专利名称：用于确定部件疲劳状态的特征值的方法
用于确定部件疲劳状态特征值的近似值的方法。
本发明涉及一种通过多个负载循环来确定由于随着时间变化的载荷而引起的部件疲劳状态的特征值的近似值的方法在大量技术设备的应用中，组件或者部件可能承受交替的或者随时间变化的载荷，例如以机械的或者热形式的载荷。其中单个部件会通过出现的压应力或者拉应力而承受例如直接的机械载荷。而当汽轮机启动或者停止的时候，这种随时间变化的热形式的载荷则产生于例如涡轮机部件或者组件中，尤其是在汽轮机中。
在汽轮机启动的时候，也就是涡轮机部件从冷的起始状态出发被逐渐加热，直到在根据设计的运行状态中调整到相对较高的温度水平。相反在汽轮机停止的时候，部件由相对较热的起始状态出发被持续冷却，直到全部部件都达到环境温度为止。在这个加热以及冷却的过程中，在某些部件中产生了在相应部件的与加热介质或者冷却介质直接接触的表面和内部之间的温度差。这种温度区别会导致在部件中产生热应力，并由此导致了部件的直接载荷。
在部件中出现所述形式的机械载荷或者热载荷会在显微基础上在部件或者类似物的晶体组织内导致重新调整过程。因此这种随着时间变化的载荷通常会引起相应部件的所谓的材料疲劳或者失效(Er-schoepfung)，这会引起材料特性、例如硬度或者负荷能力的持续不断地恶化或者损害。随着部件增加的疲劳状态或者随之产生的材料特性的损害，相应部件有可能不再满足特定的预先规定的设计标准，例如负荷能力以及类似性能，从而相应部件在随着时间变化的载荷下持续的疲劳将会限制这些部件的使用寿命或者将来的使用性。因此对于承受着交替或者随着时间变化的载荷的部件，考虑到出现的疲劳或者材料失效，通常及时更换相应部件或者在给定的维修周期内进行适合的维修。
为了避免相应技术设备不必要的停机状态和伴随而来的高昂的维修费用和类似情况，或者尤其将这类费用维持在比较少的水平上，通常设置适应于尤其被负载部件的疲劳状态或者失效状态的维修周期计划和类似计划。为了能够尤其有针对性地将其实现，对于很多应用场合来说需要近似地确定相应部件疲劳状态的特征值。为了确定这种特征值，通常需要对部件的载荷循环、也被称为负载循环进行分析。此外相应部件随着时间变化的载荷借助连续检测的测量值进行监控。
在此例如可以监控部件上机械应力随着时间变化的走向，或者例如在汽轮机的情况下，监控在相应部件中出现的、在部件表面和部件内部之间的、引起热载荷的温度差随着时间变化的走向。其中部件的一个完整的载荷循环被称为负载周期循环，在该载荷循环中，首先由初始状态出发经过载荷中例如通过最大的机械应力而产生的最大值，接着在通过零点后经过例如通过最大的机械拉应力而产生的最小值。当部件交替经过压应力和拉应力之后重新回到其原来状态时，将达到被称为负载周期循环的载荷循环的终点。
这种在此类载荷循环中总共出现的负载周期循环在此通常是总共经过过的载荷波动幅度，也就是在压应力最大值和拉应力最大值之间的载荷值的差值。根据经验数据，这些经验数据通常一方面是材料特定的另一方面部件特定的，并且例如在合适的材料表格或类似物中被提供，在相应载荷循环完全结束之后由这类的负载周期循环可以确定与由此产生的材料疲劳有关的详细的特征值。在使用部件的时候出现的总共疲劳或者失效将通过相应疲劳特征值的累积来计算，其中可以在结果中确定对于部件而言迄今为止总共出现的失效值。借助这种累积的失效值，于是可以诊断出部件的预期剩余使用寿命，由此可以按照相应已确定的失效特征值尤其满足需求地确定部件的维修或者更换周期。
