CN103954688B - 汽轮机转子焊接缺陷评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽轮机转子焊接制造领域，公开了一种汽轮机转子焊接缺陷评定方法，包括：第一步、对使用不同焊接工艺的不同批次的转子均采用超声加速疲劳试验，分别得到不同批次转子结构中的最大缺陷尺寸作为初始缺陷尺寸；第二步、对每个批次的转子分别在多个应力比条件下测定疲劳门槛值并进行材料本征门槛值的估算；第三步、对每个批次的转子，得到疲劳门槛值的计算公式；第四步、对于两批次的焊接初始缺陷尺寸，扩展到一特定尺寸时，通过疲劳门槛值的比较确认焊接工艺的优劣。本发明采用超高周疲劳试验获取焊接缺陷类型及分布信息，把缺陷当做裂纹处理，运用短裂纹闭合、疲劳门槛值同裂纹长度的关系，评定焊接缺陷，优化焊接工艺。

Description

汽轮机转子焊接缺陷评定方法

技术领域

本发明属于汽轮机转子焊接制造领域，涉及一种基于超高周疲劳的汽轮机转子焊接缺陷评定方法。

背景技术

汽轮机转子的焊接制造能够满足机组容量大、紧凑型好、易于保证质量等优点，在火电和核电等领域得到广泛运用。焊接转子的制造过程复杂，对焊接工艺的可靠性及其选择要求高。中国专利《单缸式汽轮机焊接转子及其焊接方法》(申请号：201010585886.2)，给出了汽轮机的焊接方法，没有涉及焊接工艺的评价问题。为考核焊接转子的性能和可靠性，现有技术常通过模拟服役条件下强度试验，以判断能否满足设计要求。而焊接质量的监控主要基于无损探伤，其缺陷检出能力受到检测水平和能力的限制，无损检测方法在准确获取焊接缺陷的尺寸、位置等方面还存在一定难度。此外，检出缺陷后的安全评价理论及寿命预测技术不完善，国内现有标准GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》仅涉及塑形极限等静态破坏模式，无法为评价焊接工艺的优劣提供借鉴。汽轮机转子焊接制造的工艺条件选择缺乏成熟的技术支撑，有必要提出新的焊接缺陷评定方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种汽轮机转子焊接缺陷评定方法，采用超高周疲劳试验获取焊接缺陷类型及分布信息，把缺陷当做裂纹处理，运用短裂纹闭合、疲劳门槛值同裂纹长度的关系，评定焊接缺陷，优化焊接工艺。

本发明采取的技术方案是：

一种汽轮机转子焊接缺陷评定方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步：对使用不同焊接工艺的不同批次的转子均采用超声加速疲劳试验，分别得到不同批次转子结构中的最大缺陷尺寸作为初始缺陷尺寸；

第二步：对每个批次的转子分别在多个应力比条件下进行材料本征门槛值的估算，所述材料本征门槛值是指应力比R逼近1时的门槛值，记为ΔK_th,eff；

第三步：对每个批次的转子，根据McEvily模型，得到疲劳门槛值ΔK_th,short的计算公式为：

${\mathrm{\ΔK}}_{\mathrm{th},\mathrm{short}}=\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th},\mathrm{op}}+\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th},\mathrm{eff}}=[1-e^{-k(\sqrt{\mathrm{area}}-{\sqrt{\mathrm{area}}}_0)}]\·\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{op},\max }+\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th},\mathrm{eff}}$

式中：

ΔK_th,op为裂纹闭合引起的门槛值分量；

ΔK_op,max为裂纹张开应力强度因子范围的最大值，ΔK_op,max＝(K_op)_max-K_min；

ΔK_th,eff为材料本征门槛值；

为初始缺陷尺寸；

K_op为裂纹张开应力强度因子，疲劳门槛值试验中按GB/T6398《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》测定；

(K_op)_max为最大裂纹张开应力强度因子，它是对应于某一R，靠近疲劳门槛值时的裂纹张开力；

K_min为最小应力强度因子；

k为反映裂纹闭合增加速率的材料常数；

第四步：对于两批次的焊接初始缺陷尺寸和扩展到一特定尺寸时，若(ΔK_th,short)₂＞(ΔK_th,short)₁，表明第二种缺陷相对安全，其焊接工艺较好；反之，若(ΔK_th,short)₂＜(ΔK_th,short)₁，表明第一种焊接工艺较好。

