CN112380656B - 一种燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，包括：载荷条件计算；初始裂纹的检测；断裂韧度的测试；裂纹扩展速率测试及模型参数求解；裂纹扩展寿命计算。本发明结合数值模拟、无损检测、基于保载时间的疲劳裂纹扩展试验和寿命计算，采用基于短暂保载条件下的疲劳裂纹扩展试验获得疲劳裂纹扩展速率方程，分解得到以纯循环为主的疲劳裂纹扩展速率分项和以保载时间为主的疲劳裂纹扩展速率分项，确定方程参数后得到一个以保载时间作为变量的新的裂纹扩展速率方程。根据此方程，通过积分可定量计算任意一个长保载时间下，燃烧室部件从初始裂纹扩展到的临界裂纹尺寸的循环寿命。本发明操作简单，耗时短、准确性高、方法可靠，适用性和通用性强。
Description
技术领域
本发明属于寿命评估领域，具体涉及一种燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法。
背景技术
燃烧室火焰筒、过渡段、燃料喷嘴作为燃气轮机燃烧室的核心部件，在长时间的高温、高应力条件下服役，不可避免地产生不同程度裂纹损伤，严重影响高温性能和服役寿命。为合理利用部件寿命，并制定合理的检修周期和修复方案，以保证燃气轮机发电设备安全、经济、持续运行，燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命分析方法已受到国内外研究者们的关注。
目前，国外燃机制造商一般通过统计分析大量同型号燃气轮机高温部件长时服役过程中的裂纹萌生与扩展规律以及材料的组织损伤和性能退化规律，建立损伤统计数据库，从而确定裂纹扩展寿命，然而经验与规律统计方法的可靠性主要取决于经验数据和规律统计，数据累积周期长，数据获取难度大。同时，随着流体力学、断裂力学以及试验和计算分析手段的发展，形成了基于纯疲劳载荷下裂纹扩展规律的疲劳裂纹扩展寿命计算方法，目前已经在工程中应用最为广泛的方法依Paris公式，它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系，是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命理论的基础，已经在航空航天、能源、矿业、交通和海洋工程等诸多工业领域得到广泛的应用。但是，在以往的研究中，这种以纯循环为主的疲劳裂纹扩展率往往与温度几乎无关，主要考虑循环应力强度因子范围和应力比。
然而，实际燃烧室部件在服役过程中不仅受到频繁启停下的热循环作用，而且受到高温稳定运行阶段的蠕变损伤作用，纯循环相关的疲劳裂纹扩展寿命计算方法的准确性差，其应用受到限制，并且完全模拟实际条件下的裂纹扩展试验耗时长，也不经济。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中疲劳裂纹扩展寿命计算方法耗时较长以及准确性不高的问题，提供一种燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，操作简单、耗时短、准确性可靠，适用性和通用性强，满足燃气轮机燃烧室薄壁部件疲劳裂纹扩展寿命的分析需要。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，包括以下步骤：
1)载荷条件计算：采用数值计算方法分析裂纹损伤部位的服役温度循环和应变范围；
2)初始裂纹的检测：通过无损检测方法确定初始裂纹的尺寸；
3)断裂韧度的测试：
测试不同温度下部件所用合金材料的断裂韧度KIC，部件不同区域的临界裂纹尺寸ac通过断裂韧度KIC求得，计算表达式为ac＝1/п[KIC/aσmax]2，其中σmax为最大应力值；
4)裂纹扩展速率测试及模型参数求解：加工部件所用合金材料模拟件，使其厚度与部件厚度保持一致，截取疲劳裂纹扩展试样，以部件实际服役温度循环和应变范围作为测试条件，并在高温区保载不同时间，记录若干个循环次数n及其对应的裂纹长度a，拟合a-n曲线，在曲线上每隔一定的△N选取若干点，求出其对应的△K和da/dN值；将得到的△K和da/dN值在双对数坐标上进行线性拟合，得到lg(da/dN)-lg△K，最终得到部件所用合金材料的疲劳裂纹扩展速率表达式da/dN＝C(ΔK)m；将da/dN分解成疲劳分量C1(ΔK)m1和蠕变分量C2(ΔK)n2t1/2，即da/dN＝C1(ΔK)m1+C2(ΔK)n2t1/2，根据不同保载时间下得到的疲劳裂纹扩展曲线及参数带入上式，求出C1、m1、C2、n2，即得到一个以保载时间t作为变量的裂纹扩展速率方程；