然而这种所提到的方案的缺点在于，对确定疲劳状态的特征值所需的测量值只能在载荷循环中不完全实时地提供使用，该载荷循环可能各根据相应部件的使用延续超过相当长的时间段，例如几个月甚至几年。
因此本发明的任务在于，通过多个负载循环来确定由于随着时间变化的载荷而引起的部件疲劳状态的特征值的近似值的方法，本身在相对长时间延续的载荷循环中实现尤其满足需求的、并且适合于实时地确定维修周期的关于部件当前疲劳状态的诊断。
这项任务可以根据本发明通过如下方式来完成，即除了给定情况下已经封闭的载荷循环，在确定特征值时还考虑仅仅部分地封闭的负载循环，其中所述仅仅部分地封闭的负载循环的还未经过阶段的暂时载荷值被考虑为预先规定的固定值。
在此本发明由此构思出发，即不依赖于可能较长的时间跨度，在载荷循环结束时提供一种适合于部件当前疲劳状态的相对实时的诊断。然而为了能够给出关于当前疲劳状态的相对可靠的诊断，这种方法不应该局限于对过去已经封闭的负载循环的分析。这可以通过如下方式实现，即对于当前已经存在的、但是还没有封闭的负载循环在确定疲劳状态的估计值时就一起被考虑，为此即使由于当前载荷循环的这种不完整的数据，也必须要将就可能相对大的不精确性。为了实现这个目的，在当前正在进行的、还没有封闭的载荷循环中一起考虑在尽可能大的范围内已经实际上存在的测量值，其中为了对还不存在的、已部分地封闭的负载循环的还没有进行阶段的载荷值继续进行加工，以置换的方式预先规定适合的固定值作为替代值。
对于已部分封闭的负载循环的还没有进行阶段的作为暂时载荷值而预先规定的固定值，在此可以尤其考虑到现存可能的材料特定或者部件特定的认识合适地进行选择。然而为了特别简化进一步的分析，有利的是预设零值作为固定值。
优选基于当前正在进行的载荷循环的确定的载荷值来确定中间值，实现近似地确定部件的当前疲劳状态的特征值，其中这个中间值可以借助已存在的数据库合适地变换为疲劳状态特征的特征值。在此由负载循环的全局最大值和全局最小值所形成的差值有利地作为确定近似值的中间值。
根据外部环境的时间进展以及可能变化的操作要求，除了通常出现的全局最大值和最小值，负载循环还具有局部的最大值或最小值。为了对于这种情况，即还未封闭的负载循环还没达到全局最小值并由此相应的认识还不存在，也能够确定尤其实时的并且相对精确地确定疲劳状态的特征值，有利地将负载循环的全局最大值和局部最小值之间的差值作为用于确定近似值的中间值。
这种方法可以特别有利地应用于承受着由运行情况所决定的在时间上相对较长延续的载荷循环的组件或者部件，因为正是在这种组件或者部件中，在确定当前实际状态下的疲劳状态时，对于分析在其他情况要求完整的当前负载循环或载荷循环的结束会导致相对较大时间上的偏差。因此有利地该方法应用于重型机器制造，尤其是在发电厂设备中，优选应用于汽轮机设备的运行中。
本发明实现的优点特别在于，通过对相应的载荷值以预先规定的固定值来考虑部分地封闭的负载循环的那些还没有经过的阶段，实现相应部件失效状态的尤其实时的确定，而不需要等待当前载荷循环的完全结束。在此至少可以将已经存在的对当前负载循环的认识一同进行考虑，从而可以对于相应部件也在不完整的负载循环内确定至少一个近似值，该近似值用于至少已经达到的失效或者材料疲劳。由此正好在时间上相对较长延续的载荷循环中也能实现对于当前材料状态和可能的剩余寿命、必要的维修工作以及类似性质的质量上相对较高的诊断。此外例如在部件故障时实现更好的诊断，因为出现的失效实时地被确定为主要原因，从而实现了将出现的失效与可能的原因比较精确地进行匹配。
借助附图详细地说明本发明的一个实施例。其中附图以线图的形式示出了在汽轮机的运行中部件载荷循环的可能的随着时间的走向。