进一步，所述第一步中，超声加速疲劳试验的频率为20kHz。

进一步，所述第二步中，进行材料本征门槛值的估算时，测量至少三个应力比条件下的疲劳门槛值。

进一步，所述第四步中，所述k值为0.03至0.04μm^-1。

本发明的有益效果是：

基于超高周疲劳实验结果和理论模型，提供一套焊接缺陷的尺寸分布快速测定和缺陷长大过程阻力的计算方法，以焊接缺陷的疲劳门槛值作为评价焊接质量的标准。该方法能获得不同批次焊接材料中，各种不同缺陷的尺寸分布，通过快速估算缺陷演化阻力，评价缺陷的安全性，指导焊接工艺的选择。该方法避免了根据焊接缺陷尺寸简单估计工艺优劣的经验性，为优化焊接工艺提供了科学基础。方法思路清晰，综合试验和理论模型，计算简单快捷。

附图说明

附图1为焊接转子焊接后的示意图；

附图2为超声疲劳试样外形结构示意图。

附图3为疲劳门槛值随焊接缺陷尺寸变化的示意图。

附图4为汽轮机转子焊接缺陷安全评定与工艺优化方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明汽轮机转子焊接缺陷评定方法的具体实施方式作详细说明。

参见附图1，两个汽轮机转子件1通过焊接连接在一起，其焊接质量取决于焊接工艺，相同焊接工艺的同一批次焊件的质量相对比较接近。

参见附图4，下面以一个实施例对汽轮机转子焊接缺陷的优化过程进行评定。

以某种核电低压焊接转子为例，其转子材料为25Cr2Ni2MoV钢，屈服强度σ_0.2为700MPa，抗拉强度σ_b为750MPa，弹性模量E为200GPa。其焊接缺陷评定方法具体步骤如下。

第一步：对使用不同焊接工艺的不同批次的转子均采用超声加速疲劳试验，分别得到不同批次转子结构中的最大缺陷尺寸作为初始缺陷尺寸。

这里以两种工艺焊接的两批次的转子，以计算应力比R=0.1时的疲劳性能参数为例进行说明，通过超声疲劳试验，获取焊接缺陷尺寸。选取两种焊接转子材料，根据附图2所示制取疲劳试样，开展应力比R为-1下的超声疲劳试验，频率为20kHz。观察疲劳断口形貌，测量焊接缺陷尺寸。最终确定焊接缺陷主要为夹杂物，其最大缺陷尺寸分别为100μm和200μm。

第二步：对每个批次的转子分别在多个应力比条件下开展疲劳门槛值测试，并进行材料本征门槛值的估算，所述材料本征门槛值是指应力比R逼近1时的门槛值，记为ΔK_th,eff。

根据GB/T6398《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，测量至少三个应力比下的疲劳门槛值，测量R分别为0.1、0.5和0.7下的疲劳门槛值，估算得到两种工艺方法下的本征门槛值ΔK_th,eff分别为1.3和0.8MPa·m^1/2。

第三步：对每个批次的转子，根据McEvily模型，得到疲劳门槛值ΔK_th,short的计算公式为：

${\mathrm{\ΔK}}_{\mathrm{th},\mathrm{short}}=\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th},\mathrm{op}}+\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th},\mathrm{eff}}=[1-e^{-k(\sqrt{\mathrm{area}}-{\sqrt{\mathrm{area}}}_0)}]\·\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{op},\max }+\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th},\mathrm{eff}}$

式中：

ΔK_th,op为裂纹闭合引起的门槛值分量；

ΔK_op,max为裂纹张开应力强度因子范围的最大值，ΔK_op,max＝(K_op)_max-K_min；

ΔK_th,eff为材料本征门槛值；

为初始缺陷尺寸；

K_op为裂纹张开应力强度因子，疲劳门槛值试验中按GB/T6398《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》测定；

