長期運行后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展行為的研究

侍克獻(xiàn)， 林富生

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海200240）

轉(zhuǎn)子是發(fā)電設(shè)備的核心部件之一，必須保證其安全可靠運行.大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子作為整鍛或焊接件，在制造加工過程中難免會出現(xiàn)缺陷，在運行過程中也可能萌生裂紋.轉(zhuǎn)子的使用壽命實際上是轉(zhuǎn)子在服役條件下的裂紋形成時間與允許的裂紋長度所需的擴(kuò)展時間之和，而裂紋形成時間和擴(kuò)展時間與轉(zhuǎn)子服役條件密切相關(guān).轉(zhuǎn)子在高溫環(huán)境下運行，同時在汽輪機(jī)啟、停和變負(fù)荷過程中承受交變應(yīng)力，會產(chǎn)生低周疲勞.蠕變和疲勞同時存在，兩者是交互作用的.1974年美國某大型火電站的CrMoV鋼轉(zhuǎn)子在冷態(tài)啟動時發(fā)生斷裂事故，其運行時的主汽門溫度為565℃，該機(jī)組于1957年5月投運，至事故發(fā)生前累積運行106 000h，冷態(tài)啟停105次，熱態(tài)啟停183次，分析表明此次轉(zhuǎn)子失效是由于蠕變－疲勞交互作用的長期累計損傷導(dǎo)致夾雜物缺陷處產(chǎn)生裂紋，繼而擴(kuò)展斷裂造成的［1］.

可見，研究轉(zhuǎn)子鋼在蠕變以及蠕變－疲勞交互作用下的裂紋擴(kuò)展行為，對于保證轉(zhuǎn)子的安全可靠運行和經(jīng)濟(jì)合理使用具有重要意義.筆者對某電廠運行16年的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子解剖試樣進(jìn)行裂紋擴(kuò)展行為研究，為火電機(jī)組壽命評估累積基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

對服役后的汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子鋼——30Cr1Mo1V鋼的裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行試驗研究，其化學(xué)成分如表1所示，顯微組織為鐵素體和貝氏體的混合組織.

筆者根據(jù)有限元計算得到的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上不同部位的應(yīng)力、溫度都不同，存在高溫高應(yīng)力區(qū)和溫度與應(yīng)力較低的區(qū)域，按照溫度場與應(yīng)力場的分布情況，把轉(zhuǎn)子分成低溫段、高應(yīng)力段和高溫段，模擬結(jié)果見表2.針對高溫段和低溫段進(jìn)行取樣分析，取樣位置如圖1所示.其中，低溫段沒有經(jīng)歷高溫服役歷史，可視為交貨狀態(tài)的原始材料，將其性能與高溫段性能進(jìn)行對比，分析高溫服役對裂紋擴(kuò)展性能的影響.

表1 30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the steel 30Cr1Mo1V %

圖1 取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram for specimen positioning

表2 試樣的模擬工作溫度和等效應(yīng)力Tab.2 Simulation temperature and equivalent stress of various specimens

1.2 試驗方法

試驗選用的試樣尺寸和試驗設(shè)備均參考文獻(xiàn)［2］，試驗溫度選538℃.試驗方法參考 ASTM E1457－00［3］中規(guī)定的方法.采用不同的初始應(yīng)力強度因子（25MPa·m1／2、30MPa·m1／2、32MPa·m1／2、35MPa·m1／2、40MPa·m1／2、45MPa·m1／2）計算恒定載荷，進(jìn)行蠕變裂紋擴(kuò)展試驗.此外，本文中的蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展試驗采用恒載荷幅法，最大初始應(yīng)力強度因子Kmax為35MPa·m1／2，應(yīng)力比R為0.1，最大載荷Pmax保持時間th為1min、5min、10min、30min、60min和120min，最小載荷Pmin保持時間為2s，觀察不同保持時間對裂紋擴(kuò)展速率的影響.圖2為蠕變－疲勞試驗載荷波形示意圖.

