X12CrMoWVNbN10-1-1鋼高溫裂紋擴(kuò)展特性分析

吳臻茂, 紀(jì)冬梅, 張亞杰,2, 朱月梅

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.中電國際姚孟第二發(fā)電有限公司, 河南 平頂山 467031;3.上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠, 上海 200240)

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X12CrMoWVNbN10-1-1鋼高溫裂紋擴(kuò)展特性分析

吳臻茂1, 紀(jì)冬梅1, 張亞杰1,2, 朱月梅3

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.中電國際姚孟第二發(fā)電有限公司, 河南 平頂山 467031;3.上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠, 上海 200240)

裂紋的萌生是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不可避免的問題,而裂紋的擴(kuò)展對電廠運(yùn)行產(chǎn)生極大的威脅.X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在火電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,針對X12CrMoWVNbN10-1-1轉(zhuǎn)子鋼高溫下的裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了分析:對X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在620 ℃下進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),對載荷、應(yīng)力比及頻率等參數(shù)影響裂紋擴(kuò)展的情況進(jìn)行了研究,并結(jié)合Paris模型、Forman模型以及C*參數(shù)模型,研究了X12CrMoWVNbN10-1-1鋼高溫疲勞及蠕變-疲勞交互作用下的裂紋擴(kuò)展速率模型.結(jié)果表明,X12CrMoWVNbN10-1-1鋼高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與載荷水平P及頻率f呈正相關(guān),與應(yīng)力比R呈負(fù)相關(guān);Paris公式和Forman公式適合描述X12CrMoWVNbN10-1-1鋼高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率,C*參數(shù)適合描述其蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率.

X12CrMoWVNbN10-1-1鋼; 高溫疲勞; 蠕變-疲勞; 裂紋擴(kuò)展

發(fā)電機(jī)組在調(diào)峰運(yùn)行中頻繁啟停,使得汽輪機(jī)發(fā)生故障的機(jī)會(huì)增多,其災(zāi)難性事故時(shí)有發(fā)生.在美國,1950～1980年報(bào)道的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子飛裂事故達(dá)到20起之多,其中美國加拉丁(Callatin)電廠2#機(jī)組轉(zhuǎn)子破壞就是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展導(dǎo)致失效的典型案例[1].大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子作為整鍛或焊接件,在加工制造過程中難免會(huì)出現(xiàn)缺陷,在運(yùn)行過程中也可能萌生裂紋.從斷裂力學(xué)角度說,裂紋萌生并不意味著構(gòu)件使用壽命的終止,只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)才會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展,導(dǎo)致壽命終止.裂紋從萌生到擴(kuò)展再到臨界尺寸,通常需要經(jīng)歷很長的運(yùn)行時(shí)間,因此如何保證構(gòu)件的安全可靠運(yùn)行,又能充分地利用其使用壽命,是工程上亟待解決的問題[2].陳龍[3]利用LCF-FCGM理論解析模型對Cr2Ni2MoV和X12CrMoWVNbN10-1-1等7種材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了預(yù)測.衛(wèi)東[4]編寫了國內(nèi)蠕變-疲勞載荷交互作用下裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法,并在600 ℃下對X12CrMoWVNbN10-1-1進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展試驗(yàn).目前,國外尚缺少對X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究.

鑒于整個(gè)社會(huì)節(jié)能減排的呼聲越來越高,提高發(fā)電機(jī)組蒸汽參數(shù)已成為趨勢,超超臨界發(fā)電技術(shù)在過去20多年內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[5-7],由于9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼具有良好的力學(xué)性能,因此其逐漸成為超超臨界機(jī)組用鋼,如X12CrMoWVNbN10-1-1鋼主要用于超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子,通常工作溫度為600～650 ℃[8-10].為了獲取X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在高溫條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展特性,本文在620 ℃空氣環(huán)境下對其進(jìn)行應(yīng)力控制的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),并分析了其在蠕變-疲勞交互作用下的裂紋擴(kuò)展特性.

