CN114112668A - 一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，基于不同应力比下纯疲劳和不同短时保载下的蠕变‑疲劳裂纹扩展实验，拟合裂纹扩展曲线得到高温合金材料的疲劳裂纹扩展速率表达式，外延得到实际服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式，最后通过积分求解得到服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。该模型考虑了服役部件在疲劳裂纹扩展过程中蠕变时间导致的材料老化影响，克服了传统纯疲劳条件下评估裂纹扩展寿命准确性差、试验耗时长，不经济等的突出问题。该发明的模型简单、经济，且考虑了高温保载时间、准确性高，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测要求，并指导检修计划的合理制定。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型。
背景技术
燃气轮机火焰筒、过渡段、透平静叶片、护环、轮盘、轴等高温静止部件作为燃气轮机的核心部件，是工作环境最恶劣、结构最复杂、故障最多、更换频率极高的部件。在长时间高温循环、高应力条件下服役，高温部件不可避免地产生不同程度的热疲劳裂纹损伤。对于损伤高温部件国外燃机制造商一般要求直接更换，更换部件费用极高，严重降低了国内燃气轮机发电企业的经济性和竞争力。实际上，相比于透平动叶等高温转动部件，高温静止部件所受应力相对较小，其基体合金材料对于裂纹有一定的容限，即允许部件在存在一定裂纹情况下继续服役。为了合理利用部件寿命，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，燃气轮机透平静叶片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和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，形成的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，目前在工程中应用最为广泛的方法依然是1963年由Paris和Erdogan在实验基础上提出的疲劳裂纹扩展公式，这就是著名的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。在以往研究中，这种以纯疲劳载荷为主的裂纹扩展寿命预测模型往往与温度和保温时间无关，主要考虑循环应力强度因子范围和应力比。然而，实际服役燃机高温静止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，纯疲劳相关的裂纹扩展寿命预测的准确性差，同时为了提高准确性，这种纯疲劳相关的裂纹扩展寿命计算方法往往需要从实际部件上取样，不利于损伤高温静止部件的再服役其应用受到限制。另，完全模拟实际条件下的裂纹扩展试验耗时长，也不经济。
因此，传统疲劳裂纹扩展寿命预测模型及分析方法均存在缺陷，开发一种简单、经济、准确性高的燃气轮机高温静止部件疲劳裂纹扩展寿命预测模型具有重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，该模型简单、经济，且考虑了高温保载时间、准确性高，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测要求，并指导检修计划的合理制定。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，预测模型的构建过程包括以下步骤：
步骤1、采用燃气轮机高温静止部件相同材质的试样，在保载时间为0的条件下，采用不同的应力比分别进行裂纹扩展试验，将得到的不同应力比的裂纹扩展曲线进行拟合，得到不同应力比下的裂纹扩展速率表达式；
步骤2、采用燃气轮机高温静止部件相同材质的试样，分别进行不同短时保载时间t下的疲劳裂纹扩展试验，将不同保载时间的裂纹扩展曲线进行拟合，并结合不同应力比下的裂纹扩展速率表达式，得到不同保载时间t下的裂纹扩展速率表达式；
步骤3、依据燃气轮机高温静止部件实际高温下的保载时间t′，并结合保载时间t下的裂纹扩展速率表达式，外延得到服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式；
步骤4、根据服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式，并结合裂纹从初始长度和临界尺寸建立高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。
优选的，步骤1所述的保载时间为0。
优选的，步骤1所述的不同应力比下的裂纹扩展速率表达式如下：
da/dN＝A(△Ke)B
其中，△Ke＝△K(1-R)r-1，△Ke为等效应力强度因子幅，R为应力比，A和B为常数。
优选的，步骤2所述的短时保载时间为30-120s。
优选的，步骤2所述保载时间t下的裂纹扩展速率表达式如下：
其中，A、B、C和D为常数，△Ke＝△K(1-R)r-1，△Ke为等效应力强度因子幅，R为应力比。
优选的，步骤3保载时间t′的裂纹扩展速率表达式；
优选的，步骤4中对服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式进行积分求解，得到高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。