圖2 蠕變－疲勞試驗載荷波形示意圖Fig.2 Stress waveform adopted in creep－fatigue tests

裂紋長度的測量采用直流電位法，試驗過程中實時記錄電勢與時間的關(guān)系.試驗結(jié)束后，在室溫下拉斷試樣，使用工具顯微鏡測量裂紋擴(kuò)展增量.通過裂紋擴(kuò)展電位Vx－t關(guān)系與裂紋長度的自身線性標(biāo)定，得到裂紋擴(kuò)展增量與時間的關(guān)系曲線.

2 蠕變裂紋擴(kuò)展試驗結(jié)果與分析

圖3、圖4分別給出了高溫段和低溫段在不同初始應(yīng)力強度條件下的蠕變裂紋擴(kuò)展增量Δa與時間t的關(guān)系曲線.從曲線上可以看出，該轉(zhuǎn)子鋼的蠕變裂紋擴(kuò)展可以分為三個階段.在蠕變裂紋擴(kuò)展之前都存在一個孕育期，在此階段裂紋擴(kuò)展比較緩慢，其中低溫段、高溫段在低初始應(yīng)力條件下的裂紋孕育期尤其明顯.高應(yīng)力條件下的裂紋孕育期短，裂紋擴(kuò)展速率快，隨著試驗載荷的降低，裂紋擴(kuò)展的孕育時間延長，裂紋擴(kuò)展速率變得較緩慢.因此，可以設(shè)想在工程應(yīng)用中當(dāng)載荷低于某一數(shù)值時，孕育期可以延長到高溫構(gòu)件所需的設(shè)計期限.

圖3 不同初始應(yīng)力強度因子條件下高溫段的裂紋擴(kuò)展增量Δa與時間t的關(guān)系Fig.3 Creep crack growth lengthΔaof high－temperature specimen vs.time t at different initial stress factors

圖4 不同初始應(yīng)力強度因子條件下低溫段的裂紋擴(kuò)展增量Δa與時間t的關(guān)系Fig.4 Creep crack growth lengthΔaof low－temperature specimen vs.time t at different initial stress factors

蠕變裂紋萌生時間可以用來表征材料抵抗蠕變裂紋擴(kuò)展的能力和評估材料的使用安全性，蠕變裂紋萌生時間是與應(yīng)力和溫度相關(guān)的參量［4］.圖5給出了裂紋擴(kuò)展萌生時間t0與初始應(yīng)力強度因子KI的關(guān)系，由圖5可知，在一定溫度條件下，裂紋擴(kuò)展萌生時間t0隨初始應(yīng)力強度因子KI的降低而延長.在相同應(yīng)力條件下，高溫段裂紋萌生時間明顯短于低溫段.

圖5 裂紋擴(kuò)展萌生時間t0與初始應(yīng)力強度因子KI的關(guān)系Fig.5 Creep crack initiation time t0vs.initial stress intensity factor KI

圖6為試驗得到的蠕變裂紋擴(kuò)展速率曲線.由圖6可知，不同初始應(yīng)力強度因子條件下高溫段的裂紋擴(kuò)展速率曲線相對集中，且隨著初始應(yīng)力強度因子的增大，裂紋擴(kuò)展速率越來越大，而低溫段的裂紋擴(kuò)展速率曲線相對平行.結(jié)合圖5的蠕變裂紋萌生時間可以認(rèn)為，對于低溫段而言，不同初始應(yīng)力強度因子主要影響了裂紋萌生時間，對裂紋擴(kuò)展速率影響較?。欢鴮τ诟邷囟蝸碚f，不同初始應(yīng)力強度因子不僅影響裂紋萌生時間，還影響裂紋擴(kuò)展速率.從圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，在相同應(yīng)力強度條件下，高溫段的蠕變裂紋擴(kuò)展速率均明顯大于低溫段.