1 高溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用X12CrMoWVNbN10-1-1高鉻合金鋼,該材料由德國研制開發(fā),是一種改良型的12%Cr鋼,主要用于超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片、氣缸等部位.研究表明,其具有較好的綜合力學(xué)性能、焊接性能和工藝性能,而且具有較高的高溫持久強(qiáng)度和高溫抗腐蝕性能.材料為低碳調(diào)質(zhì)鋼,經(jīng)過淬火和高溫回火的調(diào)質(zhì)處理后,組織主要為回火馬氏體(Tempered martensite),其化學(xué)成分如表1所示.

表1 X12CrMoWVNbN10-1-1的化學(xué)成分 %

1.2 試 樣

試驗(yàn)按照ASTM E1457-00標(biāo)準(zhǔn)及GB/T6398—2000標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合MTS370.10電液壓伺服試驗(yàn)機(jī)實(shí)際情況,制成緊湊拉伸(CT)試樣,如圖1所示,圖中單位均為mm.

試驗(yàn)前所有試樣在試驗(yàn)機(jī)上以f=11 Hz,R=0.05預(yù)制1 mm的疲勞裂紋;應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK計(jì)算公式[11]為:

(1)

(2)

式中:ΔK——應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍;a——裂紋長度;f——加載頻率; ΔP——試驗(yàn)所用最大載荷與最小載荷之差;

W——加載線所在平面與基準(zhǔn)面之間的寬度;

BN——厚度.

裂紋擴(kuò)展速率采用七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式求得.

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在美特斯公司生產(chǎn)的MTS370.10電液壓伺服多功能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣與U型夾具之間采用銷釘連接;試驗(yàn)溫度為620 ℃,溫度偏差不超過±3 ℃;環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室大氣.整個(gè)試驗(yàn)過程采用應(yīng)力控制加載模式,試驗(yàn)裝置如圖2所示.加載波形如圖3所示.

圖2 試驗(yàn)裝置

為了研究載荷水平、頻率、應(yīng)力比對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響,設(shè)置了不同的試驗(yàn)條件,最大載荷P分別為16 kN,18 kN,20 kN,35 kN;應(yīng)力比R分別為0.1,0.3,0.5,0.7;頻率f分別為0.5 Hz,1 Hz,3 Hz,5 Hz.裂紋擴(kuò)展至9 mm時(shí),卸掉載荷冷卻至室溫拉斷.

注:σmax—最大應(yīng)力;σmin—最小應(yīng)力;Tul—卸載時(shí)間;Tl—加載時(shí)間.

圖3 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)加載波形

2 試驗(yàn)結(jié)果

表2為X12CrMoWVNbN10-1-1鋼620 ℃下疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果.從表2可以看出,失效時(shí)間最長為9.77 h,最短為1.02 h,該試驗(yàn)方案下疲勞裂紋快速擴(kuò)展試驗(yàn)屬于低周裂紋擴(kuò)展.通過分析對比發(fā)現(xiàn),應(yīng)力比和加載頻率相同時(shí),載荷越大,失效時(shí)間越短,疲勞壽命越短;最大載荷和加載頻率相同時(shí),應(yīng)力比越大,失效時(shí)間越長,疲勞壽命越長;最大載荷和應(yīng)力比相同時(shí),頻率越大,失效時(shí)間越短,疲勞壽命先增大后減小,與頻率不呈單調(diào)關(guān)系.隨著應(yīng)力比、頻率的改變,失效時(shí)間發(fā)生了明顯的變化,這兩個(gè)疲勞因素對裂紋擴(kuò)展影響比較顯著.

表2 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼620 ℃下疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果

注:a0—裂紋擴(kuò)展初始長度;a—裂紋擴(kuò)展長度;Tr—失效時(shí)間;N—循環(huán)壽命.

圖4為各試驗(yàn)條件下裂紋長度隨循環(huán)次數(shù)增長曲線.由圖4可知,高溫疲勞裂紋擴(kuò)展曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈“J”型.

圖5為各試驗(yàn)條件下裂紋擴(kuò)展速率曲線.由圖5可知,高溫疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)過程明顯地呈現(xiàn)兩個(gè)階段:穩(wěn)定擴(kuò)展階段和加速階段,穩(wěn)定擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展速率有不同程度的波動(dòng),但主體趨勢呈緩慢增加;加速階段裂紋擴(kuò)展速率快速增大,波動(dòng)變小,承力橫截面的應(yīng)力快速增大到達(dá)臨界值,導(dǎo)致試樣斷裂.