在汽轮机通常的运行方式中，在开始阶段或者起动阶段中，由静止的涡轮机出发，逐步增加地加载高温工作介质，用于加热与介质接触的组件。直接承受介质的组件，例如涡轮机叶片或者其他直接承受流动介质的部件，它们的加热在此首先通过相对较快地将直接承受介质的表面进行加热来实现，这种加热由于各自根据材料和相应组件的结构方式、特别是相应的壁厚的热延缓，或快或慢地继续延伸到相应组件的内部区域中。在汽轮机起动时的过渡阶段中，由此在一些组件中，在相应组件的一方面外侧面或表面和另一方面内部区域之间出现温度差。这种温度差在相应组件中引起了热应力，这种应力基本类似机械应力，例如压应力。
相反在汽轮机的冷却时，相应组件进行冷却，其过程是，首先表面冷却，然后这种增加的冷却继续延伸到相应组件的内部空间中。在汽轮机的这种运行阶段中，在此也产生温度差，该温度差位于汽轮机的单个部件上的部件表面和部件内部空间之间，然而此时在该阶段中，相应组件的表面比内部空间更冷。由此产生的热应力相应于例如组件的机械拉应力。
在这种运行方式中产生的应力引起的汽轮机相应部件的载荷，可以示例地表示为所谓的载荷-时间线图，如同在汽轮机的情况下示例地在
图1中如线图1示出的那样。线图1的x轴代表时间，其中在实施例中，y轴代表所确定的特征值，该特征值用于在涡轮机所选部件表面、例如涡轮机外壳和所选部件内部温度之间的温度差Δt。这种温度差表明了在部件中产生的热应力的特征，并且由此也表明了所引起的机械应力的特征。替代地也可以例如在汽轮机的其他部件或者也在其他技术设备的部件情况下，线图1的y轴代表其他表明了部件载荷特征的值，例如机械应力或类似的。
在图1中以其全体示出的汽轮机部件的载荷循环在t1时刻开始汽轮机的开始阶段。由t1时刻开始，汽轮机逐渐加热，从而在表面和相应部件的内部之间建立起正温度差。在这个阶段中，线图1中用于表明载荷循环特征的载荷曲线2首先上升。在汽轮机继续加热时，这个温度差首先继续增大，直到在t2时刻达到最大值4。
在接近平衡状态的情况下，温度差接着再次降低，直到在t3时刻达到平衡状态，在平衡状态中，在相应部件内呈现相同的温度分布。在线图1示出的实施例中，接着与运行方式有关地进行部件稍微的冷却，其中这种冷却同样是从部件表面向其内部空间进行的。由此在部件的表面和内部空间之间产生负温度差。在t4时刻，这个温度差达到最大，从而在载荷曲线2中形成一个最小值6。接着部件的表面和内部空间之间温度彼此再次适应，使得载荷曲线2重新走向零值。
然而在实施例中，在这种情况出现之前，汽轮机进行重新的冷却，从而在部件表面和内部空间之间的温度差的数值重新增加。在t5时刻，这引起了在载荷曲线2上的一个局部最大值8。由此出发，温度差的数值继续增大，并在t6时刻形成了在载荷曲线2上的一个最小值10。由此出发，温度再次开始彼此接近，在此与运行有关地，在经过另一个最大值12和另一个最小值14之后，在t7时刻汽轮机被完全冷却，并且在所选择部件的表面和内部空间之间的温度差再次为零值。
在t1时刻和t7时刻之间，汽轮机由此经过带有所选部件的加热和冷却的一个完整载荷循环。由于通过示出应力所引起的细微重新调整过程，在经过这种载荷循环、也被称为负载循环时，也发生了被称为材料疲劳或失效的部件削弱，这引起了机械负载能力以及类似性能的降低。其中相应部件的寿命尤其通过同所提到的载荷伴随而来的削弱或者疲劳而受到限制，从而在超过全部对于部件被视为可靠的材料失效或者疲劳时，就被认为必须更换或者维修相应部件。