圖6 蠕變裂紋擴(kuò)展速率da／dt與應(yīng)力強度因子K的關(guān)系Fig.6 Creep crack growth rate da／dt vs.stress intensity factor K

此外，從以上的蠕變裂紋擴(kuò)展速率曲線可觀察出蠕變裂紋的擴(kuò)展趨勢屬于典型的蠕變裂紋擴(kuò)展曲線，基本符合以下圖7的規(guī)律［5］.

在范圍Ⅰ中蠕變裂紋幾乎不擴(kuò)展；在范圍Ⅱ中，蠕變裂紋擴(kuò)展速率隨K的增大而增大，在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線性變化；當(dāng)K值達(dá)到一定數(shù)值后，產(chǎn)生一個平臺，裂紋擴(kuò)展速率不變，見圖7中范圍Ⅲ；最后，當(dāng)K接近KⅠC時，蠕變裂紋擴(kuò)展速率迅速增加到破壞值，見范圍Ⅳ.

圖7 典型蠕變裂紋擴(kuò)展速率曲線Fig.7 A typical creep crack growth rate curve

3 蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展試驗結(jié)果與分析

圖8、圖9分別給出了高溫段和低溫段在不同保持時間條件下的蠕變裂紋擴(kuò)展增量Δa與時間t的關(guān)系曲線.

圖8 不同保持時間條件下高溫段的蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展增量Δa與時間t的關(guān)系Fig.8 Creep－fatigue crack growth lengthΔaof high－temperature specimen vs.time t under different hold－time conditions

圖9 不同保持時間條件下低溫段的蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展增量Δa與時間t的關(guān)系Fig.9 Creep－fatigue crack growth length Δaof low－temperature specimen vs.time t under different hold－time conditions

從圖8和圖9可以看出，蠕變－疲勞條件下的裂紋擴(kuò)展曲線與純?nèi)渥儣l件下的曲線存在不同的特點，蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展曲線上沒有出現(xiàn)前面描述的蠕變裂紋擴(kuò)展三個階段.幾乎沒有明顯的第一階段——蠕變裂紋萌生期，加載以后裂紋很快進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，且擴(kuò)展速度較快，可以認(rèn)為疲勞縮短了裂紋的孕育期.在裂紋擴(kuò)展前期，保持時間越短也即疲勞所占比例越大的試樣其裂紋擴(kuò)展比較快，且都快于純?nèi)渥儣l件下的情況.還可以發(fā)現(xiàn)，保持時間越短的試樣越早進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段.除了高溫段保持時間為120min的擴(kuò)展后期外，蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展到相同裂紋長度所需的時間一般都短于純?nèi)渥儣l件下的情況，且保持時間越短的試樣所需時間相對越短.

圖10、圖11為高溫段蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dt、da／dN與應(yīng)力強度因子幅度的關(guān)系曲線.從圖10可以看出，不同保持時間條件下高溫段的蠕變裂紋擴(kuò)展速率比較接近，尤其是其中保持時間比較短的幾組試樣.蠕變－疲勞條件下的裂紋擴(kuò)展速率曲線沒有表現(xiàn)出圖7的典型純?nèi)渥兞鸭y擴(kuò)展速率曲線的特征.

圖10 高溫段蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dt與應(yīng)力強度因子幅度ΔK的關(guān)系Fig.10 Creep－fatigue crack growth rate da／dt of high－temperature specimen vs.the range of stress intensity factorΔK

圖11 高溫段蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dN與應(yīng)力強度因子幅度ΔK的關(guān)系Fig.11 Creep－fatigue crack growth rate da／dNof high－temperature specimen vs.the range of stress intensity factorΔK

圖12、圖13為低溫段蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dt、da／dN與應(yīng)力強度因子幅度的關(guān)系曲線.可以看出除了其中保持時間為120min的da／dt曲線在擴(kuò)展后期速率迅速上升外，低溫段的蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dt、da／dN曲線總體比較平直.不同保持時間條件下的蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dt，基本上保持時間越短反而越大.而蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dN除了保持時間比較長的120min外，其余保持時間條件下的曲線比較接近，基本重合到一起，可以認(rèn)為保持時間對低溫段材料的蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dN影響很小.

