史进渊1，袁伯英2，程道来1，李 颖2，孙 庆1
1．上海发电设备成套设计研究所，上海200240； 2．华东电力试验研究所，上海200437
1 引言
汽轮机转子的断裂事故在国外曾多次发生，其中转子脆性断裂事故不少，汽轮机转子防脆断措施的研究早已引起人们的重视。随着断裂力学的发展，人们发现转子材料的脆性转变温度FATT（Fracture Appearance Transition Temperature）是与断裂韧性KIC有关的一个重要参数。国外的《汽轮机运行规程》规定在升速过程中，当转子金属温度达到FATT之后，才允许升速到额定转速。
国内有关单位对退役的17CrMo1V焊接低压转子进行过解剖试验，发现17CrMo1V母材的FATT高达78～104℃。由汽轮机低压转子温度场的计算结果得知，即使在额定工况下有些汽轮机低压转子末级叶轮及转子的工作温度尚不到90℃。根据线弹性断裂力学理论［1，2］，张开型裂纹（Ⅰ型裂纹）尖端的应力强度因子K1大于平面应变断裂韧性K1c时，结构发生脆性断裂。由于17CrMo1V低压转子末级工作温度在FATT以下，转子材料的K1c数值低，容易发生脆断。到目前为止，采用17CrMo1V的汽轮机焊接低压转子有几十根在电厂运行。若全部更换，费用巨大。如果误认为这些转子都经受了一段时间考验，听其自然，一旦发生脆断事故，后果不堪设想，这是一个很现实的问题。因而，对汽轮机17CrMo1V低压焊接转子进行脆断分析研究是一项有益的工作。
2 低压转子材料断裂力学性能数据
2．1 脆性转变温度FATT
材料脆性转变温度FATT（或FATT50）是断口面积呈现50％脆性和50％韧性断口特征所对应的温度。影响材料FATT的因素很多，如化学成分、微量元素含量、冶炼工艺、锻造工艺、热处理工艺等。材料的冶金缺陷如偏析、非金属夹杂、有害元素含量、裂纹、白点等明显地提高FATT。同种材料FATT数值的高低，综合反映出材料的冶金质量。
根据美国EPRI的研究报告［3］，运行汽轮机转子材料的FATT最好从有关转子上分别取样（在中心孔或联轴器处）来测定。在缺少运行低压转子材料FATT试验数据的情况下，根据文［4］，对于采用17CrMo1V材料的焊接低压转子，暂取母材FATT＝92℃，焊缝FATT＝22～61℃。
2．2 断裂韧性K1c
断裂韧性K1c是当材料有裂纹时，在裂纹前缘处于平面应变和小范围屈服条件下，Ⅰ型裂纹发生失稳扩展时的临界应力强度因子。断裂韧性K1c是一个与试样几何形状无关的材料常数。K1c既反映了材料的韧性，也同材料的冶金质量、锻造工艺、热处理工艺等有关。
汽轮机转子材料的K1c最好通过大量断裂力学试验来确定。必要时从运行汽轮机转子上取样进行J积分实验，确定其临界值J1c，再换算成K1c。工程上使用的近似方法是在转子上割取多个夏比V型缺口冲击韧性试样，测出不同温度下的αK值并求出FATT后，按经验方法推算得出运行汽轮机转子的K1c近似值。EPRI推荐的经验方法有Begley－Logsdon法、统计曲线法和Barsom法［3］，并在汽轮机转子断裂评定中使用过这些方法，使用这些方法确定的K1c值是近似值。众所周知，转子临界裂纹尺寸ac正比于K1c的平方。K1 c的取值对ac影响比较大。在缺少运行低压转子K1c试验数据的情况下，为了避免K1c的取值过于保守或过于危险，应尽可能的把K1c取得合理。利用退役17CrMo1V焊接转子解剖FATT试验所得夏比V型缺口冲击功曲线，使用Begley－Logsdon法、统计曲线法和Barsom法推算K1c，并同解剖转子的部分K1c试验数据相比较，得出本报告取用K1c的数据曲线，详见图1。从图1可见，文中K1c为试验数据的下限值，K1c的取值还是偏于安全的。
2．3 疲劳裂纹扩展的材料常数m和C0
与疲劳裂纹扩展速率da/dN有关的材料常数m和C0，也是汽轮机转子材料的重要断裂力学特性，在评估汽轮机转子寿命和确定转子允许初始缺陷时都必须使用这些材料常数的试验结果。对疲劳裂纹扩展速率da/dN的研究，一直是疲劳研究工作者所关心的问题。断裂力学在疲劳研究中的应用，为疲劳裂纹扩展速率的研究开创了崭新的局面。在断裂力学中表示疲劳裂纹扩展速率的Paris公式［1，2］为
式中 C0和m是材料常数；ΔK1＝K1 max－K1min，为应力强度因子的幅度。对于17CrMo1V材料焊接转子，母材和焊缝的C0、m取文［4］给出的试验结果。
图1 母材5号轴头截面中心K1c取值曲线示意图
