热力管道热应力热膨胀热变形.pptVIP

汽缸的热应力 对汽轮机而言，汽缸壁所产生的热应力是与汽缸内外壁温差成正比的，它的大小又取决于汽缸壁加热或冷却的速度（汽缸金属温升或温降的速度）及汽缸壁的厚度。而汽缸内外壁温差与汽缸内壁的温度变化率及汽缸壁 的厚度的平方成正比，当汽缸内壁的温度变化率越大、汽缸壁越厚，汽缸内外壁的温差就越大，从而热应力也越大。 汽缸内壁温度变化的大小，意味着汽轮机的转速和负荷变化速度的快慢，当然也意味着汽轮机启动、停机过程的快慢。对于大容量汽轮机，汽缸壁尤其是法兰通常做的很厚，因此汽缸内壁温度变化率需要严格加以控制，这也是大容量汽轮机启动时间一般比中小型汽轮机要长的原因。 在采用喷嘴调节的汽轮机中，当启动和负荷变化时，调节级汽室的蒸汽温度变化很大，汽缸的最大温差常常出现在调节级附近的汽缸壁与法兰过度的地方或相邻的法兰螺栓孔处，故当汽轮机启动及负荷变动时，必须严格控制调节级汽室蒸汽温度的变化率。 转子热应力 和汽缸一样，汽轮机转子在启动或停机过程中，也是不稳定热传导过程。启动时，高温蒸汽加热转子表面，越接近转子中心温度则越低，转子截面的径向温差使转子中心产生热拉应力，而转子表面产生热压应力。当汽轮机带到一定负荷处于稳定工况后，转子截面内部温度趋进平衡，转子热应力基本消失。 通过汽缸、转子的最大温差公式可知，若转子的半径与汽缸法兰厚度相等时，则在同样的温度变化率下，转子表面和中心的最大温差恰好为汽缸内外壁最大温差的一半。因此在实际运行中，只要按照汽缸法兰热应力允许值来控制最大允许的升温速度，转子的热应力就不会超过允许值。 大容量汽轮机往往采用双层汽缸结构，这样，限制汽轮机启停及负荷变化就不是主要矛盾了，而转子的热应力则成为主要因素。随着汽轮机容量的增大，转子直径也越来越大，汽轮机在启停过程中，转子的热应力、热变形也就越大。 转子在启停过程中，要注意转子的低周疲劳和低温脆性转变。 汽轮机从启动、稳定工况下运行至停机过程，转子和汽缸上各点的热应力都要经历一个拉——压应力循环，转子外表面由压应力变为拉应力，中心孔面由拉应力变为压应力。 转子的低周疲劳是指机组多次反复启停时，转子表面在经过压——拉交变应力的反复作用下（或加热、冷却过于剧烈），即使在应力不超过材料的屈服极限的情况下，转子的金属材料仍产生微观裂纹的现象称低周波疲劳损伤。 转子的低温脆性转变是指金属材料在低温条件下工作时，机械性能发生变化，既从韧性转变为脆性，材料的许用应力下降。当温度降低至某一值时，由于许用应力的下降，金属材料发生脆性断裂，这一温度称为脆性转变温度。脆性转变温度一般在120~140℃。 汽轮机的超速试验，习惯上在汽轮机定速后进行，这样对转子是不利的。因为此时转子的温差较大而且转子中心处的温度低于材料的脆性转变温度。故为了避免转子中心温度过低而产生较大的热应力，并防止金属材料低温脆性转变，运行规程中规定：大容量机组在定速后，应带部分负荷运行数小时，再将负荷减到零，解列发电机，然后进行汽轮机的超速试验。 螺栓热应力 在汽轮机启动过程中，法兰与螺栓之间存在着较大的温度差，而且法兰的温度高于螺栓的温度。由于法兰在厚度方向上的膨胀，螺栓被拉长，此时，螺栓除承受安装时的拉伸预应力和汽缸内部蒸汽工作压力而引起的拉伸应力外，又额外地产生附加热应力。如三种拉应力之和超过螺栓材料的屈服极限，螺栓就发生塑性变形甚至断裂。 在螺栓产生热拉应力的同时，法兰则相应地受到热压应力的作用，若这种应力过大时，法兰结合面的局部就可能因受过度的压缩而产生塑性变形，结合面的严密性将受到破坏。 螺栓所承受的热拉应力是随着法兰与螺栓温差的增大而增加的。一般情况下，汽轮机的其他部件在允许的加热速度下，螺栓的热应力是不致达到危险程度的，因此它不限制汽轮机的启动速度。但是，当蒸汽温度比进汽处的汽缸金属温度高很多时，就应注意螺栓热应力增长情况。 热冲击的概念 所谓热冲击，是指蒸汽与汽缸、转子等部件之间在短时间内进行大量的热交换，金属部件内温差迅速增大，热应力增大，甚至超过材料的屈服极限。 在汽轮机冷态启动时的凝结放热阶段，在冲转时蒸汽温度过高与金属温度不匹配时，在汽轮机极热态启动时，都会使汽轮机金属部件受到热冲击。 汽轮机在启停和工况变化时，转子和汽缸除了承受热应力外，还要承受蒸汽的工作压力。对于转子还要承受旋转离心应力，因此汽缸和转子实际上承受的是工作应力和热应力的合成应力。 应力合成 汽轮机的热膨胀 汽缸的热膨胀 汽缸的热膨胀，除了与长度尺寸和金属材料的线胀系数的大小有关外，主