圖12 低溫段蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dt與應(yīng)力強度因子幅度ΔK的關(guān)系Fig.12 Creep－fatigue crack growth rate da／dt of low－temperature specimen vs.the range of stress intensity factorΔK

圖13 低溫段蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dN與應(yīng)力強度因子幅度ΔK的關(guān)系Fig.13 Creep－fatigue crack growth rate da／dNof low－temperature specimen vs.the range of stress intensity factorΔK

為了比較不同保持時間對試驗結(jié)果的影響，將保持時間轉(zhuǎn)換為頻率［6］.圖14和圖15是從ΔK＝36MPa·m1／2處選取不同保持時間條件下的裂紋擴(kuò)展速率da／dt和da／dN，在雙對數(shù)坐標(biāo)上建立起的其與頻率的相關(guān)性曲線.

圖14 ΔK＝36MPa·m1／2時蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dt與頻率f的相關(guān)性曲線Fig.14 Creep－fatigue crack growth rate da／dt vs.frequency f

圖15 ΔK＝36MPa·m1／2時蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dN 與頻率f的相關(guān)性曲線Fig.15 Creep－fatigue crack growth rate da／dNvs.frequency f

從圖14可以看出，載荷保持時間越短，蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率與頻率越相關(guān)，載荷保持時間越長，蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展速率與時間越相關(guān)，也即與蠕變相關(guān).從圖15可以看出，在載荷保持時間較短的條件下，裂紋擴(kuò)展行為與載荷保持時間的關(guān)系越小，主要與疲勞循環(huán)周次相關(guān).

結(jié)合圖14和圖15可以發(fā)現(xiàn)，低溫段除了保持時間較長的120min的情況外，其他保持時間條件下的裂紋擴(kuò)展速率da／dt對試驗頻率相對敏感，而其裂紋擴(kuò)展速率da／dN對試驗頻率基本不敏感，可以認(rèn)為低溫段的裂紋擴(kuò)展行為主要與循環(huán)相關(guān).高溫段的裂紋擴(kuò)展速率da／dt與試驗頻率之間的斜率比低溫段小，也即其對頻率的敏感性低，而其裂紋擴(kuò)展速率da／dN除了保持時間較短的1min情況外，對試驗頻率比較敏感，可以認(rèn)為相對低溫段而言，高溫段的裂紋擴(kuò)展行為更受控于時間相關(guān)的蠕變性能.

分析認(rèn)為高溫段由于在長時服役過程中，蠕變性能衰退相對嚴(yán)重，在進(jìn)行高溫蠕變－疲勞性能試驗時更傾向受控于時間相關(guān)的蠕變性能；而低溫段由于服役期間所受溫度較低，更接近材料的原始狀態(tài)，所以在進(jìn)行高溫蠕變－疲勞性能試驗時相對于高溫段更受控于循環(huán)相關(guān)的疲勞性能.

4 結(jié) 論

（1）相對于低溫段而言，高溫段的蠕變裂紋擴(kuò)展性能發(fā)生明顯退化.

（2）疲勞縮短了蠕變－疲勞裂紋的擴(kuò)展孕育期，加快了裂紋的擴(kuò)展.

（3）在載荷保持時間較短的情況下，蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展行為主要與循環(huán)相關(guān)；而在載荷保持時間較長的情況下，裂紋擴(kuò)展行為主要與時間相關(guān).

（4）高溫段的蠕變－疲勞裂紋擴(kuò)展行為更受控于時間相關(guān)的蠕變性能，而低溫段相對于高溫段更受控于循環(huán)相關(guān)的疲勞性能.

［1］李益民，楊百勛，史志剛，等.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子事故案例及原因分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2007，49（1）：66－69.LI Yimin，YANG Baixun，SHI Zhigang，et al.Accidants cases and reasons analysis of turbine rotors［J］.Turbine Technology，2007，49（1）：66－69.

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