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某電廠5號武漢汽輪發(fā)電機廠生產(chǎn)的5150-1型汽輪發(fā)電機組，額定功率50 MW；蒸汽壓力(8.83±0.44)MPa，蒸汽溫度(535±2)℃，1991年投產(chǎn)。汽缸中分面處采用高低波形法蘭，運行中局部長期存在漏汽現(xiàn)象。1994年大修揭缸檢查發(fā)現(xiàn)在汽缸端壁法蘭面上存在長度(30～40)mm、深度65 mm的裂紋，附近還有少量尺寸較小的微裂紋。
汽缸是汽輪機最大部件，它可以近似地看作是承受著溫度和壓力的密封容器。由于汽缸承受內(nèi)壓和高溫，因此，對汽缸的強度有限元分析，應當包括2部分：(1)內(nèi)壓引起的應力，在高壓缸端部區(qū)域，內(nèi)壓引起的位移和應力最大；(2)由起動或停機過程中內(nèi)外壁溫差引起的熱應力，汽缸中分面法蘭在汽輪機運行過程中，尤其是起動過程中，是溫差較大的部位，因而也是熱應力較高的地方。此外，由于端部幾何形狀突變還將引起應力集中，本汽缸也正是在該處產(chǎn)生了裂紋。首先分析端壁頂點處的應力，由該應力計算出端部弧面上所加的彎矩，該彎矩與內(nèi)壓引起的彎矩合成。
產(chǎn)生的應力就是產(chǎn)生裂紋處的應力。理論和試驗表明，汽缸中分面上的法蘭、螺栓連接對此處的位移和應力影響不大。因此，計算這一區(qū)域殼體的位移和應力時，可忽略法蘭的影響，將這一區(qū)域的殼體看作是由圓環(huán)和圓柱殼組成的軸對稱殼體，按二維殼體理論計算汽缸端壁處的應力。當曲面平均曲率半徑與端壁厚度之比R/δ>5時，可將殼體看成薄殼來分析，本汽缸符合這一條件。
(1)裂紋尖端(汽缸內(nèi)壁)最大應力強度因子K1<0.6K1c，滿足斷裂安全判據(jù)，本汽缸裂紋是安全的。但其裂紋尖端的K1值已接近斷裂判據(jù)值，故消除缺陷可提高汽缸運行的安全性。
(2)汽機起動初期，裂紋處熱應力σt=212.5MPa；正常運行時，內(nèi)壓引起的內(nèi)壁應力σp=260.7MPa。如果汽機遇到熱沖擊，汽流溫度降低，或停機降溫速度過快，都將使內(nèi)壁在原有應力的基礎上疊加一個較高的拉伸熱應力，使裂紋處峰值應力達到甚至超過屈服應力。裂紋處應力隨起動-運行-停機(或熱沖擊)而變化，這種載荷譜將引起蠕變疲勞交互作用，導致裂紋的萌生、擴展。應定期對該處探傷檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋應及時研究解決措施。
(3)內(nèi)壓引起的應力是一次應力，無法降低；惟一可控制的應力是熱應力引起的峰值應力。因此應嚴格按照機組起停規(guī)程操作，避免升降溫速率過快，以使熱應力引起的峰值應力降低到最小限度，延長汽缸的使用壽命。
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