组，在40～50℃范围内；高参数的机组，在20～35℃范围内[3]。

经过长时间运行的机组，会出现应力松弛的情况，螺栓紧力也会减小，这会在一定程度减少螺栓损坏的可能，但会降低气缸法兰接触面的严密性。因此，对于长时间运行后的机组，如果螺栓材料出现松弛而不能确保法兰接触面的严密性时，应充分利用停车的机会，及时旋紧螺栓。

2.3 转子

如果运行工况出现变动，汽轮机转子的横截面会出现温度差，进而产生热应力。当汽轮机在冷态下启动时，转子中心与表面的温度与环境温度相差不大。在机组中转子带负荷的情况下，转子表面的温度会快速飙升，如果达到了额定的负荷，温度其实和第一级气缸的温度非常接近。这时，转子中心的温度与转子表面温度相差较大，则产生了温度差，形成热应力。转子表面的是热压应力，转子中心的是热拉应力。停机时，刚好相反，转子中心是热压应力，转子表面是热拉应力。

一般情况下，汽轮机转子的最大热应力主要出现于高压转子调节级或者中压转子第一级周边。所以，若想实现对转子热应力的控制，可通过控制调节级气缸内温度来完成。实践表明，以气缸法兰的热应力允许值为标准，对转子的最大允许温度变化率进行控制，基本能将转子热应力控制在许用值范围内。如果是大型汽轮机组的转子，还必须考虑转子的使用寿命。在交变热应力的反复、循环作用下，转子很容易出现低疲劳损伤，然后产生裂纹。启停时，加热或者冷却的速度越快，转子的耗损也会越大，也更容易产生裂纹。所以，在生产过程中，应尽可能减少汽轮机组的启停次数与频率，避免负荷出现剧烈变动。

在低温条件下，金属材料的机械性能也会改变，由原本的韧性变为脆性，当达到一个特定的指时，则会发生脆性断裂，而这一温度被称为脆性转变温度。通常情况下，大功率汽轮机的低压转子脆性转变温度在0℃左右，高中压转子约为120℃[4]。因此，功率不同的汽轮机运行期间，必须注意控制好转子的脆性转变温度，减少转子损坏的可能。

3 结束语

实践发现，汽轮机受热时产生的热应力，直接取决于受热的快慢，及温度升高的速度。如果加热的速度很快，热应力就大；加热的速度慢，热应力则小。因此，为了避免热应力过大，必须对温度的提升速度进行严格控制，确保热应力被控制在一个合理的范围内，从而有利于减少汽轮机损坏，延长汽轮机的使用寿命。

参考文献

[1]侯国顺.核电厂汽轮机热应力控制技术的研究[J].硅谷，2014（22）：49-50.

[2]黄海跃，杨宇，石兆元.核电CPR1000汽轮机启动程序中热应力控制策略[J].发电没备，2014，28（2）：90-93.

[3]雷小东.国产N300MW汽轮机的热应力分析[J].中国科技信息，2013（7）：104+106.

[4]韩炜，何青，沈克伟，等.1000MW超超临界汽轮机转子启动过程的热应力分析[J].华电技术，2013，35（2）：27-32+84.

作者简介：陆启毅（1987，1-），男，本科，广西武鸣人，助理工程师，现工作于神华国华广投（柳州）发电有限责任公司，主要从事集控运行方面的工作。