(K_op)_max为最大裂纹张开应力强度因子，它是对应于某一R，靠近疲劳门槛值时的裂纹张开力；

K_min为最小应力强度因子；

k为反映裂纹闭合增加速率的材料常数；

通过R=0.1下的两种疲劳门槛值试验，得到裂纹张开应力强度范围的最大值ΔK_op,max分别为5.5和6.0MPa·m^1/2。对于两种焊接工艺，认为k值变化不大，取其值分别为0.03和0.04μm^-1。基于以上数据，构建短裂纹疲劳门槛值随焊接缺陷尺寸变化的关系图，如附图3所示。

第四步：对于两批次的焊接初始缺陷尺寸和扩展到一特定尺寸时，若(ΔK_th,short)₂＞(ΔK_th,short)₁，表明第二种缺陷相对安全，其焊接工艺较好；反之，若(ΔK_th,short)₂＜(ΔK_th,short)₁，说明第一种焊接工艺较好。

从附图3中可以看出，在焊接缺陷初始扩展200μm范围内，第二种焊接工艺对应的最大缺陷尺寸200μm的疲劳门槛值，开始时相对第一种焊接工艺较低，当扩展量超过10μm后，疲劳门槛值较大，表明疲劳裂纹扩展的抗力较大，这类工艺下的缺陷相对安全。因此，可以判断，第二种焊接工艺较优越。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种汽轮机转子焊接缺陷评定方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：对使用不同焊接工艺的不同批次的转子均采用超声加速疲劳试验，分别得到不同批次转子结构中的最大缺陷尺寸作为初始缺陷尺寸；

第二步：对每个批次的转子分别在多个应力比条件下进行材料本征门槛值的估算，所述材料本征门槛值是指应力比R逼近1时的门槛值，记为ΔK_th,eff；

第三步：对每个批次的转子，根据McEvily模型，得到疲劳门槛值ΔK_th,short的计算公式为：

${\mathrm{\ΔK}}_{th,short}={\mathrm{\ΔK}}_{th,op}+{\mathrm{\ΔK}}_{th,eff}=\[1-e^{-k(\sqrt{area}-{\sqrt{area}}_0)}\]\·{\mathrm{\ΔK}}_{op,max}+{\mathrm{\ΔK}}_{th,eff}$

式中：

ΔK_th,op为裂纹闭合引起的门槛值分量；

ΔK_op,max为裂纹张开应力强度因子范围的最大值，ΔK_op,max＝(K_op)_max-K_min；

ΔK_th,eff为材料本征门槛值；

为缺陷尺寸，用缺陷面积的根号计算，为一变量；

为初始缺陷尺寸；

K_op为裂纹张开应力强度因子，疲劳门槛值试验中按GB/T 6398《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》测定；

(K_op)_max为最大裂纹张开应力强度因子，它是对应于某一R，靠近疲劳门槛值时的裂纹张开力；

K_min为最小应力强度因子；

k为反映裂纹闭合增加速率的材料常数；

第四步：对于两批次的焊接初始缺陷尺寸和扩展到一特定尺寸时，若(ΔK_th,short)₂＞(ΔK_th,short)₁，表明第二种缺陷相对安全，其焊接工艺较好；反之，若(ΔK_th,short)₂＜(ΔK_th,short)₁，表明第一种焊接工艺较好，

其中，(ΔK_th,short)₂表示对应于第2批次初始缺陷尺寸在缺陷扩展时的疲劳门槛值大小，为一变量；(ΔK_th,short)₁表示对应于第1批次初始缺陷尺寸在缺陷扩展时的疲劳门槛值大小，为一变量；short代表短缺陷。

2.根据权利要求1所述的汽轮机转子焊接缺陷评定方法，其特征在于：所述第一步中，超声加速疲劳试验的频率为20kHz。

3.根据权利要求1所述的汽轮机转子焊接缺陷评定方法，其特征在于：所述第二步中，进行材料本征门槛值的估算时，测量至少三个应力比条件下的疲劳门槛值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的汽轮机转子焊接缺陷评定方法，其特征在于：所述第三步中，所述k值为0.03至0.04μm^-1。