3 低压转子脆性断裂评定方法
3．1 临界裂纹（缺陷）尺寸
汽轮机转子临界裂纹（或缺陷）尺寸ac的计算公式［4］如下
（1）对于转子深埋裂纹（或缺陷）
场。此处a为椭圆裂纹（或缺陷）的短轴半径，c为椭圆裂纹（或缺陷）的长轴半径。
为安全起见，假定椭圆裂纹所在平面和短轴半径a与当地应力（拉应力）的方向相垂直。
3．2 裂纹疲劳扩展寿命Nf的计算公式
汽轮机转子疲劳裂纹扩展寿命Nf指的是裂纹（或缺陷）从初始尺寸a0疲劳扩展到临界裂纹（或缺陷）尺寸ac的疲劳循环次数。由文［1，2］知，裂纹疲劳扩展速率da/dN与裂纹尖端的应力强度因子的幅度
ΔK1有关，当ΔK1＜ΔKth（ΔKth为阈值）时裂纹不扩展；当ΔK1＞ΔKth后，在一段时间内da/dN与ΔK1在双对数坐标纸上呈线性关系，即符合Paris公式，见式（1）。在目前还缺少运行汽轮机低压转子17CrMo1V材料ΔKth的情况下，在汽轮机转子裂纹（或缺陷）疲劳扩展寿命的评定中，假设ΔK1＞ΔKth且da/dN与ΔK1在双对数坐标纸上呈线性关系［4］。根据文［1，2］，Nf的计算公式为
σmin为转子裂纹扩展的疲劳应力循环的最大应力与最小应力之差。
裂纹的扩展主要由拉应力引起，压应力对裂纹的疲劳扩展没有太大的影响。因为停机时σmin＝0，因而汽轮机低压转子裂纹（或缺陷）扩展为低周脉动疲劳应力循环，循环应力幅度为Δσ＝σmax。
在汽轮机低压转子Nf的计算中，σmax采用启动过程中应力最大工况的热应力σth、离心应力σce和残余应力σre之和。
4 低压转子裂纹扩展寿命的评估和预测
4．1 裂纹扩展寿命的评估
若第i种幅度的疲劳载荷的循环次数为ni，在相应的疲劳循环应力幅下裂纹的扩展寿命为Nfi，则应用疲劳累积损伤的Miner法则，有
汽轮机低压转子考虑热态启动、冷态启动和超速试验3种疲劳载荷后,转子裂纹扩展寿命累积损耗LD为
 (6)
式中 nw为热态启动次数；nc为冷态启动次数；no为超速试验次数；Nfw为热态启动过程最大应力时按式（4）算出的裂纹扩展寿命；Nfc为冷态启动过程最大应力时按式（4）算出的裂纹扩展寿命；Nfo为20％超速工况按式（4）算出的裂纹扩展寿命。
4．2 裂纹扩展寿命的预测
假设汽轮机低压转子今后每年热态启动yw次、冷态启动yc次、3年大修时超速试验一次，低压转子裂纹（或缺陷）扩展至ac还有Z年，则
 (7)
5 应用实例
某型号汽轮机采用17CrMo1V材料焊接低压转子，使用大型有限元程序计算温度场和应力场，应用文中给出的方法，计算得，转子母材深埋裂纹（或缺陷）尺寸的临界值ac＝6．79 mm，转子母材内孔表面裂纹（或缺陷）尺寸的临界值ac＝5．61 mm。对于焊接转子的焊缝，较难满足平面应变的条件或小范围屈服的条件，同时焊缝组织的原始缺陷也与锻件不同。根据文［2］，汽轮机转子焊缝脆断评定技术尚需进一步研究。按文［4］对该低压转子焊缝进行近似估算，转子焊缝深埋裂纹（或缺陷）尺寸临界值ac＝79．48 mm，转子焊缝内孔表面裂纹（或缺陷）尺寸的临界值ac＝65．69 mm。在转子焊接质量满足有关规范的前提下，通过近似估算可以认为母材是该汽轮机焊接低压转子脆断的薄弱环节。经计算，冷态启动、热态启动和超速试验过程中裂纹扩展寿命分别为Nfc＝3266，Nfw＝3548，Nfo＝2319。该汽轮机从投运到1997年年底，探伤未发现可见裂纹，冷态启动nc＝61，热态启动nw＝190，超速试验no＝4，计算得采用17CrMo1V材料的汽轮机焊接低压转子母材裂纹扩展寿命累积损耗为
该17CrMo1V低压转子裂纹扩展至ac还有10年。
6 结束语
（1）在采用17CrMo1V材料的汽轮机焊接低压转子母材的脆断评定、裂纹扩展寿命的评定和预测工作中，许多参数取值偏于安全，计算分析结果基本上可以反映汽轮机焊接低压转子的脆断性能。
（2）在大修中仔细检查和探伤尚未发现JB／J1581－1996［5］和JB／J1582－1996［6］规定的可见裂纹的前提下，在使用中严格按《汽轮机运行规程》［7］操作运行、严格按《发电厂检修规程》［8］检修维护，汽轮机再运行一个大修周期，17CrMo1V焊接低压转子脆断问题不大。
（3）在消化吸收国内外转子脆断评定先进技术的基础上，提出并使用了疲劳循环应力幅载荷下汽轮机转子裂纹扩展寿命的评估和预测[1] [2] 下一页
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