优选的，所述高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型的表达式如下：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，将高温静止部件基体材料的裂纹扩展分成不同应力比下纯疲劳裂纹扩展和不同保载时间蠕变作用下疲劳裂纹扩展，通过分别开展不同应力比和不同短时保载下的高温静止部件基体材料裂纹扩展试验，分别得到不同应力比下纯疲劳裂纹扩展速率参数和不同保载时间蠕变作用下疲劳裂纹扩展速率参数，即得到高温静止部件所用高温合金材料的疲劳裂纹扩展速率表达式；然后依据燃气轮机高温静止部件实际高温下的保载时间，外延得到服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式；最后，通过对服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式进行积分求解，即可得到服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。
附图说明
图1是本发明所述的服役燃气轮机高温静止部件疲劳裂纹扩展寿命预测模型建立流程；
图2是服役燃气轮机高温静止部件裂纹扩展寿命预测原理；
图3为服役态高温静止部件裂纹扩展寿命预测结果和实际部件基体材料裂纹扩展寿命测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1-3，一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，预测模型的构建过程包括以下步骤：
步骤1、建立不同应力比条件下的高温合金材料疲劳裂纹扩展速率表达式。
采用燃气轮机高温静止部件相同材质的试样，开展不同应力比、保载时间为0下的裂纹扩展试验，将得到的不同应力比的裂纹扩展曲线进行拟合，得到不同应力比R下的裂纹扩展速率表达式，表达式如下：
da/dN＝A(△Ke)B
其中，△Ke＝△K(1-R)r-1，△Ke为等效应力强度因子幅，R为应力比，A和B为常数，da/dN为单位循环周次下的裂纹扩展尺寸。
步骤2、建立不同短时保载下的高温合金材料疲劳裂纹扩展速率表达式。
采用燃气轮机高温静止部件相同材质的试样，开展不同保载时间t下高温静止部件所用高温合金材料的疲劳裂纹扩展试验，将不同保载时间的裂纹扩展曲线进行拟合，并结合不同应力比R下的裂纹扩展速率表达式，得到不同保载时间t下的裂纹扩展速率表达式，表达式如下：
其中，A、B、C和D为常数。
步骤3、建立服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式。
依据燃气轮机高温静止部件实际高温下的保载时间t′，并结合保载时间t下的裂纹扩展速率表达式，外延得到保载时间t′的裂纹扩展速率表达式，表达式如下：
步骤4、建立服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。
根据保载时间t′的裂纹扩展速率表达式，并结合裂纹从初始长度a0和临界尺寸ac建立高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型，预测模型的表达式如下：
假设部件某区域的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸分别为a0和ac，则裂纹从初始长度a0扩展至临界尺寸ac的扩展寿命如下：
步骤5、根据预测模型对燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命进行预测。
本发明的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，主要包括不同应力比下高温合金材料疲劳裂纹扩展速率表达式、不同保载时间下高温合金材料疲劳裂纹扩展速率表达式、服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式和裂纹扩展寿命预测模型。基于不同应力比下纯疲劳和不同短时保载下的蠕变-疲劳裂纹扩展实验，拟合裂纹扩展曲线得到高温合金材料的疲劳裂纹扩展速率表达式，外延得到实际服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式，最后通过积分求解得到服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。该模型考虑了服役部件在疲劳裂纹扩展过程中蠕变时间导致的材料老化影响，克服了传统纯疲劳条件下评估裂纹扩展寿命准确性差、试验耗时长，不经济等的突出问题。该发明的模型简单、经济，且考虑了高温保载时间、准确性高，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹扩展寿命预测要求，并指导检修计划的合理制定。
以燃烧室过渡段所用Nimonic263高温合金材料为例，运用本发明的裂纹扩展寿命预测模型建立流程获得了950℃下服役过渡段基体的裂纹扩展寿命预测模型：
实施例1
某服役燃机燃烧室过渡段某区域存在裂纹损伤，服役温度950℃，不同启停工况下实际循环应力比0.1～0.6，最高应力值60MPa，日启停运行，每次循环的高温运行时间约8小时。采用燃烧室过渡段所用Nimonic263高温合金材料截取裂纹扩展试样，在950℃、不同应力比条件下，测试得到Nimonic263高温合金材料的裂纹扩展速率表达式：