5)裂纹扩展寿命计算：保载时间t，利用裂纹扩展速率方程得到疲劳裂纹扩展寿命的估算表达式Np＝∫da/C(ΔK)m＝[1/(1-m/2)C1(Δσ)m](ac 1-m/2-a0 1-m/2)；在已知C、m、Δσ、ac和a0的前提下，预测从初始裂纹a0扩展到临界裂纹ac所经历的疲劳载荷循环次数Np。
优选的，燃气轮机燃烧室部件为火焰筒、过渡段或燃料喷嘴。
优选的，燃气轮机燃烧室部件材料为Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS 309、RA333 或Tomilloy。
优选的，数值计算方法通过ANSYS、Fluent、Nastran或Patran分析软件进行分析。
优选的，无损检测方法包括荧光、着色、超声、涡流或目视方法中的一种或多种组合。
优选的，断裂韧度的测试温度范围为800℃～1200℃。
优选的，裂纹扩展速率测试的温度循环范围为20℃～1200℃，应变范围为0～2，每个条件下测试多次。
优选的，所述的保载时间t的范围为0～30min。
优选的，所述疲劳裂纹扩展速率为考虑蠕变作用的疲劳裂纹扩展速率，裂纹扩展速率方程的表达式为：da/dN＝C1(ΔK)m1+C2(ΔK)n2t1/2。da/dN＝C(ΔK)m，利用疲劳裂纹扩展速率表达式得疲劳裂纹扩展寿命的估算公式为：Np＝[1/(1-m/2)Camπm/2(Δσ)m](ac 1-m/2-a0 1-m/2)。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：该方法结合数值模拟、无损检测、基于保载时间的疲劳裂纹扩展试验和寿命计算，采用基于短暂保载条件下的疲劳裂纹扩展试验获得疲劳裂纹扩展速率方程，分解得到以纯循环为主的疲劳裂纹扩展速率分项和以保载时间为主的疲劳裂纹扩展速率分项，确定方程参数后得到一个以保载时间作为变量的新的裂纹扩展速率方程。根据此方程，通过积分可定量计算任意一个长保载时间下，燃烧室部件从初始裂纹扩展到的临界裂纹尺寸的循环寿命。本发明操作简单，耗时短、准确性高、方法可靠，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机燃烧室薄壁部件疲劳裂纹扩展寿命分析需要。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，包括以下步骤：
1)服役燃烧室部件载荷条件计算：采用数值计算方法分析服役燃烧室部件裂纹损伤部位的服役温度循环和应变范围。
2)初始裂纹的检测：通过无损检测方法确定初始裂纹的尺寸，是指开始计算时，零构件中的最大原始缺陷尺寸a0。
3)断裂韧度的测试：按照标准测试方法加工部件所用合金材料断裂韧度测试试样，测试不同温度下的断裂韧度KIC，部件不同区域的临界裂纹尺寸ac可通过断裂韧度KIC求得，计算公式为：ac＝1/п[KIC/aσmax]，其中σmax为最大应力值。
4)裂纹扩展速率测试及模型参数求解：
加工部件所用合金材料模拟件，其厚度与部件厚度保持一致，截取疲劳裂纹扩展试样，以部件实际服役温度循环和应变范围作为测试条件，并在高温区保载不同时间，记录若干个循环次数n及其对应的裂纹长度a。拟合a-n曲线，在曲线上每隔一定的△N选取若干点，求出其对应的△K和da/dN值。将得到的△K和da/dN值在双对数坐标上进行线性拟合，即可得到lg(da/dN)-lg△K，最终得到部件所用合金材料的疲劳裂纹扩展速率表达式da/dN＝C(ΔK)m。将da/dN分解成疲劳分量C1(ΔK)m1和蠕变分量C2(ΔK)n2√t，即da/dN＝C1(ΔK)m1+C2(ΔK)n2t1/2。根据不同保载时间下得到的疲劳裂纹扩展曲线及参数带入上式中，求出C1、m1、C2、n2，即得到一个以保载时间t作为变量的裂纹扩展速率方程。
5)裂纹扩展寿命计算：
