超超临界高中压转子钢疲劳裂纹扩展行为及寿命评估

摘要

汽轮机转子钢的疲劳寿命在正常工作应力条件下，由裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命组成。在实际服役条件下，原则上不允许转子钢带裂纹使用，但是转子在裂纹形成后，从裂纹扩展到失稳断裂仍有较长的寿命。本文围绕超超临界高中压转子钢的疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性、裂纹扩展寿命以及超载对转子钢疲劳裂纹扩展行为的影响作了试验研究与探讨。
　　本文对12％Cr转子钢裂纹扩展寿命的研究表明，频率、环境介质、应力比、应力波谱、温度等因素对裂纹扩展速率有影响。随着温度升高，12%Cr转子钢裂纹扩展速率增大。考虑试验条件和转子实际工作情况的差异，对试验数据做了修正，得到了在不同温度下用Paris公式处理后建立的12%Cr转子钢裂纹扩展寿命的数学表达式。对国产及进口转子的高中压转子钢裂纹扩展速率进行了对比表明，国产超超临界高中压转子钢的裂纹扩展速率稍高于进口转子，但差距不大。
　　本文研究了12%Cr转子钢的超载迟滞特性。超载比、超载停歇时间等因素对12%Cr转子钢疲劳裂纹扩展行为有很大的影响，超载使疲劳裂纹扩展产生阻滞效应。当超载比低于20%时，超载对裂纹扩展的阻滞效应不明显，随着超载比逐渐增大，超载对裂纹扩展的阻滞效应逐渐增强。超载停歇时间对裂纹扩展的阻滞效应有明显影响。试验表明，迟滞循环数随停歇时间延长而增加。超载使12%Cr转子钢疲劳裂纹扩展的第Ⅰ、Ⅱ阶段的扩展速率略为减慢，但对第Ⅲ阶段没有影响，总体来看，超载对12%Cr转子钢裂纹扩展速率的影响不显著。
　　本文测试了在不同温度下国产以及进口的12%Cr转子钢的断裂韧性值。国产超超临界高中压转子钢室温KIC平均值为73.18 MPa·m1/2，与进口超超临界高中压转子钢的KIC值相当。
　　基于Paris方程和本文试验所得到的12%Cr超超临界高中压转子钢裂纹扩展速率参数和断裂韧性KIC，对12%Cr转子钢的裂纹扩展寿命进行了预测。并进一步对超超临界高中压转子室温动平衡和超速试验的可行性和安全性进行了断裂力学分析。最后对一重、上重生产的含缺陷的超超临界高中压转子进行了实际的安全性评价和剩余寿命估算。

目录

超超临界高中压转子钢疲劳裂纹扩展行为及寿命评估

STUDY ON THE FATIGUE CRACK GROWTH BEHAVIOR AND LIFE EVALUATION OF ULTRA-SUPERCRITICAL HP/IP ROTOR STEEL

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 本课题的背景与意义

1.2 超超临界汽轮机高中压转子材料的研究历史及现状

1.3 疲劳裂纹扩展速率

1.4 国内外超超临界转子钢断裂力学研究现状及发展趋势

1.5 国内外汽轮机转子寿命评估研究状况及发展趋势

1.6 本课题研究的主要内容与研究方案

第2章 材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 裂纹扩展速率试验方法

2.3 断裂韧性试验方法

2.4 裂纹长度的测量方法

第3章 12%Cr转子钢疲劳裂纹扩展速率试验研究

3.1 疲劳裂纹扩展速率试验数据处理方法

3.2 试验结果及分析

3.3 影响12%Cr转子钢da/dN的因素分析与Paris方程系数的修正

3.4 本章小结

第4章 超载对12%Cr转子钢疲劳裂纹扩展行为的影响

4.1 超载对转子钢疲劳裂纹扩展行为影响的试验研究

4.2 本章小结

第5章 超超临界高中压转子的安全性评价和剩余寿命估算

5.1 12%Cr转子钢断裂韧度的试验结果

5.2 超超临界高中压转子裂纹扩展寿命估算

5.3 本章小结

第6章 超超临界高中压转子的室温动平衡及超速试验的安全性

6.1 热箱试验的分析

6.2 室温动平衡的可行性

6.3 室温动平衡安全性的定量分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢

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