圖4 各試驗(yàn)條件下裂紋長度隨循環(huán)次數(shù)增長曲線

圖5 各試驗(yàn)條件下裂紋擴(kuò)展速率曲線

3 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼裂紋擴(kuò)展速率模型

3.1 高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型

迄今為止,國內(nèi)外對疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測的研究很多,其中建立應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率之間關(guān)系的Paris 公式是目前工程中應(yīng)用最為廣泛的方法.Paris 公式是1963 年由Paris 和Erdogan 在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的疲勞裂紋擴(kuò)展公式[12],它也是當(dāng)今工程應(yīng)用預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的理論基石,其公式為:

(3)

(4)

式中:da/dN——裂紋擴(kuò)展速率,mm/次;a——裂紋長度,mm;N——應(yīng)力循環(huán)次數(shù);C,m——材料常數(shù),環(huán)境因素如溫度、濕度、介質(zhì)、加載頻率等都隱含在常數(shù)之中,可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到;

ΔK——應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍;

f——一般為構(gòu)件幾何與裂紋尺寸的函數(shù);

Kmax,Kmin——裂紋處應(yīng)力強(qiáng)度因子的最大值和最小值;

Δσ——裂紋處應(yīng)力幅值.

圖6為不同試驗(yàn)條件下裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的關(guān)系曲線.圖6中,直線為采用Paris公式對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合值.從圖6可以看出,裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的雙對數(shù)呈線性關(guān)系,實(shí)驗(yàn)值與擬合值比較吻合.另外,從圖6還可以看出,載荷越大,裂紋擴(kuò)展速率越快;應(yīng)力比越大,裂紋擴(kuò)展速率反而越小,并且隨著應(yīng)力比的增大,裂紋擴(kuò)展的失穩(wěn)階段與穩(wěn)定擴(kuò)展階段的差異性越來越小.而隨著應(yīng)力比的增大,平均應(yīng)力在增大,根據(jù)載荷水平對裂紋擴(kuò)展速率的影響,應(yīng)力比的增大裂紋擴(kuò)展速率也應(yīng)該增大,表明應(yīng)力幅值對裂紋擴(kuò)展速率有較大的影響,即疲勞對高溫裂紋擴(kuò)展具有較顯著的作用.試驗(yàn)4的裂紋擴(kuò)展速率大于試驗(yàn)7小于試驗(yàn)8.隨著頻率的減小,裂紋擴(kuò)展速率出現(xiàn)反復(fù);裂紋擴(kuò)展速率與載荷、頻率呈正比,與應(yīng)力比呈反比,頻率改變能夠顯著影響裂紋擴(kuò)展速率.

圖6 在620 ℃時(shí)不同試驗(yàn)條件下裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的關(guān)系曲線

表3為各試驗(yàn)條件下裂紋擴(kuò)展速率Paris模型.結(jié)果表明,0.928 2<ρ<0.993 3,說明Paris公式也可以用來描述高溫疲勞裂紋的擴(kuò)展速率.

表3 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼620 ℃下疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris模型

采用Paris公式擬合的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式只與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍相關(guān),不能反映應(yīng)力比對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.Forman公式不僅是應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的函數(shù),也是應(yīng)力比R函數(shù).因此,為了更好地描述不同應(yīng)力比R對裂紋擴(kuò)展速率的影響,采用Forman公式對試驗(yàn)4,試驗(yàn)5,試驗(yàn)6數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如表4所示.

表4 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼620 ℃下疲勞裂紋擴(kuò)展速率Forman模型

經(jīng)典的Forman公式為:

(5)

它較好地描述了裂紋擴(kuò)展的中部區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)的裂紋擴(kuò)展規(guī)律,可用來預(yù)測裂紋擴(kuò)展斷裂韌度Kc;同時(shí),也可以描述不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率,其擬合關(guān)系式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)比較高.

3.2 蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型

裂紋擴(kuò)展過程的載荷變化除了純疲勞及純?nèi)渥冎?還存在蠕變-疲勞交互載荷,載荷不但在某段時(shí)間保持不變,而且整個(gè)載荷過程還是周期性的循環(huán)載荷.