根据部件时间保载时间，确定t值。利用疲劳裂纹扩展速率表达式可得疲劳裂纹扩展寿命的估算公式为：Np＝∫da/C(ΔK)m＝[1/(1-m/2)Camπm/2(Δσ)m](ac 1-m/2-a0 1-m/2)。在已知C、m、Δσ、 ac和a0的前提下，可以预测从初始裂纹a0扩展到临界裂纹ac所经历的疲劳载荷循环次数Np。
本发明的方法结合数值模拟、无损检测、基于保载时间的疲劳裂纹扩展试验和寿命计算，采用基于短暂保载条件下的疲劳裂纹扩展试验获得疲劳裂纹扩展速率方程，分解得到以纯循环为主的疲劳裂纹扩展速率分项和以保载时间为主的疲劳裂纹扩展速率分项，确定方程参数后得到一个以保载时间作为变量的新的裂纹扩展速率方程。根据此方程，通过积分可定量计算任意一个长保载时间下，燃烧室部件从初始裂纹扩展到的临界裂纹尺寸的循环寿命。
本发明的方法操作简单，耗时短、准确性高、方法可靠，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机燃烧室薄壁部件疲劳裂纹扩展寿命分析需要。由于本发明提供的服役燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命分析方法是针对现役E级、F级甚至H级燃气轮机燃烧室部件普遍存在的裂纹扩展寿命评估问题提出的，普遍适用于在役重型燃气轮机火焰筒、过渡段、燃料喷嘴等主要燃烧室薄壁部件材料的裂纹扩展寿命评估，具有极强通用性。
此外，由于该方法考虑服役部件的实际裂纹损伤状态和服役条件(温度循环、应力应变值、保载时间)，克服了传统纯循环相关的疲劳裂纹扩展寿命计算方法准确性差以及完全模拟实际条件下的裂纹扩展试验耗时长的突出问题，具有极强的适用性和准确性。
本发明能够预测燃烧室火焰筒、过渡段、燃料喷嘴等部件材料的裂纹扩展寿命，而裂纹扩展寿命是决定部件是否可继续服役或更换的重要参考因素，因此本发明可以用于燃烧室部件判废和检修周期的制定依据，具有广泛的应用前景。
采用本发明能够较准确获得燃烧室部件材料的裂纹扩展寿命，根据评估结果，可制定检修周期，也可判定部件是否可继续服役、更换或修复延寿。对于可修复延寿的部件，修复延寿后还可继续服役至下一个检修周期，从而减少部件的报废率并带来巨大的经济效益。
由于本发明所述燃烧室部件裂纹扩展寿命分析方法的主要程序包含数值模拟、无损检测、基于保载时间的疲劳裂纹扩展试验和寿命计算等，不同燃烧室高温部件材料的主要分析过程基本相同，且试验测试工作量较少，时效性高。因此本发明所提出的燃烧室部件裂纹扩展寿命分析方法不仅成本低廉、操作简单、时效性高、且便于流程化操作。
实施例
以服役过渡段材料的疲劳裂纹扩展寿命分析评估为例阐述本发明的工作原理：
以某日启停燃机机组的实际运行监控数据和过渡段内壁原始裂纹长度2.5mm作为原始数据，通过对过渡段建模、流场和温度场和应力应变场计算，获得过渡段裂纹区的温度循环范围分别为200～900℃，应力幅值40MPa，应力比约为0.1。
用过渡段所用合金材料加工标准断裂韧度测试试样，测得900℃下的过渡段所用合金材料断裂韧度为21.6MPa·m1/2。ac＝1/п[KIC/aσmax]2＝1/п[21.6/1.12×40]2＝0.0739m。
分别在保载时间为0min，10min、20min、30min，温度循环范围为200～900℃，应力比约为0.1条件下，测试过渡段所用合金材料的lg(da/dN)-lg△K关系曲线，最终得到部件所用合金材料的疲劳裂纹扩展速率表达式da/dN＝-18.57(ΔK)11.85。
将da/dN分解成疲劳分量C1(ΔK)m1和蠕变分量C2(ΔK)n2t1/2，即da/dN＝ C1(ΔK)m1+C2(ΔK)n2t1/2。根据不同保载时间下得到的疲劳裂纹扩展曲线及参数带入上式中，求出C1＝9×10-11、m1＝4.5、C1＝1.1×10-10、n2＝4.5，即得到一个以保载时间t作为变量的裂纹扩展速率方程da/dN＝9×10-11(ΔK)4.5+1.1×10-10(ΔK)4.5×t1/2。
机组稳定运行阶段，部件保载时间大约为8h，带入上式，得到da/dN＝＝1.8757×10-8(ΔK)4.5。
已知a0＝2.5mm，ac＝73.9mm，Δσ＝40MPa，C＝1.8757×10-8，m＝4.5，通过Np＝[1/[(1- m/2)Camπm/2(Δσ)m]](ac 1-m/2-a0 1-m/2)，可计算出裂纹扩展寿命约为212次。