在在950℃、不同保载时间下，测试得到Nimonic263高温合金材料的裂纹扩展速率表达式：
外延获得保载时间为8小时条件下Nimonic263高温合金材料的裂纹扩展速率表达式为：
最后对表达式求积分得到950℃下服役过渡段基体的裂纹扩展寿命预测模型：
实施例结果表明，采用本发明提出的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，该方法结合采用的不同应力比下纯疲劳和不同保载时间蠕变-疲劳裂纹扩展实验相结合的方法，既考虑服役部件的实际高温保载时间，又考虑到不同应力比下纯疲劳条件下裂纹扩展寿命评估方法存在的问题，提出了一种简单、经济、准确性高、适用性和通用性强的燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，能够满足燃气轮机高温静止部件的裂纹扩展寿命预测要求，并指导检修计划的合理制定和修复延寿方案的确定。
图3为采用本发明的寿命预测模型得到的燃烧室过渡段裂纹扩展寿命曲线与实际服役态燃烧室过渡段裂纹扩展寿命曲线。可看出，通过本发明寿命预测模型所得循环寿命与裂纹尺寸之间关系曲线与实际部件基体的裂纹扩展寿命曲线接近，在一定裂纹尺寸条件下，预测寿命略大于实际部件裂纹扩展寿命，这归因于高温合金材料与实际部件基体材料的状态差异。即便如此，本发明的寿命预测模型具有极高的寿命预测准确度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，预测模型的构建过程包括以下步骤：
步骤1、采用燃气轮机高温静止部件相同材质的试样，在保载时间为0的条件下，采用不同的应力比分别进行裂纹扩展试验，将得到的不同应力比的裂纹扩展曲线进行拟合，得到不同应力比下的裂纹扩展速率表达式；
步骤2、采用燃气轮机高温静止部件相同材质的试样，分别进行不同短时保载时间t下的疲劳裂纹扩展试验，将不同保载时间的裂纹扩展曲线进行拟合，并结合不同应力比下的裂纹扩展速率表达式，得到不同保载时间t下的裂纹扩展速率表达式；
步骤3、依据燃气轮机高温静止部件实际高温下的保载时间t′，并结合保载时间t下的裂纹扩展速率表达式，外延得到服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式；
步骤4、根据服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式，并结合裂纹从初始长度和临界尺寸建立高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，步骤1所述的保载时间为0。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，步骤1所述的不同应力比下的裂纹扩展速率表达式如下：
da/dN＝A(△Ke)B
其中，△Ke＝△K(1-R)r-1，△Ke为等效应力强度因子幅，R为应力比，A和B为常数。
4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，步骤2所述的短时保载时间为30-120s。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，步骤2所述保载时间t下的裂纹扩展速率表达式如下：
其中，A、B、C和D为常数，△Ke＝△K(1-R)r-1，△Ke为等效应力强度因子幅，R为应力比。
6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，步骤3保载时间t′的裂纹扩展速率表达式；
7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，步骤4中对服役高温静止部件基体疲劳裂纹扩展速率表达式进行积分求解，得到高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型。
8.根据权利要求6所述的一种燃气轮机高温静止部件基体裂纹扩展寿命预测模型，其特征在于，所述高温静止部件基体疲劳裂纹扩展寿命预测模型的表达式如下：
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| 于强: "蠕变与疲劳交互作用下裂纹扩展速率的探讨", 《机械强度》, vol. 35, no. 5, pages 674 - 683 * |
| 吴臻茂: "X12CrMoWVNbN10—1—1钢高温裂纹扩展特性分析", 《上海电力学院学报》, vol. 33, no. 3, pages 258 - 264 * |
| 张卫国: "随机波浪力谱及结构件裂纹扩展研究", 《中国工程机械学报》, vol. 7, no. 1, pages 20 - 25 * |
| 王璞 等: "GH864 合金蠕变/疲劳裂纹扩展速率及 a-N 曲线分析", 《稀有金属材料与工程》, vol. 40, no. 4, pages 630 - 634 * |
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| 赵则祥: "曲线拟合方法对压入法材料力学性能测量结果的影响", 《 稀有金属材料与工程》, no. 3, pages 397 - 400 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114112668B (zh) | 2024-03-12 |
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