表5為X12CrMoWVNbN10-1-1鋼600 ℃下的疲勞、蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris模型.由表5可知,隨著保載時(shí)間的增大,相關(guān)系數(shù)逐漸減小,相對誤差逐漸增大.

表6為X12CrMoWVNbN10-1-1鋼600 ℃下的疲勞、蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率C*參數(shù)模型.由表6可知,擬合效果很好,相對誤差較小.

文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了X12CrMoWVNbN10-1-1鋼600 ℃下的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究.本文利用文獻(xiàn)[4]的試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別采用應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK和裂尖參數(shù)C*對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖7所示.從圖7可以看出,C*比ΔK更適合描述X12CrMoWVNbN10-1-1鋼600 ℃下的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率.

表5 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼600 ℃下的疲勞、蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris模型

表6 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼600 ℃下的疲勞、蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率C*參數(shù)模型

圖7 裂紋擴(kuò)展速率與ΔK和C*的擬合結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) X12CrMoWVNbN10-1-1鋼應(yīng)力控制下高溫疲勞裂紋擴(kuò)展曲線呈“J”型,整個(gè)試驗(yàn)過程可以分為穩(wěn)定擴(kuò)展和加速擴(kuò)展兩個(gè)階段.在穩(wěn)定擴(kuò)展階段,裂紋擴(kuò)展速率緩慢增加;而在加速擴(kuò)展階段,裂紋擴(kuò)展速率快速增大,試樣進(jìn)入快速失效階段.

(2) X12CrMoWVNbN10-1-1鋼高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨載荷、頻率的增大而增大,隨著應(yīng)力比的增大而減小;與載荷水平、頻率呈正相關(guān),與應(yīng)力比呈負(fù)相關(guān).在載荷水平、頻率及應(yīng)力比3大因素中,應(yīng)力比和頻率對裂紋擴(kuò)展的影響比較顯著,頻率的減小對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響也逐漸減小.

(3) 應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍適合描述高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率,C*參數(shù)比較適合用來描述較長保

載時(shí)間的裂紋擴(kuò)展速率,二者與裂紋擴(kuò)展速率的雙對數(shù)之間近似呈線性關(guān)系.采用Paris公式和Forman公式得出的擬合值與實(shí)驗(yàn)值誤差較小.

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(編輯 胡小萍)

Crack Propagation Analysis of X12CrMoWVNbN10-1-1 Steel at High Temperature

WU Zhenmao1, JI Dongmei1, ZHANG Yajie1,2, ZHU Yuemei3

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.YaomengSecondPowerGenerationCompanyLtd.,Pingdingshan467031,China; 3.ShanghaiSteamTurbineFactoryofShanghaiElectricPowerStationEquipmentCo.Ltd.,Shanghai200240,China)

Crack initiation is an unavoidable problem for turbine rotors,and crack propagation shows great threat to power plant.X12CrMoWVNbN10-1-1 steel is widely used in power plants.The study mainly focuses on the crack propagation characteristics of the X12CrMoWVNbN10-1-1 rotor steel at high temperature,and the following work is carried out.The influence of load,stress ratio and frequency on crack propagation of X12CrMoWVNbN10-1-1 steel is studied through fatigue crack propagation test at 620 ℃.The crack growth rate model of X12CrMoWVNbN10-1-1 steel under high temperature of pure fatigue and creep-fatigue interaction is studied by using Paris model,Forman model and C*parameter model.The results show that the fatigue crack propagation rate da/dNof X12CrMoWVNbN10-1-1 steel under high temperature is positively correlated with the load levelPand frequencyf,but negatively with the stress ratioR.The Paris formula and Forman formula does well to describe the fatigue crack growth rate of X12CrMoWVNbN10-1-1 steel under high temperature,and the C*parameter is better to describe the creep-fatigue interaction crack propagation rate.

X12CrMoWVNbN10-1-1 steel; high temperature fatigue; creep-fatigue; crack propagation

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.009

2016-11-30

吳臻茂(1991-),男,在讀碩士,四川綿陽人.主要研究方向?yàn)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)子鋼的力學(xué)性能.E-mail:xbrian@126.com.

TG132.3;TG115.57

A

1006-4729(2017)03-0258-07