参见表1，表1为服役态过渡段材料疲劳裂纹扩展寿命分析结果及误差。
表1
根据服役态过渡段材料疲劳裂纹扩展寿命计算结果表明：采用本发明的分析方法对服役过渡段材料的疲劳裂纹扩展寿命估算值分别约为1995次，其疲劳裂纹扩展寿命测试平均值分别约为1781次，疲劳裂纹扩展寿命估算值与寿命测试值的误差约为8.96％。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)载荷条件计算：采用数值计算方法分析裂纹损伤部位的服役温度循环和应变范围；
2)初始裂纹的检测：通过无损检测方法确定初始裂纹的尺寸；
3)断裂韧度的测试：
测试不同温度下部件所用合金材料的断裂韧度KIC，部件不同区域的临界裂纹尺寸ac通过断裂韧度KIC求得，计算表达式为ac＝1/п[KIC/aσmax]2，其中σmax为最大应力值；
4)裂纹扩展速率测试及模型参数求解：加工部件所用合金材料模拟件，使其厚度与部件厚度保持一致，截取疲劳裂纹扩展试样，以部件实际服役温度循环和应变范围作为测试条件，并在高温区保载不同时间，记录若干个循环次数n及其对应的裂纹长度a，拟合a-n曲线，在曲线上每隔一定的△N选取若干点，求出其对应的△K和da/dN值；将得到的△K和da/dN值在双对数坐标上进行线性拟合，得到lg(da/dN)-lg△K，最终得到部件所用合金材料的疲劳裂纹扩展速率表达式da/dN＝C(ΔK)m；将da/dN分解成疲劳分量C1(ΔK)m1和蠕变分量C2(ΔK)n2t1/2，即da/dN＝C1(ΔK)m1+C2(ΔK)n2t1/2，根据不同保载时间下得到的疲劳裂纹扩展曲线及参数带入上式，求出C1、m1、C2、n2，即得到一个以保载时间t作为变量的裂纹扩展速率方程；
5)裂纹扩展寿命计算：保载时间t，利用裂纹扩展速率方程得到疲劳裂纹扩展寿命的估算表达式Np＝∫da/C(ΔK)m＝[1/(1-m/2)Camπm/2(Δσ)m](ac 1-m/2-a0 1-m/2)；在已知C、m、Δσ、ac和a0的前提下，预测从初始裂纹a0扩展到临界裂纹ac所经历的疲劳载荷循环次数Np。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：
燃气轮机燃烧室部件为火焰筒、过渡段或燃料喷嘴。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：燃气轮机燃烧室部件材料为Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS 309、RA333或Tomilloy。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：所述数值计算方法通过ANSYS、Fluent、Nastran或Patran分析软件进行分析。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：所述的无损检测方法包括荧光、着色、超声、涡流或目视方法中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：
断裂韧度的测试温度范围为800℃～1200℃。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：裂纹扩展速率测试的温度循环范围为20℃～1200℃，应变范围为0～2，每个条件下测试多次。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：
所述的保载时间t的范围为0～30min。
9.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室部件裂纹扩展寿命评估方法，其特征在于：
所述疲劳裂纹扩展速率为考虑蠕变作用的疲劳裂纹扩展速率，裂纹扩展速率方程的表达式为：da/dN＝C1(ΔK)m1+C2(ΔK)n2t1/2，利用疲劳裂纹扩展速率表达式得疲劳裂纹扩展寿命的估算公式为：Np＝[1/(1-m/2)Camπm/2(Δσ)m](ac 1-m/2-a0 1-m/2)。
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