对部件失效状态特征值的匹配在此可以借助特定部件和材料的经验值来进行，该经验值例如可以储存在数据库中。为了对这种失效匹配出近似的估计值，需要分析在线图1中示出的载荷循环，其方法是，对通过在全局最大值4和全局最小值10之间的差值所给出的、通过箭头16代表的所谓的负载循环进行计算。这可以根据原有的经验，如果可能，给定情况下在数据库中储存的数据，对于附加疲劳匹配出估计值，经过了整个通过载荷曲线2所代表的负载循环的部件承受了这些疲劳。这种附加的疲劳可以以累积分析的形式加到上述的、在部件原来的载荷循环的基础上对于部件所确定的失效特征值，从而得出表明了相应部件全部出现的失效的特征的近似值。于是由此可以得出例如关于部件剩余寿命的结论、对未来维修周期的诊断或者诊断结论或类似的。
正是在所示出的汽轮机组件载荷的例子中，整个经过的载荷循环可以持续相当长的时间段，例如一个月或者一年。在此，为了能够确定部件当前疲劳状态的估计值而不指定当前载荷循环的完整过程，并且为了能够尤其实时地得到质量相对较高的诊断结论，在确定表明了由于随着时间变化的负载而引起的部件疲劳状态的特征值的近似值时，除了给定情况下已经封闭的负载循环，还要考虑到部分封闭的负载循环，其中在计算部分地封闭的负载循环的还没有经过阶段的暂时载荷值时，将零值作为预先规定的固定值进行考虑。
因此例如在经过第一个最大值4之后的一个时刻，也就是在t2时刻之后的一个时刻，以这种方式来确定表明部件疲劳状态的近似值，即还没有封闭的负载循环通过考虑着以双箭头18表示出的、至此最大的负载而延续。为了这个目的，在基础的计算时，将其他可能相关的特征参数、也就是例如在全局最小值10中的还没有经过的暂时载荷设置为零值。相反在经过了局部最小值6之后，将以双箭头20表示出的、通过对全局最大值4和局部最小值6的分析而得出的、至此最大的载荷数值作为用于确定近似值的中间值来考虑。
权利要求
1.通过多个负载循环来确定由于随着时间变化的载荷而引起的部件疲劳状态的特征值的近似值的方法，其中，一起考虑仅仅部分地封闭的负载循环，其中对于所述仅仅部分地封闭的负载循环的还没有经过的阶段，以预先规定的固定值来考虑暂时的载荷值。
2.按照权利要求1所述的方法，其中预先规定零值作为固定值。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中由负载循环的全局最大值和全局最小值所形成的差值作为用于确定近似值的中间值。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其中由负载循环的全局或者局部最大值和全局或者局部最小值所形成的差值作为用于确定近似值的中间值。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其中汽轮机部件的疲劳状态特征值的近似值被确定。
全文摘要
通过多个负载循环来确定由于随着时间变化的载荷而引起的部件疲劳状态的特征值的近似值的方法，应该本身在相对长时间延续的载荷循环中实现尤其满足需求的、并且适合于实时地确定维修周期的关于部件当前疲劳状态的诊断。为此除了给定情况下已经封闭的载荷循环，在确定特征值时还考虑仅仅部分地封闭的负载循环，其中所述仅仅部分地封闭的负载循环的还未经过的阶段的暂时载荷值被考虑为预先规定的固定值。
文档编号F02C9/00GK101080550SQ200580037530
公开日2007年11月28日 申请日期2005年10月26日 优先权日2004年10月29日
发明者A·博德, E·戈布雷赫特 申请人:西门子公司